eXtreme Fast Control (XFC) mit dem Multiachs-Servoregler AX8000
Extrem schnell
Mit dem Multiachs-Servosystem AX8000 lassen sich mehrachsige Antriebslösungen hochkompakt aufbauen. Besondere Merkmale sind die sehr schnelle Regelungstechnik mit außergewöhnlich kurzen Zeiten zur Verarbeitung von Ethercat-Frames. Durch Twincat im Antrieb können Anwender Motion-Control-IP (Intellectual Property)-Module erstellen, dessen Algorithmen von der CPU/FPU des Servoreglers AX 8000 ausgeführt werden. Das senkt die Entwicklungskosten und ermöglicht innovative Ansätze.
Vor nicht allzu langer Zeit war es normal, dass SPS, Motion Control bzw. CNC und Feldbus nicht synchronisiert waren. Bei großen z.B. mit Profibus realisierten Anlagen konnten leicht Reaktionszeiten von mehreren 100ms auftreten.
Stand der Technik
Heute ist es üblich, dass Industrie-PCs zur Automatisierung eingesetzt werden, wodurch SPS, CNC und Visualisierung eine gemeinsame Hardware nutzen. Auch setzten sich bei neuen Maschinen Ethernet-basierte Feldbusse wie Ethercat immer weiter durch. Es ist mit aktueller Technik kein Problem, SPS, CNC und Feldbus mit synchronisierten Zykluszeiten im Millisekundenbereich zu betreiben. Die erreichbaren Zykluszeiten hängen im Wesentlichen von der Größe der Maschine, von der Rechenleistung des Prozessors und von der Konfiguration des Feldbusses ab. Bei CNC-gesteuerten Maschinen liegt die Zykluszeit von Motion Control und Ethercat als Feldbus heute meist um 1ms. Die angesteuerten, intern schneller getakteten Servoantriebe nutzen Feininterpolationsalgorithmen, um die geforderte Bahngenauigkeit sicherzustellen. Bild 1 veranschaulicht den üblichen zeitlichen Ablauf einer Reaktion auf ein Prozessereignis. Nacheinander werden vom Prozessor das Prozessabbild vom Feldbus eingelesen, die SPS- und CNC-Routinen abgearbeitet und die berechneten Datenworte zur Ausgabe mit dem nächsten Feldbuszyklus bereitgestellt. Trigger-Signal zum Abtasten (Input) bzw. zum Halten (Output) ist das Ethercat-Distributed-Clock-(DC)-Signal, in den Bildern dargestellt durch rote Pfeile. Die Ethercat-Slaves haben vom Sample der Eingänge bis zum Durchlauf des Frames Zeit, um die Daten im Ethercat-ASIC bzw. -FPGA zum On-line-Processing bereitzustellen. Analog gilt das für die Bearbeitung der Ausgangssignale bis zur Ausgabe mit dem nächsten DC. Da alle Zykluszeiten synchron sind, ist die Reaktionszeit ab der Abtastung vollständig deterministisch. Unerwünscht und häufig für den Anwender auch überraschend ist die resultierende Reaktionszeit von ca. zwei bis drei Zyklen, also z.B. 2 bis 3ms bei einer Zykluszeit von 1ms. Falls eine Reaktion über eine Bewegungssteuerung erfolgen soll, kommt der systemimmanente Delay der Feininterpolation von genau einem Zyklus dazu. Insgesamt beträgt die Verzögerung bei einer Motion-Control-Reaktion drei bis vier Zykluszeiten. Möchte man bei einer CNC-Maschine schnell auf z.B. zu hohe Kräfte oder Drehmomente – in der Art eines Regelkreises – reagieren, so ist die beschriebene Verzugszeit regelungstechnisch wirksam und beeinflusst das Verhalten.
Kommunikation mit doppeltem Feldbustakt
Die Aufteilung des üblichen Read/Write Ethercat Frames in zwei Frames ist eine Möglichkeit die Totzeit zu reduzieren: Unmittelbar nach dem Sample der Prozessdaten durch das DC-Signal werden mit einem Ethercat Read Frame die Eingangssignale dem Industrie-PC bereitgestellt. Bei aktuellen Industrie-PCs kann für diesen Frame die Hardware-Funktionalität zeitgesteuertes Senden genutzt werden, um eventuelle Latenzzeiten durch Prozessorbearbeitung auszuschließen. Sofort nach dem Abarbeiten der Algorithmen durch den Prozessor werden die Ausgangsdaten mit dem Ethercat Write Frame aktualisiert. Bild 2 veranschaulicht den zeitlich optimierten Ablauf einer Reaktion auf ein Prozessereignis. Die resultierende Reaktionszeit beträgt jetzt nur noch ein bis zwei Zyklen – ein Zyklus wurde eingespart. Bei einer Reaktion über Motion Control mit jetzt ca. zwei bis drei statt vorher etwa drei bis vier Zyklen Delay entspricht das einer Verringerung der Verzugszeit um rund 30%. Bei dieser Methode ist es wichtig, dass die Signalverarbeitung in den Ethercat-Slaves zeitoptimiert ist.
