XFC | eXtreme Fast Control Technology

XFC-Technologien

Distributed-Clocks

Betrachtet man einen normalen, diskreten Regelkreis, dann wird zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Istwerterfassung (Eingangskomponente) durchgeführt, das Ergebnis an die Steuerung geliefert (Kommunikationskomponente), die Reaktion berechnet (Steuerungskomponente), deren Ergebnis an die Sollwertausgabebaugruppe (Ausgangskomponente) kommuniziert und an den Prozess (Regelstrecke) ausgegeben.

Für den Regelprozess entscheidend ist, neben einer möglichst kurzen Reaktionszeit, sowohl eine deterministische, d. h. zeitlich exakt berechenbare, Istwerterfassung, als auch eine damit korrespondierende, deterministische Sollwertausgabe. Zu welchem Zeitpunkt in der Zwischenzeit kommuniziert und berechnet wird, spielt keine Rolle, solange die Ergebnisse bis zum nächsten Ausgabezeitpunkt in der Ausgabeeinheit zur Verfügung stehen. Die zeitliche Exaktheit wird also in den I/O-Komponenten benötigt und nicht in der Kommunikation oder in der Berechnungseinheit.

Die verteilten Uhren von EtherCAT (Distributed-Clocks) stellen daher eine XFC-Basistechnologie dar und sind allgemeiner Bestandteil der EtherCAT-Kommunikation.

Jeder EtherCAT-Teilnehmer verfügt über eine eigene lokale Uhr, die automatisch durch die EtherCAT-Kommunikation mit allen anderen Uhren ständig abgeglichen wird. Unterschiedliche Kommunikationslaufzeiten werden ausgeglichen, sodass die maximale Abweichung aller Uhren untereinander in der Regel unter 100 Nanosekunden beträgt. Die aktuelle Zeit der verteilten Uhren wird daher auch als Systemzeit bezeichnet, da sie im gesamten System jederzeit zur Verfügung steht.

Time-Stamp/Multi-Timestamp

Normalerweise werden Prozessdaten in ihrem jeweiligen Datenformat übertragen (z. B. ein Bit für einen digitalen Wert oder ein Wort für einen analogen Wert). Die zeitliche Bedeutung des Prozessdatums ergibt sich entsprechend aus dem Kommunikationszyklus, in dem das Datum übertragen wird. Dadurch sind aber auch die zeitliche Auflösung und Genauigkeit auf den Kommunikationszyklus beschränkt.

Timestamp-Data-Types beinhalten, zusätzlich zu ihren Nutzdaten, einen Zeitstempel. Dieser Zeitstempel – natürlich in der überall verfügbaren Systemzeit – ermöglicht, wesentlich genauere Informationen zum zeitlichen Bezug des Prozessdatums zu geben. Zeitstempel können sowohl für Eingänge – wann hat sich etwas ereignet – als auch für Ausgänge – wann soll eine Reaktion erfolgen – genutzt werden. So kann z. B. der genaue Zeitpunkt übermittelt werden, zu dem ein Ausgang geschaltet werden soll. Der Schaltauftrag wird dann unabhängig vom Buszyklus ausgeführt.

Während die Timestamp-Klemmen einen Schaltauftrag bzw. ein Schaltereignis pro Buszyklus verarbeiten können, ist es mit Hilfe der Multi-Timestamp-Klemmen möglich, bis zu 32 Schaltaufträge bzw. Schaltereignisse pro Zyklus zu verarbeiten.

Oversampling

Normalerweise werden Prozessdaten genau einmal pro Kommunikationszyklus übertragen. Dadurch ist im Umkehrschluss die zeitliche Auflösung eines Prozessdatums direkt von der Kommunikationszykluszeit abhängig. Höhere zeitliche Auflösungen sind nur durch Verringerung der Zykluszeit möglich – was natürlich praktischen Grenzen unterliegt.

Oversampling-Data-Types ermöglichen die mehrfache Abtastung eines Prozessdatums innerhalb eines Kommunikationszyklus und die anschließende (Eingänge) oder vorherige (Ausgänge) Übertragung aller Daten in einem Array. Der Oversampling-Faktor beschreibt dabei die Anzahl der Abtastungen innerhalb eines Kommunikationszyklus und ist daher ein Vielfaches von Eins. Abtastraten von 200 kHz sind ohne weiteres auch mit moderaten Kommunikationszykluszeiten möglich.

Oversampling-Abtastung

Das jeweilige Triggern der Abtastung in den I/O-Komponenten wird wiederum durch die lokale Uhr – bzw. die globale Systemzeit – gesteuert, was entsprechende zeitliche Beziehungen zwischen verteilten Signalen im gesamten Netzwerk ermöglicht.

XFC-Oversampling

Schnelle I/Os

Um sehr schnelle physikalische Reaktionen zu bekommen, sind in jedem Fall entsprechend kurze Steuerungszykluszeiten in der zugeordneten Steuerung notwendig. Eine Reaktion kann erst dann erfolgen, wenn die Steuerung ein Ereignis erkannt und verarbeitet hat.

Der klassische Ansatz, um Zykluszeiten im Bereich von 100 μs zu erreichen, sind ausgelagerte Spezialsteuerungen, die über eigene, direkt angesteuerte I/Os verfügen. Dieser Ansatz hat klare Nachteile, da die ausgelagerte Steuerung nur über sehr beschränkte Informationen des Gesamtsystems verfügt und daher keine übergeordneten Entscheidungen treffen kann. Eine Umparametrisierung – z. B. für neue Werkstücke – ist ebenfalls nur eingeschränkt möglich. Großer Nachteil ist aber auch die starre I/O-Konfiguration, die sich in der Regel nicht erweitern lässt.

Prozessabbild

Unterlagerte Spezialsteuerung (eingeschränktes Prozessabbild)

Prozessabbild

Schnelle Zentralsteuerung (vollständiges Prozessabbild)

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