Technologie

Verfahren zur Abtastung von digitalen Eingängen

• Standardabtastung
  Die Standardabtastung wird bei „normalen“ digitale Ein-/Ausgangsklemmen angewendet. Für den Eingang bedeutet das, von außen wird ein 24 V-Signal (TRUE) oder 0 V-Signal (FALSE) von einem Sensor (z.B. Lichtschranke) angelegt. Diese Kanalinformation wird mit dem nächsten EtherCAT-Zyklus abgefragt und an die Steuerung übertragen.
  Das bedeutet weiterhin, dass innerhalb der letzten Zykluszeit dieses Signal an den Eingang angelegt worden ist und zum Zeitpunkt der Abfrage immer noch anlag. Es kann aber keine Aussage getroffen werden, zu welchem exakten Zeitpunkt diese Flanke am Eingang ankam, oder ob vorher bereits kurze Pulse vorhanden waren.



• In Abb. Abfrage Eingangs-Kanalinformation, Standard werden die Pulse A und B nicht erfasst, erst Puls C dauert lange genug an und ist während der Abtastung (blau) präsent, so dass die "1" vom Buszyklus erfasst wird. Diese Betriebsart wird auch als FrameTriggered beschrieben.
  Das Zeitraster für die Abtastung ist also die verwendete Task/EtherCAT-Zykluszeit von z.B. 10 ms oder 1 ms. Sollen Vorgänge in der Maschine in feineren Abständen abgetastet werden, muss üblicherweise die Zykluszeit auf das gewünschte oder minimal mögliche Maß verringert werden, z.B. 100 µs. Das bedeutet aber Einschränkungen bzgl. der dann noch maximal zur Verfügung stehenden Rechenzeit und ggf. auch des EtherCAT-Datenvolumens innerhalb dieser Zykluszeit.
  Abhilfe schaffen zwei verfügbare Technologien: Oversampling und Zeitstempel.
  Die EtherCAT-Klemmen EL1258, EL1259 und EL2258 können prinzipiell zur Standardabtastung verwendet werden.
• Oversampling
  Die Eingangsklemmen lesen innerhalb der vorgegebenen (konfigurierbaren) Zykluszeit den Status des Eingangs n-fach ein und speichert die Zustände in einem Array, das der Steuerung im Buszyklus übergeben wird. Das entsprechend feinere Zeitraster, der Mikrozyklus, erlaubt somit eine langsame Buszykluszeit bei trotzdem extrem feiner Abtastung.
  Die Eingangsklemme EL1262 z. B.kann bis zu 1000fach Oversampling bei 1 µs Mikrozyklus.



• In Abb. Abfrage Eingangs-Kanalinformation, Oversampling werden im Vergleich zu der Standardabtastung auch Puls A und B erfasst. Über die bekannte Mikrozykluszeit kann aus dem resultierenden Datenstrom jeder einzelne Puls ermittelt werden. Allerdings wird mit jedem EtherCAT-Zyklus ein konstant hohes Datenvolumen übertragen, auch wenn am Eingang gar keine Flankenwechsel anlagen.
• Zeitstempel
  Die Eingangsklemme arbeitet bei diesem Verfahren nur ereignisbezogen. Die Flankenwechsel werden am Eingangskanal registriert, dabei werden intern für jedes Ereignis/Event zwei Informationen gespeichert: der Eingangszustand 0/1 nach dem Flankenwechsel und die exakte Uhrzeit des Flankenwechsels, der Zeitstempel/Timestamp. Die Uhrzeit wird dabei aus dem synchronisierten Distributed-Clocks-System von EtherCAT gewonnen, das ohne besondere Konfiguration alle dazu fähigen EtherCAT-Geräte im Netzwerk auf << 1 µs Zeitgenauigkeit synchronisiert (siehe dazu die EtherCAT-Grundlagen-Dokumentation).



• In Abb. Abfrage Eingangs-Kanalinformation, mit Zeitstempel wird die steigende und die fallende Flanke von Puls A nun als Ereignis jeweils mit Zeitstempel erfasst und durch den EtherCAT-Zyklus zur Steuerung übertragen. Die Zeitauflösung ist hier 1 ns, es liegt hier also eine für mechanische Verhältnisse „unendlich“ feine Zeitauflösung vor. Die EL1252 kann „nur“ je eine fallende und eine steigende Flanke je Zyklus speichern – treten mehrere Flankenwechsel auf wie z.B. die steigende Flanke von Puls C, wird das erste oder letzte Event gespeichert, je nach Konfiguration (siehe Dokumentation EL1252).
  Zusammenfassend lässt sich sagen, die Verfahren Oversampling und Zeitstempel liefern ein deutlich feineres Abbild des zeitlichen Maschinenablaufs als eine Standardabtastung des digitalen Eingangs.

Verfahren zur Abtastung von digitalen Ausgängen

Die zuvor genannten Prinzipien lassen sich entsprechend auf digitale Ausgänge übertragen.

• Standardabtastung
  Ein framegetriggerter Standard-Ausgang kann nur jeweils mit dem Zeitpunkt des EtherCAT-Zyklus schalten, wenn er einen neuen Ausgangs-Soll-Zustand erhält:



• In Abb. Ausgabe Ausgangs-Kanalinformation, Standard ist die Anzahl der Schaltereignisse auf die Zykluszeit begrenzt und im eigentlichen Schaltzeitpunkt überhaupt nicht veränderbar. Für schnelllaufende oder hochgenau arbeitende Maschinen hat dies erheblichen Einfluss auf die maximal mögliche Produktionsgeschwindigkeit und Fertigungstoleranzen. Auch hier helfen die beiden Technologien Oversampling und Zeitstempel weiter.
• Oversampling
  Die Steuerung berechnet das Array an digitalen 0/1-Ausgabedaten voraus und sendet es zum Ausgangskanal. Dieser taktet im fixen Mikrozyklus die Ausgangssollzustände nacheinander heraus.



• Damit wird eine deutlich feinere Zeitauflösung der Aktorsteuerung auch weit unterhalb der eigentlichen Zykluszeit erreicht.
  Die digitale Ausgangsklemme EL2262 erreicht bei 1000fach Oversampling eine Zeitauflösung von 1 µs.
• Zeitstempel
  Beim Zeitstempelprinzip berechnet die Steuerung einen exakten Zeitpunkt , zu dem der Ausgang in einen neuen Zustand 0/1 gehen soll. Nach dem Übermitteln dieses Schaltauftrags wartet die Klemme, bis dieser Zeitpunkt erreicht ist und schaltet dann selbsttätig, unabhängig vom Buszyklus. Auch hier ist die Distributed-Clocks-Funktion maßgebend, sie synchronisiert die in der Ausgangsklemme laufende lokale Uhr.



• Die Steuerung übergibt bei (A) einen Schaltauftrag aus Ausgangszustand und Schaltzeitpunkt an den Ausgangskanal, der bei (B) zyklus-unabhängig ausgeführt wird. Dann kann die Steuerung einen neuen Schaltauftrag senden (C). Auch hier gilt die „unendlich“ feine Zeitauflösung von 1 ns.
  Generell sind bei der digitalen Ausgangsklemme EL2252 mit Oversampling zwei Zyklen zur Aktivierung eines Schaltauftrages notwendig.

Multi-Timestamp

Die Multi-Timestamp-Fähigkeit eröffnet nun für digitale Ein- und Ausgänge neue Anwendungsmöglichkeiten:

Eingänge EL1258, EL1259

• 8 Multi-Timestamp-Kanäle auf 12 mm Baubreite
• Alle Kanäle arbeiten vollständig unabhängig voneinander
• Jeder Kanal kann nicht nur eine, sondern bis zu 32 Signalflanken („Events“) je Zyklus erfassen
• Jeder Kanal verfügt über einen eigenen Buffer. Events werden zwischengespeichert, falls in einem Zyklus mehr Signalflankenwechsel am Eingang ankommen, als über die Prozessdaten abgeholt werden. Der Buffer kann fortlaufend über die zyklischen Prozessdaten zur Steuerung gesendet werden. Auch ein Handshake-Modus ist möglich - damit gehen bei Kommunikationsstörungen keine Signale zur Steuerung verloren.
• Die Prozessdatengröße ist für jeden Kanal einzeln konfigurierbar, d.h., wie viel zeitgestempelte Events je Zyklus durch die PLC vom Kanal abgeholt werden sollen
• Diese Funktionen erfordern ein Prozessabbild, das sich von der bisherigen EL1252 unterscheidet. Aus Kompatibilitätsgründen zur bestehenden Anwender-Software kann aber die Klemme auf ein kompatibles Prozessabbild geschaltet werden (ohne die neuen Funktionen).
• Die Abtastung des Eingangszustands 0/1 erfolgt in einem Raster (Mikrozyklus) von einigen µs je nach gewählter Einstellung und liegt damit deutlich unter der EtherCAT-Buszykluszeit
• Eine so detektierte Signalflanke erhält als Zeitstempel die Startzeit des Mikrozyklus' , in dem sie erfasst wurde
• Es ist je Kanal ein einstellbarer digitaler Filter aktivierbar, der zu kurze Signale (Spikes) ausblendet
• Je Zyklus können deutlich mehr Signalwechsel mit Zeitstempel erfasst werden, durch den Buffer geht keine Eventinformation verloren

Ausgänge EL1259, EL2258

• 8 Multi-Timestamp-Kanäle auf 12 mm Baubreite
• Alle Kanäle arbeiten vollständig unabhängig voneinander
• Jeder Kanal verfügt über einen Buffer und kann somit nicht nur einen Schaltauftrag, sondern max. 32 Events zwischenspeichern. Somit können auch mehrere Schaltevents innerhalb eines Zyklus zeitgenau vorgegeben werden.
• Damit Schaltaufträge möglichst schnell vom Kanal übernommen werden, arbeitet die Muti-Timestamp-Funktion mit AutoActivation: neue Schaltaufträge werden in jedem Zyklus ohne besondere Aktivierung übernommen, auch hier ist ein optionales Handshake-Verfahren möglich.
• Es ist für jeden Kanal einzeln die Prozessdatengröße konfigurierbar, also wie viele Zeitstempel-Schaltaufträge je Zyklus von der Steuerung zum Kanal geschickt werden können
• Diese Funktionen erfordern ein Prozessabbild, das sich von der bisherigen EL2252 unterscheidet. Aus Kompatibilitätsgründen zu bestehender Anwender-Software kann aber die Klemme auf ein kompatibles Prozessabbild geschaltet werden (ohne die neuen Funktionen).
• Die Abfrage, ob ein auszuführender Schaltauftrag im Buffer vorliegt, erfolgt in einem Raster (Mikrozyklus) von einigen µs je nach gewählter Einstellung und liegt damit deutlich unter der EtherCAT-Buszykluszeit. Somit sind auch mehrere Timestamp-Schaltaufträge je Buszyklus möglich.
• Um den am Ausgangskanal angeschlossenen Aktor zu testen, kann der Ausgang auch über das CoE manuell d.h. ohne Zeitstempel geschaltet werden
• Damit können nun im Rahmen des Mikrozyklus annähernd beliebig viele Schaltaufträge je Kanal ausgegeben werden, und zwar sowohl „sofort“ für den folgenden Zyklus (A) als auch durch den Buffer für spätere Zyklen (B).