Einführung

Hinweis: Im Folgenden wird von einer „zentralen Steuerungsarchitektur“ ausgegangen: eine zentrale Steuerung (PLC, SPS) bedient über 1..n Feldbusse topologisch unterlagerte Stationen: I/O-Klemmen/Koppler, Antriebe, Kameras, Sensoren, …

In einer Maschinensteuerung mit verteilten Komponenten (I/O, Antrieben, ggf. mehrere Master/Steuerungen) kann es erforderlich sein, dass die Komponenten in mehr oder weniger engem zeitlichen Bezug zueinander arbeiten.

Zeitdimension, Anspruch der Anwendung Die Begriffe "enger zeitlicher Bezug" oder "gleichzeitig" müssen in Anbetracht der Anforderungen in greifbare Zahlen gefasst werden: für eine "Gleichzeitigkeit" im zweistelligen Millisekunden-Bereich kann eine serielle Kommunikationsstruktur und NTP-Synchronisierung ausreichend sein, sind dagegen eher einige Nanosekunden gefordert, müssen performante Synchronisierungstechnologien wie EtherCAT Distributed Clocks gewählt werden

Dazu muss in den Komponenten eine "Uhrzeit" vorhanden sein, auf die die Komponente (z. B. eine I/O-Klemme oder ein Antrieb) jederzeit Zugriff hat. Solche Anforderungen können sein:

Anforderung 1

• 1a) Mehrere Ausgänge in einer Steuerung müssen gleichzeitig gesetzt werden, unabhängig davon, wann die betreffende Station die Ausgangsdaten bekommt.
• 1b) Eingänge sollen gleichzeitig eingelesen werden, Antriebe/Achsen in einer Steuerung müssen synchron ihre Achsposition einlesen, unabhängig von der Topologie oder Zykluszeit.

Beide Anforderungen bedeuten, dass ein „lokaler“ Synchronisierungsmechanismus zwischen den Uhrzeiten der unterlagerten Stationen einer Steuerung besteht.

Die Lösung: die zentrale Steuerung (vorzugsweise TwinCAT3) synchronisiert per EtherCAT Distributed Clocks alle unterlagerten EtherCAT-Geräte -> „lokale Synchronisierung“

Anforderung 2

• 2a) Wenn Eingänge auf die Steuerung einwirken, muss die (absolute) Zeit festgehalten werden - dies kann zur späteren Auswertung hilfreich sein, wenn durch Analyse der Abfolge von Ereignissen Wirkungsketten nachvollzogen werden müssen.
  Dies bedeutet, dass die in den Komponenten laufende Uhrzeit an eine global gültige Zeit, z. B. die Weltzeit nach Greenwich oder eine Netzwerkuhr, angekoppelt sein muss.
• 2b) Eine Anlage besteht aus mehreren (zentralen) Steuerungen, die synchron oder zumindest mit gleicher Zeitbasis arbeiten sollen. Im Extremfall sollen Tasks auf verschiedenen Steuerungen synchron (i.e. frequenzgleich) und ohne Phasenverschiebung laufen.

Die Lösung: Beckhoff TwinCAT kann nicht nur Taktquelle für andere Steuerungen sein, sondern ist auch auf den Empfang externer Zeitsignale eingerichtet und kann so seinen eigenen Arbeitstakt danach ausrichten: TwinCAT kann sich also auf andere Taktquellen aufsynchronisieren („externe Synchronisierung“)

Um die Anforderungen 1 + 2 abzudecken, muss also in diesem Beispiel

Abb.12: Einfache I/O-Topologie

(bestehend aus dem EtherCAT Master, Teil der TwinCAT Steuerung, diversen I/O und einer Achse) folgendes gelöst werden:

• Synchronisierung der lokalen Uhren „lokale Synchronisierung“
• Ankopplung an einer übergeordneten Referenzzeit „externe Synchronisierung“
• ggf. Tasksynchronisierung, d.h. TwinCAT läuft synchron zu einem externen Takt

In den folgenden Abschnitten werden diese Themen besprochen.