PC-based Control für Prüf- und Testanlagen: Integration der Messtechnik in das Steuerungssystem erhöht die Wettbewerbsfähigkeit

Das PC-based-Control-Prinzip

Unabhängig davon, ob Mess- und Prüftechnik im Produktionsumfeld oder in dedizierten Testgeräten eingesetzt wird: In der Regel geht es um die Lösung neuartiger Messaufgaben, das Erfassen von Daten oder die Kontrolle von Sollwerten. Dazu sind oft genug besondere Geräte erforderlich, die installiert und an die Leitebene angebunden werden müssen. Die Folgen sind ein hoher Inbetriebnahmeaufwand sowie die komplexe Pflege der Systeme und − damit verbunden − hohe Kosten.

Beckhoff hat schon in den 1990er Jahren erkannt, dass der universelle PC ein ideales Instrument zur Lösung vielfältiger Steuerungsaufgabe ist. Jedes Problem, das durch programmgesteuerte Rechenleistung gelöst werden kann, kann prinzipiell auf einem (ggf. auch mehreren) zentralen PCs abgearbeitet werden und wirkt dann über Aktoren auf die Umwelt ein, z. B. Motoren oder Ventile. Die Informationen dazu erhält der PC über flexible I/O-Systeme (Input/Output = Ein/Ausgänge), nah an der zentralen Steuerung platziert (oder sogar in sie eingebaut) oder auch abgesetzt, als Remote-I/Os. Dieser Lösungsansatz ist problemlos auf Aufgaben, die im messtechnischen Umfeld anfallen, übertragbar: Ganz gleich, ob 5 oder 500 oder 50.000 Messkanäle erfasst werden sollen, ein massiver Anfall von Messdaten und darauf basierende komplexe Berechnungen oder "ewige" Dateiablage in GigaByte-Dimensionen: diese Anforderungen sind für eine PC-basierte Steuerung alltäglich und stellen keine Herausforderung dar. Aufsetzend auf den schnellen consumer-getriebenen Entwicklungen, sind die sogenannten Industrie-PCs (IPC), ausgestattet mit langzeitverfügbaren Komponenten, jeder programmatischen Herausforderung gewachsen.

(Siehe dazu die Industrie-PC-Serien C60xx, C69xx und zur Montage auf der Hutschiene die Embedded-PCs CX2xxx).

Durchgängig von der Datenerfassung bis zur Analyse

Beckhoff ermöglicht erstmals die direkte Integration von hochwertiger Messtechnik im sowieso schon vorhandenen Automatisierungssystem einer Produktionsmaschine, Anlage, im Prüfstand, einfach überall, wo eine programmierte Steuerung Abläufe kontrolliert. Der Vorteil: Inbetriebnahmezeiten und Anlagenkomplexität werden reduziert, weil Messtechnik und die zugehörige Software nicht mehr in separaten Stationen implementiert werden müssen. Auch die bislang erforderlichen Querkommunikationen entfallen.

Die ganze Messkette − vom Sensor bis in die Datenverarbeitung − wird so abgedeckt:

• Sensoren der untersten Hardware-Ebene werden an I/O-Module in IP 20 und IP 67 angebunden.
• Hochleistungsfeldbussysteme, wie EtherCAT und EtherCAT G, übertragen zeitsynchronisiert auch große Datenmengen zur Steuerung.
• Die Software TwinCAT integriert Engineering, PLC, Motion Control, Safety, Visualisierung, Kommunikation und Messtechnik in einer Umgebung. Sie unterstützt lokalen Betrieb, On-Premises oder auch verteilt auf Remote-Stationen.
• Moderne Cloud-Anbindung ist schon steuerungsintegriert, wie überhaupt jede Kommunikationstechnologie, die auf PCs weltweit realisiert wurde, auch auf einem steuernden Industrie-PC implementiert werden kann.

Über die Beckhoff-I/O-Module lassen sich die meisten gängigen Sensoren, z. B. für Kraft, Druck, Temperatur, Drehzahl, Frequenz, Drehmoment, Messbrücken, Schwingungen, Strom, Spannung u. a., elektrisch anbinden. Hierfür sind die I/O-Module in den Schutzklassen IP 20 für die Montage im Schaltschrank und IP 67 für den Einsatz direkt an der Maschine verfügbar. Die EtherCAT-Messtechnikmodule sind mit einem steckkompatiblen Metallgehäuse ausgestattet.

Als Messtechnikfeldbus arbeitet Beckhoff bevorzugt mit EtherCAT und EtherCAT G. Mit einer Nutzdatenrate von 100 MBit ist EtherCAT ausreichend für viele 100 Kanäle mit 24-Bit-Auflösung und Oversampling, synchroner Abtastung, Zeitstempel mit Auflösung im Nanosekundenbereich und Kabelredundanz. EtherCAT G eignet sich mit bis zu 10-GBit-Datendurchsatz für noch datenhungrigere Applikationen. Alternativ können die Messdaten auch mit anderen von Beckhoff unterstützten Feldbussystemen, wie PROFIBUS, PROFINET, EtherNet/IP u. a., erfasst werden.

Die Messtechnik-Software umfasst die On-Premises-Software TwinCAT zur Nutzung auf dem lokalen Steuerungs-PC und die Software für den Einsatz in der Cloud.

Die On-Premise-Software TwinCAT besteht aus den folgenden Modulen:

• TwinCAT 3 für Engineering, PLC, Motion Control, Safety, Visualisierung, Kommunikation und Messtechnik
• TwinCAT Analytics: Plattform zur In-Process- und Post-Process-Analyse
• TwinCAT Power Monitoring zur Netzanalyse
• TwinCAT Condition Monitoring für die Signalauswertung
• TwinCAT MATLAB®/Simulink®: Integration von MATLAB^®/Simulink^®-Modellen und Algorithmen für die Standard-Automatisierungstechnik
• TwinCAT Connectivity: Nutzung von Cloud-Systemen, Datenspeichern und 3rd-Party-Messtechniksoftware, wie z. B. LabVIEW™, auf Basis von offenen Schnittstellen in TwinCAT

Die Messtechnik-Software in der Cloud:

• TwinCAT IoT zur Kommunikation in verschiedene Cloud-Systeme über Kommunikationsprotokolle wie OPC UA Pub/Sub, AMQP oder MQTT
• TwinCAT Analytics zur Analyse des vollständigen Prozessabbildes mehrerer Maschinen in einem zentralen System für perfekte Datenaggregation
• TwinCAT Analytics Cloud Storage Provider zur einfachen Anbindung von Cloud Storage Services verschiedener Public-Cloud-Plattformen

Schnell, offen und als Messtechnik-Feldbus fest etabliert: EtherCAT

Die direkte Integration von präziser und ggf. schneller Messtechnik über EtherCAT in die Steuerung sorgt für einen einfachen Systemaufbau und reduziert die Komplexität. Weitere technologische Vorteile sind die einfache Parametrierbarkeit nach EtherCAT-Standards, synchrone Abtastung durch Distributed Clocks (bis hin zur externen Synchronisierung zu beliebigen Zeitquellen über PTP/IEEE 1588 und andere) sowie die durchgängige Diagnose von der Steuerung bis zur I/O-Ebene.

Als weltweiter Standard hat sich EtherCAT mittlerweile auch im Bereich der Messtechnik als Kommunikationssystem etabliert. Mit einer Datenrate von 100 MBit deckt EtherCAT große Teile dessen ab, was in messtechnischen Anwendungen in Labor- oder Produktionsumgebungen gefordert ist. Für besonders datenintensive Anwendungen stellt EtherCAT G Bandbreiten von bis zu 10 GBit/s bereit. Damit sind Anwendungen mit Tausenden Kanälen einfach umsetzbar, auch bis in Bereich von 100 kSps Samplingrate je Kanal und mehr. Denn für EtherCAT sind nicht nur performante Messgeräte verfügbar, sondern insbesondere auch Infrastrukturkomponenten von Beckhoff, wie der CU2508 PortMultiplier, welche im Bedarfsfall erlauben, einfach mehrere EtherCAT-Stränge parallel aufzuziehen und so den möglichen Datendurchsatz zu vervielfachen. Das ist dann die Grundlage, um die bis zu 65.536 möglichen EtherCAT-Geräte einzubinden. Dabei ist nicht zu vergessen, dass durch das o.a. PC-based-Control-Prinzip auch die Performance der Steuerung, die mit den Daten geflutet wird, gut mithalten kann. Hier wirkt sich die gute Skalierbakeit der Beckhoff-Produkte sowohl auf IO- als auch auf Steuerungsebene vorteilhaft aus!

EtherCAT ist mittlerweile auch in der Welt der hochspezialisierten Messtechnik so weit verbreitet, dass auch ausgefallene Problemstellungen lösbar werden. Vielleicht sind nicht für alle Aufgabenstellungen Komponenten von Beckhoff verfügbar; es ist jedoch eine große Vielfalt an EtherCAT-Devices am Markt erhältlich. Der Zusammenschluss der EtherCAT-Hersteller in der EtherCAT-Nutzerorganisation ETG stellt durch Spezifikationen und Tests sichert, dass alle EtherCAT-Geräte und -Master miteinander harmonieren. Die so gewährleistete Interoperabilität erlaubt das Mischen von EtherCAT-Geräten am Bus. Die ETG umfasst heute (Stand 2020) weltweit über 6.000 Mitglieder - davon über 100 Master-Hersteller, so dass mittlerweile fast jeder Sensor oder Aktor über eine EtherCAT-Anbindung verfügt.

Aber es reicht schon der Blick auf die Beckhoff-Website um zu sehen, dass die große Stärke der integrierten Messtechnik von Beckhoff insbesondere in der Mischbarkeit auf der Hutschiene mit Hunderten anderen EtherCAT-Klemmen liegt. In jeder noch so komplexen Messtechnikaufgabe gibt es immer auch "einfache" Digital- oder Analog-Ein/-Ausgänge anzusteuern - und das gerne auch kostengünstig. Hier bewährt sich das erprobte Automatisierungsportfolio von Beckhoff mit seinen EL-Klemmen, die problemlos mit den Messtechnikklemmen gemischt werden können. Und auch weitere IO-EtherCAT-Systeme wie das EP/EPP-System (IP 67 wasserdicht) oder die EJ-Module für den Serieneinsatz können problemlos mit der Beckhoff-Messtechnik verbunden werden.

Ein paar Worte zur Zeitsynchronisierung: Entsprechend ausgerüstete Geräte von Beckhoff (Klemmen, Boxen, Module) bringen eine sehr hohe Messgenauigkeit mit. Ein Messwert wird aber oft erst dann verwendbar, wenn auch der Zeitpunkt der Messung bekannt ist. EtherCAT bringt mit dem Distributed-Clocks-System genau die richtige Grundlage mit: Entsprechend ausgerüstete Geräte unterstützen die hochgenaue Zeitsynchronisation aller Ein- und Ausgaben und dies typischerweise mit Zeitunsicherheiten von deutlich unter 1 μs, sowohl relativ – in Bezug auf die Geräte eines Netzwerks – als auch absolut zu einer übergeordneten globalen Referenzzeit. Gerade letzteres ist grundlegend, wenn mehrere Steuerungen zeitlich vernetzt werden sollen: der Beckhoff EtherCAT-Master in TwinCAT kann sich einer externen Uhrzeit nachregeln, die über PPS oder PTP u. a. Wege in das EtherCAT-System hineinkommt. Zu erwähnen wären hier beispielsweise die TwinCAT Function TF6225, oder die EtherCAT-Klemmen EL6688 und EL6695. Infolgedessen laufen dann alle EtherCAT-Geräte an diesem Bus ebenfalls nachgeführt zu der externen Uhrzeit.

So können beispielsweise:

• viele verteilte Analogeingänge simultan erfasst werden
• Aktoren, wie Ventile oder Motoren, zeitgenau angesteuert werden, wenn in einem Prüfstand oder einer Produktionsmaschine auf den Prozess eingewirkt werden soll
• Vorgänge, die an einem Gerät (Klemme, Box, Modul) zusammenkommen, mit bis zu 10 ns relativer Genauigkeit erfasst werden. Ein Beispiel dazu ist die EL1252, die ihre beiden Eingänge lokal in Hardware erfasst. Relative Vorgänge an den Eingängen werden so nochmals um Größenordnungen genauer erfassbar, als wenn die Klemmen verteilt im System sitzen
• Langzeitmessungen mit zuverlässig nachvollziehbaren Zeitstempeln gespeichert werden

EtherCAT optimiert die Messtechnik-Architektur:

• nur eine Kommunikationstechnologie für Maschinensteuerung, Messtechnik und Safety
• optimal abgestimmte Produkte und Technologien
• schnellster Ethernet-Feldbus
• 500 kompatible EtherCAT-Klemmen von Beckhoff
• problemlose Integration von Fremdprodukten
• hohe Messqualität durch Timestamping
• Investitionsschutz: kein Versioning (nur ein EtherCAT-Standard seit 2003)

Zeitgenau messen - mit EtherCAT kein Problem

Die Kombination der Steuerungsplattform TwinCAT mit EtherCAT als Feldbus zu den verteilen Ein-/Ausgabegeräten stellt ein leistungsfähiges System zur lokalen Kontrolle und Regelung dar. Diese Performance wird benötigt, z. B. bei:

• Hochgeschwindigkeitsprozessen
• schnell laufenden Produktionsmaschinen mit vielen Produkten je Sekunde
• schnellen Materialflüssen in Holz- oder Papierbearbeitungsmaschinen
• labortechnischen Anwendungen mit Regelungszyklen im µs-Bereich
• der Beobachtung von dynamischen Signalen im kHz-Bereich, wie z. B. Schwingungen, Geräusche, Vibrationen
• datenintensiver Bildverarbeitung
• gleichzeitiger Beobachtung von Energieflüssen in verteilten Anlagen

Hier ist Zeitsynchronisierung wichtig und zwar intern − zwischen den Teilnehmern im Feldbus − und ggf. extern, zu übergeordneten Uhren. Beides können TwinCAT und EtherCAT perfekt liefern.

• Interne Synchronisierung: Die EtherCAT Distributed Clocks sind das Werkzeug, um Teilnehmer bis auf <1µs genau untereinander zu regeln, egal wie viele es sind und egal wie weit sie auseinander liegen. In den Geräten arbeiten die Uhren mit 1-ns-Auflösung. Darauf setzen dann XFC-Produkttechnologien wie Timestamping und Oversampling auf. Als Zeitreferenz fungiert der erste Distributed-Clocks-fähige Teilnehmer im Bus nach dem Master − meist ein EtherCAT-Koppler. Der EtherCAT-Master in TwinCAT sorgt in erster Linie „nur“ für die Verteilung der Referenzzeit; die Teilnehmer regeln sich selbst nach. Etwas stärker ist der Master gefordert, wenn die Distributed Clocks mit EtherCAT-Features wie Hot-Connect (An-/Abstecken von Strangteilen im laufenden Betrieb) oder Kabelredundanz im Ringbetrieb kombiniert werden.
• Externe Synchronisierung: Sobald das EtherCAT-System einer übergeordneten Zeit nachgeregelt werden soll, kommen die umfassenden Fähigkeiten von TwinCAT ins Spiel. Denn nun muss der externe Zeitstempel empfangen und in das lokale EtherCAT-System eingearbeitet werden. TwinCAT kann das. Ganz gleich, ob die externe Zeitinformation über ein Ethernet-Netzwerk (z. B. PTP IEEE1588 oder NTP) kommt, über eine Bridgeklemme, wie EL6695, aus einem EtherCAT-Netz oder als reines binäres Pulse-per-Second (PPS)-Signal zur TF6225, z. B. von einer Fremdsteuerung oder einem GPS. Nebenbei: TwinCAT kann natürlich auch die Zeitquelle für andere Systeme sein - wenn sich diese ebenso nachregeln lassen.

EtherCAT G: das skalierbare System von 100 bis 10.000 MBit/s

EtherCAT G ist die Fortführung des EtherCAT-Erfolgsprinzips mit Übertragungsrate 100 Mbit in nun technologisch verfügbaren Geschwindigkeiten mit 1 GBit/s und 10 GBit/s. Das ermöglicht ganz neue Einsatzszenarien für Automatisierungsaufgaben mit integrierter Messtechnik: noch mehr Messkanäle, noch mehr Datendurchsatz ist möglich.

Das EtherCAT-Protokoll selbst bleibt dabei unverändert:

• Das vom EtherCAT-Master ausgesandte Telegramm durchläuft alle Teilnehmer.
• Jeder EtherCAT-Slave liest die an ihn adressierten Ausgangsdaten „on the fly“ und legt seine Eingangsdaten in den weitergeleiteten Frame – jetzt mit 1 bzw. 10 GBit/s.
• Das Telegramm wird nur durch Hardware-Durchlaufzeiten verzögert.
• Der letzte Teilnehmer eines Segments (oder Abzweigs) erkennt einen unbenutzten Port und sendet das Telegramm zum Master zurück – hierbei wird die Full-Duplex-Eigenschaft der Ethernet-Physik ausgenutzt.

Auch alle anderen Eigenschaften von EtherCAT bleiben bei EtherCAT G/G10 vollständig erhalten. Geräte mit drei oder vier Ports (Junctions) ermöglichen flexible Topologien, genauso, wie sie von der Maschinenarchitektur gefordert werden. Optionale Maschinenmodule können weiterhin per Hot Connect - je nach Bedarf – an- oder abgesteckt werden. Eine netzwerkweite Diagnose hilft, Stillstandszeiten der Maschine zu miniminieren und erhöht somit die Verfügbarkeit. Selbstverständlich sorgt das integrierte Konzept der verteilten Uhren (Distributed Clocks) auch weiterhin für Synchronisierungsgenauigkeiten besser 100 ns zwischen den Teilnehmern. Und die Verwaltungsmechanismen wie CANopen over EtherCAT, FoE und Beckhoff ADS over EtherCAT sind unverändert nutzbar.

Grundlegend ist auch das Branch-Konzept zur Interaktion zwischen EtherCAT 100 MBit und 1G/10-G-Netzen. So können bestehende und weltweit verfügbare Geräte mit EtherCAT 100 MBit an 1G-/10-G-Netzwerke angeschlossen werden. Das macht EtherCAT grundsätzlich zukunftssicher und transportfähig für alle Kommunikationsaufgaben der nächsten Jahre, auch wenn bestehende Anlagen erweitert oder auf EtherCAT G/10 G hochgerüstet werden.

Durchgängige Eigenschaften von 100 MBit bis 10 G:

• Echtzeit-Ethernet bis zur I/O-Ebene
• flexible Topologie
• hervorragende Diagnose
• Synchronisiergenauigkeit besser 100 ns auch bei verteilten Systemen
• einfachste Parametrierung/Konfiguration
• geringe Systemkosten
• maximale Performance
• Functional Safety integrierbar
• IEEE-802.3-konform

EtherCAT P: der Sensor-, Aktor und Messtechnik-Bus

Sie wollen kleine und große Messgeräte außerhalb des Schaltschranks verteilt in der Anlage installieren und performant abfragen? Vielleicht auch noch wenig Leitungen installieren? Und trotzdem die Geräte direkt über das bekannte EtherCAT ansprechen? Dafür hat Beckhoff 2015 EtherCAT P entwickelt.

Der One-Cable-Automation-Feldbus EtherCAT P vereint Kommunikation und Power auf einem 4-adrigen Standard-Ethernet-Kabel. Die 24-V-DC-Versorgung der EtherCAT-P-Slaves und der angeschlossenen Sensoren und Aktoren ist integriert: U_S (System- und Sensorversorgung) und U_P (Peripheriespannung für Aktoren) sind voneinander galvanisch getrennt mit je bis zu 3 A Strom für die angeschlossenen Komponenten verfügbar. Dabei bleiben alle Vorteile von EtherCAT erhalten: wie freie Topologie, hohe Geschwindigkeit, optimale Bandbreitennutzung, Verarbeitung der Telegramme im Durchlauf, hochgenaue Synchronisation, umfangreiche Diagnose etc.

Die Ströme von U_S und U_P werden direkt auf die Adern der 100-MBit/s-Leitung eingekoppelt, was eine sehr kostengünstige und kompakte Anschaltung ergibt. Vorteile bietet EtherCAT P sowohl bei der Verbindung von abgesetzten kleineren I/O-Stationen im Klemmenkasten als auch bei dezentralen I/O-Komponenten vor Ort im Prozess. Um mögliche Defekte durch Fehlstecken mit Standard-EtherCAT-Slaves auszuschließen, wurde eine eigene Steckerfamilie für EtherCAT P entwickelt. Sie deckt alle Anwendungsfälle von der 24-V-I/O-Ebene bis zu Antrieben mit 400 V AC oder 600 V DC und einem Strom von bis zu 64 A ab.

Die Verbindung von EtherCAT P und dezentraler Messtechnik führt zu neuen Synergien: Mit wenig Verdrahtungsaufwand können hochwertige Messdaten aus jedem Abschnitt einer Anlage eingesammelt werden – bis hin zu temporären oder gar mobilen Messstationen, die nur dort platziert werden, wo sie gerade benötigt werden. Im Falle der EtherCAT-Messtechnikklemmen ist der EtherCAT-P-Koppler EK1300 für Schaltschrankmontage zu verwenden. EtherCAT P ist in der ETG offengelegt und somit implementierbar von allen interessierten Geräteherstellern.

Der Highspeed-Feldbus mit „One-Cable-Vorsprung“:

• optimiert für direkte Anbindung von EtherCAT-P-Devices im Feld
• weniger Verdrahtungsaufwand kombiniert mit Zeitersparnis
• weniger Fehlerquellen
• kleinere Sensoren und Aktoren durch Wegfall der separaten Versorgungseinspeisung
• einfache Verbindung von Komponenten

Modulares Power Monitoring in Hard- und Software

Was verstehen Sie unter Power Monitoring? Wie wäre es mit Leistungsmessung, z. B. um ein komfortables Energiemanagement aufzubauen? Unabhängig davon, ob dies nun für ein Gebäude oder eine einzelne Maschine passiert, eignen sich die hierbei aufgenommenen Werte für vieles – u. a. natürlich auch für eine Verbrauchsabschätzung oder − darauf aufbauend − eine Kosten-Nutzen-Rechnung. Mit schnellen Leistungsbedarfswerten von einzelnen Aggregaten, zusammen mit Informationen über deren aktuelle Aufgabe, lässt sich auf einfache Weise eine vorausschauende Wartung abschätzen und letztlich ungewollter Stillstand vermeiden. Sollte Sie das eine oder andere Thema interessieren, werfen Sie einen Blick auf die Leistungsmessklemmen EL3443 und deren Geschwister: EL3446 zur verteilten Leistungsmessung oder EL3453, die bis zur Messung von Mittelspannungsanlagen geeignet sind.

Unter Power Monitoring fasst Beckhoff die Kombination von leistungsstarken Industrie-PCs, Energiemesstechnik, Stromsensorik und SPS-Bibliotheken zusammen, um Kunden die maximale Detailtiefe für ihre Leistungsmessaufgabe zur Verfügung zu stellen. Diese Highend-Leistungsmesstechnik kommt beispielsweise an Übergabepunkten von Windkraftanlagen zum Einsatz oder auf Motor-Prüfständen, an denen auch kurzzeitige Spitzenströme und/oder -Spannungen wichtig sind. Benötigen Sie beispielsweise Zugriff auf die tatsächlichen Strom- und Spannungsverläufe der Sinuswelle? Möchten Sie kontrollieren; ob sie wirklich „Sinus“-förmig sind oder möchten Sie eine Regelschleife im µs-Bereich schließen? Dann sind Sie hier genau richtig.

Ganz dem Prinzip von PC-based Control folgend, beginnt die Messwertaufnahme mit der Beckhoff Netzmonitoring-Oversampling-Klemmen. Oversampling beschreibt die XFC (eXtreme Fast Control)-Technologie, mehrere Messwerte innerhalb eines SPS-Zyklusses aufzunehmen zu können und somit die effektive Samplingrate auf bis zu 20 kSps zu steigern. Die simultan aufgenommenen Momentanwerte für Strom und Spannung, beispielsweise von einem 3-phasigen-Wechselstromsystem, werden ohne weitere Verarbeitung − und somit ohne Informationsverlust − direkt an die SPS im Industrie-PC übermittelt. Hier steht ein leistungsfähiger Prozessor zur Verfügung, der mit Hilfe der Funktionsbausteine aus der TwinCAT-Bibliothek auch sehr rechenaufwendige Analysen einfach und effizient bewältigen kann.

Die TwinCAT Power Monitoring Function TF3650 stellt zur Auswertung von Strom- und Spannungsrohdaten folgende Funktionen bereit:

• Berechnung von RMS-Werten für Strom, Spannung und Leistung
• Alle Funktionsbausteine können Momentan- oder Durchschnittswerte sowie Maximal- und Minimalwerte ausgeben.
• Frequenzen und Frequenzspektren können, wie die Harmonischen im Netz und ihre Belastung in Form der Total Harmonic Distortion (THD), bestimmt werden.
• Alle Bausteine sind für 1-phasige und 3-phasige Systeme verfügbar.

Für eine Anzeige oder eine dauerhafte Speicherung der Daten eignen sich die TwinCAT-Produkte TE1300 TC3 Scope View Professional bzw. TF6420 TC3 Database Server.

Die EtherCAT-Klemmen EL3773 und EL3783 sind als Netzmonitoring-Klemmen zur Zustandserfassung eines 3-phasigen Wechselspannungsnetzes konzipiert und umfassen folgende Funktionen:

• Auf jeder Phase werden Spannungen bis zu 288 Veff/410 V DC bzw. 690 V mit Extended Range von 130 % und
• Strom bis 1 Aeff/1,5 A DC oder 5 Aeff wieder mit Extended Range von 130 % und einer Auflösung von 16 Bit als Augenblickswerte erfasst.
• Die sechs Kanäle werden simultan nach dem EtherCAT-Oversampling-Prinzip mit einer zeitlichen Auflösung bis zu 50 µs gemessen
• Durch das Feature „Extended Range“ steht dem Anwender der technische Messbereich von 130 % des angegebenen nominellen Messbereichsendwerts zur Verfügung.
• Um synchron zu anderen EtherCAT-Teilnehmern messen zu können, unterstützen die Klemmen die Distributed-Clocks-Funktion.

Über zusätzliche Klemmen, wie die EL6688 für IEEE 1588 PTP, lässt sich das System auch auf externe Uhren synchronisieren.

TwinCAT integriert Condition Monitoring in die Steuerung

Beckhoff bietet ein umfangreiches Programm an Bausteinen und Funktion unter TwinCAT 3 in der TF3xxx-Gruppe. Mit der TwinCAT-Condition-Monitoring-Bibliothek TF3600 steht beispielsweise ein modularer Baukasten mathematischer Algorithmen zur Analyse von Messwerten zur Verfügung. Die Funktionen der Bibliothek erstrecken sich über die Hauptfelder Analyse, Statistik und Klassifikation. Neben der Spektralanalyse mit einer FFT oder z. B. mit einem einhüllenden Spektrum können statistische Kennwerte, wie die Kurtosis oder der Crest-Faktor, berechnet werden. Eine Kombination dieser Algorithmen mit einer Grenzwertüberwachung eignet sich beispielsweise hervorragend für eine Wälzlagerüberwachung. Die große Stärke eines TwinCAT/EtherCAT-System besteht in der Möglichkeit, von allen denkbaren Messtellen Rohdaten mit 1000en Samples je Sekunde zentral einzusammeln und auszuwerten. EtherCAT als leistungsfähiger Feldbus, gepaart mit Messmodulen, z. B. der ELM-Serie, ermöglicht einen unverschleierten Blick direkt auf die Livedaten der Sensoren. Das erlaubt in erster Linie eine sofortige Live-Rohdatenanalyse und gegebenenfalls die Korrelation der Kanäle untereinander in Echtzeit in der TwinCAT-Steuerungssoftware. Noch mächtiger wird das System aber, wenn die Rohdaten mit dem TwinCAT Database TF6420 auch noch aufgezeichnet werden und im Post Processing ausgewertet werden. TwinCAT Analytics beispielsweise ermöglicht dies. So können, basierend auf historischen Daten, Analysen für Live-Condition-Monitoring entwickelt und einfach wieder zurück ins Echtzeitsystem gespielt werden.

Dieser auf Rohdaten basierende Ansatz von Beckhoff Condition Monitoring ist bereits in vielen Maschinen und Windkraftanlagen erfolgreich umgesetzt worden. Bei Überschreitung voreingestellter, bauteilbezogener Schwellwerte löst das CM-System Alarme aus, die den Anlagenbetreiber über Verschleiß, Unwuchten oder unzulässige Betriebszustände informieren. Diese Alarme können zur weiteren Verarbeitung direkt an die Steuerung der Anlage oder an weitere Betreibersysteme gemeldet werden. Die kontinuierliche Maschinenüberwachung kann selbstverständlich online erfolgen. Hierbei werden Trends in den Kennzahlen analysiert und in Handlungsempfehlungen übersetzt, etwa für die Planung von Wartungsintervallen.

Dezentrale und zentrale I/O-Lösungen − je nach Umgebungsbedingung

Draußen oder drinnen? Der Einsatzort spielt keine Rolle! Beckhoff-Messtechnik wird in verschiedenen Bauformen und unterschiedlichen Genauigkeitsklassen angeboten. Im Fokus liegt dabei der stationäre Einsatz: fest montiert und mit 24 V DC versorgt an Anlagen oder Testeinrichtungen.

Seit 1995 produziert Beckhoff modulare I/O-Geräte. Begonnen hat es mit dem weltweit ersten modularen Klemmensystem, den sogenannten KL-Klemmen, die über Buskoppler (BK, BC) an diverse Feldbusse angeschlossen werden können. Das System ist bis heute lieferbar und wird noch weiterhin ausgebaut. 2002 kam dann mit den ersten EL-Klemmen mit EtherCAT-Kommunikation der große Sprung in der Kommunikationsgeschwindigkeit. Auf einmal gab es keine unterlagerte I/O-Ebene unter den Buskopplern mehr, sondern jede einzelne I/O-Funktion war direkt auf Feldbusebene ansprechbar. Dadurch reduzierten sich die Inbetriebnahmezeiten und Diagnosekomplexität radikal. Beide Systeme decken den Bedarf an stationären, im Schaltschrank geschützt montierten I/O-Komponenten nach IP-20-Standard ab. Das bedeutet, die Geräte sind berührgeschützt, aber nicht gegen Wasser oder Staub. Die Signale aus dem Feld, von Sensoren oder Aktoren, müssen deshalb per Leitung in den Schaltschrank geführt werden. Demgegenüber steht der Vorteil, dass die mitunter komplexen Geräte zentral konzentriert und gut geschützt sind. Das kann gerade bei messtechnischen Anwendungen von Vorteil sein, wenn Umgebungseinflüsse und EMV-Störungen vom Schaltschrank abgehalten werden. Die ELM-Serie von Beckhoff folgt dieser Ausprägung, die hochgenauen (100 ppm und besser) und schnellen (bis zu 50 kSps je Kanal) Messmodule sind durch ihr Metallgehäuse sogar doppelt geschützt.

Nebenbei, für Großserienanwendung kann über EtherCAT auch das EJ-System angesprochen werden: Es besteht aus nochmals kleiner bauenden Modulen in IP 20, die auf kundenspezifischen Backplanes im Schaltschrank montiert werden.

Sind I/O-Geräte außerhalb des Schaltschranks gefordert, kommen die IP-67-Box-Module von Beckhoff in Betracht − verfügbar zur Kommunikation mit verschiedenen Feldbussen, u. a. auch EtherCAT. Mit der Schutzart IP 67, also wasser- und staubdicht, eignen sich die Module zur freien Montage an geeigneter Stelle in der Anlage. Je nach Anforderung sind Baureihen mit Kunststoff-, Edelstahl- oder Zinkdruckgussgehäuse verfügbar.

Da es mit den reinen I/O-Geräten in den genannten Baureihen nicht getan ist, bietet Beckhoff auch die nötigen Infrastrukturkomponenten zur Vernetzung an − Unterm Strich wird somit klar, dass Beckhoff nicht nur ein kompetenter Lösungsanbieter für den Teilbereich Messtechnik ist.

Weitere Informationen zum Beckhoff I/O-Portfolio:

• IP 20 │ Busklemmen: KL/KS/KM
• IP 20 │ EtherCAT-Klemmen: EL/ES/EM
• IP 20 │ EJ-Steckmodule: EJ
• IP 67 │ Feldbus-Box-Module: IP/IL
• IP 67 │ EtherCAT-Box-Module: EP/EPP/EQ/ER

Messtechnik und Safety integriert in einem System

Beckhoff als erfahrener Anbieter von Automatisierungslösungen bietet viele Technologien, die einfach kombiniert werden können. Sie haben „normale“ Automatisierungsaufgaben? Und wollen elektrische Messtechnik integrieren? Und Personensicherheit ist ein Thema? Dann sollten Sie unser TwinSAFE-System studieren. Mit der integrierten Sicherheitslösung können die Installation und Pflege von heterogenen Systemen in der Anlage gegebenenfalls vermieden werden. Die sicheren I/O-Produkte sind an ihrer durchgehend gelben Färbung erkennbar. Nebenbei: Soll die direkte analoge Messung, z. B. einer Temperatur,Teil der Safety-Architektur sein, gibt es die TwinSAFE-SC-Produkte. Sie kombinieren analoge Messung und sicherheitstechnische Anforderungen kompakt in einem Gerät, entweder als EtherCAT-Klemme oder Box. Diese I/O-Produkte sind an ihrer teil-gelben Färbung erkennbar: die EL-Klemme haben z. B. seitlich einen gelben Streifen.

Systemintegrierte Highend-Messtechnik für den industriellen 24/7-Betrieb stellt vertrauenswürdige Daten bereit

Das Vertrauen in die korrekte Funktion einer Maschine ist die Säule einer jeden Auftragsvergabe Daher ist Messtechnik heute unverzichtbar – ganz gleich, ob es sich bei der Anwendung um eine Fertigungsstraße, eine Verpackungslinie, die Energieverteilung oder einen Laboraufbau handelt. Systemintegrierte Highend-Messtechnik sorgt für eine schlanke Steuerungsarchitektur und stellt vertrauenswürdige Daten bereit. Gründliche Vortests in der Beckhoff-Produktion und ein hochwertiger Abgleich gewährleisten eine sichere und präzise Messfunktion der EtherCAT-Messtechnikklemmen.

Geringe Alterung und somit langzeitstabiler Betrieb der Klemme, Nachjustierbarkeit auch im Kundenumfeld, Eigendiagnose und überragend hohe Temperaturstabilität sind die Grundpfeiler eines industriellen Messgeräts. Ausgestattet mit einem robusten Metallgehäuse bringen die Highend-Messtechnikmodule hochwertige Messtechnik auf die Hutschiene im Schaltschrank. Häufig kommt Beckhoff-Messtechnik in mannlosen, unbegleiteten Anwendungen zum Einsatz: Das heißt, niemand kontrolliert hier täglich die Verdrahtung oder prüft Messwerte auf ihre Plausibilität. Allein deshalb wird von der eingesetzten Messhardware erwartet, dass sie sich im Rahmen des technisch Möglichen prüft und validiert.

Die ELM3xxx-Klemmen sind speziell für den Industrieeinsatz designt: mit kurzen Konfektionierungszeiten in industrieüblicher Schaltschrankumgebung. Hinzu kommt die umfassende Selbstdiagnose, die auch in typischen unbegleiteten, wartungsarmen Anlagen für einen langfristig zuverlässigen Betrieb sorgt. So erkennen die EtherCAT-Messtechnikklemmen etwaige Fehlmessungen, die ansonsten irrtümlich über längere Zeit für valide gehalten werden, automatisch und sofort. Realisiert wird diese erhöhte Betriebs- und Messsicherheit – kontinuierlich über EtherCAT als Diagnosebericht abrufbar – durch eine umfassende Anschlussdiagnose, Selbsttest und interne, wiederholte Prüfungen sowie die andauernde Überwachung von Temperatur und Eingang zur Erkennung von Überlastung. Eine ganz neue Sicht auf die altbekannte Messunsicherheit!

Die ELM3xxx-Messtechnikklemmen erweitern das bestehende analoge Produktspektrum der EL3xxx-Klemmen deutlich um den Bereich niedrigster Messunsicherheit, umgangssprachlich auch Messgenauigkeit genannt. Als Richtwert seien hier ±100 ppm (±0,01 %) genannt, während „normale“ analoge Eingangsprodukte (Klemmen in IP 20 oder Boxen in IP-67-Bauform) eher im Bereich ±0,3 % (±3000 ppm) anzusiedeln sind. Ein wichtiger Aspekt dabei ist natürlich „das Kleingedruckte“ der Spezifikation: Gerade der dabei angegebene Umgebungstemperaturbereich beeinflusst maßgeblich die Vergleichbarkeit, in- und außerhalb des Beckhoff-Produktspektrums. Aktuell besteht die ELM3xxx-Serie aus zwei Gruppen: der Basic Line ELM3x0x und der Economy Line ELM3x4x.

ELM3x0x | EtherCAT-Messtechnikklemmen der Basic Line

Die hochleistungsfähigen EtherCAT-Messtechnikklemmen der Basic Line ELM3x0x sind zur Erfassung hochdynamischer Vorgänge bei gleichzeitig hoher Messgenauigkeit konzipiert – simultan über alle Kanäle und Klemmen hinweg. Orientierungswerte für diese Klasse sind eine Samplingrate von 10 kSps je Kanal und eine Messunsicherheit von ±100 ppm bei 23°C Umgebungstemperatur. Einzelne Klemmen der Serie können davon abweichen, z. B. erreichen die ELM3602-Klemmen eine Samplingrate von 50 kSps je Kanal. Mit der ELM370x stehen Multifunktionskanäle mit zahlreichen integrierten Messbereichen (±60 V bis ±20 mV, ±20 mA, Voll-/Halb-/Viertelbrücke DMS, IEPE, Thermoelement, RTD, Potentiometer) zur Verfügung. Funktionsreduzierte und damit preisoptimierte Auskopplungen bieten die Serien ELM300x, ELM310x, ELM350x, ELM360x in unterschiedlichen Kanalzahlen.

ELM3x4x | EtherCAT-Messtechnikklemmen der Economy Line

Die Messtechnikklemmen der Economy Line ELM3x4x sind auf die Erfassung von Vorgängen mit geringerer Dynamik ausgerichtet; zugleich sind sie deutlich preisgünstiger. Orientierungswerte für diese Klasse sind eine Samplingrate von 1 kSps je Kanal und eine Messunsicherheit von ±100 ppm bei 0 - 55°C Umgebungstemperatur. Sie verfügen also über eine enorme Temperaturstabilität, was entscheidend ist für den industriellen Einsatz außerhalb temperaturkontrollierter Labore. Außerdem arbeiten die Kanäle dieser Geräte im Multiplex-Verfahren, also nacheinander. Die integrierte 24-V-Sensorversorgung und die 24-V-Powerkontakte reduzieren die Verdrahtungsarbeit im Schaltschrank. In der Economyserie stehen Versionen mit Normsignaleingang 10 V/20 mA (ELM314x) und Thermoelementeingang (ELM334x) zur Verfügung.

Beide Produktlinien unterstützen bewährte EtherCAT-Features wie die Distributed-Clocks-Zeitstempelung im ns-Format und die Feldbusdiagnose. Darüber hinaus verfügen sie über umfangreiche Funktionen zur lokalen Datenvorverarbeitung, wie zweistufige digitale Filterung, TrueRMS-Berechnung, Schleppzeiger und vieles mehr. Hervorzuheben ist die Fähigkeit, annähernd beliebige digitale Filter bis zur 39. Ordnung lokal zu rechnen, die anwendungsspezifisch mit dem TwinCAT Filter Designer TE1310 ausgelegt und in die Klemmen geladen werden können.

Messtechnische Systemkomponenten

Versorgt werden die Klemmen idealerweise von Systemkomponenten wie dem EKM1101-Koppler und der Einspeiseklemme ELM9410. Diese Versorgungsgeräte sind besonders auf messtechnische Belange ausgelegt und heben sich dadurch technologisch von den Standardkomponenten EK1100 und ELM9410 deutlich ab: Die abgehenden Spannungen werden galvanisch getrennt neu erzeugt und sind dadurch besonders stabil. Außerdem verfügen sie über ein Spannungs- und Umgebungsmonitoring, so dass die Einsatzfähigkeit der angeschlossenen ELM-Klemmen sichergestellt ist.

Weiteres Zubehör zur ELM-Serie, wie die Schirmhaube ZS9100-0003 und die Schirmanschlussklemme ZS9100-0002, sind verfügbar.

Zuverlässige integrierte Messtechnik in Manufacture-Qualität:

• bis zu 50.000 Samples/s
• Messgenauigkeit von bis zu 25 ppm bei 23 °C, je nach Messbereich
• Metallgehäuse für perfekte Wärmeableitung und Störungsabschirmung
• extrem robust, ideal für raue Umgebungen
• Stecker-Frontend für verschiedene Einsatzanforderungen: LEMO, BNC, Push-in
• in der Produktion vorbehandelt für langfristig hochwertige Messwerte
• integrierte Anschluss- und Funktionsdiagnose
• optional mit Kalibrierzertifikat

Auch sind die Multiplexer-Klemmen ELM2xxx zu erwähnen, mit denen in beliebiger Komplexität analoge Signale umgeschaltet und den Messklemmen zugeführt werden können. Dadurch lassen sich Kosten und Installationsplatz bei großen Kanalzahlen signifikant reduzieren.

Zur grafischen Darstellung aller Messsignale

Das Highlight der TwinCAT-Measurement-Produktfamilie ist das leistungsstarke Software-Oszilloskop TwinCAT Scope TE1300. Das als unabhängiges Projekt in Visual Studio^® integrierte Charting-Tool kann Messsignale im einstelligen µs-Bereich grafisch darstellen. Neben klassischen Funktionen, wie Trigger, Chart-Synchronisierung und Cursor, bietet das sogenannte TwinCAT Scope View auch DirectX- und Multicore-Support, um die volle Rechenleistung des entsprechenden Systems zur Darstellung der hochfrequenten Signale - auch von Oversampling-Werten - ausnutzen zu können. Mehrere im Produkt integrierte Wizards vereinfachen die ohnehin schon intuitive Bedienung des TwinCAT Scope View. Neben einem Projekt-Wizard gibt es einen Wizard für die Auswahl und Transformation von physikalischen Einheiten und einen für die Konvertierung von Daten in andere Dateiformate, wie csv oder tdms. Mit letzterem ist auch das Ausscheiden von nicht benötigten Daten sowie die Angabe einer Zeitspanne für den Export möglich. Zusätzlich können Datenaufnahme und -export über die SPS voll automatisiert werden. Eine Basisversion des Scope ist bereits in der kostenlosen TwinCAT XAE Engineering-Umgebung enthalten und kann dort umfänglich getestet werden. Die erweiterte lizensierte Professional-Version umfasst zusätzliche Funktionen wie Langzeitaufzeichnung und weitere.

Das nahtlose Zusammenspiel mit anderen TwinCAT-Produkten stand bei der Entwicklung von TwinCAT Scope im Vordergrund. Neben Templates für Motion-Anwendungen sind beispielsweise Bar-Charts in Verbindung mit der TwinCAT-Condition-Monitoring-Bibliothek sehr nützlich, um Frequenzgänge von Power- oder Magnituden-Spektren darzustellen. Selbst Bilder von Vision-Systemen können per Zeitstempel im Datenstrom einsortiert und im Scope ausgegeben werden. So lassen sich alle wesentlichen Daten von Prüf- und Messaufgaben im Scope bündeln.

Das Scope ist Bestandteil des TwinCAT Measurement Pakets TC3 Measurement, welches auch die jeweils aktuellste Version verschiedener Measurement-Produkte, wie Scope View, Scope Server, Bode Plot, Filter Designer etc., enthält. Mit dem auf dem TwinCAT Scope basierenden Bode Plot kann Antriebstechnik optimal eingestellt werden. Es können Sollwerte an den Antrieb übergeben und dessen Reaktion grafisch in Frequenzgang und Phase dargestellt werden, um so die Antriebsparameter optimieren zu können. Auf diese Weise können diese Systeme mit ihren vielen Prozess- und Messwerten Daten für Condition Monitoring und Analytics liefern.

Software-Oszilloskop mit Multicore-Rechenleistung:

• Highend-Charting-Tool für hochaufgelöste Daten
• kostenlose Basisversion in TwinCAT XAE integriert
• langzeit- und triggergesteuerte Aufnahmen
• Kommunikation per ADS oder im OPC-UA-Standard
• Scope Control für die Integration in die eigene .NET-basierte HMI

Ausdrücklicher Nachweis der Messfähigkeit durch Kalibrierzertifikate

Anspruchsvolle Produktionsanlagen und Prüfstände erfordern kalibrierte Messungen: vom Sensor über die Leitung bis zur Digitalisierung. Beckhoff unterstützt auch in solchen Sonderfällen kompetent, indem einige Analoggeräte bereits ab Werk mit Kalibrierzertifikat bestellt werden können. Es stehen dabei die Stufen Werkskalibrierung, ISO7025 und DakkS zur Verfügung. Auch die Rekalibrierung am Fertigungsort Verl/Deutschland ist auf Wunsch verfügbar.

Grundsätzlich werden alle Beckhoff-Analoggeräte (Ein- oder Ausgang) in der Beckhoff-Produktion abgeglichen und geprüft. Die Kalibrierung, also der schriftliche Nachweis der Messfähigkeit, erfolgt aber nur bei entsprechend ausgewiesenen Geräten. Das jeweilige Kalibrierzertifikat wird als PDF auf der Beckhoff-Website zum Download angeboten.

Hier zeigt sich wieder die Stärke des umfangreichen Beckhoff I/O-Portfolios: vom einfachsten Digitaleingang, über über Standard 12-Bit-Analogeingänge bis hinauf zu DAkkS-kalibrierten 24-Bit-Messklemmen mit <100 ppm Messunsicherheit können vielfältigste Anforderungen in einem System und dem durchgängigen Kommunikationssystem EtherCAT abgedeckt werden.

TwinCAT 3: das Herzstück der PC-basierten Steuerungstechnik

TwinCAT besteht aus Laufzeitsystemen zur Echtzeitausführung von SPS, HMI, Motion, Robotik, Sicherheitstechnik, Messtechnik, Vision sowie IoT-Anwendungen und ist gleichzeitig die Entwicklungsumgebung für Programmierung, Diagnose und Konfiguration. Es stehen alle wichtigen Programmiersprachen der IEC 61131-3 für Echtzeitanwendungen zur Verfügung. Über vorhandene Schnittstellen können C/C++- und MATLAB^®/Simulink^®-Module in den IEC-Kontext eingebunden oder autark in der TwinCAT-3-Echtzeitumgebung betrieben werden.

Anspruchsvolle Aufgaben in der messtechnischen Datenverarbeitung können mit TwinCAT problemlos gelöst werden; das System ist einfach mit der Kanalzahl und Datenmenge skalierbar. Ein System, eine Oberfläche für alle Belange: von der Erfassung über die Verarbeitung bis hin zu Speicherung. Ausdrücklich für messtechnische Aufgaben konzipierte Funktionen, wie z. B. das TwinCAT Scope, TwinCAT Analytics und viele andere, stehen für TwinCAT zur Verfügung.

Am Beispiel von Windkraftanlagen wurde die Leistungsfähigkeit des Beckhoff TwinCAT-Systems weltweit bereits 1000-fach demonstriert: Komplexe Subsysteme wurden aufgelöst und die Regel- und Condition-Monitoring-Aufgaben in die zentrale TwinCAT-Steuerung überführt.

Dieses Modell lässt sich auf viele andere Anlagentypen übertragen, von der Fertigung über Prozesstechnik bis zu Test- und Prüfanlagen – einfach überall da, wo spezifische Systeme kommunikationsintensiv nebeneinanderher arbeiten. TwinCAT kann umfangreiche Eingangsdatenströme (I/O-System, Kameras, übergeordnete Systeme etc.) leistungsfähig verarbeiten und als Regelsystem in Echtzeit über die Aktoren (Antriebe, Stellglieder, Ventile etc.) auf die Anlage zurückwirken.

Flexibilität durch Modularität

• Unterstützt alle wesentlichen industriellen Bussysteme weltweit: geeignet zur Anbindung von messtechnischen Geräten, Antrieben oder Standardautomatisierungstechnik.
• hochwertige Echtzeitplattform, die Zykluszeiten bis 50 µs (20.000 Zyklen je Sekunde) und weniger unterstützt
• Die modulare Lösung ist bedarfsgerecht skalier- und erweiterbar (siehe PC-based Control).
• hochskalierbare Rechnerplattformen für alle Leistungsanforderungen
• Alle Optionen zur Datenspeicherung und -auswertung: lokal an der Maschine, im unternehmenseigenen Netzwerk oder in der Cloud.
• vereinfachte Code-Generierung durch Templates
• einfache Replizierung von erstelltem Code für die Serienfertigung
• Unterstützt viele industrielle Kommunikationsstandards; im Bedarfsfall können weitere in der offenen Entwicklungsumgebung einfach selbst implementiert werden.
  

Durchgängige, lückenlose Datenanalyse mit TwinCAT Analytics

Durch die Analyse aussagekräftiger Daten lassen sich Wettbewerbsvorteile generieren. Dies erklärt, warum immer mehr Datenanalyse-Tools verfügbar sind. Doch sprechen diese meist nicht die Sprache der Maschinenbauer und sind konzeptionell auf wenige Szenarien beschränkt. Im Gegensatz dazu ist die TwinCAT-Analytics-Familie (TE35xx, TF35xx) für den Maschinenbau entwickelt worden. Die Engineering-Tools von TwinCAT Analytics sind nahtlos in das bereits durch Maschinenapplikationen bekannte Microsoft Visual Studio^® integriert. Die vertraute Umgebung spart viel Zeit bei der Entwicklung. So stehen zahlreiche Algorithmen zur Verfügung, die einen direkten sprachlichen Bezug auf den Maschinenbau und auf die entsprechende Funktion zulassen. Die Interaktion mit bereits bekannten TwinCAT-Tools, wie dem TwinCAT Scope zur Datenvisualisierung, vereinfacht den Umgang mit Analytics. TwinCAT Analytics beschränkt sich nicht nur auf die gezielte Fehlersuche an Maschinen, sondern ermöglicht eine dauerhafte Überwachung einer oder mehrerer Maschinen, die sich in einem Netzwerk befinden. Der Weg zur 24/7-Überwachung ist damit denkbar einfach: Aus einer im Konfigurationstool erstellten Analyse lässt sich per Mausklick lesbarer SPS-Code generieren. Dieser kann parallel zur Maschine in der Analytics-Runtime auf einem Analyse-IPC oder in einer virtuellen Maschine laufen. Für individuelle Analysen kann der generierte Code in bekannten Programmiersprachen erweitert werden. Bestehender Code kann eins zu eins übernommen werden. Über TwinCAT 3 HMI lässt sich außerdem ein Analyse-Dashboard designen, wodurch ein Mehrwert für den Endkunden entsteht. TwinCAT Analytics funktioniert zudem nicht nur mit Live-Daten, sondern auch mit historischen Maschinendaten. Der Datenbankzugriff erfolgt über den TC 3 Analytics Storage Provider TF3520. TwinCAT Analytics ist insgesamt nicht nur ein einzelnes Produkt, sondern vielmehr ein Workflow, der es erlaubt, IoT-Technologien flexibel zu nutzen und damit echte Industrie-4.0-Applikationen zu realisieren.

Datenanalyse erzeugt Mehrwert:

• neue Geschäftsmodelle basierend auf Datenanalyse
• schnelle und vereinfachte Fehleranalyse
• Maschinenoptimierung
• einfaches Engineering integriert in TwinCAT XAE
• Kostenreduktion durch automatische SPS-Codegenerierung für 24/7-Überwachung
• nahezu automatisches Datenmanagement
• maximale Flexibilität durch IoT-Technologien

TwinCAT Analytics besteht aus mehreren Tools, die während des Engineerings (TE3500, TE3520) oder zur Laufzeit ausgeführt werden können (TF35xx Familie, z. B. TF3510).

MATLAB^® und Simulink^®: starke Partner in der Mess- und Prüftechnik

MATLAB^® und Simulink^® setzen Standards in der Messdatenanalyse sowie der Modellierung und Simulation von Systemen. Mit den Produkten Target for MATLAB^®/Simulink^® (TE1400) sowie Interface for MATLAB^®/Simulink^® (TE1410) unterstützt Beckhoff eine tiefe Integration beider Tools in das Engineering mit TwinCAT 3.

Ausgehend von einem Engineering in Simulink^® können mit TE1400 in TwinCAT 3 instanziierbare TwinCAT Object Model (TcCOM) erzeugt werden. In TwinCAT können diese Module direkt über eine Echtzeit-Task getriggert oder über andere TcCOM aufgerufen werden. Das Blockschaltbild wird als Control im TwinCAT Engineering eingebettet und bietet die Möglichkeit, das Modell in TwinCAT zu parametrieren und Signale zu beobachten. Mit diesem Produkt lassen sich z. B. in der Echtzeit ausführbare Beobachter bzw. virtuelle Sensoren für die Ableitung von nicht direkt erfassbaren Messgrößen erarbeiten oder das Verhalten nicht vorhandener Komponenten (Hardware-in-the-Loop) in Echtzeit simulieren.

TE1410 liefert ein Kommunikationsinterface auf Basis von ADS zum Austausch von Daten zwischen TwinCAT und MATLAB^®/Simulink^®. Unterstützt werden synchrone sowie asynchrone Lese- und Schreibvorgänge sowie Methodenaufrufe (Read/Write). Mit diesem Produkt haben Anwender beispielsweise die Möglichkeit, einmal erarbeitete MATLAB^®-basierte Analysen als aus TwinCAT aufrufbare Funktionen verfügbar zu machen. Im Kontext mit Simulink^® kann das TwinCAT-Interface z. B. für die Software-in-the-Loop-Simulation im Zuge modellbasierter Softwareentwicklung genutzt werden.

TE1400

• One-Click-TcCOM-Generierung aus Simulink^®
• mehrfach instanziierbare Module in TwinCAT
• Blockschaltbild als Control in XAE
• Parametrierung und Charting von (internen) Modellsignalen
• Debugging in XAE möglich

TE1410

• ADS Client in Simulink^®
• eingebetteter Target Browser im Simulink^®-Block
• ADS Client/Server in MATLAB^®

Mit flexiblen Werkzeugen die Datenflut reduzieren – dafür sind die TwinCAT Filterfunktionen

Integrierte Messtechnik von Beckhoff liefert aus der ganzen Produktionsanlage und dem ganzen Prüfstand − über EtherCAT zentral bei Bedarf − enorme Rohdatenmengen an. Diese Daten sind die wertvolle Basis für alle, die sich mit Prozessanalyse und − daraus folgend – der Optimierung der Anlage auseinandersetzen wollen. Das System unterstützt beide Formen der Analogwertverarbeitung: zentral oder dezentral.

• Zentral:
  Idealerweise findet in den unterlagerten Messgeräten keine Datenreduktion und damit Informationsvernichtung statt: Alles wird zentral in der TwinCAT-Steuerung verarbeitet. Die I/O-Geräte senden Rohdaten ungefiltert über EtherCAT nach „oben“: Tausende Kanäle, gerne mit vielen 10 kSps je Kanal und hoher Auflösung. Zentral in TwinCAT werden die Daten dann ausgewertet, korreliert und gespeichert. Die leistungsfähige Basis dafür ist das skalierbare Beckhoff PC-based-Control-Prinzip.
• Dezentral:
  In den unterlagerten Messgeräten findet bereits eine Vorfilterung statt, ggf. mit Reduzierung der Samplerate in den I/O-Geräten. Dies kann begründet in dem Interesse an geringer Buslast sein, oder weil erfahrungsgemäß bekannt ist, wie die Rohdaten gefiltert werden sollen. Für diese Ausprägung hält Beckhoff umfangreiche und leistungsfähige Funktionen in den I/O-Geräten vor, insbesondere in den ELM-Messklemmen.

Ein grundlegendes Werkzeug zum Identifizieren prozessrelevanter Informationen aus Messsignalen ist die Filterung, mit beispielsweise Tiefpass- oder Hochpassfiltern. Je nach gewünschtem Ausführungsort kann bei Beckhoff gewählt werden:

• Dezentral:
  • vorinstallierte, fixe Filter in fast allen analogen Eingangsgeräten (EL, KL, EP-Serien usw)
  • Filtereigenschaft wird über die Geräteeinstellungen (CoE oder Register) eingestellt
• Dezentral:
  • flexible, veränderliche Filter in den ELM3xxx-Messklemmen
  • Filterkonstruktion mit dem TwinCAT Filter Designer
• Zentral:
  • flexible, veränderliche Filter in der Steuerung, z. B. in der PLC oder C/C++
  • Filterkonstruktion mit dem TwinCAT Filter Designer und Echtzeit-Ausführung, z. B. in der TwinCAT Filter Library oder Controller Lib

Um Filter ideal an die jeweilige Messaufgabe anpassen zu können, wurde der TwinCAT Filter Designer entwickelt. Er ist kostenlos und Teil des TwinCAT Measurement Pakets, das auch die jeweils aktuelle Version verschiedener Measurement-Produkte, wie Scope View, Scope Server und Bode Plot etc., enthält. Wählbare Filterdesigns sind derzeit Butterworth, Tschebyscheff und Inverse-Tschebyscheff; mögliche Filtertypen sind Lowpass, Highpass, Bandpass und Bandstop (weitere in Vorbereitung). Der Filter-Designer bietet die Möglichkeit, die Filterkoeffizienten über eine tabellarische Spezifikation oder grafisch zu beeinflussen. Sind die Filterkoeffizienten ermittelt, können sie

• in Digitalfilter-Funktionsbausteinen in der SPS genutzt werden, z. B. in TF3680 oder in C/C++
• oder per Drag-and-drop in die ELM-Messtechnikklemmen übertragen werden.

Der Filtererfolg kann dann mit Livedaten im TwinCAT Scope TE1300 oder TwinCAT Analytics TE3500 geprüft werden.

Vereinfachte Datenbankanbindung für leistungsstarke Anwendungen

Daten von Maschinen, Anlagen oder Prüfständen haben einen hohen Wert und müssen zuverlässig gesichert werden. Der TwinCAT Database Server (TF6420) ermöglicht genau das: Er sorgt für den Datenaustausch zwischen TwinCAT und verschiedenen Datenbanksystemen. Dabei können Werte geschrieben oder gelesen werden.

Der Database Server bietet vier Funktions-Modi: Der Configure-Mode erlaubt die blitzschnelle Konfiguration einer Datenbankanbindung, ohne dass dafür Programmcode nötig wäre. Der PLC-Expert-Mode ist für SPS-Programmierer konzipiert, die keine eigenen SQL-Befehle in der SPS erstellen möchten; dies übernimmt der Database Server automatisch. Dabei bietet der SQL-Expert-Mode volle Flexibilitat, denn der Anwender kann die Kommandos selbst zusammensetzen und sogar Stored Procedures auf der Datenbankseite anstoßen. Dieser Modus steht außerdem in C++ zur Verfügung. Insbesondere bei häufig wechselnden Messkampagnen ist eine starre Tabellenstruktur in einer relationalen Datenbank nur schwer zu verwalten. Daher bietet der Database Server neben den klassischen relationalen Datenbanken wie zum Beispiel Microsoft SQL, Oracle, MySQL oder SQLite im NoSQL-Expert-Mode auch die Möglichkeit, sogenannte NoSQL-Datenbanken wie MongoDB anzubinden. Hierzu muss kein Schema festgelegt werden, was die Flexibilität in der Applikation deutlich erhöht.

Komfortable Datenbankanbindung ohne Programmieraufwand

• direkt aus dem Echtzeit-Kontext in die Datenbank
• Unterstützung von relationalen und NoSQL-Datenbanken
• einfache Konfiguration im TwinCAT Engineering
• SPS-Code-Generierung für einfache Umsetzung in der Steuerung
• unterschiedliche SPS-Funktionsbausteine für alle Nutzergruppen

Die Kombination von Beckhoff-Geräten und LabVIEW™-Systemen einfach realisiert

In vielen labortechnischen Anwendungen ist LabVIEW™ als Programmsprache, Rezeptverwaltung und HMI gesetzt. Sollen ein Beckhoff TwinCAT-System mit seiner Echtzeit und ein eigenständiges LabVIEW™-System miteinander kommunizieren, ist das TF3710 die richtige Wahl. Durch die Funktion TF3710 kann der Prüfstandführer über die gewohnte Bedienoberfläche auf die TwinCAT-Daten der Beckhoff-Messtechnik-Hardware zugreifen und messtechnische Zusatzfunktionen generieren. Die Kommunikation zwischen TwinCAT und LabVIEW™ ist bidirektional: TwinCAT-Daten können nach LabVIEW™ gestreamt, verarbeitet und angezeigt werden. LabVIEW™-Daten, wie beispielsweise ein Start-Event oder auch ein externes Messsignal, können von LabVIEW™ nach TwinCAT übertragen werden.