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XFC | eXtreme Fast Control Technology 03.09.2012 1

XFC | eXtreme Fast Control Technology

Nova Tecnologia de Automação

A nova classe de performance de controle

Control cycle = 100 µsControl cycle = 100 µs

XFC - eXtreme Fast Control Technology

InputConversion

InputComm.

CalculationOutputComm.

Output Conversion

EtherCAT

Tempo de resposta de 85 µs* nas E/S

InputConvInputConv

EtherCAT

Entrada de Sinal Saída de Sinal

* Best case, because the Input signal comes asynchronous to the internal cycle.

Conteúdo

1. Componentes XFC

2. Tecnologias XFC

Componentes XFC

EtherCAT Terminals | eXtreme fast I/O technology

Componentes XFC

Controle otimizado e arquitetura de comunicação para alto desempenho

� Módulos de E/S para todos os tipos de sinais

� E/S analógicas e digitais de alta velocidade

� Tempos de amostragem e características de aquisição de dados permitem alta resolução (menores que 10 ns).

EtherCAT | eXtreme fast control communication technology

Componentes XFC

Controle otimizado e arquitetura de comunicação para alta performance

� 1000 E/S distribuídas em 30 µs

� EtherCAT nos cartões de E/S, sem que seja necessária uma sub-rede

� uso otimizado de controladores Ethernet padrão, como os PCs com arquitetura de chipset Intel®

� Caracteristica avançada de tempo real com clock distribuído: sincronismo, time stamping, oversampling

IPC | eXtreme fast control CPU

Componentes XFC

� PCs Industriais baseados em placas mãe com alto desempenho e tempo real

� Formas compactas que oferecem controle otimizado para aplicações

TwinCAT | Software de controle eXtreme fast real-time

Componentes XFC

� Tempo real sob Microsoft Windows com tempos de ciclo menores que 50 µs

� norma IEC 61131-3 para programação em XFC com tarefas de tempo-real

� Características do Windows e TwinCAT compatíveis com XFC.

Conteúdo

1. Componentes XFC

2. Tecnologia XFC

Tecnologia XFC

Clock distribuído

Time stamp

Oversampling

E/S rápidas

E/S rápidas com 1 µs TON/TOFF

Tempo mínimo de reação

Entrada: EL1202

Saída: EL2202

85 µs 185 µs

Tecnologia XFC

� E/S rápidas com baixos tempos de conversão

Time stamp

Tempo exato de reação

Entrada: EL1252

Saída: EL2252

� Resolução exata de tempo com DC

� Respostas sincronizadas

Tecnologia XFC

Oversampling

� Amostragem rápida de sinais com super amostragem

� Saída de pulsos curtos

Tecnologia XFC

Amostras

Entrada Digital (EL1262)

Ciclo do barramento

Saída Digital(EL2262)

100 µs

10 µs

Entrada analógica

(EL37xx)

Saída analógica(EL47xx)

Super Amostragem (Oversampling)

Pulsos exatos de saída

Saída: EL2262

� Amostragem rápida de sinal

� Saída de pulsos curtos

Tecnologia XFC

Clock distribuído

� Mudando a precisão a nível de E/S

� Sistema de sincronismo absoluto distribuído

� CPU

� E/S

� Drives

� Resolução: 10 ns

� Precisão: < 100 ns

Tecnologia XFC

XFC verificado!

Tecnologia XFC

XFC com TwinCAT

� Selecione a opção „Separate Input Update“ para a tarefa

Tecnologia XFC

XFC com TwinCAT

� Isso vai gerar dois frames separados na configuração de E/S

Tecnologia XFC

100 µs

85 µs

10 µs

185 µs

10 µs

Tecnologia XFC

Ciclo de tempo de 100 µs (100 KHz)

� Desempenho do sistema

� Tempo de ciclo: 100 µs (min. 50 µs)

� Tempo de resposta de E/S: 85 µs ... 185 µs

� Clock distribuído

� resolução: 10 ns

� precisão: < 100 ns

� Sinal de super amostragem

� Taxa de amostragem: 1 MHz

� Resolução de tempo: 1 µs

� Precisão: < 100 ns

� Resolução de time stamping

� resolução: 10 ns

� precisão: < 100 ns

Desempenho dos dados XFC

EtherCAT com tempo de ciclo de 12,5 µs

03.09.2012 22

Tecnologia XFC

03.09.2012 23

12,5 µs

Tempo de Resposta de E/S

Tecnologia XFC

Cálculo

12,5 µs 12,5 µs 12,5 µs 12,5 µs

Comunicação

PLC PLC PLC PLC

Frame Transfer Frame Transfer Frame Transfer Frame Transfer

Free running Sinal de entrada

Min ca. 30µs

Sinal de Saída

Max ca. 40µs

� Tempo de ciclo de 12,5 µs

� Tempo de resposta de E/S: max. 40 µs

� Número de escravos EtherCAT: 15

EtherCAT Terminals – Oversampling

Tecnologia XFC

Terminal Canais Digital / Analógico

Entrada / Saída

Range Tempo de conversão

EL1262 2 Digital Entrada 24V 1 µs / 1 Msample/s

EL2262 2 Digital Saída 24V 1 µs / 1 Msample/s

EL3742 2 Analógico Entrada 0..20 mA 10 µs / 100 ksamples/s

EL3702 2 Analógico Entrada -10...+10 V 10 µs / 100 ksamples/s

EL4732 2 Analógico Saída -10...+10 V 10 µs / 100 ksamples/s

EL4712 2 Analógico Saída 0..20 mA 10 µs / 100 ksamples/s

Oversampling Terminals

EtherCAT Terminals – Tempo marcado e E/S rápidas

Tecnologia XFC

Cartões de tempo marcado

Módulo Canal Digital / Analógico

Entrada / Saída

Range Observações

EL1252 2 Digital Entrada 24V Aquisição de sinal exato para

mundanças, precisão <<1 µs

EL2252 2 Digital Saída 24V Sinal de saída depois de alocação

de tempo, precisão <<1 µs

EP1258 8 Digital Entrada 24V 2 canais, aquisição de sinal exato

para mudanças, precisão <<1 µs

Cartões de E/S rápidas

Terminal Canal Digital / Analógico

Entrada / Saída

Range Observações

EL1202 2 Digital Entrada 24V Delay de entrada Ton/Toff 1 µs

EL2202 2 Digital Saída 24V Delay de saída Ton/Toff 1 µs

XFC na prática

Controle de posição de impressão

Controle linear Rastreamento

Aplicação de cola

Cam digital

Controle de ciclo fechado

Tempo – Síncrono com telegrama

Posição do Sinal

Ponto de amostragem

Mestre

Jitter

108 µs 94 µs 101 µs 104 µs

Velocidade= x‘

100 µs Cycle Time

Erro de amostragem

devido ao jitter

~4 µs

equidistant

EtherCATIn Calc. Out

Calc. Out In Calc. Out InIn

A/D A/D

Calc. Out

D/A D/A

rampa = velocidade

Not in sync with IN

Erro devido à

desvio

Tempo – Síncrono com telegrama

Problemas dessa abordagem:

�Tempo de sinal de E/S vêm do master

�Sistemas modernos de CPU (multicore) sempre terão jitter no range de 1.. 5 µs

�Erros de medição devido ao desvio de amostragem

Conclusão

� Tempo de sinal de E/S deve vir do sistema de clock distribuído

�Independente da arquitetura do sistema

� Sincronia do sistema <100 ns

Tempo – Síncrono com clock distribuído

Ponto de amostragem

Tempo de ciclo 100 µs

100 µs 100 µs 100 µs 100 µs

Velocidade= x‘

PosiçãoDo Sinal

EtherCATIn Calc. Out

Sync In

A/DA/D

Calc. Out In

Sync Out

Calc. Out

equidistante

Sem erro de

amostragem

Time – Síncrono com clock distribuído

Vantagem dessa abordagem:

�Sincronia altamente precisa de sinal pelo DC

�Sem erros devido ao desvio de amostragem

�Todos os algoritmos de filtros e fatores em ciclos de controle sem erros.

�Travamento equidistante de sinal com clock distribuído melhora a qualidade da medição

Tempo – Ciclo com DC e oversampling

Ponto deamostragem

100 µs Cycle Time

100 µs 100 µs 100 µs 100 µs

Velocidade= x‘

Posição do sinal

10 µs

EtherCATIn /Out

Sync out

Calc. Calc. In /Out

Telegrama

Calc. In /Out Calc. In /Out Calc.In /Out

Sync in

Nova Tecnologia em Automação

Beckhoff Automação

Aplicação XFC:Máquina comum de controle

sequencial

EK1100

PROFIBUSEtherCAT

BK3120EL2202 EL1252 KL2134 KL1114

X1 X2Cilindro Pneumático

Out 1 Out 2 In 1 In 2 Out 1 Out 2 In 1 In 2

XFC/Profibus: Aplicação de teste em máquina

XFC/Profibus:Eficiência da máquina e tempo de ciclo de controle

•• −=

Redução de tempo de ciclo da máquina em %

(= Aumento na eficiência da máquina)

= Tempo de redução de ciclo (%)

= N. Médio de ciclos de controle para E/S do Controle 1N

r2= N. Médio de ciclos de controle para E/S do Controle 2

= Tempo de ciclo de controle 1 (menor tempo) T

c2= Tempo de ciclo de controle 2 (maior tempo)

= Tempo entre duas transições de controle

Redução de tempo de ciclo = Aumento na eficiência

0.05 0.1 0.25 0.5 1 2.5 5 10

ain 20

with: Nr1

= 3, Nr2

= 1,5, Tc2

= 0,1 ms

E.g.: 4 Trans/s,

de 2 ms Profibus

para 0,1 ms EtherCAT:

2.4% de eficiência ganha

No. of Transitions / sec

Nova Tecnologia em Automação

Beckhoff Automação

E/S Oversampling:Melhorando

Tempo, Resolução e ReaçãoAnálise de sinal até 500 kAmostras

Entrada analógica com Oversampling

Oversampling:

� Até 500kAmostras/sec

� Fator de Oversampling de 2 - 100

Ciclo do PLC

Ciclo de medição

Oversampling: Uso para detecção de limiar crítico

Curva simplificada de pressão durante a fase de enchimento em máquinas injetoras

Oversampling para detecção de limiar crítico e reação

6 7 8 90 1 2 3 4 5

6 7 8 90 1 2 3 4 5 6 7 8 90 1 2 3 4 5 6 7 8 90 1 2 3 4 5 6 7 8 90 1 2 3 4 5

C210 µs

100 µs

I O I O I O I O I O

Tempo de ciclo

Cálculo Do PC/PLC

Comunicação De E/S

Pcritico

Tempo de Oversampling

Ciclo de PLC

200 µsTresponse

Detecção exata do limiar com 10us de resolução!Algoritmos inteligentes de sinais (filtragem, …) livremente programáveis no PC!Tempo de reação muito pequeno e exato com delay de 200us e jitter de 100ns

Saída da válvula

Pressão

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