Latenz

In der Industrieelektronik ist Latenz die Zeitspanne zwischen dem Versand eines Signals oder der Ausgabe eines Befehls und der tatsächlichen Reaktion oder Ausführung durch das System. Bei einer Werkzeugmaschine, die eine Positionieranweisung erhält, kann die Latenz 5 bis 50 Millisekunden betragen. Bei einer Sicherheitsverriegelung an einer Presse sind es 10 bis 200 Millisekunden. Bei der Analog-Digital-Umwandlung in der Prozessregelung kann sie im Bereich von Mikrosekunden liegen. Die Ursache der Latenz ist selten offensichtlich; sie sitzt in Software-Warteschlangen, Kommunikationsprotokollen, Prozessortakten, Sensoransprechzeiten und Aktuatorträgheit, oft alles auf einmal.

Latenz ist wichtig, weil viele Industrieprozesse zeitempfindlich sind. Ein Förderbandsortier-System, das 60 Pakete pro Minute prüft, kann sich 500 ms Verzögerung nicht leisten; das Teil ist dann schon weg. Motordrehzahlregelung, Druckausgleich und Flammenerkennung in Verbrennungssystemen erfordern alle eine Latenz im zulässigen Betriebsbereich, sonst funktioniert der Prozess nicht wie vorgesehen. Je enger die Regelschleife, desto kritischer wird die Latenz. Deshalb geben Echtzeitsysteme in der Fertigung eine maximale Latenz in ihren technischen Anforderungen an, nicht nur eine durchschnittliche Reaktionszeit.

Quellen und Kompromisse

Latenz sammelt sich in jeder Stufe an. Eine vernetzte SPS könnte 10 ms durch den Overhead des Übertragungsprotokolls hinzufügen. Der Sensor selbst könnte 5 ms einbringen. Der Prozessor benötigt möglicherweise 2 ms, um die Eingabe mit den Sollwerten zu bewerten. Der Ausgangstreiber benötigt nochmal 1 ms, bevor das Relais oder Ventil tatsächlich bewegt wird. Jede Schicht ist klein; die Summe überrascht oft Ingenieure. Drahtlose Industriesysteme weisen routinemäßig 50 bis 100 ms Latenz auf, was sie für geschlossene Regelkreise ungeeignet macht, aber für übergeordnete Überwachung akzeptabel ist.

Die Reduzierung der Latenz kostet Geld und Entwicklungsaufwand. Hardwareverdrahtete Analogregelkreise haben fast keine Latenz; vernetzte digitale Systeme schon. Lokale Verarbeitung ist schneller als Cloud-basierte Verarbeitung. Deterministische Echtzeit-Betriebssysteme garantieren maximale Latenz; Allzweck-Systeme nicht. Viele Gerätekonstrukteure akzeptieren die Latenz als feste Randbedingung und bauen ihre Regelalgorithmen darum herum, anstatt zu versuchen, sie zu beseitigen.

Der Begriff Latenz stammt aus Telekommunikation und Datenverarbeitung, wo er ursprünglich die Ausbreitungsverzögerung in einem Kabel oder über ein Netzwerk bedeutete. In Industrieumgebungen hat er sich zu einem allgemeinen Begriff für jede unerwünschte Verzögerung in der Signalkette entwickelt, ob elektrischen, mechanischen oder softwarebezogenen Ursprungs. Wenn die Latenz vorhersehbar wird und in die Spezifikationen eingebaut ist, hört sie auf, ein Problem zu sein, und wird zu einem Designparameter.