Poradnik automatyka cz. 8 - Jak dobierać układy I/O?

Układy wejść/wyjść to zaraz po sterownikach PLC najczęściej wykorzystywany element w aplikacjach automatyki. Ich rola jest bardzo prosta - dzięki nim logiczne sygnały wypracowywane w programie w PLC sterują fizycznymi urządzeniami zainstalowanymi na obiekcie. Pomimo tego, że zadanie, do którego są przeznaczone, jest proste, oferta dostępnych na rynku układów jest bardzo szeroka i adresowana do konkretnych zastosowań. Jak zatem właściwie dobrać układ wejść/wyjść i na co zwrócić uwagę, aby wybrać najlepsze rozwiązanie?

1. Kompaktowe czy modułowe?

2. Lokalne czy oddalone?

Dobór właściwego układu I/O uzależniony jest przede wszystkim od charakteru i architektury systemu, w której układ będzie pracował. Sygnały obiektowe do sterownika można doprowadzić na 2 sposoby. Sposób pierwszy to rozbudowa lokalna i bezpośrednie podłączenie kabli sygnałowych sterownika PLC. Model ten stosowany jest wyłącznie w małych i prostych układach, w których długość kabla sygnałowego nie będzie przekraczała kilku metrów.

Jeśli automatyzujemy obiekt, w którym długość kabli sygnałowych będzie przekraczała 10 metrów, lub w pobliżu będą pracowały urządzenia, które mogą wprowadzać zakłócenia w pomiarach analogowych wówczas warto wybrać drugi sposób podłączania sygnałów i zastosować układ I/O do rozbudowy oddalonej. Układ taki może być zamontowany w innym miejscu niż sterownik PLC, dzięki czemu możemy zastosować krótsze kable sygnałowe oraz ograniczyć wpływ zewnętrznych zakłóceń na jakość pomiarów.

Możemy śmiało założyć, że w większości przypadków nano- i mikroinstalacji, rozbudowa systemu będzie miała charakter lokalny. Instalacje obsługujące do 128 sygnałów to najczęściej autonomiczne maszyny lub proste linie produkcyjne działające w obrębie jednej hali i w takich instalacjach najczęściej występuje jeden sterownik PLC, do którego bezpośrednio podłączamy wszystkie kable sygnałowe.W przypadku systemów średnich i dużych, o architekturze rozproszonej, rozbudowa ma najczęściej charakter oddalony. Z uwagi na większe ilości sygnałów do obsługi w węźle, częściej stosuje się układy o budowie modułowej niż kompaktowej, ponieważ konfigurację węzła można dobrać indywidualnie do zaistniałych potrzeb, co ma znaczący wpływ na optymalizację kosztów zakupu węzła.

3. Dedykowane czy uniwersalne?

W przypadku rozbudowy systemów micro warto stosować dedykowane układy I/O od tego samego dostawcy, co zastosowany sterownik PLC. Dlaczego? Ponieważ ilość dodatkowych sygnałów, które chcemy podłączyć do sterownika, jest ograniczona, a integracja układu z systemem będzie szybsza i dużo prostsza - dzięki wykorzystaniu dedykowanej magistrali komunikacyjnej wbudowanej w sterownik PLC i w układ I/O.

Przykładem może być tutaj Horner APG – jeden z głównych dostawców zintegrowanych systemów sterowania na rynku, który do lokalnej rozbudowy swoich systemów wykorzystuje kompaktowe układy SmartMod I/O działające na sieci Modbus RTU lub SmartStix I/O pracujące na magistrali CsCAN. Port szeregowy RS485 oraz CsCAN wbudowany jest standardowo w każdy sterownik Horner. Do konfiguracji PLC i układu I/O wykorzystujemy to samo oprogramowanie narzędziowe Cscape. Wbudowane w Cscape mechanizmy auto konfiguracji pozwalają bardzo szybko zintegrować układ I/O w systemie, znacząco ograniczając czas, jaki musi na to poświęcić programista. Dodatkowo, łatwo dostępna diagnostyka układów I/O pozwala na bieżąco śledzić stan modułu i obsługiwać wyjątki z poziomu programu sterującego. W przypadku rozbudowy systemów średnich i dużych również warto stosować układy I/O od tego samego dostawcy - chociażby z powodu jednego oprogramowania narzędziowego do konfiguracji całego systemu sterowania. Stosowanie uniwersalnych układów I/O w przypadku rozbudowy większych systemów może okazać się tańsze w zakupie, ale należy liczyć się z tym, że konfiguracja będzie odbywała się w innym narzędziu i zajmie więcej czasu. Dobrym przykładem układów I/O o budowie modułowej jest RSTi I/O – ekonomiczny układ I/O od GE Automation & Controls. RSTi charakteryzuje się niewielkimi rozmiarami, dzięki czemu nie wymaga dużej przestrzeni montażowej. Bardzo bogata lista dostępnych modułów pozwala na elastyczny dobór konfiguracji I/O i interfejsu komunikacyjnego do podłączenia ze sterownikiem nadrzędnym.

4. EtherCAT czy Profinet?

Układy I/O mogą pracować w różnych sieciach przemysłowych, a ich wybór uzależniony jest od typu aplikacji, w jakiej układ będzie pracował. Do tej pory najpopularniejszym standardem wymiany danych w systemach dyskretnych był Modbus RTU i TCP, a w aplikacjach o charakterze ciągłym - Profibus DP. W ostatnim czasie daje się zauważyć zmianę tych standardów na inne bazujące na technologii Ethernet.

W systemach dyskretnych i serwonapędowych bardzo dużą popularność zdobywa obecnie EtherCAT. Przewagą tego standardu nad innymi bazującymi na sieci Ethernet jest deterministyczna komunikacja, która w systemach serwonapędowych jest bardzo ważna. Wykorzystanie w takich systemach układów I/O na sieć EtherCAT jest wtórne i wynika z potrzeby unifikacji standardu komunikacyjnego w całym systemie. W ofercie ASTOR dostępne są układy I/O Astraada One o budowie modułowej i kompaktowej obsługujące ten standard komunikacyjny, a ich konfiguracja realizowana jest z poziomu oprogramowania Codesys. W standardzie EtherCAT szybkość wymiany informacji pozwala na synchronizację osi w czasie 1 µs, dzięki czemu wymiana informacji w systemie, w którym pracuje 10 osi serwo, trwa zaledwie 10µs. EtherCAT opiera się na warstwie fizycznej IEE802. Do budowy sieci w tym standardzie nie są wymagane dodatkowe switche zewnętrzne, a informacje przekazywane są poprzez poszczególne węzły w sieci.

5. Magistrala, gwiazda czy pierścień?

Podłączenie układów I/O do nadrzędnego sterownika PLC po sieci Ethernet może być realizowane na kilka sposobów. Najprostsza i zarazem najtańsza topologia - magistrala - jest najmniej popularna z powodu dwóch wad. Po pierwsze, wymaga stosowania interfejsów komunikacyjnych, które wyposażone są w najmniej dwuportowy switch, aby można było podłączyć kolejne węzły. Po drugie, w przypadku wystąpienia uszkodzenia kabla lub serwisu bądź awarii węzła I/O, od sterownika PLC zostają odcięte wszystkie kolejne podłączone węzły.

Najpopularniejsza stosowana obecnie topologia sieciowa to gwiazda. Pozwala ona niezależnie podłączyć kilka układów I/O do systemu nadrzędnego za pośrednictwem switcha przemysłowego. Topologia ta jest odporna na uszkodzenia pojedynczych segmentów sieci, odcinając od systemu tylko ten węzeł, którego magistrala została uszkodzona. Niestety topologia ta nie jest odporna na uszkodzenie switcha – jego awaria oznacza odcięcie wszystkich węzłów od systemu sterowania. Z tego względu topologię tę stosujemy najczęściej w małych i prostych systemach sterowania dyskretnego. Najbezpieczniejszą topologią komunikacji jest pierścień, ale wymaga on zastosowania specjalnych interfejsów komunikacyjnych wyposażonych w mechanizmy wyboru/blokowania połączenia redundantnego. W tej topologii podłączane są najczęściej układy I/O w aplikacjach procesowych, w których zatrzymanie pracy węzła jest niedopuszczalne. To jest rekomendowana topologia sieci dla średnich i dużych systemów automatyki.

Wybór najlepszej topologii zależy zatem od charakteru aplikacji. Jeśli zatrzymanie jednego układu I/O powoduje, że maszyna lub cała linia powinna zostać zatrzymana, wówczas można rozważyć topologię magistrali – w takich przypadkach stosowanie droższych topologii, takich jak gwiazda i pierścień, jest nieuzasadnione. Jeśli system jest rozproszony i włączenie jednego węzła nie powinno zatrzymywać całego procesu, wówczas najodpowiedniejsza będzie gwiazda – wymagany będzie dodatkowy switch i więcej kabli komunikacyjnych. Jeśli natomiast mamy do czynienia z systemem, w którym dostępność układu i odporność na awarie jest najważniejsza, wówczas najlepsze będzie połączenie redundantne w postaci ringu.

6. Funkcje dodatkowe?

Wybierając układ I/O, warto zwrócić również uwagę na funkcje dodatkowe, które mogą okazać się przydatne. Pierwszą z nich jest Hot-Swap, czyli serwis modułów na ruchu. Pozwala on na wymianę i serwis modułów bez zatrzymywania pracy całego węzła – funkcjonalność ta jest niezbędna w aplikacjach procesowych. Kolejną ważną z punktu widzenia ciągłości pracy systemu jest możliwość pracy w układach o architekturze wysokiej dostępności i obsługa redundantnych zasilaczy systemowych. Obsługa redundantnej magistrali komunikacyjnej w układach I/O zabezpiecza nas na wypadek uszkodzenia segmentu sieci.

7. Diagnostyka układów I/O

Większość dostępnych układów I/O oferuje możliwości diagnostyki pracy modułu. Warto z tej funkcjonalności korzystać, gdyż bardzo szybko możemy sprawdzić, w jakim stanie znajduje się nasz układ. Stan pracy modułu możemy obserwować na diodach statusowych zabudowanych na module I/O lub w rejestrach statusowych dostępnych z poziomu programu sterującego. Diagnostyka może być bardzo rozbudowana i obejmować sam moduł I/O, jak również poszczególne tory pomiarowe, stany alarmowe czy wystąpienia zwarcia, przeciążenia lub rozwarcia pętli pomiarowej. Wszystkie informacje diagnostyczne układu I/O mogą znaleźć się na ekranach synoptycznych systemów SCADA i dają służbom odpowiedzialnym za utrzymanie ruchu klarowną informację w jakim węźle, na jakim module i w którym torze pomiarowym wystąpił błąd.

Kontakt