Иновации при входно-изходните модули

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2/2022 • 11.04.2022

  • IIoT и Industry 4.0 и някои ключови технологии като отдалеченото управление и прогнозната поддръжка водят до динамичен скок в приложенията на I/O модулите

  • В хода на индустриалната дигитализация непрекъснато нараства търсенето на т. нар. универсални или интелигентни I/O устройства

  • Разпределените входно-изходни системи, безшкафовите конфигурации и стандартизираните I/O технологии за комуникация като IO-Link са сред
    водещите иновации на пазара

Входно-изходните модули непрекъснато се усъвършенстват в хода на промишлената революция, наред с всички останали сегменти в сферата на автоматизацията. Концепциите за Industrial Internet of Things и Industry 4.0 и някои ключови технологии като периферните изчисления, отдалеченото управление и мониторинг и прогнозната поддръжка създават условия за динамичен скок в приложенията на I/O системите, които играят критична роля в обезпечаването на комуникационните процеси в едно предприятие – чак до най-малкото полево устройство. В хода на индустриалната дигитализация непрекъснато нараства търсенето и на т. нар. универсални или интелигентни I/O устройства, които позволяват на интеграторите и потребителите бързо и лесно да мащабират своите системи. В настоящата статия ще разгледаме някои от най-интересните иновации, както и водещите тенденции на технологично развитие при входно-изходните модули в индустриалната автоматизация през последните години.


Универсални I/O системи и IoT

Освен че осигуряват на производителите на машини условия за улеснена дистрибуция на продуктите им на глобалните пазари, интелигентните I/O устройства притежават ключовата възможност да работят както с ново, така и с (наследено) оборудване в експлоатация. Промишлените предприятия могат да модернизират съществуващите си активи с адаптивни модули, които да включват толкова входове и изходи, колкото са необходими, вместо да се ограничават до осемте входно-изходни точки, характерни за традиционните I/O конфигурации.

Сред водещите иновации по отношение на тази нарастваща гъвкавост е IO-Link – стандартизирана I/O технология за комуникация с промишлени сензори, задвижващи механизми и други смарт устройства. Тя представлява унифициран метод за комуникация на ниво устройство от точка до точка, който е лесен за прилагане и разполага с вградени функции за диагностика. IO-Link платформата е независима от доставчика и се състои от IO-Link Master интерфейс (към управлението или към нивото на индустриалната мрежа) и едно или повече свързани IO-Link устройства, с които интерфейсът осъществява комуникация. Така става възможно да се комбинират главни IO-Link блокове и IO-Link устройства от различни доставчици и лесно да се интегрират в една и съща мрежа.

IO-Link осигурява множество предимства за производителите на оригинално оборудване (OEM), включително намалени разходи за изграждане на архитектурата, по-бързо въвеждане в експлоатация, намаляване броя на мрежовите възли и повече функции за мониторинг и отстраняване на проблеми. Тъй като Ethernet интерфейсът не се вмества по отношение на размера и необходимите разходи в най-малките устройства като фотоелектричните датчици, IO-Link се оказва основният комуникационен протокол, който да превърне конвенционалните сензори в интелигентни. Технологията дава възможност за предаване на данни за широк набор от различни параметри, а не само на т. нар. “висока/ниска” (high/low) информация, както в миналото. Така един обикновен сензор може да изпраща допълнителна информация като резултати от температурно отчитане в допълнение към стандартния си превключващ сигнал.

Ядрото или същността на Internet of Things концепциите са данните. А умните входно-изходни устройства не само осигуряват множество допълнителни възможности на проектантите и крайните потребители да оползотворяват добавената бизнес стойност, която данните осигуряват, но и да се възползват от разширена гъвкавост в машинния дизайн и оперативната съвместимост. Наличието на такава комуникация на ниво сензор позволява разработването на много повече приложения, готови за IoT. Сред най-иновативните практически сценарии, които извличат съществени ползи от модернизацията на традиционните с интелигентни I/O системи, е мониторингът на състоянието на технологични процеси в индустрията, който с помощта на базиран на шаблони изкуствен интелект разширява възможностите си с повече функции за прогнозна поддръжка.

Огромните масиви от данни, които индустриалните потребители откриха, че могат да администрират в зората на Industry 4.0 с помощта на IoT технологиите и свързаните полеви смарт устройства, дълго се славеха като скъп за събиране, обработка и анализ ресурс. Иновативни протоколи като IO-Link обаче значително оптимизират необходимите разходи за такива приложения, а универсалните I/O системи позволяват интегрирането на различни типове интерфейси (като RFID устройства, баркод четци или технологии за машинно зрение) в единни платформи с нови приложения, например в опаковъчния сектор.

Друга сфера с голям потенциал за внедряване на интелигентни входно-изходни решения, чийто пазарен дял непрекъснато нараства в дигиталната производствена реалност, е киберсигурността, където умните I/O модули могат да се окажат ключът към ефективната защита на съществуващото оборудване и по-старите системи за управление от съвременни кибератаки.

 

Развитие на пазара на индустриални I/O модули

Устройствата за входно-изходна комуникация управляват обмена на информация между една процесна система или платформа за автоматизация с останалите устройства в машината или линията. Основните два типа I/O модули са аналоговите, които чрез електрически сигнал комуникират данни за параметри като температурни нива или дебит на потока, и цифровите, които използват сигнали, представляващи две състояния – например включване и изключване или стартиране и спиране. Що се отнася до основните типове продукти, пазарът на индустриални I/O системи може да бъде сегментиран на PLC I/O модули (за програмируеми логически контролери), DCS I/O модули (за разпределени системи за управление) и I/O модули за индустриални компютри. Популярните PLC I/O устройства също могат да бъдат аналогови или цифрови. В контекста на глобалния преход във високотехнологичната индустрия към дигитални решения и мащабируеми IoT платформи, доставчиците на мрежови решения се опитват максимално да опростят процеса им на програмиране, за да получат по-бърза масова реализация.

Компютърните програми използват цифрови сигнали, а те могат да бъдат предавани без смущения от електрически шум, за разлика от аналоговите. В допълнение, цифровата обработка е много по-евтина и по-гъвкава от аналоговата. Ето защо повсеместната дигитална трансформация се оказва водещ двигател за нарастващата популярност на новото поколение по-гъвкави и интелигентни I/O системи. Това е в резултат от генерирането и потребността от управление на все повече данни, както и от нуждата от превантивна диагностика, която точно да прогнозира потенциални повреди в критичните промишлени машини и оборудване. Докато стандартните входно-изходни устройства могат единствено да получават данни от процеси и сигнална комуникация от сензор, интегриран в машина, гъвкавите или универсални I/O модули позволяват събиране на много повече типове информация за средата, в която функционира сензорът. Тези възможности осигуряват значителен, неизползван досега потенциал, за ефективна прогнозна поддръжка.

Все по-често в сферата на индустриалната автоматизация се говори и за т. нар. периферни (edge) входно-изходни системи. Те позволяват на потребителите да интегрират мултифункционални I/O модули на ниво полево устройство или оборудване, които впоследствие се налага единствено да бъдат свързвани към мрежовия кабел. Основните предимства на такава конфигурация са: подобрена гъвкавост, опростяване на машинния дизайн и процеса по изграждане на I/O архитектурата чрез практическото елиминиране на всякакви преустройства, свързани с входно-изходните модули, както и множество допълнителни възможности по отношение обработката на данни и мрежовата свързаност.

 

Тенденции и приложения

Необходимостта от преход към универсални I/O системи се обуславя и от нарастващата глобализация в индустрията, която стимулира производителите на промишлени машини да конструират оборудване за различни клиентски пазари по целия свят, които, от своя страна, да отговарят на различни стандарти и протоколи в зависимост от региона. Водещ плюс на интелигентните входно-изходни решения е, че могат да работят в съвместимост с много различни PLC среди и протоколи за полеви шини, включително Profinet или EtherNet/IP. Така дистрибуцията на едни и същи продукти би трябвало да е еднакво лесна на различните международни пазари, без да е необходимо разработването на цели серии от варианти за разнообразните местни изисквания с различни по тип I/O модули за специфични (свързани с действащия протокол) изисквания.

Сред водещите фактори, които стимулират ръста на глобалния пазар на индустриални входно-изходни модули, са новите технологии, приложения и реализации в сферата на електропреносните мрежи, посочват маркетинговите анализатори. Значителното разширяване на тези инфраструктури, включително с интегрирането на ВЕИ, се очаква да продължи да раздвижва пазара и през следващите няколко години с ускорено възприемане на промишлени I/O системи от ново поколение в производството, разпределението и преноса на електроенергия. Т. нар. интелигентни електрически мрежи (smart grids) носят и друга съществена полза за ръста в приложенията на входно-изходни модули в съществуващи енергийни системи, а именно чрез намаления брой трансформаторни повреди и с възможностите за управление на пиковите натоварвания и прекъсванията на захранването.

Появата на модули с размита логика (fuzzy logic) в програмируемите контролери е друга ключова тенденция, ускоряваща растежа на пазара на индустриални I/O решения. Модулите с размита логика помагат да се преодолее разликата между аналоговите и дискретните функции за вземане на решения на PLC системите. Благодарение на множеството си предимства, тези модули все повече се приемат от крайните потребители като критична и интегрална част от съвременните програмируеми логически контролери.
В допълнение експертите в бранша предвиждат и ускорено приемане на безжичните I/O устройства във все повече приложения през идните години, което също се очаква да стимулира растежа на глобалния пазар на промишлени входно-изходни системи.

 

Интелигентни решения за Industry 4.0

Един от ключовите крайъгълни камъни в развитието на индустриалните I/O системи от близкото минало са независимите от полевата шина входно-изходни модули. Тази концепция замени дискретните проводници в разклонителните кутии и организираните в шкафове I/O системи с модули за свързване към полева шина и многоканални входни и изходни модули – подобни на електронна клемна лента.

Последните тенденции в сегмента “преместват” I/O устройствата чак до връзките на сензорите и задвижващите механизми посредством съответните входно-изходни модули за полева шина, често наричани блокови или разпределени I/O системи. Тези устройства са подобни на многопортовите лети разпределителни кутии, само че тук решението за полева шина е вградено вътре. При специфициране на системата е необходимо единствено да се избере съответният протокол и да се свържат захранващ и комуникационен кабел. Въпреки множеството предимства на отделните типове технологични конфигурации за различни приложения – шкаф-базирани, отдалечени I/O системи или такива с полева шина, експертите се въздържат да отличават едните пред другите, като подчертават, че най-често в практиката се използват комбинирани системни решения, съчетаващи необходимите функции и възможности.

Навлизането на периферните изчисления в сегмента на I/O системите е друга важна иновация, която предопределя бъдещото му развитие. На практика тези технологии позволяват изместването на входно-изходните модули на контролерите към мрежовата периферия – в точката на използване, и добавянето на изчислителни възможности към тяхната функционалност. В реална производствена среда тази полева точка обикновено означава началото или края на технологичния процес. Чрез отдалечени I/O модули сензорите на контролера и отделните контролни точки могат да бъдат разположени директно в зоната на управление, а впоследствие свързани обратно с контролера с помощта на комуникационни технологии като Ethernet/IP или Profinet.

 

Иновации и технологично развитие

Отдалечените I/O системи все пак предлагат най-ефективно решение за комбиниране и преобразуване на конвенционални входно-изходни сигнали – AI (аналогови входни), AO (аналогови изходни), DI (цифрови входни) и DO (цифрови изходни) – в единни съвременни комуникационни протоколи на ниво предприятие като Profibus DP, Profinet и Modbus RTU/TCP. Сред ключовите предимства, които отдалечените I/O решения осигуряват, е възможността да се намалят броят и дължината на кабелните връзки обратно към контролната зала. При инсталация от точка до точка обикновено е необходимо сложно окабеляване между полевото устройство и контролния център, което изисква големи разходи за закупуване на самите кабели и за инженерно проектиране на трасетата, както и доста време и средства за монтаж. За разлика от това, отдалечените входно-изходни системи типично се инсталират възможно най-близо до полевите устройства. Връзката при тях се осъществява с единичен комуникационен кабел/шина, който се извежда обратно към контролната зала, а необходимият бюджет за окабеляване се намалява с до около 50%.

Друг плюс на отдалечените решения е възможността за драстично редуциране на броя DCS (distributed control system) карти, което отново пести финансов ресурс, а също и пространство в контролния център. Повечето отдалечени I/O конфигурации са базирани на специфична структура, чийто “гръбнак” се явява т. нар. задна платка (backplane) – група от електрически конектори, успоредни един на друг, така че всеки извод на даден конектор е свързан към същия относителен извод на всички други съединители, образувайки компютърна шина. При I/O системите тази платка включва слотове за комуникационни модули, I/O устройства и захранвания.

Високата плътност на съвременните модули позволява максимален брой входно-изходни устройства да бъдат разположени в един стандартен шкаф. Не на последно място, отдалечените I/O системи могат да бъдат внедрявани както в съоръжения със стандартно индустриално предназначение, така и в опасни промишлени зони.
Четвъртото или последното поколение при I/O архитектурите се основава на технологията IO-Link. Всъщност тя съществува повече от десетилетие, но през последните няколко години особено бързо се налага на пазара и в практиката, поради огромния й брой приложения в сферата на Industry 4.0 и Industrial Internet of Things платформи. С всеки главен IO-Link блок потребителите обикновено получават до осем порта, като всеки порт може да хоства различни входно-изходни модули. I/O устройствата или хъбовете са дъщерни възли, които произлизат от главния IO-Link блок, а сред основните им функции са улавянето на дискретни и аналогови I/O сигнали и комуникацията с интелигентни устройства като RFID транспондери, интелигентни сензори за налягане, цвят, ултразвук, лазерни датчици за разстояние или дори преобразуватели и енкодери. Последното поколение на технологията позволява използване на до 240 I/O точки за свързване посредством разширителни IO-Link хъбове, до 64 канала за аналогови входно-изходни сигнали или до осем IO-Link модула за умни устройства, както и всякакви комбинации от тези възможности.

През последните години все повече и повече производители разработват и налагат на пазара нови интелигентни устройства, които работят с IO-Link, включително клапанни колектори, хващачи, вакуумни генератори, сигнални кули, RFID системи и др.

Сред водещите иновации в технологичното развитие на индустриалните I/O решения са и т. нар. “cabinet-free” (безшкафови) системи, разположени върху или в самата машина. Тази концепция спомага за намаляване на използвания хардуер и разходите за инсталация и осигурява няколко съществени ползи посредством “изваждане” на компонентите извън шкафа за управление – редуцират се размерите и цената на шкафа, броят и дължината на кабелите, времето и средствата за окабеляване. В допълнение се свеждат до минимум грешките при свързване на проводниците с помощта на M-тип конектори за мрежова комуникация и захранване, а компонентите са по-близо до крайните устройства. Така една индустриална машина може да бъде експлоатирана като модулна система, тъй като всеки функционален сегмент е възможно лесно и бързо да бъде разкачен и свързан отново при необходимост.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top