Тенденции в I/O архитектурата

• Bходно-изходните (I/O) устройства са съществена част от системите за автоматизация на машини

• Тенденцията към модулни и адаптивни машини бързо повишава необходимостта от повече разпределени I/O устройства

• I/O системите стават все по-гъвкави и лесни за инсталиране и въвеждане в експлоатация

Bходно-изходните (I/O) устройства са съществена част от системите за автоматизация на машини. Вход могат да бъдат входящите сензорни данни, а изход - изходящите команди към изпълнителните устройства, като за да събира и изпраща сигнали от и към контролера, схемата за автоматизация се опира на I/O устройствата, било то цифрови или аналогови.

Макар че тези устройства се използват отдавна, благодарение на иновациите в сферата на I/O те са все по-бързи, по-малки и по-интелигентни. Обикновено I/O системите се групират и монтират на DIN шина в табла. От няколко години са налични I/O системи за монтаж извън табла и много системи могат да се възползват от тази гъвкавост.

При I/O модулите за монтаж в табла монтажниците могат да подвържат проводниците с пружинни клеми, пружинни клеми тип Cage, винтови клеми или конектори. Безжичните входно-изходни устройства могат да предават данни по мрежа до точките за достъп и от там към контролера.

Количеството опции за входно-изходни устройства продължава да се увеличава, а процесът на вземане на решения става все по-прецизен и сложен. Изброяването на входно-изходните точки е само началото. Тенденцията към модулни машини и такива, които са по-адаптивни за осигуряване и създаване на различни производствени линии, бързо повишава необходимостта от повече разпределени I/O устройства.

Модулността на машините дава нови възможности за разпределената I/O комуникация, така че мрежовите връзки и захранващите блокове са всичко необходимо, за да се осигури дадена функционална система. Това прави I/O системите по-гъвкави и много по-лесни за инсталиране и въвеждане в експлоатация.

Разпределени I/O архитектури

Централното командно табло обикновено контролира целия процес, като използва PLC или PC-базиран контролер. Обикновено има голям брой директно свързани към таблото I/O канали. Входно-изходната система представлява комбинация от различни типове сигнали: цифрови, аналогови, както и функционални сигнали от по-високо ниво.

Модулната I/O система с модули с висока плътност (32 цифрови или 8 аналогови канала) има капацитет да побере голямо количество I/O периферия в един мрежов интерфейс, което намалява необходимостта от многоточкова мрежа в таблото, както и броя на модулите.

Модулните I/O системи, които поддържат разклонена подмрежа, имат възможност лесно да интегрират в таблото мрежи като AS-i (интерфейс на органи за задействане към сензори) при производство на отделни елементи и HART за контрол на процеси.

Разпределените табла за управление осигуряват връзката за множество I/O сигнали, както и контрол на локалния процес. В такива приложения класическото решение е модулна I/O система с вграден PLC за осъществяване на локален контрол на процесите. Сложността на контрола и времевите изисквания към процесите могат да бъдат различни за отделните разпределени табла.

Изборът на I/O система с възможности за управляема ефективност на процесора позволява унифициране на I/O системата и софтуера за програмиране на целия процес. Това би намалило времето за изработване, обучение на персонала по поддръжката и нуждата от множество специалисти за една дейност. Въпреки че сигналите в разпределените табла са от същите типове, количеството им в тях няма да бъде толкова голямо, колкото в централното командно табло, така че там може да се използват модули с по-ниска плътност, за да се осигури нужното количество I/O канали.

Разпределените I/O табла с някакъв вид потребителски интерфейс (бутони и лампи) или други мрежови елементи за управление, като например драйвер или инвертор, изискват най-малък брой I/O канали. За монтаж в разпределените I/O табла са създадени комплектни модули, включващи вграден мрежов интерфейс и I/O устройства. В сравнение с модулните решения,конфигурацията с компактен фиксиран дизайн изисква по-малко пространство и е с по-ниска цена при I/O системи с 32 и по-малко точки.

Първоначално за захранване и подвързване на силно разклонени сензори и изпълнителни механизми са били използвани малки разклонителни кутии. Т. нар. машинно монтирани модули или открити модули с вграден мрежов интерфейс и I/O системи са предназначени да заменят тези разклонителни кутии. Машинните I/O модули намаляват броя на кутиите и елиминират грешките при опроводяване, благодарение на предварителното свързване, с което осигуряват снижаване на площта за монтаж, както и времето за проектиране, изграждане и въвеждане в експлоатация на системите за контрол.

С използването на модулните производствени техники нараства нуждата от разполагане на по-концентрирани сигнали и различни видове сигнали в машинните I/O системи. За да се отговори на тази нужда, се въвеждат нови модулни машинни I/О решения. Модулните машинни I/O системи с гъвкав кабел за връзка между I/O модулите и модулния мрежов интерфейс предлагат предимството на единичен мрежов интерфейс за много I/O точки, като при това се съхранява възможността за поставяне на I/O модули между механичните ограничения.

Особености при мрежите

Нуждата от промишлен Ethernet бързо нараства по причини от търговски и технически характер. От търговска гледна точка технологичните разходи за Ethernet са значително намалели, като интегрираният Ethernet за широко разпространените устройства в производствените зони вече е по-достъпен. Въвеждането на продукти за инфраструктурен промишлен Ethernet осигурява мащаба, надеждността и ремонтно-пригодността, необходими за инсталирането и поддръжката на големи устройства за Ethernet мрежи за контрол в заводите.

Техническите характеристики на Ethernet продължават да се развиват и разширяват и сега включват нови технологии, като например безжична свързаност, както и повишаване на производителността чрез по-високата скорост на предаване на данни - от 10 Mbps до 10 Gbps. Повечето промишлени мрежи имат скорост от 128 Kbps до 512 K, а в някои случаи 12 mbps.

Индустриалните Ethernet приложения работят в диапазона от 10 Mbps до 100 Mps, осигурявайки висока пропускателна способност за големи обеми от данни. Те също така се разширяват и във функционалните области като т.нар. автоматична настройка между устройствата, резервиране, протоколи за филтриране за съобщения, които намаляват мрежовия трафик и увеличават производителността.

Движението на информация през или между системите за контрол, производствените клетки и производствени линии изисква значително по-малко усилия при използване на Ethernet, в сравнение с традиционната схема от индивидуални Fieldbus мрежи. Ethernet позволява хиляди устройства да бъдат свързани помежду си в една и съща мрежа.

Основните промишлени мрежи осигуряват ограничен набор от свързани устройства: 32, 64, 128 или максимум 256 устройства, в зависимост от вида на мрежата. Системите за управление преодоляват това като създават индивидуални мрежи, контролирани от PLC устройства. Отделно PLC-та се свързват, използвайки същата промишлена мрежа или мрежа от по-високо ниво.

За прехвърляне на данни през отделните мрежи се изисква отделно програмиране на комуникацията, а в някои случаи различно мрежово структурно окабеляване. Големият капацитет на Ethernet за устройства и данни позволява всички устройства да бъдат свързани в една мрежа. В сравнение с промишлените мрежи, в една и съща Ethernet мрежа могат да бъдат предавани едновременно различни комуникационни протоколи. Това позволява устройства от различни доставчици, които използват различни протоколи, да бъдат свързвани с един и същи кабел, което елиминира нуждата от работа с няколко различни мрежови кабела.

Понастоящем предприятията могат да поддържат различни мрежи. В допълнение към частните дистанционни I/O мрежи за данни, различни промишлени мрежи могат да бъдат използвани по различни производствени линии или зони на предприятията. Всяка промишлена мрежа има различна инсталация, правила за окабеляване и различна диагностика. Това може да доведе до по-голяма нужда от обучение на персонала по поддръжката и може да стане причина за по-дълго време на престой на мрежата.

Приложение на промишления Ethernet

Има редица стандартизирани протоколи за контрол за промишлен Ethernet, които могат да бъдат приложени, за да се контролират I/O устройства с време на реагиране от десетки и даже единици милисекунди. Популярни протоколи са Modbus TCP, Ethernet/IP, и PROFINET. За високи нива на ефективност обикновено са нужни функции за филтриране на съобщенията. Функциите за филтриране са различни в зависимост от това какви I/O протоколи за контрол се използват.

Асоциацията по стандартизиране ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) препоръчва използването на функция IGMP Snooping, която филтрира нежеланите групови съобщения, за постигане на най-голяма ефективност на Ethernet/IP. Функцията Quality of Service, която позволява да бъдат поставени приоритети в предаването на информацията от различните устройства, се препоръчва за приложения в PROFINET, изискващи висока производителност.

Появяват се нови разширения за протоколи, които позволяват координирано движение в Ethernet. Те осигуряват времена за реакция от порядъка на милисекунди и трептене (разлика във времето на обновяване) по-малко от 1ms, но изискват допълнителни функции, като например IEEE 1588 за Ethernet /IP CIP Sync за контрол на движението. PROFINET IRT (Isochronous Real Time) изисква суичовете да съдържат IRT ASIC чипове.

В приложения с по-ниски изисквания към скоростта могат да се използват суичове, които не се управляват отделно. Много системи за мониторинг на качеството използват неуправляеми суичове, за да свържат I/O устройства към компютрите за мониторинг. Много машини от производители на оригинално оборудване използват неуправляеми суичове, за да свържат устройствата към управляващия компютър или да се свържат секции на производствения процес.

Управляемите суичове могат да бъдат използвани в комбинация с неуправляеми, за да се постигне баланс между работата на системата и общите инсталационни разходи. Като цяло, колкото по-високи са изискванията за висока скорост на I/O система, толкова по-голяма е необходимостта от управляеми суичове.

Основни различия между Ethernet и промишлени мрежи

Промишлените мрежови системи обикновено имат конфигурация с един основен мрежови кабел, а устройствата се свързват към него чрез връзки тип “T” или последователно. Индустриалните Ethernet системи се опроводяват в конфигурация от точка до точка. Всяко Ethernet устройство се свързва към мрежата с помощта на единичен кабел, през инфраструктурен компонент, като например Ethernet суич.

При този подход множество инфраструктурни компоненти са свързани помежду си за създаване на връзка тип “звезда” от отделни устройства за контрол. Макар че този начин на свързване дава много по-голяма гъвкавост при окабеляването, в сравнение с окабеляването с един главен кабел, то изисква Еthernet суичове или концентратори, вместо само съединителите, използвани в промишлените мрежови системи.

Ethernet също така има предимството, че позволява на устройства, работещи с различни скорости на обмен на данните, да работят заедно в една система и дори свързани към същия Ethernet суич. Това позволява на съществуващите инсталации или системи с 10 Mbs Ethernet устройства да бъдат лесно разширени, като се използват по-бързите 100 Mbs продукти. Това е едно предимство пред мрежовите системи, при които най-бавното устройство задава скоростта на данните в цялата мрежа.

За да общуват с контролери като PLC или компютри, мрежовите устройства се нуждаят от адрес в мрежата. В стандартизираните мрежи, както и в промишлените мрежови системи за индустриална комуникация това обикновено се постига с помощта на микропревключватели в устройството. Индустриалните Ethernet устройства могат да бъдат конфигурирани по мрежата с помощта на стандартни мрежови протоколи за адресиране.

При високите скорости на трансфер на данни в Ethernet, максималната дължина за предаване на данни от точка до точка по меден кабел е 100 m. Тя е фиксирана, независимо от скоростта на данните. В спецификациите на IEEE Ethernet се запазва фиксираната дължина от 100 m, но се изискват все по-високочестотни кабели (съответно на по-висока цена) когато скоростите на трансфер се увеличават.

Поради това, оптичните кабели са необходимост за повечето приложения за дълги разстояния. Първата стъпка е да се избере правилния оптичен кабел на база на разликите в разстоянието, цената и леснотата на свързване. Предлагат се пластмасови оптични кабели, които са оптимизирани за създаване на къси (50 - 100 m) кабели с помощта на стандартни кабелни инструменти. Кабелите от оптични влакна покриват по-големи разстояния (обикновено 2000 m) и са много по-лесни за свързване от по-ранните поколения конектори.

При промишлените мрежи устройствата и протоколът за съобщения са интегрално свързани. Ако даден кабел бъде прекъснат, светодиодите, обозначаващи връзката на различните устройства, дават сигнал за грешка, I/O устройствата разпознават, че мрежата е в неизправност и влизат в своите режими за повреда. В Ethernet има два различни вида връзки. Физическите кабелни връзки се индикират от светодиоди.

Комуникационните съобщения са софтуерната връзка между контролера (PC/PLC) и I/O. Процедурата е аналогична на тази при телефонната система. Там трябва първо да включите телефоните в мрежата (физическа връзка) и след това да наберете друго лице, което да отговори (да установи комуникационна връзка), преди да може да се говори (и да се предават и получават съобщения).

Тъй като може да има много Ethernet суичове между контролера и I/O устройството, то дори I/O устройството да има добра физическа връзка към съответстващия му суич, ако кабелът е срязан няколко суича по-нагоре по веригата няма да има Ethernet комуникационна връзка. За разлика от промишлените мрежи, кабелът за комуникация може да бъде в изправност, но да няма комуникация. За правилното диагностициране на системата трябва да се използват светодиодите за предаване/приемане. В някои продукти има добавена комуникационна диагностика на връзката.

В допълнение към отстраняването на проблеми, трябва да бъдат разгледани и някои аспекти на реагирането при повреда. Индустриалните протоколи като PROFINET и Ethernet/IP са построени на база постоянни проверки. Ако връзката за комуникация се изгуби, липсата на сигнал се открива от I/O модула, който влиза в режим на потребителски програмирана реакция при повреда.

Другите протоколи нямат такива вградени механизми. Това налага потребителя да проверява дали I/O продуктът на дадения доставчик има функция, която проверява за активна комуникация. Без подобна функция, кабелът може да бъде прекъснат по-нагоре по линията, а I/O устройство да стои в режим на изчакване на нови I/O команди, които така и да не получи. При проектирането на системи, базирани на Ethernet I/O, трябва да се потвърди, че както приложният протокол, така и I/O устройство притежават адекватни функции за проверка на връзката и механизми за реагиране при повреда.