W tym artykule, wspólnie przygotowanym z firmą Weidmuller opowiemy czym są rozproszone moduły wejść i wyjść na przykładzie urządzeń serii u-remote. Zaprezentujemy przegląd możliwości tych urządzeń na podstawie testów wykonanych w redakcji iAutomatyka.pl.
Zaczynamy?
Systemy sterowania, które integrujemy oraz związane z nimi maszyny i linie produkcyjne bardzo często są rozlokowane na sporej powierzchni. Każda maszyna to setki sygnałów, między innymi z czujników, napędów, siłowników oraz innych urządzeń pomiarowych i wykonawczych. Oprócz tego, że każde z tych urządzeń wymaga zasilenia, to dodatkowo każdym z nich trzeba albo sterować, albo odbierać od niego sygnał pomiarowy.
Przy klasycznym, scentralizowanym układzie sterowania należałoby przewód sterujący, czy sygnałowy poprowadzić od każdego pojedynczego urządzenia do sterownika PLC. W efekcie dałoby to kilometry przewodów. Układ sterowania robi się skomplikowany, przez co narażony na usterki oraz trudny do diagnozowania. To wszystko kosztuje, a nawet jeżeli odpuścimy sobie aspekt finansowy, to warto zadbać o estetykę.
Dlatego już jakiś czas temu powstała koncepcja systemów rozproszonych modułów wejść/wyjść. Takie moduły występują pod różnymi nazwami. Niektórzy określają je wyspami wejść/wyjść, modułami IO, systemami modułowymi, rozproszonymi stacjami, remote I/O czy po prostu Ajołami (od skrótu IO czyli Input Output). Do czego służą? W zasadzie rozwiązują wyżej wymienione problemy przy rozproszonym systemie sterowania. Poniższy rysunek pokazuje różnicę w połączeniach pomiędzy połączeniami z urządzeń bezpośrednio do sterownika PLC a połączeniami z zastosowaniem modułu wejść i wyjść.
„Klasyczne” rozwiązanie z dużą ilością przewodów VS rozwiązanie z wyspą zdalnych wejść i wyjść
Moduły rozproszone montujemy w obrębie dużej ilości czujników i urządzeń wykonawczych, podłączamy do nich krótkie przewody od urządzeń automatyki. Moduł komunikuje się ze sterownikiem PLC wykorzystując jeden z protokołów komunikacyjnych np. Profinet, Profibus, Modbus i inne. Odbierając rozkazy od sterownika PLC, stacja IO może zmienić wartość na modułach wyjściowych sterując w ten sposób podłączonymi urządzeniami. Podobnie podłączone czujniki do modułów wejściowych są zbierane w jedną „paczkę” i przesyłane do sterownika PLC.
Zapraszam na dalszą część artykułu, jeśli masz doświadczenie w automatyce, to masz okazję poznać rozwiązanie od Weidmueller a jeśli jesteś początkujący, to pokażę czym są rozproszone systemy wejść/wyjść na przykładzie u-remote. Opowiem o budowie urządzeń, ich zastosowaniu, WebSerwerze oraz konfiguracji modułów w TIA Portal ze sterownikiem S7-1200.
Rozproszone systemy wejść i wyjść
Przeglądając oferty różnych producentów można zauważyć, że oferowane przez nich systemy rozproszonych wejść i wyjść podzielić można na dwie podstawowe grupy. Są to systemy modułowe, przeznaczone do montażu w szafach sterowniczych na szynie DIN, oraz systemy o podwyższonej klasie ochronności przeznaczone do montażu w miejscach, gdzie występuje zapylenie, czy możliwość zanieczyszczenia cieczami – np. olejem używanym przy sterowaniu hydraulicznym. Weidmuller również podzielił swoje produkty na modułowe systemy o klasie ochronności IP20, oraz wyspy o podwyższonej klasie ochronności IP67.
Modułowy system u-remote
Modułowe wyspy rozproszonych wejść i wyjść składają się zawsze z modułu komunikacyjnego oraz pojedynczych modułów wejść i wyjść. Moduły komunikacyjne różnią się od siebie protokołem komunikacyjnym używanym do nawiązania połączenia ze sterownikiem PLC.
Jeżeli chodzi o kolejne moduły, to w ofercie Weidmuller znajdziemy oczywiście moduły wejść i wyjść analogowych i cyfrowych, ale oprócz tego również bardziej specjalistyczne karty rozszerzeń. Jedna wyspa wejść/wyjść może być zbudowana z maksymalnie 64 modułów. Cały spis znajdziesz w dalszej części artykułu.
Co wyróżnia u-remote od konkurencji?
Unikalna budowa modułów rozszerzeń
Co mam na myśli? Przede wszystkim moduły są cienkie i niewielkie, ale jednocześnie umożliwiają koncentrację dużej liczby sygnałów. To jednak nie wszystko. Każdy sygnał na każdym module może być sygnalizowany diodą. To duże ułatwienie podczas diagnostyki i rozwiązywania awarii. Ponadto same moduły posiadają modułową budowę.
- Element montażowy – montuje moduł na szynę DIN oraz posiada styki, które przekazują sygnały i zasilanie w magistrali.
- Element wykonawczy – wykonuje logikę, przetwarza sygnał. Serce modułu I/O.
- Konektory – umożliwiają przyłączenie przewodów.
Wszystkie te elementy można bez problemu kupić osobno, bez nabywania całych modułów rozszerzeń.
Co daje taka modułowa struktura?
- Umożliwia szybsze uruchomienie – dzięki wyjmowanym konektorom można najpierw zamontować w nich wszystkie przewody, a później zamontować konektory w modułach. Montaż przewodów może odbywać się bez dodatkowych narzędzi.
- Pozwala na szybszą naprawę awarii – jeżeli mamy podejrzenie, że któryś moduł nie działa prawidłowo, możemy wymienić tylko element wykonawczy, bez demontażu przewodów i wyjmowania całego modułu.
Ogromny wybór
Weidmuller w swojej ofercie posiada spory wybór zarówno modułów komunikacyjnych, jak i modułów rozszerzeń. Moduły komunikacyjne różnią się od siebie protokołem komunikacyjnym, który służy do komunikacji ze sterownikiem PLC.
Dostępne moduły komunikacyjne u-remote:
Jeżeli chodzi o moduły rozszerzeń to też jest w czym wybierać. W ofercie Weidmuller znajdziemy:
- Moduły wejść cyfrowych – przełączane sygnałem dodatnim lub ujemnym, posiadające zabezpieczenie przed odwróceniem polaryzacji. Dostępne są w wersjach z 4, 8 lub 16 wejściami. Można z nich zasilacz czujniki.
- Moduły wyjść cyfrowych – występują w technologii sink i source, posiadają zabezpieczenie przed zwarciem. Dostępne są w wersjach z 4, 8 lub 16 wyjściami. Maksymalna częstotliwość przełączania to 1 kHz. Występują też w specjalnych wersjach, jak np. 4RO-SSR do szybkiego przełączania.
- Moduły PWM – przeznaczone do zasilania i sterowania małych napędów. Maksymalny prąd wyjściowy to 2A, a maksymalna częstotliwość przełączania to 40 kHz.
- Moduły wejść analogowych – dostępne w wielu wariantach z 12 lub 16 bitową rozdzielczością. Mogą być parametryzowane i obsługiwać sygnały +/- 10 V, +/- 5 V, 0-10 V, 0-5 V, 2-10 V, 1-5 V, 0-20 mA albo 4-20 mA. Każdy moduł może obsłużyć do czterech 2 lub 3-przewodowych urządzeń wejściowych.
- Analogowe moduły pomiaru temperatury – specjalne moduły służące do obsługi czujników temperatury – termopar i czujników rezystancyjnych. Diagnostyka każdego kanału umożliwia wykrycie przerwania, lub wystąpienia wartości spoza zakresu zadanego.
- Moduły tensometryczne – specjalne moduły wejść analogowych przeznaczone do pomiaru sił i obsługi czujników tensometrycznych.
- Moduły do pomiaru energii – 16 bitowe moduły służące do pomiaru prądu i napięcia na przewodach zasilających w systemach jedno i trójfazowych. Dodatkowo umożliwiają pomiar mocy aktywnej i biernej, przesunięcia fazowego i wielu innych parametrów sieci. Maksymalny prąd mierzony to 5 A.
- Moduły wyjść analogowych – mogą zasilać i sterować urządzenia wykonawcze, za pomocą sygnałów +/- 10 V, +/- 5 V, 0-10 V, 0-5 V, 2-10 V, 1-5 V, 0-20 mA albo 4-20 mA z dokładnością do 0,05 % wartości zakresu pomiarowego. Umożliwiają podłączenie urządzeń 2-, 3- i 4-przewodowych.
- Moduły szybkich liczników – 32 bitowe moduły zaprojektowane do obsługi enkoderów inkrementalnych i absolutnych o maksymalnej częstotliwości zliczania wynoszącej 500 kHz. W celu dostosowania do różnorodnych zastosowań, moduły te można parametryzować do pracy w trybie nasłuchu lub trybie urządzenia nadrzędnego.
- Moduły safety – dzięki wyjściom OSSD umożliwiają podłączenie przycisków i czujników bezpieczeństwa oraz wyłączenie urządzeń w przypadku wykrycia zagrożenia.
- Moduły zasilania – moduły do regenerowania mocy na ścieżce prądu wejściowego oraz wyjściowego. Są one monitorowane przez diagnostyczny wyświetlacz napięcia i zapewniają prąd o natężeniu 10 A w odpowiedniej ścieżce wejściowej lub wyjściowej.
Link do katalogu z wszystkimi kartami rozszerzeń KLIKNIJ TUTAJ.
Wbudowany WebSerwer
Każdy moduł komunikacyjny systemu u-remote posiada wbudowany WebSerwer! Po przejściu na stronę WebSerwera pojawi się ogólny widok projektu, tego co mamy złożone na szynie oraz aktualne wartości przetwarzane przez wyspę i to bez żadnej konfiguracji!
Domyślnie aby połączyć się z WebSerwerem wystarczy podłączenie naszego komputera do portu micro USB na module komunikacyjnym i wpisanie adresu IP modułu w przeglądarce. Gdzie znaleźć port micro USB? O tutaj:
Przy modułach korzystających z Ethernet możemy użyć również przewodu sieciowego w celu dostania się do WebSerwera. Co oferuje nam WebSerwer?
- Dostęp do danych diagnostycznych – oprócz diagnostyki wizualnej na podstawie stanu LEDów na obudowach modułów możemy pobierać dokładne dane diagnostyczne przez WebSerwer.
- Prostą konfigurację modułu komunikacyjnego – za pomocą WebSerwera można ustawić między innymi adres IP stacji, adres IP do komunikacji przez USB, nazwę stacji, konfigurację alarmów, czy odblokowanie wymuszania wartości.
- Możliwość ustawienia parametrów każdego modułu – jak widać na poniższym zdjęciu dla przykładu ustawiliśmy parametry modułu wejść analogowych. W naszym przypadku moduł wejść może obsługiwać różne standardy prądowe i napięciowe, dlatego musieliśmy wybrać ten, którego będziemy używali (0 – 10 V). Oprócz tego wybrać można takie parametry jak format przekazywanych danych, czy włączenie lub wyłączenie funkcji diagnostycznych.
- Wymuszanie danych – po włączeniu wymuszania możemy wpływać na każdy sygnał wejściowy i wyjściowy do naszego modułu. Nie muszę chyba mówić jak bardzo ułatwia to szukanie przyczyn awarii czy ich naprawę. Samo przetestowanie działania systemu automatyki przy uruchomieniu też jest ułatwione dzięki tej funkcji.
Dane wymuszać można przez proste klikanie w odpowiednich miejscach na graficznym podglądzie wyspy, lub przez przejście do podglądu stacji.
- Aktualizację firmware – ogranicza się to właściwie do wskazania ścieżki do pliku na dysku.
Podłączamy u-remote do sterownika Siemens S7-1200
Ok. Wiemy już czym jest u-remote. Podłączmy to teraz i skonfigurujmy ze sterownikiem S7-1215C od Siemensa, a następnie zobaczmy jak działa nasza wyspa I/O.
Do naszej redakcji przyszło kilka różnych modułów komunikacyjnych. Wybrałem UR20-FBC-PN-IRT, który do komunikacji wykorzystuje protokół PROFINET. Na module widać dwa białe konektory na przewody. Dokumentacja twierdzi, że są to przyłącza zasilania i jedno z nich wykorzystywane jest do zasilenia modułu i urządzeń wejściowych, a drugie do zasilenia urządzeń wyjściowych. Zatem na oba przyłącza podamy zasilanie 24 VDC.
Dalej do wyspy dołożymy kilka modułów rozszerzeń, które postaramy się jakoś wykorzystać. Będą to 4DI-P (wejścia cyfrowe), 4 DO-P (wyjścia cyfrowe), GW-SAI (brama) oraz SAI-AU M12 8DIO (moduł wejść i wyjść cyfrowych o podwyższonej klasie odporności IP67) oraz 4AI-UI-16-D (wejścia analogowe 16-bitowe).
Do modułu wyjść cyfrowych podłączam lampkę. Do modułu GW-SAI zgodnie z dokumentacja podłączam wyspę DIO (posiadającą IP67), a do niej czujnik indukcyjny. Do wejść analogowych zadajnik 0-10 V z potencjometrem. Na koniec wyspę podłączmy do sterownika przewodem ethernetowym.
Czas na konfigurację. Zacznijmy od pobrania pliku konfiguracyjnego modułów Weidmuller, który zaimportujemy do projektu w TIA Portal. Wchodzimy na stronę https://www.weidmuller.com/us/downloads/gsd—eds-files, znajdujemy moduł komunikacyjny którego używamy i ściągamy pliki GSDML.
Stwórzmy teraz nowy projekt w TIA Portal. Przejdźmy do opcji i do okna dodania nowego pliku GSD jak na poniższym zdjęciu.
Następnie w oknie, które wyskoczy wybierzmy katalog, w którym mamy plik GSD, wybieramy nasz plik do modułu Profinetowego i klikamy Install.
Po zainstalowaniu pliku GSD możemy dodać moduł komunikacyjny do projektu. W tym celu przejdźmy do zakładki Devices & networks, następnie do widoku topologii, w wyszukiwarce wpiszmy UR20, wybierzmy interesujący nas model i przeciągnijmy do okna urządzeń. Następnie narysujmy połączenie ze sterownikiem PLC.
Następnie dwukrotnie klikamy na dodany moduł, co spowoduje przejście do jego konfiguracji. Tam musimy dodać wszystkie pojedyncze moduły do wyspy w dokładnie takiej kolejności, jak dodaliśmy je do fizycznego urządzenia na szynie. Wystarczy z listy modułów wybrać ten nas interesujący i przesunąć go do tabeli. Moduły można również wyszukiwać po nazwach (widoczne są na boku obudowy).
Podsumowanie konfiguracji u-remote
I to właściwie koniec. Od teraz możemy korzystać z sygnałów podawanych na wyspę u-remote, jak również sterować podłączonymi do niej urządzeniami. Adresy, których musimy w tym celu używać widać w tabeli na powyższym zdjęciu. W celu sprawdzenia, czy faktycznie dodanie do projektu wyspy Weidmuller i rozpoczęcie jej używania jest tak proste zrobiłem krótki i łatwy program. Zgodnie z nim po zadziałaniu czujnika indukcyjnego dioda podłączona do wyjść cyfrowych zaświeci się. Kolor świecenia zależy od nastawy potencjometru, sterującego zadajnikiem 0-10V, który podłączony jest do wejścia analogowego. Poniższe wideo prezentuje efekt jego działania i potwierdza, że faktycznie jest to tak łatwe.
Całość konfiguracji zajęła mi zaledwie kilka minut. Dzięki protokołom takim jak Profinet korzystanie z danych przesyłanych z innych urządzeń jest dosyć proste i nie wymaga żadnej dodatkowej konfiguracji, czy mapowania adresów pamięci. Potwierdza to, że nie musimy korzystać jedynie z urządzeń z jednej rodziny, a mieszanie urządzeń różnych producentów nie musi wprowadzać problemów.
Jeśli opis od naszej redakcji to za mało, zapraszamy na film przygotowany przez Weidmuller:
Więcej o systemie u-remote przeczytasz na stronie producenta: KLIKNIJ TUTAJ
