Zdalne monitorowanie obciążeń. Recenzja systemu topGUARD od Weidmuller

Zdalne sterowanie, nadzór i diagnostyka staje się w ostatnich latach oczywistym „must have” i coraz więcej urządzeń wyposaża się w interfejs komunikacyjny. Temat zabezpieczeń elektronicznych firmy Weidmuller zaczęła omawiać nasza koleżanka w artykule o systemie maxGUARD.  System topGUARD, o którym dzisiaj piszę, jest swego rodzaju rozwinięciem i uzupełnieniem wcześniejszego maxGUARDa – głównie za sprawą tego, że producent dodał tutaj możliwość obsługi standardu IO-Link. Przyjrzyjmy się w takim razie co ma nam do zaoferowania system topGUARD w aspekcie zdalnego monitorowania obciążeń.

Czym jest system topGUARD?

Mówiąc w skrócie, system monitorowania obciążenia topGUARD używany jest do dystrybucji napięcia 24 V DC, zabezpieczania nadprądowego urządzeń zasilanych z niego (jest to zabezpieczenie elektroniczne), a także monitorowania przeciążeń i zwarć występujących w obwodach sterujących 24 V DC. System topGUARD jest ciekawym dodatkiem do zasilaczy z linii PROtop, które również obsługują protokół IO-Link.

Aby nieco przybliżyć dzisiejsze zagadnienie, na początku porównajmy sobie trochę powszechnie znane rozwiązania z rozwiązaniem firmy Weidmuller. Chcąc zabezpieczać urządzenia w obwodach 24 V DC za pomocą standardowych bezpieczników topikowych musimy liczyć się z tym, że jest to dosyć niewdzięczne rozwiązanie. Po pierwsze, topiki są oczywiście jednorazowe i przy każdym zadziałaniu musimy taki bezpiecznik wymienić. Co za tym idzie, musimy zawsze mieć je w zapasie i nie zapomnieć o nich pakując się na wyjazd serwisowy. Po drugie, wymienianie bezpieczników topikowych bywa dosyć uciążliwe, szczególnie jeżeli na szynie mamy wpiętych kolejno kilka, czy też kilkanaście zabezpieczeń w specjalnych podstawkach, które otwierają się z bocznej strony (te otwierane od góry są nieco wygodniejsze 😉 ). Trzeba je wtedy rozsuwać lub wypinać cały moduł, aby dobrać się do przepalonego ancymona. Te wszystkie czynności oczywiście zajmują nam dodatkowy czas, który można przecież wykorzystać chociażby na zaparzenie kolejnej kawy. Pod tym względem system topGUARD wydaje się być świetnym udogodnieniem, ponieważ każdy z modułów zasilająco-monitorujących możemy łatwo zresetować jednym przyciśnięciem przycisku na obudowie… lub możemy zrobić to zdalnie!

Na rynku istnieją oczywiście zabezpieczenia elektroniczne, jednak system topGUARD, to rozwiązanie kompleksowe. I tutaj nasuwa się druga kwestia, którą warto w tym momencie poruszyć, szczególnie z perspektywy projektanta/uruchomieniowca. Jest to możliwość odczytania oraz dalszego wykorzystania danych procesowych zbieranych przez system topGUARD przez cały czas jego pracy. Do tego zagadnienia jeszcze wrócimy sobie później, bo jest dosyć szerokie. Trzecim argumentem – już bardziej trywialnym, choć nadal istotnym, jest oszczędność miejsca wynikająca z faktu, że system ten równocześnie zastępuje nam standardowe złączki.

Budowa systemu topGUARD

Z jakich elementów składa się cały topGUARD? Przede wszystkim, mamy tutaj moduł doprowadzania mocy TGD FIM-C, do którego możemy podłączyć nasadzany moduł komunikacyjny PRO COM IO-Link. System topGUARD można dowolnie budować, podłączając kolejne moduły monitorujące z serii TGD ELM-X , których system może obsłużyć aż 32! Dodatkowo, do systemu topGUARD śmiało można dołączać moduły systemu maxGUARD. Omówię teraz poszczególne elementy wchodzące w skład topGUARD’a.

TGD FIM-C

Jest to moduł doprowadzania mocy. Dzięki niemu możemy zasilić kolejne moduły komunikacyjne, które do niego podłączamy. W tabeli poniżej przedstawiłam najistotniejsze parametry tego urządzenia.

	Wejściowe napięcie znamionowe	Zakres napięcia wejściowego	Wykrywanie zbyt niskiego napięcia	Pobór prądu na wejściu	Wejściowy prąd znamionowy
	24 V DC	18…30 V DC	18 V DC	I_out + 15 mA	≤ 40 A (40 A na kanał)

Na obudowie modułu TGD FIM-C znajdują się dwie diody sygnalizacyjne, informujące o stanie urządzenia.

Czerwona/zielona dioda LED

• Prawidłowy stan stacji (wolne miganie, kolor zielony, 1,5 Hz),
• Prawidłowy stan urządzenia (szybkie miganie, kolor zielony, 13 Hz),
• Błąd stacji (wolne miganie, kolor czerwony, 1,5 Hz),
• Błąd urządzenia (szybkie miganie, kolor czerwony, 13 Hz).

Żółta dioda LED

• • Adres jest przypisany,
  • Trwa przypisywanie adresów (wolne miganie, 1,5 Hz),
  • Błąd adresu (szybkie miganie, kolor czerwony, 13 Hz).

TGD ELM-X

Są to wspomniane wcześniej moduły monitorujące występowanie przeciążeń i zwarć. Każdy z tych modułów służy również do rozprowadzania potencjałów, a także do zabezpieczania nadprądowego urządzeń, które z nich zasilimy. Mamy tutaj do wyboru trzy typy modułów, które różnią się m.in. wartością prądu wyzwalającego urządzenie czy też charakterystykami wyzwalania (charakterystyka standardowa i opóźniona). Po wystąpieniu zwarcia lub przeciążenia, moduł taki rozłączy obwód zasilający podłączone urządzenie i tym samym ochroni je przed skutkami tych zjawisk – czyli można powiedzieć, że moduł przemieni się wówczas ze złączki w wyłącznik nadprądowy. Żeby zresetować moduły monitorujące, nie wystarczy zdjąć z nich zasilania – po wykonaniu tzw. „hebla” system nadal będzie pamiętał o wystąpieniu błędów zasilania. Należy zresetować każdy moduł, na którym wystąpił błąd za pomocą przycisku Reset. Ale tak jak już wspomniałam wcześniej, można to zrobić również w sposób zdalny.

Typ modułu monitorującego	Budowa	Charakterystyka standardowa	Charakterystyka opóźniona
TGD ELM-6
TGD ELM-12

Na obudowie każdego z modułów monitorujących, pod białą zaślepką, znajduje się informacja o wartości prądu wyzwalającego urządzenie. Dla modułu TGD ELM-6 mamy do wyboru 1 A, 2 A, 3 A, 4 A lub 6 A, dla modułu TGD ELM-12 jest to 4 A, 6 A, 8 A, 10 A lub 12 A. Jeżeli chodzi o moduł EGD ELM-4 CL2, to jest to 1 A, 2 A, 3 A lub 4 A. W najgorszych warunkach pracy wartość znamionowa prądu wyzwalającego urządzenie może być obniżona do 95%. Wartość prądu wyzwalającego jak i typ charakterystyki wyzwalania możemy oczywiście zmieniać w sposób zdalny.

Typ modułu monitorującego		Budowa
TGD ELM-4 CL2
Charakterystyka normalna 1 A	Charakterystyka opóźniona 1 A	Charakterystyka normalna 2 A	Charakterystyka opóźniona 2 A
Charakterystyka normalna 3 A	Charakterystyka opóźniona 3 A	Charakterystyka normalna 4 A	Charakterystyka opóźniona 4 A

Każdy z modułów monitorujących posiada LEDy sygnalizujące stan urządzenia. W każdej chwili możemy zweryfikować stan pracy urządzenia za pomocą dwóch diod oznaczonych jako LED zielony/czerwony oraz LED ADD żółty.

LED zielony/czerwony

Jeżeli urządzenie jest włączone, to powinna nam się palić zielona dioda LED, natomiast jeżeli jest wyłączone – czerwona. Migająca zielona dioda LED komunikuje ostrzeżenie o przeciążeniu powyżej 90% wartości prądu znamionowego, a migająca czerwona dioda LED wskazuje na to, że urządzenie zostało wyzwolone, np. w wyniku wystąpienia zwarcia. Szybko migająca czerwona dioda LED świadczyć będzie o błędzie wewnętrznym urządzenia.

LED ADD żółty

Jeżeli dioda LED ADD jest wyłączona, to oznacza to, że adres urządzenia nie jest przypisany. Świecąca się żółta dioda LED świadczy o prawidłowym przypisaniu adresu urządzenia, natomiast migająca żółta dioda LED mówi o tym, że adres urządzenia jest aktualnie przypisywany.

Wykorzystanie mostków

Producent pisze, że w przypadku monitorowania obciążeń powyżej 20 A należy zastosować mostki podwójnie, na obu kanałach (dla potencjału dodatniego i ujemnego). W przypadku, gdy masz do czynienia z rozbudowanymi systemami monitorowania, gdzie standardowa długość mostka nie jest wystarczająca, zachodzi potrzeba przedłużenia takiego mostka. W przypadku bardzo rozbudowanych systemów monitorowania, sugeruje się mostkowanie naprzemienne w podwójnym kanale.

PRO COM IO-LINK

	LED „ON/Fail”	LED „IOL State”
	Włączony – Nie pracuje Czerwony – Autotest Zielony wolno migający – Praca „OK”, bez błędów Zielony szybko migający – Błąd w jednostce bazowej Czerwony szybko migający – Błąd w module komunikacyjnym Czerwony wolno migający – Błąd w module komunikacyjnym i jednostce bazowej	Zielony migający – przedoperacyjny Zielony – operacyjny Zielony jedno błyśnięcie – zatrzymany Czerwony – komunikacja IO-Link nieaktywna Czerwony migający – błędna konfiguracja Czerwony jedno błyśnięcie – przepełnienie wewnętrznego licznika błędów Czerwony podwójne błyśnięcie – node guarding or heartbeat event detected Czerwony potrójne błyśnięcie – czas odpowiedzi na wiadomość synchronizacyjną przekroczony

Obejrzyj urządzenia na stronie producenta: Elektroniczne monitorowanie obciążenia.

Uruchomienie systemu topGUARD

Przejdźmy teraz do części praktycznej. Zbudowałam układ, w którym połączyłam moduł komunikacyjny IO-Link Weidmullera ze sterownikiem PLC. Po drodze wykorzystałam jeszcze mastera, aby móc przekazać odczytane przez system topGUARD parametry zasilania do sterownika. Mój układ składa się z:

1. systemu topGUARD (złożonego z modułu doprowadzania mocy i modułów monitorujących) wraz z modułem komunikacyjnym IO-Link,
2. mastera IO-Link (u mnie IFM),
3. PLC (s7-1200),
4. switcha.

Aby rozpocząć pracę z systemem topGUARD, zapoznałam się najpierw z wszystkimi informacjami nt. poszczególnych urządzeń. W karcie katalogowej modułu komunikacyjnego znalazłam odnośniki do kilku przydatnych dokumentów. A są to:

• IS PRO COM IO-LINK – Tutaj znajdziemy specyfikację techniczną urządzenia oraz informacje na temat jego montażu.
• IO-Link Register Description PROtop – Tutaj znajdziemy informacje o tym jak połączyć i używać razem modułu komunikacyjnego wraz z zasilaczem PROtop. Zwróć uwagę na to, że zasilacz, tak samo jak moduł TGD FIM-C, wyposażony jest w specjalne gniazdo i zaczepy, dzięki czemu można tutaj wpiąć moduł komunikacyjny PRO COM IO-Link.
• Addressing an IO-Link Register Description topGUARD – Tutaj znajdziemy informacje o tym, w jaki sposób prawidłowo zaadresować system topGUARD, jak również w jaki sposób wykonać komunikację IO-Link.

Adresowanie systemu topGUARD

Producent pisze nam, że przed pierwszym uruchomieniem należy:

1. Upewnić się, że system topGUARD jest prawidłowo i kompletnie okablowany.
2. Włączyć zasilanie układu.

Teraz możemy przejść do zaadresowania systemu topGUARD. W podanym dokumencie mamy to rozpisane w kilku prostych krokach, które tutaj przytoczę:

1. Zaczęłam adresowanie topGUARD’a – wcisnęłam przycisk ADD na module doprowadzania mocy TGD F-IMC.
2. Po przyciśnięciu przycisku ADD żółte diody LED zaczęły migać.
3. Następnie wcisnęłam przycisk oznaczony literką „R” na każdym z modułów testujących, aby ustalić dla nich adresy. Producent rekomenduje, aby ustalać adresy modułów TGD ELM-xx od lewej do prawej.
4. Po zaadresowaniu ostatniego modułu testującego, ponownie wcisnęłam przycisk ADD na module doprowadzania mocy, aby zakończyć proces adresacji.

Po przeprowadzeniu adresacji zajrzałam do dokumentacji, aby upewnić się czy diody sygnalizują prawidłową pracę urządzenia.

Należy pamiętać, że moduły monitorujące fabrycznie są wyłączone, dlatego należy je samodzielnie pojedynczo uruchomić po zakończeniu procedury ich adresowania. Do tego celu użyłam przycisków Reset – oznaczonych R.

Po wykonaniu adresacji można już wpiąć moduł komunikacyjny PRO COM IO-Link.

Jak możemy przeczytać w dokumentacji producenta, urządzenie komunikacyjne posiada 3-pinowe gniazdo do przełączania i komunikacji. Aby prawidłowo je ustawić przed rozpoczęciem pracy, należy:

1. Okablować urządzenie – używając trójprzewodowego ekranowanego kabla należy podłączyć się do urządzenia nadrzędnego. Ja tutaj wykorzystałam mastera IO-Link firmy IFM.
2. Ustawić adres urządzenia za pomocą przełącznika obrotowego, odpowiednio, wg tabeli przedstawionej poniżej. Widzimy, że w przypadku PRO COM IO-Link należy ustawić tutaj ID 2.
3. Włączyć zasilanie dla jednostki bazowej oraz dla modułu komunikacji IO-Link. Wtedy jednostka bazowa powinna już zostać wykryta i zacząć pracować prawidłowo.

Informacje i parametry procesowe

Aby przypisać urządzenie PRO COM IO-Link do mastera, zainstalowałam oprogramowanie konfiguracyjne LR DEVICE. Jeżeli planujemy odczytywać dane na temat urządzeń spoza biblioteki IFM, to należy najpierw wgrać specjalny plik IODD, w naszym przypadku urządzenia PRO COM IO-Link. Następnie pobrałam dane o masterze i urządzeniach podłączonych do jego portów za pomocą przycisku IO-Link (read from device). Po prawidłowym odczycie danych, przy odpowiednim porcie powinna nam się pojawić nazwa podłączonego urządzenia, w tym przypadku jest to topGUARD IO-Link.Po przełączeniu się do kokpitu możemy śledzić dane na temat ostrzeżeń i błędów występujących w układzie. Dla przykładu zrobiłam zwarcie na drugim i trzecim w kolejności module TGD ELM-6, a następnie w kokpicie odczytałam stan tych urządzeń. W oprogramowaniu LR Device jesteśmy w stanie od razu odczytać stan modułów monitorujących. Dla urządzenia 02 i 03 mamy tutaj informację „Short Circuit Switch Off”, więc od razu wiemy, że wystąpiło zwarcie.

Odczyt bitów diagnostycznych w s7-1200

W sterowniku należało najpierw odczytać bity diagnostyczne i na podstawie ramki zweryfikować, z którym stanem urządzenia mamy do czynienia. Wejście informacji procesowych dostarcza wektor 4 wartości, które reprezentują cztery poniższe stany każdego kolejnego modułu monitorującego obciążenie:

1. Bit 0: Błąd urządzenia.
2. Bit 1: Wyłączenie w wyniku wystąpienia zwarcia.
3. Bit 2: Wstępne ostrzeżenie o przeciążeniu.
4. Bit 3: Alarm o przeciążeniu.

Te dane odczytałam w sterowniku z serii s7-1200. Najpierw należało przeprowadzić komunikację sterownika z masterem IO-Link. Proces ten przedstawiany był już w paru naszych artykułach, ale pozwolę sobie powtórzyć w skrócie parę kluczowych kwestii.

Po pierwsze, należy zaopatrzyć się w plik GSDML naszego mastera – pobrałam go ze strony producenta. Następnie, należy go dodać w TIA Portal, za pomocą Options -> Manage general station description files GSD wskazać pobrany plik GSDML. Po załadowaniu pliku do programu, należy wejść w widok Network View i z rozwijanej listy po prawej dodać mastera. Następnie należy dodać połączenie pomiędzy sterownikiem a masterem. Pamiętaj, aby urządzenia połączyć w oknie Network View, a nie Topology View! Na koniec wystarczy przypisać odpowiednią nazwę naszemu masterowi (opcja Assign device name).

Teraz należy skonfigurować adresy rejestrów pamięci dla urządzenia PRO COM IO-Link. Istotny jest tutaj rozmiar i typ danych wymienianych pomiędzy sterownikiem, a urządzeniem podłączonym do portu IO-Link. W moim przypadku jest to wejściowy typ danych (w dokumentacji znajduje się informacja o tym, że nie ma tutaj zdefiniowanych żadnych danych wyjściowych), a niezbędna liczba bajtów to 16. W związku z tym wybieram IO-Link 16 byte +PQI i przypisuję do portu, pod który mam podpięte urządzenie. Teraz wystarczy wgrać konfigurację do sterownika (Hardware and Software).

Wszystkie dostępne typy danych posiadają w nazwie dodatkowy parametr PQI (Port Qualifier Information). Jest to parametr, który dostarcza informacje diagnostyczne na temat wykorzystywanego portu IO-Link. Master IO-Link przekazuje do sterownika informacje procesowe w postaci 8 bitów, gdzie:

Po zakończeniu konfiguracji możemy już odczytać dane o stanie poszczególnych modułów monitorujących. W oknie Device Overview widzimy, że dane możemy odczytać z adresów wejściowych o numerach 68…84. W tym przypadku bity diagnostyczne zapisywane są od końca, więc informacji o stanie naszych modułów możemy spodziewać się na kilku ostatnich wejściach, gdzie ostatnie wejście zarezerwowane jest dla parametru PQI.

Dla przypomnienia – zwarcie wystąpiło na 2 i 3 module monitorującym. Mamy kolejno:

• Dla wejścia %IB83 wartość 0000 oznacza, że na module 1 nie wystąpił żaden błąd ani ostrzeżenie.
• Dla wejścia %IB83 wartość 0010 oznacza, że na module 2 nastąpiło wyłączenie w wyniku wystąpienia zwarcia.
• Dla wejścia %IB82 wartość 0010 oznacza, że na module 3 nastąpiło wyłączenie w wyniku wystąpienia zwarcia.

Na wejściu %IB84 mamy parametr PQI. Na podstawie tabeli PQI możemy określić, że wartość 1010_0000 oznacza:

• Bit7 (1) – Dane I/O są dostępne.
• Bit6 (0) – Nie wykryto błędu/ostrzeżenia dla urządzenia IO-Link.
• Bit5 (1) – Wykryto urządzenie IO-Link.
• Bit1 (0) – Status cyfrowego sygnału wejściowego na pinie 2 jako OFF.
• Bit0 (0) – Status cyfrowego sygnału wejściowego na pinie 4 jako OFF.

Oprócz tego, za pomocą narzędzi inżynierskich takich jak chociażby TIA Portal, konfigurator u-remote Weidmullera czy użyty przeze mnie LR Device, mamy możliwość podejrzenia wielu innych parametrów procesowych związanych z pracą wszystkich urządzeń wchodzących w skład systemu topGUARD. Przykładowo, możemy odczytać czas przez jaki dane urządzenie pracowało od momentu jego produkcji, temperaturę poszczególnych modułów, wartość napięcia wejściowego czy też wartość prądu i napięcia wyjściowego. Można również odczytać ilość wyłączeń spowodowanych zwarciem oraz ilość innych zdarzeń, takich jak alarmy czy ostrzeżenia o przeciążeniach. Wszystkie takie dane możemy dowolnie wykorzystać w swoim programie i wizualizacji. Przykładowo, możemy zapisywać historię występujących błędów i alarmów, wyświetlać pewne trendy i kompleksowo nadzorować zasilanie 24 V DC w naszej maszynie.

Kolejna (i zarazem kluczowa) sprawa to możliwość zdalnego zresetowania poszczególnych modułów monitorujących jak i całego systemu topGUARD jednocześnie! Chyba nie muszę nikomu tłumaczyć jak bardzo jest to wygodne. Za pomocą odpowiedniego parametru mamy również możliwość zmiany wartości prądu zadziałania dla każdego modułu monitorującego. Jeżeli chcesz poznać wszystkie parametry i komendy jakich dostarczyli nam specjaliści z Weidmuller, zajrzyj do dokumentacji pod nazwą topGUARD IO-Link Addressing and Register Description.

Podsumowanie

Pierwsze określenie jakie przychodzi mi na myśl w związku z systemem topGUARD to wielofunkcyjność. Nie dość, że za jego pomocą rozprowadzimy zasilanie do wszystkich urządzeń zasilanych napięciem 24 V DC i zabezpieczymy je nadprądowo (tutaj nasuwa się od razu kwestia oszczędności miejsca w szafie sterowniczej), to jeszcze możemy przesyłać dane o stanie zasilania do urządzenia nadrzędnego (np. sterownika) w celu jego dalszej diagnostyki i zdalnej kontroli. Informacje o ostrzeżeniach i błędach zasilania, a także całą listę parametrów procesowych śmiało możemy wykorzystać chociażby podczas tworzenia wizualizacji procesu na panelu HMI. Co więcej, zdalne monitorowanie obciążeń realizowane jest tutaj za pomocą niezwykle uniwersalnego protokołu IO-Link, którego popularność stale rośnie. Na rynku pojawia się coraz więcej urządzeń wspierających ten protokół, co umożliwia bezproblemowe i łatwe łączenie urządzeń wielu różnych producentów. Dowodem na to może być stworzony przeze mnie układ, gdzie każde urządzenie pochodziło od innego producenta i taka standaryzacja okazała się być strzałem w dziesiątkę. System topGUARD niewątpliwie jest nowoczesnym urządzeniem, wychodzącym naprzeciw stale rosnącym oczekiwaniom co do wielofunkcyjności i uniwersalności urządzeń.

Zapraszam do zapoznania się z urządzeniami monitorowania obciążenia na stronie producenta.