Inteligentne moduły I/O

Modernizacja polowych systemów I/O może ułatwić późniejszą rozbudowę i zwiększyć efektywność systemów kontroli procesów.
Przez lata lub nawet dekady do wymiany informacji między systemami polowymi a systemami kontroli procesów wykorzystywano dokładnie tę samą technologię. Oczywiście w dziedzinie komunikacji polowej nastąpiły liczne zmiany, związane m.in. z rozwojem komunikacji bezprzewodowej, ale w przypadku prostych starych urządzeń wiele się nie zmieniło – wystarczyło podłączenie kabla do odpowiedniego gniazda I/O w sterowniku. Na przykład czujnik przepływu HART 4-20 mA wymaga właściwego wejścia. Nie można podłączyć go do zacisku dedykowanego dla termopary.
Tego typu rozwiązania są zwykle tolerowane, mogą jednak być źródłem problemów. Na przykład czujnik poziomu zamontowany w zbiorniku, który jest wyzwalany, gdy poziom przekroczy pewną założoną wartość. Informacja do systemu trafia przez wejście cyfrowe. Co się stanie, jeśli w czasie modernizacji zostanie on wymieniony na magnetostrykcyjny czujnik poziomu zapewniający ciągły pomiar? Nie można podłączyć go pod to samo wejście, ponieważ jest to sygnał innego typu. Można albo wymienić moduł, albo dodać nowy. Czy wystarczy miejsca na szynie? Mały projekt może przerodzić się w wielkie zamieszanie.
Dostawcy systemów sterowania otrzymują od klientów pytania, takie jak: „Dlaczego nie mogę zmienić funkcji modułu na żądanie, aby mógł pracować z dowolnym urządzeniem polowym?”. Biorąc pod uwagę zmiany w technologii w ostatnich latach, odpowiedź często brzmi: „Możesz”. Rosnąca liczba producentów ma w ofercie elastyczne i inteligentne systemy I/O, które zapewniają większą elastyczność. Jak działają i czy będą pasować do aplikacji?
W zależności od platformy, która jest zaimplementowana inteligentne moduły I/O wykorzystują kombinację sprzętu i oprogramowania, aby rozmawiać z urządzeniami polowymi. Wszystkie obecnie dostępne systemy wymagają zmiany położenia co najmniej niektórych komponentów znajdujących się w szafie sterowniczej i choćby częściowego ponownego okablowania.
Dwie różne koncepcje
Nie istnieje jedno urządzenie I/O do wszystkiego, przynajmniej jeszcze nie. Chociaż znane są standardy, takie jak Foundation fieldbus i Profibus PA, które można stosować niezależnie od platformy, wymagają one jednak dedykowanych urządzeń polowych, zgodnych z wymaganiami standardu. Te nowe, inteligentne systemy I/O współpracują ze wszystkimi (w granicach rozsądku) urządzeniami polowymi, ale trzeba kupić system, który będzie zgodny z posiadanym sterownikiem. Jeśli wykorzystywany jest system DeltaV, trzeba dobrać coś z oferty Emersona.
Dwa dostępne obecnie rozwiązania adresują ten problem: podejście sprzętowe Emersona i zorientowana programowo idea innych graczy, takich jak Honeywell i Foxboro – dostawca marki Invensys.
Drugie podejście jest w pewnym sensie skromne. Zarówno Honeywell Uniwersal Process I/O, jak i Foxboro FBM247 bazują na urządzeniach tej samej wielkości jak ich obecne moduły – odpowiednio Experion seria C i I/A serii 200. Oba są zaprojektowane w taki sposób, że dowolny kanał w dowolnym module może być przekonfigurowany z poziomu systemu sterowania do pełnienia jednej z funkcji:

  • analogowego wejścia/wyjścia z funkcją HART,
  • cyfrowego wejścia/wyjścia,
  • szybkiego licznika.

Foxboro postrzega to jako małą, ale strategiczną zmianę. Thad Frost, dyrektor działu zarządzania produktem wyjaśnia: – To nie jest całkowicie nowa linia produktów, to podgrupa istniejącej rodziny. Zrobiliśmy tak, ponieważ jest to sprawdzona technologia. Nasza seria 200 I/O jest już dostępna od dawna, dodaliśmy do niej kolejny moduł, który w rzeczywistości jest specjalnym modułem obsługującym sygnały różnego typu. Możemy dodać ten moduł do istniejącego sterownika, a jego rzeczywista funkcjonalność znacznie się nie zmieni.
Prawdziwą różnicę dostrzega się dopiero podczas budowy nowego systemu lub modernizacji dotychczasowego, na potrzeby obsługi urządzeń nowych lub większej ich liczby. Instalator nie musi szukać odpowiedniego wejścia dla sygnału danego typu.
– Można wykorzystać dowolny kanał modułu do obsługi dowolnego typu I/O, a wszystko sprowadza się do programowej konfiguracji za pomocą dostępnych narzędzi – mówi Joe Bastone, menedżer rozwiązań systemu Experion oraz I/O w Honeywell Process Solutions. – Nie trzeba przeprowadzać żadnej konfiguracji sprzętowej. Można podłączyć wszystkie przewody polowe do modułu Universal Process I/O, zamknąć obudowę, odejść i nigdy nie otwierać jej ponownie. Całą konfigurację wykonuje się później ze stacji inżynierskiej.
Ta koncepcja zakłada zastąpienie tradycyjnych modułów I/O, dostosowanych do komunikacji wyłącznie z urządzeniem określonego typu. Jedną z zalet tego rozwiązania jest wzajemna kompatybilność wszystkich modułów i wynikająca z tego możliwość łatwego zastąpienia uszkodzonego urządzenia. Co więcej, informacja na temat konfiguracji modułu jest zapisana w urządzeniu nadrzędnym, jeśli więc jakiś moduł wymaga wymiany, zastępuje się go nowym, a system skonfiguruje go automatycznie.
Obie firmy chcą pójść o krok dalej i zaoferować kompletne szafy sterownicze, gotowe do umieszczenia w pobliżu procesu. Jedyną zmienną będzie liczba kanałów. – Uniwersalna szafa, która jest opracowywana, będzie kompletnym zestawem do dostarczenia – mówi Bastone. – To szafa do montażu zdalnego, zawierająca moduły Universal Process I/O w liczbie 64, 96 lub nawet 128. Będzie wyposażona w moduły, zaciski, zasilanie i konwertery na światłowód, którym dane z szafy zostaną przekazane do sterowni.
Inny kierunek
Emerson dla architektury DeltaV zaproponował inne rozwiązanie. W tym przypadku komunikacja z urządzeniami polowymi odbywa się za pośrednictwem specjalnych modułów Charm. Każde urządzenie polowe potrzebuje jednego modułu Charm, zgodnego z sygnałem urządzenia. W szafie ze względów praktycznych znajdują się 96-kanałowe karty I/O.
Keith Bellville, dyrektor ds. marketingu produktu DeltaV SIS w Emerson Process Management wyjaśnia: – Nie ma takich ograniczeń jak w tradycyjnych systemach, gdzie po doprowadzeniu wszystkich kabli z urządzeń polowych do szafy trzeba spośród wszystkich analogowych przewodów 4-20 mA wybrać osiempodłączanych do zupełnie innej karty. Dzięki modułom Charm I/O nie trzeba już prowadzić przewodów do określonych zacisków. Każdy sygnał podpięty przez moduł Charm tworzy indywidualny kanał. To DeltaV I/O, jest więc zaprojektowany do współpracy ze sterownikami DeltaV.
Sygnał wyjściowy z płytek bazowych modułów Charm jest zgodny z technologią Ethernet, więc gdyby zaszła taka potrzeba, dane mogą być przesyłane do głównej szafy za pomocą światłowodu. Praktycznym rezultatem jest możliwość jednoczesnej komunikacji między dowolnym urządzeniem polowym a maksymalnie czterema sterownikami. Jest to największa różnica w funkcjonalności w stosunku do wcześniej wymienionych systemów.
– Sygnały I/O grupuje się zwykle względem lokalizacji, a nie funkcji – dodaje Bllville. – W danej rozdzielnicy mogą więc znajdować się kable pochodzące np. z reaktora i innych obszarów użytkowych. W przypadku tradycyjnego kablowania i tradycyjnych I/O musiałbyś stwierdzić: „Te osiem sygnałów muszę przeciągnąć do kart obsługujących reaktor, a te 12 do kart obszarów użytkowych”. Dzięki elektronicznemu krosowaniu wszystkie kable podłączasz do jednej karty Charm I/O, z której sygnały trafiają do odpowiednich odbiorców. Nie ma potrzeby fizycznego podłączania kabla bezpośrednio do modułu I/O na sterowniku.
Wdrożenie
Nowe rozwiązania przynoszą pewne funkcjonalne korzyści. Po pierwsze użytkownicy nie muszą martwić się o sposób komunikacji z określonym urządzeniem. Jeśli z jakichś powodów trzeba będzie wykorzystać urządzenie innego typu, wystarczy podmienić konfigurację programową, a w najgorszym przypadku zmienić moduł Charm.
Po drugie platformy te ułatwiają modernizacje i aktualizacje niezależnie, czy oznacza to aktualizację urządzeń polowych, zmianę okablowania czy systemu sterowania. Trzeba mieć jednak na uwadze, że architektura systemu jest dostosowana do systemu sterowania określonego producenta, dlatego decyzję o wyborze określonego dostawcy należy podejmować rozważnie.
Po trzecie platformy te, podobnie jak tradycyjne I/O, mogą współpracować z urządzeniami bezpieczeństwa. W przeciwieństwie do innych Honeywell jako pierwszy zaprezentował produkt związany z bezpieczeństwem i przygotowuje teraz standardową wersję systemu I/O, bazującą na nowej platformie. Zdecydowano się na takie rozwiązanie ze względu na bardziej skomplikowaną naturę komponentów bezpieczeństwa i związaną z tym metodologię testów i certyfikacji. Emerson oferuje moduły Charm w wersji konwencjonalnej, wewnętrznie bezpiecznej i SIS.
Po czwarte wzajemna kompatybilność modułów zapewnia ograniczenie zapasów magazynowych. Możliwość wykorzystania jednego urządzenia w wielu aplikacjach ma swoje zalety.
Co z czym rozmawia?
Tak jak wspomniano wcześniej, jednym z aspektów często poruszanych przez Emersona jest możliwość przesyłania danych z dowolnego urządzenia polowego do maksymalnie czterech sterowników. Foxboro i Honeywell oferowali tę samą funkcję już w standardowych systemach I/O – wykorzystanie nowych modułów nie ogranicza tej zdolności. Oczywiście istnieją metody na komunikację peer-to-peer między sterownikami, ale są one stosunkowo skomplikowane.
– Spójność modułów I/O i sterownika jest bardzo pożądana przez bardziej wymagających klientów, ze względu na wciąż rosnącą rolę zagadnień bezpieczeństwa – mówi Bob Bristow, menedżer produktu I/O serii C w Honeywell Process Solutions. – Spójność całej warstwy I/O zapewnia niezakłóconą pracę I/O zbierającego dane i PLC wykonującego swoje zadanie. Czasem w wyniku awarii następuje odłączenie I/O od podstawowego PLC. Właśnie dlatego wybraliśmy taką architekturę.
Frost z Foxboro wspomina podobne sytuacje: – Punkt I/O niewykorzystywany przez żaden sterownik nazywamy punktem nieprzypisanym. Nasze punkty I/O są zwykle przypisane. Przeniesienie konkretnego punktu I/O do innego sterownika wymaga pewnego wysiłku. Będziemy nad tym pracować w przyszłości, teraz nie oferujemy takiej możliwości.
Czy takie rozwiązania wpływają na decyzje zakupowe?
Chociaż nowe systemy I/O oferują zwiększoną funkcjonalność i mogą ograniczyć koszty samego sprzętu i jego instalacji, trzeba mieć na uwadze, że współpracują one z konkretną platformą sterowniczą i tylko z nią. Jeśli korzystamy teraz z I/A serii 200 Foxboro, zmiana jest bardzo prosta. Jeśli nie, nie będą w stanie pomóc, chociaż można się spodziewać, że inni producenci zaproponują wkrótce podobne rozwiązania.
Jeszcze innym sposobem jest zmiana dostawcy systemu sterowania. Zwiększone możliwości same w sobie najprawdopodobniej nie są wystarczająco przekonujące, ale mogą wpłynąć na wybór dostawcy, jeśli migracja jest już w planach.
Z pewnych względów najbardziej interesujące może być to, co jeszcze nie istnieje. Modułowość tych systemów zapewnia ich swobodną modyfikację na żądanie. Dla odmiany jedną z przeszkód, która utrudnia implementację protokołów takich jak HART, wspierających programy zarządzania aktywami, jest aktualizacja sieci komunikacyjnych urządzeń starszego typu. Operatorzy tych starych platform nie są w stanie zwiększyć funkcjonalności, ponieważ nie pozwala na to sprzęt. Takie ograniczenie wcale nie musi istnieć. Nowa metoda komunikacji lub nowy protokół mogą wymagać przełączenia odpowiednich modułów. Przełączenie może być nawet dokonywane programowo.
Opracował Łukasz Urbański, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
CE