Nowe modułowe technologie I/O zwiększają możliwość wymiany danych z urządzeniami i przyrządami polowymi. Jest to szczególnie przydatne w przypadku komunikacji na duże odległości.
Większa funkcjonalność i łatwiejsza konfiguracja: stworzenie takiego produktu to Święty Graal dla niemal każdej gałęzi przemysłu uzależnionej od technologii. Rosnące wymagania w zakresie szybszego wdrażania projektów i uruchamiania zakładów sprawiły, że to konieczność. Cyfrowy zakład, który jeszcze kilka lat temu wydawał się futurystyczny, udostępnia dziś operatorom funkcjonalność, której większość wytwórców nigdy wcześniej nie miała. Szybkie i łatwe kończenie projektów wymaga wykonania jeszcze kilku kroków, zanim takie projektowanie i wdrażanie stanie się chlebem powszednim.
Jedno z wielu udogodnień rozwiązuje problem kablowania i grupowania sygnałów w szafach rozdzielczych, które przez wiele lat wykorzystywano do łączenia tysięcy urządzeń polowych ze sterownikami. Praktyka grupowania sygnałów ze względu na ich typ jest bardzo efektywna, ale może zajmować dużo czasu. Harmonogram projektów jest wciąż kompresowany, dlatego użytkownicy szukają alternatywnych metod łączenia urządzeń polowych z systemami sterowania.
Zdalne I/O montowane w bezpośrednim otoczeniu procesu znacznie zmieniły praktyki kablowania. Jedną z istotnych zmian jest koncepcja uniwersalnej technologii i uniwersalnych szaf, które eliminują potrzebę grupowania sygnałów pod względem typów. Analogowe lub cyfrowe wejścia i wyjścia można podłączać do dowolnego uniwersalnego punktu, skonfigurowanego za pomocą oprogramowania.
Już na pierwszy rzut oka widać, że nowa uproszczona architektura systemu sterowania może zaoszczędzić tygodnie lub nawet miesiące harmonogramu, dostarczając jednocześnie wysoce pożądanej, zaawansowanej funkcjonalności.
Koncepcje sterowania
Koncepcja łączenia urządzeń polowych z systemem sterowania jest następująca: przewód z sygnałem z urządzenia polowego jest najpierw prowadzony do lokalnej skrzynki rozdzielczej, gdzie jest grupowany z innymi sygnałami o podobnych właściwościach (napięciu, typie itd.) i przesyłany dalej za pomocą wielożyłowego przewodu. Wielożyłowe przewody są prowadzone do szaf sterowniczych, gdzie na różne sposoby podłącza się je do systemu sterowania. Głównym celem tej zasady jest podłączenie wszystkich urządzeń do systemu sterowania w uporządkowany, pewny i ekonomicznie uzasadniony sposób z punktu widzenia instalacji i późniejszego utrzymania. Trzy popularne metody grupowania sygnałów to grupowanie wg przewodu, typu i grupowanie krzyżowe.
Grupowanie wg przewodu
W przypadku grupowania względem przewodów sygnały rozdzielane są po stronie systemu sterowania. Przewody z urządzeń polowych są zarabiane i grupowane w pary, dzięki czemu tworzony układ jest efektywny i łatwy w obsłudze. Ten typ kablowania jest odpowiedni w wielu sytuacjach:
- Gdy krosowanie jest robione w skrzynce urządzenia lub w pobliżu procesu. W tym przypadku grupowanie przewodów między uniwersalnymi modułami I/O a zaciskami I/O jest wykonywane wewnątrz szafy.
- Gdy uniwersalne moduły I/O i zaciski I/O znajdują się w tej samej szafie. Tak jak w powyższym przykładzie grupowanie odbywa się wewnątrz szafy.
- Gdy uniwersalne moduły I/O i zaciski I/O znajdują się w różnych szafach, ale szafy są ze sobą trwale połączone.
Ten sposób jest mniej odpowiedni, gdy zaciski uniwersalnych modułów I/O i I/O znajdują się w różnych szafach, które są montowane w różnych miejscach lub muszą być podłączane na potrzeby wewnętrznych testów, a następnie rozłączane na czas transportu. Po dostarczeniu szaf trzeba ponownie wykonać połączenia między zaciskami uniwersalnych modułów I/O i I/O.
Grupowanie wg typu
Grupowanie wg typu jest odpowiednie dla systemów, w których szafy muszą być tymczasowo połączone na potrzeby testów, a następnie są rozłączane i transportowane osobno. Każda z szaf może być transportowana osobno, zależnie od harmonogramu zadań. Szafy przyłączeniowe trzeba często dostarczyć wiele miesięcy przed dostawą szaf sterowniczych.
W tym przypadku końcówki okablowania polowego nie są pogrupowane, dlatego każdy z kabli musi być traktowany indywidualnie. Niewykorzystane przewody zostawia się w korycie, zwiększając ryzyko użycia ich w późniejszym czasie.
Po wykonaniu testów kable odłącza się od szaf sterowniczych i zawija na czas transportu. Instalację rozpoczyna się od ponownego połączenia przewodów. Trzeba uważać na konektory, które w warunkach przemysłowych można łatwo uszkodzić. Długość kabla musi być znana już podczas budowy szafy.
Grupowanie krzyżowe
W przypadku grupowania krzyżowego wszystkie przewody z urządzeń polowych są zarabiane i ułożone w pary. W dalszej kolejności grupuje się przewody nieużywane i te, które należy dodatkowo zabezpieczyć. Do łączenia szaf rozdzielczych i sterowniczych stosuje się popularne prefabrykowane przewody.
Rozwiązanie to jest odpowiednie do systemów wykorzystujących osobne szafy rozdzielcze i sterownicze. Ponieważ prefabrykowane kable są dostępne w niemal dowolnych długościach, rozstaw urządzeń może być ustalony na późniejszym etapie. Dodatkowe bezpieczniki, przekaźniki czy izolatory mogą być zainstalowane pomiędzy sygnałami z urządzeń polowych a listwami zaciskowymi.
Ten typ kablownia cechuje się łatwiejszym utrzymaniem i zredukowanym czasem potrzebnym na instalację u klienta, ponieważ sprowadza się to wyłącznie do podłączenia wcześniej przygotowanych kabli. Oczywistą wadą jest większa zajmowana przestrzeń.
Porównanie
Każdy z trzech podstawowych typów kablowania ma wady i zalety. Grupowanie wg przewodu jest przydatne w modernizacjach i w systemach wykorzystujących zdalne szafy. Jest również przydatne, gdy grupowanie wykonuje się po jednej stronie szafy, a zaciski I/O znajdują się po jej drugiej stronie. Jeśli jednak przed dostawą wykonuje się testy szaf rozdzielczych i sterowniczych, ten typ kablowania jest mniej atrakcyjną opcją.
Grupowanie wg typu jest przydatne, gdy korzysta się z dedykowanego okablowania lub oddalonych szaf rozdzielczych i sterowniczych albo gdy szafy rozdzielcze muszą być dostarczone z dużym wyprzedzeniem, a długości przewodów nie są znane podczas fazy projektowania. Ten typ kablowania jest bardziej elastyczny w stosunku do grupowania wg przewodu i ogranicza ilość czynności przeprowadzanych u klienta, ale z perspektywy całego cyklu życia stanowi większe wyzwanie.
Grupowanie krzyżowe pozwala na największą swobodę w zakresie harmonogramu, dostawy i wewnętrznych testów, ograniczając tym samym ryzyko harmonogramu. W porównaniu do grupowania względem przewodu i typu cechuje się również większymi korzyściami w czasie cyklu życia. Początkowe koszty są jednak większe.
Zdalne I/O z technologią uniwersalnych modułów
Wszystkie topologie przedstawione wcześniej mają wspólny cel, jakim jest połączenie urządzeń polowych z systemem sterowania. Wszystkie łączy to samo podstawowe założenie: oprzyrządowanie znajduje się gdzieś blisko procesu, ich okablowanie zbiega się w skrzynkach przyłączeniowych, a z nich jest prowadzone do szaf rozdzielczych, z których sygnały biegną wprost na wejścia modułów I/O systemu sterowania. Jedyną rzeczywistą różnicą jest sposób wykorzystania wielożyłowychprzewodów w szafach rozdzielczych i ich połączenie z szafami sterowniczymi.
Nowe praktyki w zakresie obsługi I/O kwestionują montaż modułów wejść/wyjść w bezpośrednim sąsiedztwie sterowni. Umieszczenie modułów I/O bezpośrednio przy procesie może wyeliminować potrzebę stosowania wielożyłowych przewodów i szaf rozdzielczych, upraszczając dzięki temu architekturę system polowy ? układ sterowania. Stosowanie zdalnych I/O ma wiele zalet, do których należy między innymi redukcja kosztów, poprawa harmonogramu projektu i minimalizacja ryzyka:
- Konfigurowalne moduły I/O mogą zredukować lub całkowicie wyeliminować potrzebę krosowania kabli. Ponieważ sygnały z urządzeń polowych mogą być przenoszone bezpośrednio na zaciski I/O, nie ma potrzeby grupowania i krosowania kabli. Korzyści są oczywiste: ograniczenie kosztu materiałów, takich jak szafy, koryta i ich mocowania, listwy grzebieniowe itd. Zmniejszeniu ulega również waga instalacji (istotne w obiektach pływających) oraz koszty projektu, uruchamiania i tworzenia dokumentacji.
- Zmniejsza się przestrzeń zajmowana przez system sterowania znajdujący się w sterowni, ponieważ moduły I/O znajdują się w bezpośrednim otoczeniu procesu. Jedyne kable prowadzące do sterowni to kable komunikacji z modułami I/O.
- Zwiększa się ogólna elastyczność systemu, gdyż dodatkowe sygnały można podłączać lokalnie, bez konieczności przeciągania kabli do głównych szaf i ich modyfikacji.
- Ograniczone czasowo projekty zyskują możliwość łatwego testowania systemu, jeszcze przed ukończeniem projektu sieci polowej.
- Można zwiększyć efektywność przez standaryzację łańcucha dostaw.
Podobne korzyści przynosi stosowanie uniwersalnych modułów I/O, które umożliwiają wprowadzanie kluczowych zmian po pierwszym uruchomieniu systemu. Ten fakt ma bezpośrednie przełożenie na harmonogram projektu, ponieważ ewentualne inżynierskie modyfikacje nie pociągają za sobą dodatkowych zmian.
Technologia uniwersalnych modułów I/O uwalnia szafy, a wraz z nimi zwykłe i bezpieczne punkty I/O, od konieczności dopasowywania modułów do typu sygnałów. Uniwersalne moduły I/O, mogące realizować również funkcje bezpieczeństwa, pomagają tworzyć spójną architekturę w ramach całego systemu sterowania. Sygnał dowolnego typu może być podłączony do dowolnego kanału, bez potrzeby stosowania dodatkowego sprzętu lub modułów interfejsu. Dzięki nim eliminuje się również potrzebę grupowania i prowadzenia kabli względem typu I/O. Szafy mogą być standaryzowane, gdyż każde standardowe urządzenie polowe może być podłączone do dowolnego kanału I/O.
Ponieważ uniwersalne moduły I/O akceptują każdy typ sygnału (analogowy, cyfrowy, wejście, wyjście), późno wprowadzane zmiany, które nie są obce żadnemu projektowi automatyki, mogą być konfigurowane na poziomie oprogramowania, a nie zmiany sprzętu. Stosując uniwersalne moduły I/O mogące pełnić funkcję modułów bezpieczeństwa, zespoły projektowe muszą martwić się wyłącznie o liczbę punktów I/O, a nie ich typ.
Technologia konfigurowalnych kanałów może nie tylko ograniczyć lub całkowicie wyeliminować potrzebę krosowania, ale ? co najważniejsze ? umożliwia bezpośrednią zdalną konfigurację. Teoretycznie upraszcza to etap tworzenia projektu i może ograniczyć do 33% koszty instalacji. Późniejsze zmiany wprowadza się zdalnie, zamiast bezpośredniej manipulacji przy sprzęcie znajdującym się gdzieś w pobliżu procesu ? operacja trwa minuty, a nie godziny czy dni.
Uniwersalny i wcale nie gorszy
Nie trudno sobie wyobrazić, że dzięki takiemu podejściu zmniejszają się wymagania odnośnie szafy elektrycznej. Często dokumentacja wymagana do zaprojektowania i wykonania szaf nie jest gotowa w odpowiednim czasie. To oznacza, że znaczna część montażu, testów i konfiguracji jest wykonywana u klienta, co podwyższa koszty i utrudnia stworzenie dobrej dokumentacji.
Uniwersalne szafy to po prostu standardowe szafy wyposażone w konfigurowalne wejścia. Zmiana lub montaż dodatkowego modułu odbywa się w krótkim czasie, bez potrzeby kablowania. Ponieważ nie ma szaf rozdzielczych, projekt jest znacznie mniej skomplikowany, a koszt jego wdrożenia i utrzymania niższy. Skraca się również czas potrzebny na testy. Istnieją również inne dodatkowe korzyści:
- Uniwersalne szafy ? w porównaniu do szaf budowanych od podstaw ? skracają czas wdrożenia przez ograniczenie ilości nietypowych rozwiązań i ich dokumentacji. O rodzaju szafy decyduje wyłącznie liczba, a nie typ modułów I/O.
- Poza skróceniem fazy wdrożenia projektu, uniwersalne szafy mogą umożliwić jeszcze szybsze i efektywne kosztowo zakończenie projektu.
- Uwzględnienie miejsca dla zapasowych urządzeń jest jeszcze prostsze. Ponieważ każdy kanał I/O może być dowolnie skonfigurowany, łatwo jest adaptować się do późniejszych zmian. Zamiast umieszczania zapasowych modułów danego typu, które mogą być użyte lub mogą się nigdy nie przydać, lepiej jest pozostawić kilka uniwersalnych modułów, które w razie potrzeby zostaną odpowiednio skonfigurowane.
- Całkowita liczba urządzeń I/O zostaje ograniczona. Dwa przykłady pokazujące ograniczenie zasobów sprzętowych. W projekcie zawierającym 5000 punktów I/O można ograniczyć liczbę modułów o 35%. Skorzysta na tym nawet mały projekt, ponieważ dodanie choćby jednego urządzenia o innym typie sygnału wymaga, w przypadku tradycyjnego podejścia, dodania nowego modułu I/O.
- W zakładach, w których oprzyrządowanie jest bardzo rozproszone, uniwersalne moduły I/O w uniwersalnych szafach mogą być bardzo dobrą alternatywą dla długich kabli i dodatkowych szaf rozdzielczych.
Technologia konfigurowalnych kanałów I/O jest przydatna podczas migracji systemów, szczególnie w ograniczonych przestrzennie sterowaniach. Zastosowanie uniwersalnych modułów I/O może przynieść korzystne rezultaty, a elastyczność modułów daje możliwość adaptacji do istniejącego okablowania i skalowalności na potrzeby obsługi nowych sygnałów.
Nawet jeśli uniwersalne moduły I/O nie znajdują się w zdalnych lokalizacjach, zastosowanie tej technologii wciąż daje korzyści. Uniwersalne moduły I/O mogą być stosowane w szafach rozdzielczych i pomieszczeniach sterowniczych w celu redukcji lub wyeliminowania konieczności krosowania i grupowania przewodów.
Technologia nowych modułów I/O szczególnie dobrze sprawdzi się w przypadkumodułowych lub mocno zdecentralizowanych procesów. Trzeba jednak pamiętać, że każdy przypadek jest wyjątkowy i różne zakłady będą musiały we własnym zakresie przeprowadzić analizę zysków i kosztów implementacji każdej z metod. Na koniec warto dodać, że nowe technologie I/O rozszerzają ilość dostępnych opcji rozwiązania problemów, które wymagają zaawansowanej funkcjonalności połączonej z mniej złożoną instalacją. To największa zaleta tej nowej technologii.
Opracował: Łukasz Urbański, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
CE
