Urządzenia wejścia / wyjścia
Kupuj z głową

7. z serii 8. artykułów – „Kupuj z głową”. Artykuł uwypukla najistotniejsze aspekty, jakie każdy kupujący powinien znać. Aspekty te to w szczególności: najistotniejsze właściwości produktu, główne rozbieżności pomiędzy produktami na rynku, rangi cenowe – korelacja ceny i właściwości produktu oraz te czynniki rynku, które mogą wpłynąć na decyzje potencjalnego kupca.

Urządzenia wejścia / wyjścia to zasadniczy element wiążący z sobą wszystkie elementy sieci automatyki, dlatego też podstawowy warunek związany z zakupem tego typu elementów jest całkiem prosty: czy dane urządzenie We/Wy umożliwia współpracę z wykorzystywanymi w zakładzie standardami sieci magistrali miejscowej (sieci przemysłowych) oraz z obsługiwanymi sygnałami fizycznymi z urządzeń?

Choć brzmi to bardzo prosto, wręcz banalnie, jednakże wachlarz możliwych sygnałów i protokołów, jakie należy niekiedy wziąć pod uwagę przy odpowiedzi na to pytanie, może przyprawić o zawrót głowy. Pojawia się tu również kwestia swego rodzaju „inteligencji” stosowanych układów We/Wy oraz wiele innych czynników, jak np. modułowa struktura układów We/Wy oraz ich typ, okablowanie, rozmiary i parametry pracy. Wszystko to odgrywa niepoślednią rolę przy określeniu właściwej konfiguracji urządzeń We/Wy oraz szacowaniu kosztów.

Wybór właściwego medium komunikacji

Co do kwestii związanych z dostępnymi protokołami i rodzajami sieci magistral miejscowych (przemysłowych), ich liczba ciągle rośnie. Popularne i powszechnie stosowane sieci sterowania wykorzystują różnorakie typy i standardy, jak: przemysłowy Ethernet, Profibus, Modus, FOUNDATION Fieldbus, DeviceNet, Interbus i wiele innych.

Większość z nich wspiera dodatkowo obsługę kilku protokołów komunikacyjnych. Na przykład sieci sterowania bazujące na standardzie Ethernetu mogą korzystać z protokołów Modbus/TCP, Modbus/UDP, Ether- Net/IP oraz innych. Niektóre z produktów We/Wy również obsługują kilka protokołów. Jednakże, jeżeli w danej aplikacji nie jest potrzebne wykorzystanie wielu poziomów komunikacji, można zaoszczędzić dość sporą cześć nakładów inwestycyjnych, ponieważ to właśnie możliwość obsługi wielu standardów w układach We/Wy generuje dodatkowe koszty.

Kwestią, która nie może zostać pominięta, przynajmniej jeżeli chodzi o najnowsze, współczesne aplikacje, to obsługa standardu Ethernet. Standard ten bowiem został niesłychanie szybko zaadaptowany w środowisku przemysłowym, ze względu na konieczność szybkiej komunikacji oraz przesyłania licznych danych do i z poziomu produkcji do innych struktur sieciowych przedsiębiorstw. – Wciąż sprzedajemy tony sprzętu i urządzeń z komunikacją przez port szeregowy RS-485, jednak wyraźnie zarysowuje się już tendencja współczesnych działań związanych z rozwojem i adaptacją standardu komunikacyjnego Ethernet – przyznaje Tom Edwards, starszy inżynier aplikacji w firmie Opto22, dostawcy urządzeń We/Wy.

Spektrum różnego rodzaju sygnałów, jakie mogą być obsługiwane przez układy We/Wy jest bardzo szerokie i ciągle powiększa się. Zaliczyć do niego można wszelkie sygnały analogowe i cyfrowe oraz tzw. analogowe specjalne, jak sygnały liczników oraz inne. Zakup modułów obsługujących jednocześnie sygnały analogowe i cyfrowe może w dłuższej perspektywie przyczynić się do oszczędności zarówno finansowych, jak i związanych z racjonalnym wykorzystaniem przestrzeni w sterowni. Koszt urządzeń zależy od: ich konfiguracji, ilości i typu kanałów We/Wy, konieczności stosowania elementów dodatkowych itp. Koszt modułów We/Wy cyfrowych stanowi zwykle jedną trzecią (lub miej) ceny modułu wejść analogowych, zaś wyjścia analogowe mogą być nawet dwukrotnie droższe od modułu wejść analogowych. Dwukrotny wzrost ceny występuje również, gdy konieczne są specjalizowane funkcje układu We/Wy, jak np. obsługa impulsowych / częstotliwościowych sygnałów liczników.

Bez względu jednak na cenę każdy kanał modułu musi obsługiwać odpowiednie sygnały wejściowe. Dlatego też kolejnym, istotnym czynnikiem, jaki decyduje o wyborze układów We/Wy, jest właściwa izolacja, ponieważ zapobiega ona powstawaniu niepożądanych pętli uziemiających, redukuje zaburzenia i zabezpiecza cały osprzęt. Zależnie od określonej aplikacji może pojawić się również potrzeba izolacji poszczególnych kanałów modułu We/Wy pomiędzy sobą. Każde urządzenie We/Wy musi mieć izolację od sieci i napięcia zasilania o wytrzymałości 1 500 VAC w czasie minuty.

Dołączenie inteligencji

Pojawienie się standardu Ethernet oraz wciąż spadające ceny elementów półprzewodnikowych prowadzą do coraz powszechniejszego stosowania urządzeń sterowanych zdalnie, które mają pewną tzw. inteligencję. Dodanie 16 MB pamięci oraz szybkiego mikrokontrolera do wielokanałowego układu We/Wy cyfrowych lub analogowych, bez naruszania jego wewnętrznej struktury połączeń, to średni koszt ok. 600 zł. Operacja taka w znaczącym stopniu może przyczynić się do wzrostu wydajności funkcjonowania sieci sterowania. Takie „dodanie inteligencji” pozwala m.in. na to, by informacja przesyłana siecią mogła być przetwarzana lokalnie, co ogranicza ruch w całej sieci (tzw. sieci rozproszone). Przeniesienie procedur przetwarzania i przesyłania danych na wyższy poziom czyni cały system bardziej odporny na ewentualne błędy transmisyjne czy też problemy z pracą głównego komputera sterującego. Koncepcja systemu rozproszonego, zależnie od konfiguracji i potrzeb konkretnej aplikacji, może znacząco wpłynąć na poprawę osiągów i parametrów całego systemu sterowania – inteligencja nie jest tu bowiem skupiona w jednym urządzeniu (np. komputer zarządzający siecią), którego awaria powoduje destabilizację funkcjonowania całego systemu. Sterowniki wyposażone w takie inteligentne moduły We/Wy mogą realizować sterowanie ciągłe typu PID, sterowanie dyskretne oraz funkcje alarmowe. Obecnie dla tego typu sterowników rozwijana jest możliwość konfiguracji ich parametrów przy użyciu standardowych stron WWW (HTML), co pozwala, przy zachowaniu odpowiednich procedur bezpieczeństwa (ograniczenie dostępu –hasło), na ustawienie żądanych parametrów z dowolnego miejsca sieci.

Rozproszone systemy układów We/Wy mogą informować użytkownika o wystąpieniu sytuacji awaryjnych. Alarmy te mogą mieć charakter zarówno lokalny, jak i globalny, dochodząc do odległych miejsc. Gdy tego typu informacje w całym systemie prezentowane są w jasny, jednolity sposób, możliwa jest szybka reakcja obsługi i ograniczenie czasu przestoju. Zastosowanie inteligentnych modułów We/Wy, współpracujących np. z zainstalowanymi już wcześniej sterownikami typu PLC, może przyczynić się w znacznym stopniu do podniesienia ich funkcjonalności. Dzięki czemu mogą one nadal efektywnie i w sposób zadowalający realizować skomplikowane zadania automatyki.

Jednakże korzyści te zawsze powinny być rozpatrywane z uwzględnieniem koniecznych do ich realizacji kosztów. Jeżeli w danej aplikacji zaawansowane funkcje nie są potrzebne, zaleca się oczywiście stosowane mniej kosztownych rozwiązań.

Możliwości i zadania

Podejmując decyzję o wyborze urządzeń We/Wy pod uwagę wziąć należy kilka istotnych czynników: rozmiar urządzeń, rozmiar ewentualnych urządzeń dodatkowych (jeżeli aplikacja takich wymaga), typ okablowania i standard łączenia. Zdalnie sterowane urządzenia We/Wy mogą występować w postaci zwartych, dużych, pojedynczych modułów, zawierających: odpowiednie łącza magistralowe, zasilacz oraz od 12 do 36 kanałów We/Wy (tzw. urządzenia all-in-one – wszystko w jednym). Urządzenia dodatkowe również mogą mieć postać odpowiednich modułów o odseparowanych elementach składowych. Ciekawą opcją są również tzw. minibloki, podobne do wspomnianych już urządzeń typu all-in-one, ale wyposażone tylko w 2 do 16 kanałów. Takie kompleksowe urządzenia to rozwiązanie w większości przypadków spełniające wymagania większości popularnych aplikacji systemów automatyki, związanych z obsługą We/Wy, przy zachowaniu małych rozmiarów i niskiej ceny. Koncepcja modułowa jest oczywiście bardziej elastyczna, generuje jednak znaczne koszty realizacji, zwłaszcza dla niewielkich sieci starowania. Dla sieci tego typu zaleca się stosowanie urządzeń typu all-in-one.

Wszystkie połączenia i kable sygnałów do wejść i wyjść modułów We/Wy powinny mieć możliwość łatwego przyłączania i odłączania, przy uwzględnieniu jednak dopuszczanych kiedyś rozwiązań, gdzie wszystkie kable przyłączane były trwale w momencie montażu modułów We/Wy. Styki łączeniowe mogą być typu śrubowego lub też sprężynowego (zaciskowego) – przy czym te ostatnie pozwalają na redukcję czasu montażu. Innego typu zagadnienie stanowi sposób, w jaki dodawane są kanały We/Wy do danego systemu. Operację tę można zrealizować poprzez dołączanie nowych modułów o różnej liczbie wejść. Zaleca się stosowanie znacznego rozdrobnienia modułów (moduły 2-, 4-, 8-kanałowe) tak, by możliwe było dołączenie urządzenia o liczbie kanałów jak najbardziej zbliżonej do potrzeb. Metoda ta pozwala na ograniczenie kosztów związanych z rozbudową systemu.

Jako ostatni, jednakże nie mniej ważny czynnik, wymienić należy odpowiednie certyfikaty i pozwolenia dla urządzeń We/Wy, umożliwiających ich wykorzystanie w specyficznych środowiskach, takich jak np.: zakłady petrochemiczne, środowiska o dużej wilgotności, zapyleniu itp.

Takie moduły powinny mieć odpowiednie certyfikaty, na co należy zwrócić uwagę przy ich wyborze i zakupie.

ce

Artykuł pod redakcją
dr. inż. Andrzeja Ożadowicza,
adiunkta w Katedrze Automatyki Napędu
i Urządzeń Przemysłowych w Akademii
Górniczo-Hutniczej w Krakowie

 


Kluczowe zagadnienia związane z urządzeniami We/Wy:

  • wykorzystywany standard sieci,
  • maksymalna szybkość sieci,
  • obsługiwane protokoły komunikacyjne,
  • rodzaje, typy sygnałów wejściowych i wyjściowych,
  • obsługa elementów dodatkowych,
  • maksymalna ilość modułów obsługiwanych przez łącze do sieci,
  • maksymalna ilość We/Wy cyfrowych obsługiwanych przez łącze do sieci,
  • maksymalna ilość We/Wy analogowych obsługiwanych przez łącze do sieci,
  • funkcje tzw. inteligencji – sieci rozproszone,
  • szybkość działania aplikacji (cyfrowa, analogowa),
  • certyfikaty, pozwolenia itp.,
  • warunki gwarancji.