Wymiana modułów I/O – co musisz wiedzieć ?

Czy wymiana jednostek obliczeniowych oznacza wymianę modułów wejść/wyjść? Nowoczesne jednostki wielu producentów potrafią komunikować się z modułami I/O poprzednich generacji. Zobacz, na co trzeba zwrócić uwagę.
Jeśli twoje przedsiębiorstwo potrzebuje możliwości i funkcjonalności nowoczesnych jednostek CPU, w pierwszej kolejności należy sprawdzić, czy będzie potrzeba wymiany modułów I/O. Wiele z nich jest w stanie w pełni komunikować się ze starszymi modułami. Jednak w przypadku zmiany producenta jednostki głównej taka sytuacja nie zawsze jest możliwa.
Istnieje kilka ważnych kwestii, którym trzeba poświęcić uwagę, jeśli decyzja o wymianie modułów I/O zbliża się wielkimi krokami. Pierwszą i najważniejszą rzeczą jest bieg procesu produkcyjnego. Czy istnieją jakieś okna czasowe, w których można pozwolić sobie na zatrzymanie i ingerencję w proces? Czy jakaś część starego systemu I/O musi pracować podczas instalacji nowych modułów? Czy trzeba wymienić okablowanie? Czy modernizacja dotyczyć będzie również programu gromadzenia danych?
Ile punktów I/O za jednym razem?
Czas, na który można zatrzymać proces, będzie wyznaczał możliwą do jednoczesnej wymiany liczbę punktów I/O. Jeśli tylko czas na to pozwala, zawsze prościej jest wymienić całą szafę modułów jednocześnie. W przeciwnym wypadku warto skorzystać z rad, które pomagają ograniczyć czas zatrzymania procesu.
Jeśli okablowanie nie będzie zmieniane, można zawczasu przygotować przejściówki wpinane między stare i nowe konektory. Kiedy proces może być zatrzymany, należy odłączyć złącze od starego modułu, następnie zastąpić stary moduł nowym i podłączyć go za pomocą wcześniej przygotowanej przejściówki. Takie rozwiązanie może wymagać zastosowania dodatkowych elementów mocujących wykonaną przejściówkę.
Jeśli zastosowanie przejściówek nie wchodzi w grę, należy upewnić się, że nowe moduły będą pasować w miejsce starych (nie jest to zwykle problemem, ponieważ liczba wejść/wyjść przypadająca na jednostkę objętości jest coraz większa), a następnie zastąpić stary moduł nowym, nie uszkadzając przy tym starych oznaczeń przewodów – będą pomocne. Aby oszczędzić czas, należy rozważyć również wstępne okablowanie i oznaczenie modułów jeszcze przed ich montażem (pod warunkiem że moduły mają odpinane gniazda).
Jak zaoszczędzić czas podczas wymiany modułów I/O
Jeśli okablowanie musi zostać wymienione, poziom trudności jest większy. Jednocześnie większe jest też pole manewru. Nowe kable mogą być przeprowadzone, zarobione i oznaczone po obu stronach i dopiero wpięte w instalację.
Największym wyzwaniem jest tymczasowa równoległa praca starych i nowych modułów. W większości tego typu przypadków nowe moduły będą wymagać nowego okablowania i równoległego działania wszystkich urządzeń. Należy starać się nigdzie nie rozłączać szeregowych linii zasilania biegnących od urządzenia do urządzenia; zastosowanie się do tej rady może bardzo ułatwić pracę.
Istnieje wiele możliwości rozprowadzenia sygnału z pojedynczych czujników, które muszą być dostępne w nowym i starym systemie. Komunikacja nowego systemu ze starym za pomocą odpowiedniego podłączenia modułów we/wy to najprostsze rozwiązanie z punktu widzenia okablowania i jakości mierzonego sygnału; mogą być jednak potrzebne dodatkowe moduły. Wszędzie tam, gdzie wymagana jest najwyższa prędkość i dokładność pomiaru, sygnał powinien być mierzony wyłącznie przez jedno urządzenie i przekazywany do drugiego w formie cyfrowej.
Podwójne sterowanie
Niektóre z modułów wyjściowych muszą być sterowane z obu systemów. Najprostszym rozwiązaniem jest powiązanie systemów sterowania za pomocą wejść/wyjść. Jeden system fizycznie steruje modułem wyjściowym, a drugi zgłasza do niego konieczność załączenia lub wyłączenia tego wyjścia. Jest to pewna i bezpieczna metoda sterowania współdzielonym wyjściem cyfrowym oraz analogowym.
Jeśli takie połączenie nie jest opcją, jako wyjście cyfrowe można zastosowaćprzekaźniki z podwójną cewką sterowaną z niezależnych systemów, przy czym konieczna jest wtedy ostrożność: jeśli jeden system aktywuje przekaźnik, drugi nie może go wyłączyć do momentu zaniku wymuszenia ze strony pierwszego systemu. Jeśli okablowanie wykonane jest prawidłowo, a modernizacja zakończona, stary system odłącza się od przekaźnika, przekaźnik wyciąga się z podstawki (potencjalne źródło awarii), zwiera się dotychczasowy styk cewki ze stykiem mocy, uzyskując bezpośrednie sterowanie urządzeniem z nowego modułu wyjściowego.
Wyjścia analogowe sprawiają trochę więcej problemów i nie mogą być z łatwością mieszane ze względu na utratę jakości sygnału. Jeśli jednak istnieje potrzeba sterowania wyjściem analogowym z dwóch systemów, których nie można skomunikować, należy zdecydować się, który z nich będzie fizycznie sterował wyjściem analogowym i na jedno z jego wejść przekazać wyjście drugiego systemu, będące wartością zadaną sygnału dla wyjścia analogowego pierwszego systemu. Stara szkoła to przekazanie wartości sygnału analogowego za pomocą wyjść cyfrowych i kodowania BCD.
Pneumatyczne aktuatory mogą być sterowane za pomocą pneumatycznych przełączników, ale jest to rozwiązanie rzadko stosowane.
Chociaż wymiana systemów I/O może być dużym wyzwaniem, któremu towarzyszyć będą różne problemy, jest często nieuchronna, a w przypadku bardzo starych systemów – konieczna. Dobrze przygotowany plan i dbałość o szczegóły to podstawa szybkiej modernizacji bez nadmiernych przestojów.
David McCarthy jest dyrektorem generalnym w TriCore Inc., z siedzibą w Racine w stanie Wisconsin w USA.
CE

Porady i sztuczki na temat wymiany modułów I/O 
Kompendium wiedzy o wymianie modułów I/O przedstawione poniżej to streszczenie łącznie ponad 25 stron artykułów dotyczących tego zagadnienia, do których odnośniki znajdują się poniżej artykułu w wersji online: http://bit.ly/IOreplacement
Dokumentacja, programowanie sterownika i uziemianie: Kurt Wadowick, specjalista systemów I/O w Beckhoff Automation twierdzi, że inżynierowie powinni wnikliwie przestudiować dokumentację systemu i określić, czy został on właściwie zaprojektowany i czy schematy elektryczne są dokładne.
Sugerował także, by zapytać o sterownik: Czy kod opatrzony jest ułatwiającymi późniejsze poszukiwanie błędów komentarzami i ma pełną dokumentację? Czy korzystasz z najnowszej wersji oprogramowania? Czy wszystkie pliki programu da się otworzyć w wersji oprogramowania, którą posiadasz? Czy nowsza wersja umożliwia zaimportowanie kodu wraz z komentarzami?
– Oddziel sygnały sterujące od sygnałów mocy – mówi Wadowick. – Nie umieszczaj obok siebie kabli sieci rozproszonych, takich jak EtherCAT, Profibus czy DeviceNet oraz 3-fazowych przewodów mocy zasilających silniki.
Sprawdź ekranowanie i zakłócenia elektromagnetyczne: John Lehman, engineering manager w Dataforth Corp. stwierdził, że kiedy wymienia się obwody wejściowe/wyjściowe, kluczowym zagadnieniem jest uziemienie, ekranowanie, odpowiedni przewód, wzajemne położenie przewodów sygnałowych i mocy, jakość izolacji, odpowiednie techniki prowadzenia przewodów, analiza niebezpiecznych miejsc i kompatybilność elektromagnetyczna.
Nowoczesne czujniki pozwalają monitorować więcej zmiennych procesowych, dzięki czemu zwiększa się wydajność i pewność działania, która jest efektem dokładnego monitorowania stanu maszyn, a zmniejsza ilość przestojów i niebezpiecznych zdarzeń. Kondycjonowanie sygnału zapewnia odpowiednie skalowanie, filtrowanie, linearyzację i separację. Mikrokontrolery, miniaturyzacja elektroniki oraz technologie sieciowe pozwalają na zdecentralizowane sterowanie. Najczęściej zapomina się o uziemieniu, ekranowaniu, pętlach masy, indukowanym i pojemnościowym szumie, właściwych technikach prowadzenia kabli i kompatybilności elektromagnetycznej.
Więcej danych, mniej pracy dzięki bezprzewodowym I/O: – Nowe moduły I/O pozwalają mierzyć więcej i dokładniej przy znacznie mniejszym wysiłku – mówi Andrejs Rozitis, product manager w FreeWave Technologies Inc.
– W przemyśle opartym na procesie niezwykle rzadko spotyka się procesy, których ciągłość zależy od ludzkich decyzji i manualnej interakcji – twierdzi Rozitis. – Zmienność wpływa ujemnie na jakość produktów i usług, zagrażając wzrostowi przychodów i zwiększając wydatki na bieżącą obsługę.
 Bezprzewodowe systemy I/O to najlepsze z ekonomicznego punktu widzenia rozwiązanie monitorowania i optymalizacji procesów o rozpiętości od 30 m do 300 km. Przewody, koryta, zezwolenia – te wszystkie koszty można niemal wyeliminować. Dodatkowym zyskiem jest szybka diagnoza problemu oraz możliwość zmian i modernizacji „w locie”. Moduły rozszerzeń podłączane są bez dodatkowych urządzeń i oferują do 200 punktów I/O w jednym miejscu.
Wymiana modułów I/O bez naruszania kabli komunikacyjnych: – W celu zmniejszenia potencjalnego czasu przestoju modernizacja modułów I/O systemu DCS może być wykonana bez wymiany okablowania komunikacyjnego – twierdzi Amanda Smith, specjalista ds. systemów DCS i ich migracji w Invensys Operations Management. Wyzwania, jakie stawia wymiana modułów I/O, to m.in. koszt, ryzyko i potencjalny przestój ze względu na konieczność kablowania. Ponieważ cykl życia protokołów sieci rozproszonych jest zwykle trzykrotnie dłuższy od cyklu życia systemów DCS, wykorzystanie dotychczasowego okablowania przy jednoczesnej nowej funkcjonalności modułów I/O może przynieść wymierne korzyści. Invensys produkuje moduły I/O w formacie dopasowanym do modułów wielu innych producentów. Nowe moduły serii I/A są bezpośrednim zamiennikiem większości kart I/O innych producentów.
Rozważ istniejące połączenia I/O, Ethernet i peer-to-peer: Daniel Liu, menedżer ds. rozwoju systemów gromadzenia danych i sterowania w Moxa Technologies Inc. twierdzi, że gdy rozproszone moduły wejść/wyjść nie były dostępne, trzeba było prowadzić kable bezpośrednio od procesu aż do samego sterownika. Nowe instalacje I/O bazujące na komunikacji Ethernet będą musiały współpracować ze starszymi systemami z tradycyjnym okablowaniem. Jedną z technik jest wykorzystanie protokołu TCP/IP i specjalnych urządzeń, które zbierają dane ze starych modułów i przesyłają je do sterownika za pomocą sieci Ethernet. Takim urządzeniem jest np. Moxa ioLogik serii E1200.
Przyjrzyj się umiejscowieniu punktów I/O, pomiarom i przetwarzaniu danych: Brett Burger, starszy menedżer wbudowanych systemów I/O w National Instruments mówi, że obudowa i przystosowanie urządzenia do warunków przemysłowych mogą stanowić o dokładności, a nawet możliwości wykonania pomiaru. Nie wszystkie systemy sprawdzają się jednakowo dobrze w różnych środowiskach. Urządzenia NI CompactRIO są odporne na uderzenia i wibracje odpowiednio 50 G/5 G, a dopuszczalny zakres temperatur pracy wynosi -40 do +70°C.
– Przejrzyj dokładnie katalog modułów I/O. Zastanów się, jakich pomiarów potrzebujesz teraz, jakich będziesz potrzebować w przyszłości. Dostępność różnych modułów i intuicyjne środowisko programistyczne mogą mieć duży wpływ na czas wdrożenia nowych aplikacji pomiarowych – twierdzi Burger. – Język drabinkowy był dobry do sterowania przekaźnikami, ale nie nadaje się do bardziej skomplikowanych algorytmów sterowania. Oprogramowanie LabVIEW pomaga stworzyć proste i złożone algorytmy sterowania za pomocą graficznego interfejsu, które mogą być uruchamiane w urządzeniu pracującym w rygorze czasu rzeczywistego albo w FPGA.
Rozważ protokoły, sterowniki, aplikacje: Jason Haldeman, specjalista ds. systemów I/O w Phoenix Contact zaznacza, że wybór sieci rozproszonej jest zależny od obecnej jednostki sterującej PC/PLC. – Większość ludzi zwleka z wyborem nowego systemu sterowania, ponieważ nie chce rezygnować z doświadczeń gromadzonych przez lata, dlatego właśnie stare protokoły komunikacyjne są nadal używane. Większość nowych aplikacji korzysta już z protokołów bazujących na Ethernecie, oferując większą elastyczność i dodatkowe opcje, takie jak redundancja i łączność bezprzewodowa. Od aplikacji zależy, czy wykorzystane zostaną moduły IP20 czy IP67. Koszt zakupu modułów IP67 jest większy, ale rekompensują go oszczędności na przewodach i szafach sterowniczych.
Pomost między starym a nowym: – Podłącz system I/O Allen-Bradley Bulletin 1771 I/O do nowych modułów 1756 za pomocą systemu konwersji okablowania Rockwell Automation Bulletin 1492 – mówi Jeff Kilburn, międzynarodowy menedżer ds. systemów sterowania w Rockwell Automation. – Systemy konwersji mogą dramatycznie zredukować koszty i czas przestoju spowodowane pomyłkami w okablowaniu. Ostatnie testy pokazały, że 8-portowa podstawa montażowa może być okablowana w nieco ponad 6 minut dzięki wykorzystaniu systemu konwersji 1492, podczas gdy tradycyjnymi metodami zajmuje to 2,5 godziny. System pomyślany jest w taki sposób, że można łatwo powrócić do pierwotnej konfiguracji, jeśli system sterowania tego wymaga.
Modułowe I/O obniżają czas kablowania o 20%: – RRR Developments, dostawca maszyn do produkcji opon, redukuje czas kablowania o 20%, zmniejszając tym samym kłopoty podczas przeglądów – mówi Sandy Holden, market development manager z Rockwell Automation.
Mark T. Hoske, redaktor CE