Jak dobierać układy I/O?

Kontakt w sprawie artykułu: Piotr Adamczyk - 2017-02-22

Z tego artykułu dowiesz się:

Jakie są typy aplikacji automatyki
Czym charakteryzują się układy kompaktowe i modułowe
Kiedy należy wybrać lokalne, a kiedy oddalone układy I/O
Jakie standardy komunikacyjne powinny być obsługiwane przez układy I/O
Jakie są topologie podłączania układów I/O

Pomimo tego, że zadanie, do którego są przeznaczone, jest proste, oferta dostępnych na rynku układów jest bardzo szeroka i adresowana do konkretnych zastosowań. Jak zatem właściwie dobrać układ wejść/wyjść i na co zwrócić uwagę, aby wybrać najlepsze rozwiązanie?

Zanim jednak przejdziemy do analizy poszczególnych układów, zacznijmy od analizy rynku. Wielkość instalacji definiowana jest w większości przypadków ilością obsługiwanych sygnałów obiektowych. Przyjęte zostało, że aplikacje automatyki z punktu widzenia ilości obsługiwanych sygnałów można podzielić na 4 typy:

nanosystemy obsługujące do 32 sygnałów obiektowych,
mikrosystemy obsługujące od 32 do 128 sygnałów obiektowych,
średnie systemy obsługujące od 128 do 512 sygnałów obiektowych,
duże systemy obsługujące 512 i więcej sygnałów obiektowych.

Podział rynku systemów sterowania w zależności od ilości obsługiwanych sygnałów

Kompaktowe czy modułowe?

Układy I/O możemy podzielić ze względu na ich konstrukcję. Wyróżniamy dwa typy układów: o budowie kompaktowej oraz o budowie modułowej. Układy o budowie kompaktowej w jednym urządzeniu integrują pewną wbudowaną konfigurację ilości i typów obsługiwanych sygnałów obiektowych oraz interfejs komunikacyjny, przy pomocy którego układ I/O będzie podłączony do sterownika PLC.

Układy o budowie modułowej – jak sama nazwa wskazuje – składają się z takich modułów, jak: interfejs komunikacyjny, zasilacz systemowy, moduły I/O i kasety montażowe. Taka budowa pozwala indywidualnie, pod kątem zaistniałych potrzeb, dobrać konfigurację obsługiwanych w układzie I/O sygnałów, a także interfejs komunikacyjny, przy pomocy którego układ I/O będzie łączył się do sterownika PLC. Kiedy stosować które?

Układy kompaktowe najczęściej wykorzystywane są wtedy, gdy do sterownika PLC chcemy podłączyć kilka dodatkowych sygnałów. Ich koszt zakupu jest niższy w stosunku do podobnej konfiguracji I/O zbudowanej w oparciu o układy kompaktowe. Układy modułowe warto stosować, gdy do sterownika podłączamy więcej sygnałów.

Lokalne czy oddalone?

Dobór właściwego układu I/O uzależniony jest przede wszystkim od charakteru i architektury systemu, w której układ będzie pracował. Sygnały obiektowe do sterownika można doprowadzić na 2 sposoby. Sposób pierwszy to rozbudowa lokalna i bezpośrednie podłączenie kabli sygnałowych sterownika PLC. Model ten stosowany jest wyłącznie w małych i prostych układach, w których długość kabla sygnałowego nie będzie przekraczała kilku metrów.

Jeśli automatyzujemy obiekt, w którym długość kabli sygnałowych będzie przekraczała 10 metrów, lub w pobliżu będą pracowały urządzenia, które mogą wprowadzać zakłócenia w pomiarach analogowych wówczas warto wybrać drugi sposób podłączania sygnałów i zastosować układ I/O do rozbudowy oddalonej. Układ taki może być zamontowany w innym miejscu niż sterownik PLC, dzięki czemu możemy zastosować krótsze kable sygnałowe oraz ograniczyć wpływ zewnętrznych zakłóceń na jakość pomiarów.

Możemy śmiało założyć, że w większości przypadków nano- i mikroinstalacji, rozbudowa systemu będzie miała charakter lokalny. Instalacje obsługujące do 128 sygnałów to najczęściej autonomiczne maszyny lub proste linie produkcyjne działające w obrębie jednej hali i w takich instalacjach najczęściej występuje jeden sterownik PLC, do którego bezpośrednio podłączamy wszystkie kable sygnałowe.

W przypadku systemów średnich i dużych, o architekturze rozproszonej, rozbudowa ma najczęściej charakteroddalony. Z uwagi na większe ilości sygnałów do obsługi w węźle, częściej stosuje się układy o budowie modułowej niż kompaktowej, ponieważ konfigurację węzła można dobrać indywidualnie do zaistniałych potrzeb, co ma znaczący wpływ na optymalizację kosztów zakupu węzła.

Dedykowane czy uniwersalne?

W przypadku rozbudowy systemów micro warto stosować dedykowane układy I/O od tego samego dostawcy, co zastosowany sterownik PLC. Dlaczego? Ponieważ ilość dodatkowych sygnałów, które chcemy podłączyć do sterownika, jest ograniczona, a integracja układu z systemem będzie szybsza i dużo prostsza – dzięki wykorzystaniu dedykowanej magistrali komunikacyjnej wbudowanej w sterownik PLC i w układ I/O.

Przykładem może być tutaj Horner APG – jeden z głównych dostawców zintegrowanych systemów sterowania na rynku, który do lokalnej rozbudowy swoich systemów wykorzystuje kompaktowe układy SmartMod I/O działające na sieci Modbus RTU lub SmartStix I/O pracujące na magistrali CsCAN. Port szeregowy RS485 oraz CsCAN wbudowany jest standardowo w każdy sterownik Horner. Do konfiguracji PLC i układu I/O wykorzystujemy to samo oprogramowanie narzędziowe Cscape.

Wbudowane w Cscape mechanizmy auto konfiguracji pozwalają bardzo szybko zintegrować układ I/O w systemie, znacząco ograniczając czas, jaki musi na to poświęcić programista. Dodatkowo, łatwo dostępna diagnostyka układów I/O pozwala na bieżąco śledzić stan modułu i obsługiwać wyjątki z poziomu programu sterującego. W przypadku rozbudowy systemów średnich i dużych również warto stosować układy I/O od tego samego dostawcy – chociażby z powodu jednego oprogramowania narzędziowego do konfiguracji całego systemu sterowania.

Stosowanie uniwersalnych układów I/O w przypadku rozbudowy większych systemów może okazać się tańsze w zakupie, ale należy liczyć się z tym, że konfiguracja będzie odbywała się w innym narzędziu i zajmie więcej czasu.

Dobrym przykładem układów I/O o budowie modułowej jest RSTi I/O – ekonomiczny układ I/O od GE Automation & Controls. RSTi charakteryzuje się niewielkimi rozmiarami, dzięki czemu nie wymaga dużej przestrzeni montażowej. Bardzo bogata lista dostępnych modułów pozwala na elastyczny dobór konfiguracji I/O i interfejsu komunikacyjnego do podłączenia ze sterownikiem nadrzędnym.

EtherCAT czy Profinet?

Układy I/O mogą pracować w różnych sieciach przemysłowych, a ich wybór uzależniony jest od typu aplikacji, w jakiej układ będzie pracował. Do tej pory najpopularniejszym standardem wymiany danych w systemach dyskretnych był Modbus RTU i TCP, a w aplikacjach o charakterze ciągłym – Profibus DP. W ostatnim czasie daje się zauważyć zmianę tych standardów na inne bazujące na technologii Ethernet.

W systemach dyskretnych i serwonapędowych bardzo dużą popularność zdobywa obecnie EtherCAT. Przewagą tego standardu nad innymi bazującymi na sieci Ethernet jest deterministyczna komunikacja, która w systemach serwonapędowych jest bardzo ważna. Wykorzystanie w takich systemach układów I/O na sieć EtherCAT jest wtórne i wynika z potrzeby unifikacji standardu komunikacyjnego w całym systemie. W ofercie ASTOR dostępne są układy I/O Astraada One o budowie modułowej i kompaktowej obsługujące ten standard komunikacyjny, a ich konfiguracja realizowana jest z poziomu oprogramowania Codesys.

W standardzie EtherCAT szybkość wymiany informacji pozwala na synchronizację osi w czasie 1 µs, dzięki czemu wymiana informacji w systemie, w którym pracuje 10 osi serwo, trwa zaledwie 10µs. EtherCAT opiera się na warstwie fizycznej IEE802. Do budowy sieci w tym standardzie nie są wymagane dodatkowe switche zewnętrzne, a informacje przekazywane są poprzez poszczególne węzły w sieci.

W praktyce wygląda to tak, że każdy moduł I/O ma wbudowany 2-portowy switch, a urządzenia są połączone ze sobą szeregowo. Jeżeli dane urządzenie nie wykryje kolejnych węzłów sieci automatycznie, ostatni węzeł zwraca ramkę do węzła typu master. Dzięki temu sieci EtherCAT mogą pracować w różnych topologiach, w tym gwiazdy, linii i drzewa. Układy I/O od Astraada One działające na sieci EtherCAT charakteryzują się ponadto łatwą konfiguracją, pełną skalowalnością oraz elastycznym dobrem konfiguracji pod kątem zaistniałych potrzeb.

W przypadku systemów o charakterze procesowym coraz większą popularność zyskują układy I/O na sieć Profinet. W takich aplikacjach istotna jest bogata diagnostyka modułów i kanałów pomiarowych, a także łatwy i szybki serwis. W aplikacjach krytycznych nie bez znaczenia jest także wysoka dostępność układu i odporność na potencjalne awarie. Tutaj, oprócz szybkości wymiany danych, duże znaczenie ma także poziom bezpieczeństwa i niezawodności układu.

Przykładem takiego układu może być PACSystems RX3i I/O. Modułowa, w pełni skalowalna architektura węzła RX3i pozwala na elastyczny dobór konfiguracji, pracę w układach redundantnych, a zastosowane moduły sygnałowe posiadają bardzo bogatą diagnostykę, szeroki zakres konfiguracji i mogą być serwisowane na ruchu.

	SmartMod I/O	SmartStix I/O	SmartBlock I/O	VersaMax IP	ECC AIO	JET I/O
Producent	Horner APG	Horner APG	Horner APG	GE	Astraada ONE	Astraada Net
Budowa	kompaktowa	kompaktowa	kompaktowa	kompaktowa	kompaktowa	kompaktowa
Przeznaczenie	uniwersalne I/O do rozbudowy lokalnej	I/O do rozbudowy lokalnej i oddalonej sterowników Horner APG	I/O do rozbudowy lokalnej i oddalonej sterowników Horner APG	uniwersalne I/O do rozbudowy lokalnej i oddalonej	uniwersalne I/O do rozbudowy lokalnej i oddalonej	uniwersalne I/O do rozbudowy lokalnej i oddalonej
Ilość modułów na sieci	do 31	do 253	do 253	do 253	do 253	do 253
Ilość obsługiwanych sygnałów w module	do 12	do 32	do 8	do 8	do 32	8
Max. długość segmentu	do 1200 metrów	do 2000 metrów	do 2000 metrów	do 100 metrów	do 100 metrów	do 100 metrów
Szybkość komunikacji	0.00458 mbps	0.24 mbps	0.24 mbps	100 mbps	100 mbps	100 mbps
Komunikacja
Praca w sieci szeregowej RS485 Modbus RTU	tak	nie	nie	nie	nie	nie
Praca w sieci Ethernet Modbus TCP	nie	nie	nie	tak	nie	tak
Praca w sieci EtherCAT	nie	nie	nie	nie	tak	nie
Praca w sieci CsCAN	nie	tak	tak	tak	nie	nie
Praca w sieci Profibus DP	nie	tak	tak	tak	nie	nie
Funcje dodatkowe
Diagnostyka	tak, podstawowa	tak, podstawowa	tak, podstawowa	tak, podstawowa	tak, podstawowa	tak, podstawowa
Praca w systemach redundantnych	nie	nie	nie	nie	nie	nie
Obsługa IP67	nie	nie	nie	tak	nie	nie
Obsługa modułów komunikacyjnych w ramach węzła	nie	nie	nie	nie	nie	nie
Zbieranie danych ze strefy Ex	nie	nie	nie	nie	nie	nie
Serwis na ruchu (Hot-Swap)	nie	nie	nie	nie	nie	nie
Gwarancja	2 lata	2 lata	2 lata	2 lata	2 lata	2 lata

	RSTi I/O	SmartRail I/O	ECC1000	VersaMax I/O	RX3i I/O	PAC8000 I/O
Producent	GE	Horner APG	Astraada ONE	GE	GE	GE
Budowa	modułowa	modułowa	modułowa	modułowa	modułowa	modułowa
Przeznaczenie	uniwersalne I/O do rozbudowy oddalonej	uniwersalne I/O do rozbudowy oddalonej	uniwersalne I/O do rozbudowy lokalnej lub oddalonej	uniwersalne I/O do rozbudowy lokalnej lub oddalonej	uniwersalne I/O do rozbudowy lokalnej lub oddalonej	uniwersalne I/O do rozbudowy lokalnej lub oddalonej
Ilość modułów na sieci	do 265	do 253	do 253	do 253	do 253	do 253
Ilość sygnałów obsługiwanych w węźle	do 512	do 128	do 256	do 256	do 448	do 256
Max. długość segmentu	do 100 metrów	do 2000 merów	do 100 metrów	do 100 metrów	do 100 metrów	do 100 metrów
Szybkość komunikacji	do 100 mbps	do 100 mbps	do 100 mbps	do 100 mbps	do 1000 mpbs	do 100 mbps
Komunikacja
Praca w sieci szeregowej RS485 Modbus RTU	tak	nie	nie	nie	nie	nie
Praca w sieci Ethernet Modbus TCP	tak	tak	nie	nie	nie	nie
Praca w sieci EtherCAT	nie	nie	tak	nie	nie	nie
Praca w sieci CsCAN	nie	tak	nie	nie	nie	nie
Praca w sieci Profibus DP	tak	tak	nie	tak	nie	tak
Praca w sieci Profinet	tak	nie	nie	tak	tak	tak
Funcje dodatkowe
Diagnostyka	tak, podstawowa	tak, podstawowa	tak, podstawowa	tak, rozbudowana	tak, rozbudowana	tak, rozbudowana
Praca w systemach redundantnych	nie	nie	nie	tak	tak	tak
Redundancja zasilaczy obiektowych	nie	nie	nie	tak	tak	tak
Obsługa modułów komunikacyjnych w ramach węzła	tak	nie	nie	tak	tak	nie
Zbieranie danych ze strefy Ex	nie	nie	nie	nie	nie	tak
Serwis na ruchu (Hot-Swap)	nie	nie	nie	tak	tak	tak
Obsługa Hart Pass-Through	nie	nie	nie	nie	tak	tak
Gwarancja	2 lata	2 lata	2 lata	2 lata	5 lat	2 lata

/ Magistrala, gwiazda czy pierścień?

Podłączenie układów I/O do nadrzędnego sterownika PLC po sieci Ethernet może być realizowane na kilka sposobów. Najprostsza i zarazem najtańsza topologia – magistrala – jest najmniej popularna z powodu dwóch wad. Po pierwsze, wymaga stosowania interfejsów komunikacyjnych, które wyposażone są w najmniej dwuportowy switch, aby można było podłączyć kolejne węzły. Po drugie, w przypadku wystąpienia uszkodzenia kabla lub serwisu bądź awarii węzła I/O, od sterownika PLC zostają odcięte wszystkie kolejne podłączone węzły.

Najpopularniejsza stosowana obecnie topologia sieciowa to gwiazda. Pozwala ona niezależnie podłączyć kilka układów I/O do systemu nadrzędnego za pośrednictwem switcha przemysłowego. Topologia ta jest odporna na uszkodzenia pojedynczych segmentów sieci, odcinając od systemu tylko ten węzeł, którego magistrala została uszkodzona. Niestety topologia ta nie jest odporna na uszkodzenie switcha – jego awaria oznacza odcięcie wszystkich węzłów od systemu sterowania. Z tego względu topologię tę stosujemy najczęściej w małych i prostych systemach sterowania dyskretnego.

Najbezpieczniejszą topologią komunikacji jest pierścień, ale wymaga on zastosowania specjalnych interfejsów komunikacyjnych wyposażonych w mechanizmy wyboru/blokowania połączenia redundantnego. W tej topologii podłączane są najczęściej układy I/O w aplikacjach procesowych, w których zatrzymanie pracy węzła jest niedopuszczalne. To jest rekomendowana topologia sieci dla średnich i dużych systemów automatyki.

Wybór najlepszej topologii zależy zatem od charakteru aplikacji. Jeśli zatrzymanie jednego układu I/O powoduje, że maszyna lub cała linia powinna zostać zatrzymana, wówczas można rozważyć topologię magistrali – w takich przypadkach stosowanie droższych topologii, takich jak gwiazda i pierścień, jest nieuzasadnione. Jeśli system jest rozproszony i włączenie jednego węzła nie powinno zatrzymywać całego procesu, wówczas najodpowiedniejsza będzie gwiazda – wymagany będzie dodatkowy switch i więcej kabli komunikacyjnych. Jeśli natomiast mamy do czynienia z systemem, w którym dostępność układu i odporność na awarie jest najważniejsza, wówczas najlepsze będzie połączenie redundantne w postaci ringu.

/ Funkcje dodatkowe?

Wybierając układ I/O, warto zwrócić również uwagę na funkcje dodatkowe, które mogą okazać się przydatne. Pierwszą z nich jest Hot-Swap, czyli serwis modułów na ruchu. Pozwala on na wymianę i serwis modułów bez zatrzymywania pracy całego węzła – funkcjonalność ta jest niezbędna w aplikacjach procesowych.

Kolejną ważną z punktu widzenia ciągłości pracy systemu jest możliwość pracy w układach o architekturze wysokiej dostępności i obsługa redundantnych zasilaczy systemowych. Obsługa redundantnej magistrali komunikacyjnej w układach I/O zabezpiecza nas na wypadek uszkodzenia segmentu sieci.

Układy komunikujące się w sieci Profinet posiadają wbudowaną obsługę protokołu MRP, który zarządza magistralą redundantną i automatycznie przełącza komunikację na magistralę rezerwową w chwili wykrycia awarii segmentu sieci lub całego węzła. W ofercie ASTOR funkcjonalność ta wbudowana jest w układy VersaMax I/O, PACSystems RX3i I/O oraz PAC8000 I/O.

Z punktu widzenia aplikacji w branży chemicznej i petrochemicznej ważna może okazać się możliwość obsługi standardu HART Pass-Through, pozwalającego na zdalną diagnostykę i parametryzację urządzeń wykonawczych podłączonych do analogowych torów pomiarowych układu I/O. Istnieją także aplikacje wymagające pracy w strefach zagrożonych wybuchem. W takich przypadkach konieczne jest stosowanie układów I/O wyposażonych w iskrobezpieczne terminale pozwalające zbierać dane ze stref Ex. Takie możliwości mają układy serii PACSystems RX3i I/O oraz PAC8000 I/O.

Diagnostyka układów I/O

Większość dostępnych układów I/O oferuje możliwości diagnostyki pracy modułu. Warto z tej funkcjonalności korzystać, gdyż bardzo szybko możemy sprawdzić, w jakim stanie znajduje się nasz układ. Stan pracy modułu możemy obserwować na diodach statusowych zabudowanych na module I/O lub w rejestrach statusowych dostępnych z poziomu programu sterującego. Diagnostyka może być bardzo rozbudowana i obejmować sam moduł I/O, jak również poszczególne tory pomiarowe, stany alarmowe czy wystąpienia zwarcia, przeciążenia lub rozwarcia pętli pomiarowej.

Wszystkie informacje diagnostyczne układu I/O mogą znaleźć się na ekranach synoptycznych systemów SCADA i dają służbom odpowiedzialnym za utrzymanie ruchu klarowną informację w jakim węźle, na jakim module i w którym torze pomiarowym wystąpił błąd.