VIPA SLIO - mikrosekundovo presné riadenie cez priem. zbernicu
VIPA SLIO – mikrosekundovo presné riadenie cez priemyselnú zbernicu
SLIO (Slice-I/O) firmy VIPA GmbH je kompletne novovyvinutý I/O systém. Vďaka kompaktným rozmerom a modularite je so systémom SLIO realizácia automatizačných projektov jednoduchšia a predovšetkým rýchlejšia.
SLIO umožňuje mikrosekundovo ( µs ) presné riadenie a meranie so všetkými podporovanými priemyselnými zbernicami.
Mechanika modulov
V moduloch SLIO sa stretáva vysoká funkcionalita s premyslenou mechanickou koncepciou. Montáž všetkých modulov sa realizuje kolmo na DIN lištu, čo optimalizuje priestorové využite rozvádzača.
Systém je rozmerovo veľmi kompaktný a modulárny, čo umožňuje jeho konfiguráciu presne podľa požiadaviek aplikácie. Interface moduly (IM) pre Profibus-DP, CANopen, EtherCAT a Modbus podporujú až 64 modulov v jednom rade. Napájanie interface modulov je realizované vymeniteľnými zdrojovými modulmi, takže v prípade poruchy napájania nie potrebné meniť IM.
Vonkajšie výkonové časti elektronických modulov (EM) sú napájané farebne odlíšenými napájacími modulami (PM), ktoré zároveň definujú oddelené potenciálové skupiny podľa požiadaviek projektu. Elektronické moduly sú spojené s terminálovými ( svorkovými) modulmi pomocou posuvného mechanizmu.
Terminálový modul je pre všetky typy elektronických modulov rovnaký. Táto vlastnosť výrazne zjednodušuje návrh systému a redukuje sortiment dielov. Terminálový modul obsahuje okrem svoriek, napájanie elektronických modulov a mechanické prepojenie zadnej zbernice. Pružinové signálové svorky sú radené v stupňoch, aby umožňovali rýchle a prehľadné zapojenie. Servisný zásah je obmedzený len na vytiahnutie elektroniky zo svorkového modulu, ktorý zostáva bezo zmeny upevnený na 35 mm DIN lište. Tento spôsob nielen zjednodušuje a urýchľuje výmenu modulov, ale aj vylučuje prípadné chyby pri odpájaní a opätovnom zapájaní vodičov. Presná alokácia a čitateľnosť stavu kanálov elektronického modulu je zabezpečená integrovanými LED diódami a popisovacími štítkami. Trvalá signalizácia stavu modulu umožňuje presnú lokalizáciu porúch. To znamená, že chyby ako preprušenie zbernice, chybná konfigurácia ,chybné zapojenie alebo porucha modulu sú signalizované a detekované bez potreby použitia diagnostických prostriedkov.
Zadná komunikačná zbernica systému
Zbernica s rýchlosťou 48 Mbit/s bola vyvíjaná s ohľadom na maximálnu spoľahlivosť a súčasne aj na rýchlosť prenosu dát:
- všetky prístupy na moduly sú kontrolované
- okamžité rozpoznanie výpadku modulu
- diferenciálna prúdová nízkonapäťová komunikácia (LVDS)
- odolnosť voči poruchám
- watchdog v každom module
- sledovanie interface modulu a Master modulu priemyselnej zbernice
- kontrolné sumy a diagnostický čítač v každom module umožňujú presnú diagnostiku modulu
- rýchla lokalizácia chýb v inštalácii
- flexibilný formát telegramov a mechanizmov prenosu
- optimálna adaptácia prenosu údajov na konkrétnu štruktúru systému
Dodatočne k týmto základným funkciám ponúka zadná zbernica systému SLIO ďalšie vlastnosti, ktoré odstraňujú doterajšie obmedzenia pre aplikácie decentrálnych I/O systémov. S týmito vlastnosťami sa pre decentrálne systémy otvára oblasť časovo kritických aplikácií, ktorá bola doteraz vyhradená buď výkonným centrálnym riadiacim systémom alebo špeciálnym zákaníckym riešeniam.
Meranie a riadenie v µs rozsahu
Časové požiadavky pri aplikácii decentrálnych periférií sa dajú zhrnúť do dvoch rozhodujúcich faktorov:
- Reakčný čas
Aká je maximálna doba medzi zapnutím vstupného signálu a reakciou systému na výstupe.
- Časová presnosť – determinizmus
S akou časovou presnosťou sa dá detekovať nejaká udalosť, príp. s akou časovou presnosťou sa dá aktivovať výstupný signál.
Najjednoduchší spôsob ako dosiahnuť zlepšenie je zníženie obnovovacieho intervalu zbernice. Ak je to možné, tak napríklad prechodom od zbernice Profibus (min. interval 600 µs) k zbernici Profinet IRT (min. 250 µs).
Pre niektoré aplikácie však nie je ani táto zmena postačujúca a vyžadujú od riadiaceho systému podstatne vyššiu časovú presnosť. V takýchto prípadoch sa končí aj možnosť nasadenia cenovo výhodných decentrálnych systémov. Aspoň doposiaľ to platilo.
Toto je práve priestor pre aplikáciu mikrosekundových časových značiek systému SLIO.
Už v roku 2005 uviedla firma VIPA GmbH na trh digitálny vstupný modul určený do centrálnych riadiacich systémov pre Step7 kompatibilné CPU, ktorý pre 16 kanálov umožňuje zmerať okamih zmenu stavu vstupného signálu s presnosťou 1 µs. Hneď nasledujúci rok bol vyvinutý 8 kanálový analógový vstupný modul, ktorý zaznamenáva priebeh analógového signálu v rastri 25 µs s časovou mikrosekundovou značkou.
Tieto funkcie sú teraz k dispozícii aj v decentrálnych systémoch a navyše, boli výrazne rozšírené. Súčasne s uvedením systému SLIO na trh, sú pre užívateľov k dispozícii vstupné a výstupné digitálne moduly s integrovanou pamäťou typu FIFO, ktorá je určená pre uchovanie časových značiek okamihu zmeny signálu. Tieto moduly sú označované ako ETS (Edge Timestamp System). SLIO ETS ponúka túto výrazne vyššiu časovú presnosť (v µs rozsahu) pre všetky podporované priemyselné zbernice.
Rovnaký čas pre všetkých
Všetky moduly decentrálnej stanice priradené k jednému interface modulu majú rovnakú časovú bázu. Táto časová báza má rozlíšenie 1 µs a synchronizuje moduly s presnosťou ± 85ns. Vzájomná synchronizácia vicerých interface modulov je závislá od typu priemyselnej zbernice. Už teraz je možné pri použití Profibus DP-V2 (izochrónny režim) synchronizovať časovú bázu interface modulov a k nim pripojeným modulom s presnosťou ± 5 µs. Podobný synchronizačný mechanizmus bude v budúcnosti k dispozícii aj pri iných typoch priemyselných zberníc.
Príklad – vstrekovací systém naftových motorov
Nasledujúci príklad poslúži na objasnenie funkčného princípu a demonštrovanie mnohostrannosti použitia systému. Ide o elektronické riadenie doplnkového vstrekovania nafty pre optimalizáciu spaľovania bioplynového generátora. Meranie a riadenie s µs presnosťou, ktoré ponúka SLIO ETS, umožňuje riešiť túto úlohu bez použitia mikrokontrolera alebo iného špeciálneho riešenia. Jeho nasadenie rieši proces vstrekovania (viacnásobné vstrekovanie počas cyklu) , zvyšuje efektvitu a optimalizuje stupeň emisií s komfortom a flexibiltou štandartnou pre PLC aplikácie.
Veľmi zjednodušene sa dá popísať zadanie pre riadiaci algoritmus nasledovne:
Kľukový hriadeľ (1) sa otáča rýchlosťou 1500 ot/min. Pretože ide o štvortaktný motor, k procesu zapálenia zmesi prichádza len 750 krát za minútu. Vačkové hriadele (2 a 3), ktoré ovládajú ventily sa preto tiež otáčajú rýchlosťou 750 ot/min. Na jednej vačkovej hriadeli sa nachádza HALL snímač, ktorý generuje impulz pri každej otáčke vačkového hriadeľa. Tento signál je privedený na vstup modulu SLIO ETS a slúži ako referenčný bod pre celý proces vstrekovania. Vstrekovacia tryska nafty (4) je riadená výstupným modulom SLIO ETS. Snímač na vačkovom hriadeli je polohovaný tak, že medzi jeho impulzom a medzi okamihom vstreku je niekoľko desiatok milisekúnd.
Realizácia cez priemyselnú zbernicu s normálnym I/O systémom
Pri riešení tejto úlohy s normálnym decentrálnym I/O systémom, by bolo potrebné merať čas od výskytu vstupného signálu priamo v CPU. Toto riešenie prináša so sebou mnoho nepresností , ktorých dôsledkom je celková závažná chyba. Pre názornosť bližšie popíšeme len najväčší zdroj nepresnosti.
Predpokladajme, že užívateľský program v CPU dokáže merať čas s dostatočne vysokou presnosťou (napr. SPEED7 CPU meria s časovým rozlíšením 1 µs). Procesor sleduje stav vstupného signálu t.j. snímač vačkového hriadeľa a zapamätá si čas jeho výskytu. Keď ubehne doba potrebná pre zapnutie výstupného signálu, vyšle CPU cez zbernicu k výstupnému modulu príkaz na zapnutie.
Zelená časť obrázku č.5 jednoznačne ukazuje, že z pohľadu CPU nie je možné rozlíšiť od seba viacero zmien a ani zosnímať signál presnejšie, ako je časový raster daný zbernicou. Tým vzniká nepresnosť s hodnotou minimálne jednej doby cyklu priemyselnej zbernice
Obrázok 5
Normálny decentrálny systém (zelená farba): Nie je možné presné časové priradenie zmien vstupov a výstupov.
Decentrálny systém SLIO ETS (fialová farba): Mikrosekundové časové značky v pamäti vstupných a výstupných signálov.
Pri použití zbernice Profibus predstavuje tento čas v najlepšom prípade 600 µs, čo predstavuje nepresnosť až 5,4 stupňa pri určení polohy vačky podľa impulzu snímača (pri 1500 ot/min, čas 40 ms na otáčku, uhlová rýchlosť 9 stupňov/ms t.j 600 µs zodpovedá 5,4 stupňom). Zapnutie výstupu prináša do celého cyklu ešte ďalšie nepresnosti.
Použitie zbernice Profinet IRT z časom cyklu 250 µs túto chybu redukuje na 2,25 stupňa.
Pretože tieto nepresnosti sú pre danú aplikáciu neprípustné, je nasadenie priemyselných zberníc v úlohách podobného typu prakticky vylúčené. V tomto prípade sa riadenie väčšinou zabezpečuje modulom elektronickej vačky. Takéto riešenie je cenovo náročné a málo flexibilné pri nastavovaní alebo optimalizácii.
Realizácia cez priemyselnú zbernicu s použitím SLIO ETS
Pri zmene stavu signálu si vstupný modul zapamätá presný čas výskytu udalosti. Oneskorené zapnutie výstupného signálu je realizované tiež samotným výstupným modulom podľa vopred zadanej časovej značky zaslanej z CPU. Ak je decentrálny systém schopný pracovať v tomto režime, úplne sa eliminujú zdroje časových nepresností, ktoré spôsobuje cyklus zbernice a cyklus procesora.
Fialová časť obrázku č.5 zreteľne znázorňuje výrazné zlepšenie časovej presnosti u takéhoto systému v porovnaní s decentrálnym systémom bez časových značiek.
V okamihu, keď vstupný modul SLIO ETS detekuje hranu signálu snímača vačky, uloží do FIFO pamäte aktuálny stav vstupu a časovú značku. Tieto údaje sa potom zbernicou prenášajú do CPU, kde sa môžu spracovať bez ohľadu na obnovovací cyklus zbernice alebo dobu cyklu CPU.
Pretože časy všetkých I/O modulov jednej decentrálnej periférie SLIO bežia s presnosťou ±85ns, dokáže CPU vypočítať oneskorenie pre zapnutie výstupov (okamih vstreku) a realizovať ich cez priemyselnú zbernicu presnosťou na 1µs . Akonáhle dôjde k iniciovaniu snímača vačky, budú výstupné signály ovládané tak, že výsledná chyba nepresiahne 0,009 stupňa.
V rámci jedného cyklu zbernice, môže byť realizovaných až 15 povelov pre zapnutie, takže jeden výstup môže zapnutý aj viackrát počas jedného cyklu. Rovnako vstupný modul SLIO ETS má k dispozícii FIFO pamäť pre 15 zápisov.
Použitie SLIO ETS môže napr. výrazne redukovať chybu v decentrálnom systéme Profibus. Viaceré decentrálne stanice je možné pri použití protokolu DP-V2 (izochrónny režim) synchronizovať s presnosťou ±5 µs. Týmto spôsobom sa dajú aj rozsiahle decentrálne konfigurácie merať a riadiť s mikrosekundovou presnosťou.
Príklad: Rezanie papiera
Ako príklad pre využitie rovnakej časovej bázy medzi rôznymi decentrálnymi stanicam sa dá veľmi zjednodušene použiť rezačka papiera.
Obrázok č.6 : Rovnaký čas pre dve decentrálne stanice na zbernici Profibus
Detektor pre rozpoznávanie značky pre rezanie a inkrementálny snímač sú inštalované na tej istej decentrálnej stanici. Čítačový modul, do ktorého je zapojený inkrementálny snímač, vytvára priebežnú mikrosekundovú hodnotu potrebnú pre výpočet rýchlosti pohybu pásu papiera. Vstupný modul SLIO ETS generuje pri výskyte značky presnú mikrosekundovú značku. Druhá decentrálna periféria, ktorá pracuje s rovnakou časovou bázou ±5 µs ako prvá decentrá periféria, môže digitálnym výstupným modul om SLIO ETS veľmi presne ovládať rezačku.
Pri rýchlosti 5 m/s dosahujú rôzne systémy riadenia približne nasledovnú presnosť ( zjednodušený výpočet):
- nomálny modul Profibus DP 600 µs : 3 mm
- normálny modul Profinet IRT 250 µs : 1,25 mm
- modul SLIO ETS ±5 µs : 0,05 mm
Ďalšie funkcie
Funkcia časovej značky je dispozícii aj pre čítačové a SSI moduly systému SLIO, čo umožňuje napríklad jednoduchšie meranie rýchlosti. Tiež rýchle analógové vstupné a výstupné moduly budú vybavené touto funkcionalitou. Ako príklad využitia sa dá použiť už spomenutý dieselový generátor, ktorý má byť sychronizovaný s elektrickou sieťou. V tomto prípade je potrebná rýchla a presná regulácia, ktorú analógové SLIO ETS moduly umožňujú.
Je samozrejmé, že SLIO ETS moduly sa dajú voľne kombinovať so štandartnými modulmi SLIO.
Zhrnutie
SLIO firmy VIPA GmbH ponúka :
- I/O systém s užívateľsky orientovanou mechanickou koncepciou a značením
- prehľadnú indikáciu statusu a diagnostiky
- rýchly a priestorovo úsporný spôsob zapájania
- spoľahlivú a rýchlu zadnú komunikačnú zbernicu
- funkciu časových značiek, ktorá umožňuje mikrosekundovo presné riadenie a tým otvára priestor pre aplikácie , koré boli doteraz vyhradené pre špeciálne riešenia. Do týchto aplikácií prináša SLIO jednoduché programovanie, flexibilitu a servisné funkcie štandartné pre PLC systémy.
Autor: Steffen Schleier, Profichip GmbH
ControlSystem s.r.o.
zastúpenie VIPA GmbH pre Slovensko
Štúrova 4
977 01 Brezno
Tel.: 048 6115900
Fax.: 048 6111891
e-mail: info@controlsystem.sk