Aktuální vydání

celé číslo

12

2022

Automatizace výrobních, montážních a balicích strojů a linek

Elektrické, pneumatické a hydraulické pohony

celé číslo

Možnosti jediného kabelu

číslo 7/2006

Možnosti jediného kabelu

Přestože systém AS-Interface nepatří k „nejžhavějším„ technickým novinkám, v České republice není stále rozšířen tak, jak by si pro své jedinečné vlastnosti zasluhoval. Přitom ho lze využít ve všech odvětvích průmyslu a mnohdy poskytuje výhody, kterých standardní cestou není možné dosáhnout. K těm hlavním patří značná úspora nákladů, jednoduchá instalace a velká provozní spolehlivost.

Článek stručně popisuje sběrnici AS-Interface, její provozní vlastnosti a dostupný sortiment přístrojů a na příkladech z praxe dokládá její širokou použitelnost a výhodné vlastnosti.

Základní parametry sběrnice AS-Interface

Průmyslová komunikační sběrnice AS-Interface (Actuator/Sensor Interface) se již na první pohled liší od klasických řešení s paralelním připojením každého prvku k řídicí jednotce samostatným kabelem. V případě AS-Interface totiž chybí typické svazky kabelů – všechny senzory a akční členy jsou propojeny jediným speciálním dvoužilovým kabelem.

Obr. 1.

Obr. 1. Porovnání nákladů na připojení konvenční a s použitím systému AS-Interface

Kabel systému AS-Interface současně zajišťuje napájení připojených prvků napětím 24 V DC a číslicový přenos dat rychlostí 167 kb/s. Přenos dat je cyklický na principu master/slave. Jeho řízení tedy obstarává jeden řídicí modul (master), který se v přesně stanovených časových okamžicích dotazuje na data všech řízených modulů (slave). K jednomu řídicímu modulu lze připojit celkem 62 modulů typu slave (u starší verze 1.0 o polovinu méně), z nichž každý může mít až čtyři vstupy a tři (podle verze 2.0) nebo čtyři (podle verze 3.0) výstupy. V praxi to tedy znamená, že jedno řídicí zařízení může komunikovat až s 248 vstupy a 186 (248) výstupy. Celá síť odebírá maximálně 8 A (jeden modul slave do 100 mA). Nejkratší perioda cyklu plně obsazené sběrnice je 10 ms a maximální délka sběrnice je omezena na 300 m (u verze 3.0 na 600 m).

Rychlá stavba sítě

Všechny moduly systému AS-Interface se připojují snad nejjednodušším možným způsobem – kabel se vloží mezi dvě části připojovaného modulu, které se následně stáhnou k sobě, přičemž dva kontaktní hroty na těle modulu perforují izolaci kabelu a propojí tak modul s vodiči kabelu sběrnice. K rozbočení sítě se obvykle používají moduly. Jestliže je ovšem v určitém místě třeba zapojit jen jediný snímač, je vhodnější použít konektor. Uvedeným způsobem je možné vytvářet nejrůznější topologie sítě (sběrnice, strom, hvězda, kruh).

Obr. 2.

Obr. 2. Rozváděč s řídicím systémem a moduly systému AS-Interface

Řízené moduly připojované ke kabelu sběrnice se dělí na aktivní a pasivní. Aktivní moduly mají adresu 0 až 31 (od novější verze 2.0 ještě s rozdělením na řady A a B), důležitou pro chod celého systému, a lze na ně připojovat akční členy nebo pasivní snímače. Pasivní moduly fungují pouze jako rozbočovací jednotky, na něž se připojují aktivní snímače s vlastními adresami. Jejich výhodou je perfektní diagnostika – např. aktivní limitní snímač dokáže poskytovat čtyři typy informací a „hlásit„, že je v provozním stavu a zda se nachází v oblasti před sepnutím, v oblasti spínání, nebo je sepnuté. Je-li navíc optické, lze je také spínat a vypínat na dálku. Nevýhodou je, že takové čidlo se projevuje jako jeden aktivní modul, a lze jich tedy umístit do sítě pouze 62 (od verze 2.0).

Široký výběr zařízení i řešených úloh

Výrobců komponent systému AS-Interface je nyní ve světě několik set. K nejvýznamnějším z nich patří např. společnosti Siemens a Ifm electronic, nabízející jejich skutečně široký sortiment. Technologická základna systému je tedy dostatečně rozsáhlá a do sítí lze zapojovat ohromné množství prvků s různými funkcemi. K dispozici jsou např. především limitní snímače polohy, teploty, tlaku, polohy hladiny a průtoku, signalizační přístroje (majáky, houkačky atd.), ovladače, zobrazovače naměřených hodnot, čtečky kódů a další zařízení, která stále rozšiřují možnosti využití tohoto systému. Významnou součástí systému AS-Interface je také bezpečnostní systém Safety at Work (bezpečnostní monitory) včetně bezpečnostních spínačů. Prostřednictvím systému AS-Interface je rovněž možné přímo ovládat elektromagnetické ventily v pneumatických a hydraulických soustavách či měniče frekvence v pohonech.

Obr. 3.

Obr. 3. Sběr dat v provozu prostřednictvím modulů slave systému AS-Interface

„Úloh s využitím sběrnice AS-Interface jsme v České republice dosud vyprojektovali téměř čtyřicet,„ říká Jan Zahradník z firmy Regultech servis, která se projektováním systémů AS-Interface zabývá již od roku 1997, a doplňuje: „Zákazníky byly zejména kamenolomy, kde je systém bezkonkurenční díky své odolnosti, dále potravinářské podniky a realizovali jsme i stykačovou sestavu s modulem AS-Interface pro dřevoobráběcí stroj. Zajímavou zakázkou, na níž pracujeme v současné době, je plovoucí bagr pro těžbu štěrkopísků.„ Výběr z projektů realizovaných pracovníky firmy Regultech servis a jejich stručné charakteristiky uvádí tab. 1.

Proč použít sběrnici AS-Interface?

Jedním z největší přínosů komunikační sběrnice AS-Interface v systémech automatického řízení je značná úspora nákladů. Místo objemných svazků kabelů, používaných při standardním paralelním způsobu připojení snímačů a akčních členů k řídicí jednotce, je v tomto případě veden jen jediný kabel, na nějž se připevňují jednotlivé moduly a přístroje. Na to přímo navazuje další plus – snadná instalace, a tedy úspora času. Standardní systémy také vyžadují instalaci větších počtů svodičů přepětí, zatímco v síti AS-Interface stačí chránit v každém segmentu jeden dvoužilový kabel.

Při použití systému AS-Interface je tak možné ušetřit přibližně 25 % celkových nákladů jinak vynaložených na konvenční propojení snímačů, koncových spínačů a akčních členů s řídicím PLC (obr. 1). Toho lze s velkým úspěchem využít třeba v automobilovém průmyslu nebo v již zmíněných kamenolomech a těžkém průmyslu, kde by navíc méně odolná síť znamenala velké bezpečnostní riziko.

Tab. 1. Příklady úloh realizovaných s použitím systému AS-Interface (Analog Input – AI, Digital Input – DI, Digital Output – DO; zdroj: Regultech servis)

Projekt

Řídicí systém

Popis

Sestava zařízení

Hanácká kyselka (Brodek u Přerova): akumulace minerální vody

Simatic S7-300, AS-Interface, PC (InTouch)

nově budovaná akumulace minerální vody – uklidnění načerpané minerální vody před plněním do lahví; decentrální moduly AS-Interface použity v ovládacích skříních akumulačních tanků pro sběr dat

1 master S7-300, 12 slave 4DI/DO

Kamenolom Hrabůvka: předrcení a třídírna materiálu

Simatic S7-300, AS-Interface, PC (InTouch), ovládací panel TP170B, Siemens ET200, AS-Interface včetně převodníků Profibus/AS-Interface

dosavadní objekt předrcení a závěrečné třídírny automatizován; na řídicí automat sekundární drtírny přes sběrnici Profibus a převodník Profibus/AS-Interface s moduly AS-Interface připojena technologická zařízení

1 Link20E, 7 slave 4DI/4DO, 11 slave 4DI

dřevoobráběcí stroj

Controller E, dotykový ovládací panel, slave měření a regulace, slave stykačových kombinací

nově vyvíjený systém ovládání dřevoobráběcího stroje s maximálním využitím slave pro sběr dat a přímé ovládání akčních členů (velká produktivita práce při montáži řídicího systému)

1 master Controller E; 1 slave 4AI, 6 slave stykačů včetně zkratové a proudové ochrany, 5 slave, 2 pneumatické rozváděče 3/2 včetně 2DI, 1 slave 4DI/4DO

Štěrkovna Tovačov

Simatic S7-300, AS-Interface, 2 × PC (WinCC), ovládací panel TP170A

dosavadní provoz štěrkovny automatizován a vizualizační systémy propojeny přes optickou síť

3 master, 3 × zdroj 2,8 A; 5 slave 4AI; 30 slave 4DI/4DO, 37 slave 4DI, 1 prodlužovací člen

Mlékárna Olešnice

Simatic S7-300, Simatic S7-200, PC (InTouch), AS-Interface

nově budovaná výrobní linka výroby tvarohů, sýrů, úpravy a balení mléka řízená s použitím sběrnice AS-interface

2 master, 1 slave ovládací panel se zobrazením dvou analogových hodnot a signalizací provozních a poruchových stavů (vlastní konstrukce), 2 slave ovládání pneumatického ventilu včetně snímání poloh; 10 slave 4DI/4DO, 32 slave 4DI

U výrobních linek v potravinářském průmyslu je nemalým přínosem možnost snadné sanitace kabelu a decentralizace řízení strojů, kdy při výměně nebo přeskupení dopravníků stačí k opětovnému spuštění linky spolu spojit pouhý pár vodičů. Stejně jednoduchým způsobem se instalují i rozváděče – moduly v tzv. kabinetním provedení se skládají vedle sebe a připojí se ke kabelu sběrnice (obr. 2, obr. 3).

Jaké přínosy lze očekávat od sběrnice AS-Interface ve vybraných odvětvích a provozech, stručně připomíná tab. 2.

Výhled do budoucna

Pro úplnost je třeba zmínit také omezení systému AS-Interface. Prvním z nich je celková délka, která nemůže přesáhnout 300 m (popř. 600 m u verze 3.0), druhým již uvedená perioda cyklu sítě (10 ms). Druhé z omezení je sice již možné kompenzovat rezervací několika adres pro jeden modul rychlých osmi- nebo šestnáctibitových I/O (podle specifikace 3.0), přesto však platí, že u sestav s potřebou rychlého vyhodnocování (řádově 100 µs až 1 ms) je vhodnější přímé napojení do řídicího systému. Příkladem typické úlohy, kde je naopak použití systému AS-Interface zcela na místě, je plnička lahví – sběrnice se připojí přes dva kroužkové sběrače, čímž je vyřešeno napájení i přenos signálů pro ovládání ventilů a informací o polohách hladiny na rotující část stroje.

Tab. 2. Výhody použití systému AS-Interface na základě zkušeností z jeho instalací (zdroj: Regultech servis)

Typ provozu

Přednost

Podrobnosti

Potravinářská výroba:
– mlékárny,
– čokoládovny,
– pekárny

sanitovatelnost zařízení

– kabelové rozvody v kabelových žlabech a obtížně sanitovatelné kabelové svazky nahrazeny jediným kabelem sběrnice,
– od modulů slave ke snímačům a akčním členům vedou kabely minimálních délek,
– vysoký stupeň krytí modulu slave (IP67 až IP69K)

široký výběr snímačů a akčních členů s rozhraním AS–Interface

– digitální snímače,
– analogové snímače,
– čtečky kódů,
– servopohony,
– pneumatické akční členy,
– hydraulické akční členy,
– elektrické akční členy,
– měniče frekvence atd.

Těžký průmysl, povrchová těžba a úprava nerostů:
– stavebnictví,
– kamenolomy,
– cihelny

odolnost proti rušení

– minimální rušení segmentů sběrnice velkými spotřebiči (při spouštění i trvalém provozu)

odolnost proti atmosférickému přepětí

– soustava izolovaná od země,
– jednoduchá a nenákladná ochrana před přepětím,
– stačí chránit jen vodiče sběrnice (tj. dva)

Lehký průmysl:
– výroba automobilů,
– pásová výroba

velká mobilita výrobních linek

– při instalaci modulů slave, snímačů a akčních členů přímo na jednotlivých strojích lze výrobní linky se systémem AS–Interface snadno přestavět podle daného výrobního programu

snadné vyhledání závady

– moduly master cyklicky kontrolují chod modulů slave, jejichž výpadek i přerušení sběrnice okamžitě signalizují

Ostatní:
– čistírny odpadních vod,
– betonárny,
– výrobny živičných směsí

spolehlivost

– výrobní systém s decentralizovaným řídicím systémem AS–Interface jsou za všech okolností velmi spolehlivé

minimalizace ceny opakovaných projektů výrobních linek

– minimalizace počtu a délky kabelů,
– minimalizace nosných konstrukcí kabelových tras,
– velká produktivita práce při montáži systému řízení na bázi AS–Interface

Stroje:

vysoký stupeň bezpečnosti

– při použití prvků řady Safety at Work je sběrnice použitelná až do bezpečnostní kategorie 4 podle EN 954–1

Přestože systém AS-Interface začíná ve světě pozvolna převládat, v žádném případě neznamená zánik standardní techniky rozšiřujících karet I/O. Obě techniky se vyvíjejí paralelně a lze je bez problémů vzájemně kombinovat, čímž se násobí jejich možnosti. Procesorové jednotky řídicích systémů (CPU) jsou pro oba systémy společné, takže záleží pouze na projektantovi, kde se rozhodne použít rozšiřující kartu a kde modul master s návaznou sběrnicí systému AS-Interface, popř. jejich kombinaci.

Propagaci a podpoře systému AS-Interface v ČR se od roku 2003 věnuje sdružení právnických AS-interface Česká republika (viz vložený text v rámečku).

Ing. Radek Štohl, Ph.D.,
AS-interface Česká republika

AS-interface Česká republika

Zájmové sdružení právnických osob AS-interface Česká republika je pobočka AS-International Association, mezinárodní asociace výrobců a uživatelů systémových řešení AS-Interface, jež má více než 260 členů po celém světě. Náplní činnosti sdružení je popularizovat systém AS-Interface, informovat technickou veřejnosti o jeho skladbě a parametrech, přednostech, omezeních, oblastech použití, vývoji a dalších aspektech. Sdružení důsledně dbá na certifikaci všech komponent AS-Interface nabízených na trhu, což uživatelům přináší záruku kvality a dlouhou dobu provozního života. Sdružení sídlí na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií Vysokého učení technického v Brně a v současné době má dva aktivní členy (společnosti Siemens s. r. o. a Ifm electronic spol. s r. o.) a sedm pasivních členů. Informace o sdružení lze získat na adrese http://www.as-interface.cz