Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Nové distribuované periferní jednotky s krytím IP65 a IP67

číslo 10/2005

Nové distribuované periferní jednotky s krytím IP65 a IP67

Jednotky distribuovaných vstupů a výstupů (I/O) s vysokým stupněm krytí přicházejí nyní na trh ve své druhé generaci: nové jednotky Simatic ET 200pro společnosti Siemens (obr. 1) umožňují nejen jednoduše připojit vstupní a výstupní signály do řídicích systémů, ale mají i spoustu výhodných vlastností, které dosud byly obvyklé jen u jednotek určených pro montáž do rozváděče. Tento typ periferních jednotek určených pro provozní podmínky byl veřejnosti poprvé představen na loňském veletrhu SPS/IPC/Drives v Norimberku a posléze rovněž na veletrhu Amper 2005.

Trendy v distribuovaných řídicích systémech v diskrétní výrobě

Struktura distribuovaných automatizačních systémů se v posledních letech prosadila také v diskrétních výrobních procesech a stala se i zde samozřejmostí. Svědčí o tom i počet instalovaných uzlů průmyslových sběrnic: Organizace uživatelů Profibus (PNO) ohlásila v březnu tohoto roku desetimiliontý instalovaný uzel a pro příští čtyřleté období se předpokládá zdvojnásobení tohoto počtu.

Obr. 1.

Obr. 1. Distribuovaná periferní jednotka Simatic ET 200pro s rozhraním pro Profinet a bezpečnostními funkcemi

Studie společnosti Venture Development Corporation (VDC) předpovídá pro jednotky distribuovaných periferií s vysokým stupněm krytí, které mohou být montovány přímo na strojích a strojních zařízeních, použitých v kombinaci s programovatelnými automaty (PLC) již v tomto roce podíl na trhu až 15 %. V typických oblastech aplikací, jako je např. dopravní a manipulační technika, jsou tyto periferie již neodmyslitelnou součástí řídicích systémů. Jejich předností je flexibilní a prostorově úsporná instalace přímo na místě, tj. v blízkosti připojených senzorů a akčních prvků, bez potřeby umístění v rozváděčových skříních. Konstrukce technologických zařízení se tím stává přehlednější, prostorově úspornější a díky minimálním délkám kabelových rozvodů a prefabrikovaným kabelům s konektory rovněž klesají nároky na kabeláž.

V široké oblasti distribuovaných řídicích systémů v diskrétní výrobě se v posledních letech projevily výrazné trendy, které lze aplikovat také na distribuované periferie:

  • Do systémů průmyslových sběrnic se začleňují řešení orientovaná na bezpečnost. Stále důrazněji se do systémů průmyslových sběrnic a připojených periferií prosazuje integrace bezpečnostních řešení. Studie VDC uvažuje pro rok 2005 následující podíly na celosvětovém trhu: více než 48 % jen pro periferie s profilem Profisafe a více než 25 % pro periferie AS-Interface Safety at Work. Hlavními činiteli jsou zde další úspory při projektování a kabeláži a lepší přehlednost výrobních zařízení. Například díky použití profilu Profisafe mohou vedle sebe existovat bezpečnostní i standardní prvky v jedné řídicí jednotce či distribuovaném systému a vše je stále v souladu s platnými a zavedenými bezpečnostními standardy.

  • Nástup Ethernetu do provozu. V úvahách na téma Ethernet je velmi důležitá dobrá strategie přechodu a ochrana vynaložených investic. Výrobci strojů a zařízení, stejně jako koncoví uživatelé chtějí využít již známé a osvědčené know-how a podle konkrétní aplikace rozhodovat o využití výhod Ethernetu pro daný případ.

  • Integrace různých souborů funkcí do jednoho provozního přístroje. Specialisté na návrh systémů, konstruktéři a projektanti vyžadují pružnost při konfigurování systémů a jejich jednoduchou rozšiřitelnost, umožněnou použitím modulárních systémů. Skutečně integrovaná distribuovaná komplexní řešení jsou možná až s použitím nových periferních jednotek, které z tohoto hlediska nabízejí více možností integrace než obvyklé moduly vstupů a výstupů; mohou v nich být integrovány např. spouštěče motorů (obr. 2), měniče frekvence, systémy identifikace předmětů nebo pneumatické systémy.

  • Periferní jednotky s vysokým stupněm krytí IP65/66/67 nepotřebují rozváděčové skříně. Provedení s vysokým stupněm krytí IP65/66/67 umožňuje snížit náklady na výstavbu systému – rozváděče jsou menších rozměrů a lokální rozváděče pro distribuované prvky dokonce vůbec nejsou zapotřebí. Periferní jednotky mají minimální nároky na montážní plochu, lze je instalovat přímo na stroji nebo zařízení a napomáhají tak zjednodušit a zpřehlednit návrh stroje nebo technologického zařízení. Konstruktéři a projektanti systémů mohou díky této modulární konstrukci periferních jednotek vytvářet mimořádně pružné a přizpůsobivé systémy.

Technika montáže periferních jednotek Simatic ET 200pro

Technika montáže je významná zejména u přístrojů s vysokým stupněm krytí. Typická použití – např. v extrémně náročném průmyslovém prostředí a přitom bez rozváděče, který by poskytoval příslušnou ochranu – kladou mimořádné nároky na konstrukci přístrojů. Jen velká odolnost proti otřesům v rozsahu několika g (u jednotek ET 200pro: trvalé vibrace 5 g, rázy 25 g) zaručuje provozovateli zařízení potřebnou spolehlivost, např. při umístění na pásových dopravnících nebo v blízkosti lisů a zvedacích plošin. Přístroj přitom musí umožňovat pohodlnou montáž a servis a nesmí mít žádné plochy, kde by se mohly usazovat nečistoty. Desítky upevňovacích bodů a kaskádové řazení elektroniky by těmto nárokům rozhodně nevyhověly. Řešením jsou proto profilové lišty, které jsou použity i u periferních jednotek ET 200pro.

Obr. 2.

Obr. 2. Jednotka Simatic ET 200pro s integrovaným spouštěčem motorů o výkonu do 5,5 kW

Jednotlivé moduly se zaklapnou na profilovou lištu a zasunou se těsně vedle sebe. Nakonec se nasunou připojovací moduly. Pro těsné spojení modulů a pro zajištění potřebné odolnosti proti otřesům je zapotřebí již jen dotáhnout dva šrouby. Montáž je jednoduchá a rychlá.

Požadavky na postup montáže se mohou různit: buď se požaduje předběžná montáž stanic na profilovou lištu již v dílně a celý systém se potom na určené místo instaluje najednou, nebo naopak, nejprve se musí namontovat profilové lišty, které se až poté osadí příslušnými moduly. Profilové lišty s přírubami umožňují předběžné osazení, profilové lišty bez přírub jsou optimalizovány pro minimální požadavky na montážní plochu, a šetří tedy místo.

Při následném zapojování má montér zjednodušenou práci: vnitřní sběrnice periferní jednotky (backplane bus) se automaticky propojí při montáži jejích modulů, odpadá tedy jakékoliv propojování mezi vlastními moduly (obr. 3). Také zasouvání konektorů je snadné, a to i přesto, že montážní prostor je minimální. Řeší to odnímatelné připojovací moduly jak pro komunikační sběrnici, tak pro senzory a akční členy. Moduly se ve volném prostoru nejdříve zapojí a až potom se zasunou do stanic. Instalace rozbočovacích tzv. Y-konektorů nebo větvení rozvodů signálů a napájení jsou také velmi pracné a náročné na prostor – u ET 200pro přebírají tuto funkci připojovací moduly (CM). Osmikanálové a čtyřkanálové elektronické moduly (EM) lze kombinovat s připojovacími moduly s konektory v sestavě 8 × M12 nebo 4 × M12. To umožňuje podle potřeby realizovat jednoduché nebo zdvojené připojení přes konektory, např. pro připojení senzorů podle modelu Desina (Distributed and Standardised Installation Technology) nebo antivalentních senzorů a akčních členů. Nepřetržité fungování sběrnice i při odpojení řízené stanice (slave), které v provedení s krytím IP20 zajišťuje konektor sběrnice Profibus, zde přebírá připojovací modul (CM IM) s komunikačním rozhraním, stejně jako u podobné blokové periferní jednotky ET 200eco v krytí IP67.

Zrychlené uvádění do provozu

Doby potřebné pro uvádění do provozu se neustále zkracují, proto je třeba minimalizovat prostoje při přestavbě strojů nebo zajistit, aby nová zařízení co nejrychleji zahájila výrobu. Při oživování komunikačních systémů Profibus musí být sběrnicová adresa rychle zjistitelná, zakončovací rezistor musí být možné rychle připojit nebo odpojit, a to i při vysokém stupni krytí, aby bylo umožněno postupné zařazování řízených stanic do komunikačního systému.

Obr. 3.

Obr. 3. Rychlá montáž a rychlé propojení modulů: kombinovat lze až šestnáct modulů, elektronika je nezávislá na zvoleném způsobu připojení sběrnice nebo senzorů a akčních členů

Uvádění do provozu také urychlují rozsáhlé možnosti diagnostiky. Ty jsou důležité rovněž pro velkou disponibilitu provozního zařízení. Požadavky na rozsah diagnostických informací mohou být zcela rozdílné, podle toho, jak drahý je výpadek výroby. Koncepce odstupňované diagnostiky u periferních jednotek ET 200pro umožňuje zákazníkům vybrat si buď cenově výhodnější komponenty s diagnostikou pouze celých modulů, nebo moduly s diagnostikou až jednotlivých kanálů.

Diagnostiku na úrovni celého modulu mají všechny moduly. Monitoruje se zkrat napájení senzoru na vstupech a zkrat na výstupech. Modul podává diagnostické hlášení po sběrnici příslušnému stupni řízení, a vadný modul lze tudíž v každém případě rychle identifikovat.

Uživatel má navíc možnost použít moduly s diagnostikou na úrovni jednotlivých kanálů. Monitoruje se zkrat nebo přerušení vodičů (podle druhu modulu). Z diagnostických informací lze ihned zjistit, který senzor nebo akční člen je nutné vyměnit. Diagnostické hlášení lze také nastavením příslušného parametru potlačit; to je výhodné zejména při testování.

Obr. 4.

Obr. 4. Výměna elektronických modulů za plného provozu – „hot swapping“; také odnímatelný připojovací modul lze podle potřeby rychle a snadno nahradit

Každá elektronika, dokonce i vyráběná a testovaná za nejpřísnějších podmínek, může z nejrůznějších příčin selhat. Potom se ale závada musí rychle odstranit. V takovém případě se osvědčily periferní jednotky, které umožňují výměnu jednotlivých modulů i za provozu – tzv. hot swapping (obr. 4). U takových periferií se při připojení senzorů a akčních členů nemusí celá jednotka odpojovat a stroj či řízená část technologie zůstávají v provozu.

Selektivní jištění napájení

Důležitou provozní vlastností je také zabezpečení vhodného jištění na straně napájení. Přitom se musí dosáhnout co nejlepší selektivity, tzn. že při poruše musí být odpojeno jen skutečně ohrožené zařízení nebo části stanice a zařízení jako celek musí podle možností zůstat i nadále k dispozici. Externí jištění je ale v prostředí, kde jsou nutné jednotky a moduly s krytím IP65, jen těžko realizovatelné – na rozdíl od standardního provedení s IP20. Proto bylo kromě elektronického jištění v jednotlivých modulech použito i jištění vyměnitelnými pojistkami v modulu rozhraní, které představují tzv. jištění při katastrofě a jistí elektroniku modulů a napájení senzorů jako celek. Toto jištění je ještě doplněno jištěním tavnými pojistkami v napájecích modulech (PM-E), aby při poruše vypadla jen příslušná skupina spotřebičů, maximálně však jedna periferie. Další připojené spotřebiče nadále zůstávají v provozu.

Spolehlivost zařízení v provozních podmínkách je závislá také na odolnosti proti elektromagnetickému rušení. Je nutné pamatovat na elektromagnetickou kompatibilitu (EMC). Kovové připojovací moduly kromě jiného slouží k propojení stínění kabelů analogových signálů a přispívají i k celkové robustnosti systému.

Závěr

Nový systém Simatic ET 200pro s krytím IP65/67, vhodný pro přímou instalaci v provozních podmínkách, je začleněn do koncepce plně integrované automatizace (Totally Integrated Automation – TIA) společnosti Siemens. Tím je kromě jednotného projektování pomocí softwaru Step 7 zajištěna také jednotná správa dat a jednotná komunikace v rámci automatizačních prostředků a systémů Siemens. Periferní jednotky lze připojit rovněž na řídicí systémy jiných výrobců, a to pomocí souborů kmenových dat přístrojů (ve formátu GSD). Přitom jsou periferie připraveny na budoucí rozšíření souboru funkcí: koncepčně je zajištěna integrace modulů pro zajištění funkční bezpečnosti podle příslušných norem (EN 954 až do kategorie 4; IEC 61508 až do SIL 3) a připojení periferií na Profinet. Právě tyto moduly přicházejí nyní na trh. Dalším krokem bude integrace identifikačních systémů (Moby), spouštěčů motorů a měničů frekvence.

Z krátkého výčtu vlastností a možností je zřejmé, že tyto jednotky mají velkou perspektivu a vyplatí se zvážit jejich použití v mnoha projektech. K prvnímu seznámení a základní konfiguraci jednotky lze také využít nový konfigurační nástroj, který je ke stažení na stránkách společnosti Siemens (www.siemens.cz/as), kde lze najít i další informace o těchto moderních distribuovaných periferních jednotkách.

Ing. Rostislav Kosek,
Siemens, s. r. o.