Připojte I/O systémy k IIoT
Tradiční kabelová připojení vstupů/výstupů (I/O) jsou pro většinu automatizačních systémů zásadní. Nejnovější generace I/O systémů je přenáší do světa průmyslového internetu věcí (IIoT).
Průmyslové automatizační aplikace těží z rostoucí dostupnosti inteligentních zařízení. Tyto inteligentní komponenty, známé také jako zařízení průmyslového internetu věcí (IIoT), jsou k dispozici v celé řadě rozměrů a s různými schopnostmi, od malých individuálních senzorů až po větší komplexní řídicí systémy. Jedna věc, kterou mají společnou, je schopnost komunikovat značný objem informací prostřednictvím digitálních komunikačních spojení.
Podle toho, co se o IIoT říká, byste mohli nabýt dojmu, že všechna tato inteligentní zařízení budou bezdrátová. Skutečností však je, že tradiční kabelové vstupy a výstupy (I/O) budou i nadále vyžadovány jako základní potřeba automatizace. Mnoho zařízení, jako jsou relé, solenoidy, spínače a vysílače, má stále svůj smysl jakožto základní komponenty s jednoduchou funkčností. To platí zejména pro případy dodatečné montáže, ale týká se to i nových instalací.
Automatizační I/O systémy však nabývají nové důležitosti, když konsolidují základní signály, aby se mnoho stávajících, pevně zapojených I/O bodů jevilo jako menší počet zařízení IIoT. Konsolidace je rozhodující, abyste se neztratili v záplavě dat, která IIoT produkuje, a abyste mohli používat tradiční kabelové signály v moderní síťové architektuře pro aplikace IIoT. Organizace mohou tyto I/O systémy použít k realizaci digitální transformace a k dosažení cílů IIoT.
Základy I/O systému
Tradiční kabelová připojení I/O jsou zavedenou technologií, která je zde již mnoho desetiletí.
I/O body jsou obvykle označovány jako diskrétní (signály zapnuto/vypnuto) nebo analogové (signály se mění v určitém rozsahu), ať už jsou vstupem do automatizačního řídicího prvku, nebo výstupem odesílaným řídicím prvkem. Pojmy diskrétní vstup (DI), diskrétní výstup (DO), analogový vstup (AI) a analogový výstup (AO) popisují tradiční I/O.
V počátcích této technologie obsahoval jeden I/O modul jeden vstupní nebo výstupní kanál a na rám bylo možno nainstalovat několik jednokanálových vstupů nebo výstupů. Později výrobci zvýšili hustotu I/O modulů. Jeden modul může obsahovat až 32 kanálů (obrázek 1).
Každý kanál DI/DO/AI/AO v modulu I/O systému je dimenzován na určité charakteristiky napětí a proudu. Moduly mohou být distribuované nebo samostatné, rozšiřitelné nebo stojanového typu. Připojení provozní kabeláže se tradičně prováděla pomocí šroubových svorek. Mnoho uživatelů přechází na pružinové svorky pro snazší zapojení a odolnost proti vibracím. Většina I/O modulů musí být nainstalována v chráněném prostředí. Některé jsou opatřeny konektory pro použití v klasifikovaných a jiných náročných prostředích.
Flexibilita a kombinování
S mnoha možnostmi výběru uživatelé často kombinují typy I/O, aby nejlépe vyhovovaly příslušné aplikaci. Některé specifické funkce usnadňují uživatelům připojení, konfiguraci a napájení vstupně-výstupních systémů.
Rozměrový formát: Z fyzického hlediska se I/O systémy s kompaktními rozměrovými formáty snadněji integrují do systému. Kompaktní velikosti lze dosáhnout vyšší hustotou I/O nebo návrhem modulů s malou šířkou. Je však třeba vzít v úvahu některé kompromisy, protože menší velikost omezuje přípustný průřez vodičů a může ztěžovat diagnostiku. Také funkce, jako je odnímatelná svorkovnice a systémy připojovacích ramen, umožňují rychlejší montáž a výměnu modulů (obrázek 2).
Signálové možnosti: Většina systémů I/O nabízí úrovně signálu při 24 V DC nebo 120 V AC pro diskrétní body a 4–20 mA nebo 0–10 V DC pro analogové body. Běžné jsou také diskrétní výstupy (DO) s reléovými kontakty. Speciálními typy analogových vstupů (AI) jsou termočlánky (TC), odporové teplotní senzory (RTD) a integrované obvodové teplotní senzory (ICTD). Často se používají k zajištění vysoké hustoty vstupů a k eliminaci potřeby samostatných snímačů teploty. Někteří výrobci nabízejí specializovanější I/O, například pro frekvenci (Hz), odpor (ohmy) nebo milivolty (mV).
Kombinované a multifunkční I/O: Obvykle jsou všechny kanály v jednom modulu v základním formátu stejné – všechny DI, všechny AO atd. Některé novější systémy nabízejí moduly obsahující diskrétní vstupy a diskrétní výstupy nebo kombinaci všech čtyř základních typů. V minulosti byli konstruktéři z důvodu různých signálových úrovní nuceni plánovat alokování I/O tak, aby odpovídaly provozním přístrojům, což bylo komplikované, neboť podrobnosti o technickém řešení provozních zařízení mohly být definovány v pozdějších fázích projektu.
Pro řešení tohoto problému nabízí mnoho dodavatelů I/O systémů multifunkční I/O moduly, které přijímají související typy signálů na stejných koncových bodech, a to pomocí softwarové konfigurace umožňující nastavit specifické charakteristiky každého z nich. Tyto moduly mohou být dražší, ale zjednodušují počáteční návrh a poskytují flexibilitu pro budoucí změny.
Rozvod napájení: S diskusí o úrovních I/O signálu souvisí i to, jak jsou tyto signály napájeny. Obvykle je smyčka napájena buď z místa I/O, nebo z provozu. Návrháři musejí vyhodnotit izolační charakteristiky I/O modulu, aby zajistili, že neexistují žádná omezení ohledně způsobu, jak propojit I/O body pocházející z různých míst. Mnoho systémů I/O používá otevřené ethernetové protokoly namísto tradičních a proprietárních průmyslových sběrnic fieldbus. To znamená, že některé z těchto I/O systémů mohou využívat komerční technologii napájení po Ethernetu (PoE) k provozování vzdálených I/O a napájecích smyček. Dostupný výkon je omezený, ale PoE umožňuje v některých aplikacích instalaci I/O systémů bez vyhrazených zdrojů napájení.
Softwarová konfigurace: Poslední klíčovou funkcí I/O systému je softwarová konfigurace I/O modulů a bodů. Tato schopnost umožňuje uživatelům upravovat, zobrazovat a dokumentovat rozsahy a funkce I/O. Dobře navržené uživatelské rozhraní poskytuje také užitečnou diagnostiku. Pokud systém obsahuje webové rozhraní, lze k těmto informacím přistupovat dokonce i z PC nebo mobilního zařízení uživatele.
Překonání vzdálenosti
Určení komunikačního spojení z I/O modulu do monitorovacího nebo řídicího systému je stejně důležité. Někdy je zapotřebí použít komunikační adaptér, který umožní I/O modulům komunikovat s dohledovým systémem.
Přesto je komunikace I/O s dohledovým systémem další oblastí, kde technologická vylepšení usnadňují návrhářům život.
Důležité jsou dva koncepty. První je znát rozdíl mezi místními a vzdálenými I/O, druhý je porozumět rozsahu možné komunikace pro každý I/O kanál. Místní I/O je přímo spojen s řídicím prvkem nebo je docela blízko, často s využitím vlastní sběrnice nebo sériového připojení. Naproti tomu vzdálené I/O mohou být umístěny kdekoli ve vztahu ke zbytku systému a jsou připojeny pomocí některé z mnoha sítí nebo technologií fieldbus.
První verze I/O systémů sestávaly z I/O adaptérů a modulů, které mohly být propojeny pouze s ovladačem (nebo PC), který je ovládal, ať už byly místní, nebo vzdálené.
Koncem 90. let byla pro průmyslové I/O zavedena standardní síť Ethernet, která je dnes běžná. I když má určitá omezení vzdálenosti ve srovnání s tradičními průmyslovými I/O fieldbusy, Ethernet využívající průmyslové komunikační protokoly, jako je Modbus/TCP, EtherNet/IP nebo Profinet, může poskytovat schopnou a spolehlivou I/O komunikaci. Moderní síťové metody nabízejí i další výhody pro I/O. Ethernet je dobře srozumitelný vysokorychlostní standard. Je také základem podnikových počítačových systémů, což usnadňuje interoperabilitu. Adaptéry I/O mohou na Ethernetu rovněž vystupovat/fungovat jako „peers“ a publikovat data pro libovolný počet zařízení.
I/O se upgradují
Moderní I/O systémy mohou být propojeny do sítě pomocí standardního Ethernetu, neomezují se pouze na komunikaci typu master–slave. Nové architektonické možnosti mohou propojit tradiční kabelové a inteligentní bezdrátové připojení, I/O a IIoT. U středně velkého až velkého projektu představuje provozní kabeláž vysoké náklady, zejména pokud nelze uvažovat o bezdrátovém řešení. Nejnovější vzdálené I/O systémy snižují náklady na integraci vzdálených zařízení pomocí jednoho ethernetového kabelu mezi řídicím prvkem a vzdáleným uzlem (obrázek 3).
Tyto systémy také párují I/O řízení s integrovanými IT technologiemi pro transformaci vzdálených zařízení slave do distribuovaných datových uzlů. Vzdálené I/O moduly mohou nezávisle na zařízení master komunikovat se zprostředkovatelem protokolu MQTT, čímž v provozu umožní konektivitu typu peer-to-peer. Díky takovému párování je možné provozní data odesílat do cloudových služeb nebo databází a integrovat síť do IIoT.
Josh Eastburn je ředitel technického marketingu společnosti Opto 22. Upravil Chris Vavra, redaktor časopisu Control Engineering, CFE Media and Technology, cvavra@cfemedia.com.
