Moduły zdalnych (rozproszonych) wejść-wyjść (ang. distributed I/O lub remote I/O) to podstawowe urządzenia stosowane w nowoczesnych systemach automatyki przemysłowej. Najważniejszym elementem w takim systemie jest oczywiście sterownik PLC, w którym został zapisany algorytm działania maszyny lub procesu technologicznego. Aby realizować swoje zadania, sterownik PLC musi posiadać interfejs pozwalający na prowadzenie interakcji z otoczeniem. Jeśli kontrolowany proces technologiczny zajmuje niewielki obszar, to najczęściej wystarczają wejścia i wyjścia, analogowe i cyfrowe, wbudowane w sterownik PLC. W przypadku, gdy obiekt znajduje się w większej odległości od nadrzędnego sterownika PLC lub proces technologiczny składa się z kilku oddalonych od siebie części, to z pomocą przychodzą właśnie moduły rozproszonych wejść-wyjść. Są to urządzenia działające w zdalnej lokalizacji, w pewnej odległości od sterownika PLC. Pozwalają one na przeniesienie miejsca kontaktu z obiektem bliżej maszyny lub konkretnego fragmentu linii technologicznej. Dzięki modułom I/O możemy znacznie ograniczyć ilość potrzebnego okablowania. Zamiast setek przewodów biegnących do centralnej szafy sterowniczej, pomiędzy sterownikiem PLC a modułem I/O prowadzimy tylko jeden kabel komunikacyjny. Rolę nadrzędnego urządzenia mikroprocesorowego może oczywiście (zamiast sterownika PLC) pełnić komputer PC z odpowiednim oprogramowaniem.
Moduły zdalnych wejść-wyjść firm IDEC i ODOT
- Moduł komunikacyjny (Bus Coupler, Network Adapter) – podstawowym elementem każdej stacji rozproszonych wejść-wyjść jest moduł komunikacyjny. Łączy on lokalne moduły I/O z głównym sterownikiem PLC za pośrednictwem sieci przemysłowych, takich jak Modbus TCP, Profinet, EtherCAT. Moduł komunikacyjny zamienia ramki sieciowe wysokiego poziomu na lokalne sygnały zrozumiałe dla poszczególnych kart wejścia/wyjścia. Moduł ten dostarcza także wewnętrzne napięcie systemowe i zasilanie operacyjne do pozostałych modułów I/O.
- Moduły wejść cyfrowych (DI – Digital Input) – moduły DI służą do komunikacji z czujnikami cyfrowymi (sygnalizatorami) i urządzeniami, które dostarczają sygnały dyskretne 0 lub 1, off lub on, wyłączone lub włączone np. przyciski, wyłączniki krańcowe, czujniki zbliżeniowe. Wejścia cyfrowe najczęściej są dostępne w wariantach 8, 16 i 32-kanałowych. Obsługują standardowe napięcie 24V DC (rzadziej 230 V AC) i mogą pracować w trybie logicznym sink (NPN) lub source (PNP).
- Moduły wyjść cyfrowych (DO – Digital Output) – moduły DO odpowiadają za sterowanie dwustanowe (włącz-wyłącz) urządzeniami wyjściowymi, takimi jak przekaźniki, elektromagnesy i lampki kontrolne. Spotyka się wyjścia cyfrowe tranzystorowe, które są dedykowane do szybkich operacji przełączania. Są dostępne w wersji sink (NPN) – wyjście zwiera sygnał do masy oraz source (PNP) – wyjście podaje napięcie 24V na odbiornik. Dostępne są także wyjścia przekaźnikowe, które są przeznaczone do sterowania obciążeniami większej mocy lub urządzeniami pracującymi z napięciem 230 V AC. Spotykane są także moduły mieszane, które łączą wejścia i wyjścia w jednej obudowie (np. 8 wejść i 8 wyjść). Pozwala to na zaoszczędzenie miejsca w szafie sterowniczej przy niewielkiej liczbie używanych sygnałów.
- Moduły wejść analogowych (AI – Analog Input) – moduły AI służą do komunikacji z czujnikami analogowymi, które dostarczają standardowe sygnały elektryczne, analogowe, ciągłe w zakresie 0..10V, -10..10 V, 0..20 mA, 4..20 mA. Mogą to być na przykład czujniki przepływu, czujniki poziomu cieczy, przetworniki ciśnienia czy potencjometry. Moduły te konwertują sygnały analogowe na wartości cyfrowe do dalszego przetwarzania przez sterownik PLC.
- Moduły wyjść analogowych (AO – Analog Output) – moduły AO odpowiadają za generowanie standardowych, elektrycznych, analogowych sygnałów wyjściowych w zakresie 0..10V, -10..10 V, 0..20 mA, 4..20 mA. Służą do liniowego sterowania urządzeniami akceptującymi ciągłe sygnały analogowe, takimi jak sterowniki napędów (np. falowniki), proporcjonalne zawory regulacyjne. Dostępne są także mieszane moduły analogowe (In/Out) zawierające kombinację wejść i wyjść analogowych (np. 2 wejścia / 1 wyjście). Znajdują one zastosowanie np. przy tworzeniu lokalnych pętli regulacji dla niewielkich obiektów.
- Moduły specjalistyczne – to moduły I/O, które zostały zaprojektowane dla realizacji mniej popularnych, unikalnych zadań. Do tej grupy zaliczane są: – moduły do czujników temperatury (Pt100/termoparowe) pozwalające na pomiar temperatury poprzez bezpośrednie podłączenie czujników rezystancyjnych i termopar. Eliminuje to konieczność stosowania dodatkowych, zewnętrznych przetworników temperatury, – moduły szybkich liczników (HSC – High-Speed Counter) do współpracy z enkoderami przy pomiarze pozycji lub prędkości obrotowej, – moduły sterowania ruchem, – moduły wagowe (tensometryczne), – moduły komunikacyjne umożliwiające podłączenie dodatkowych urządzeń np. przez porty RS232C lub RS485 (np. czytników kodów kreskowych, wag).
Komputer PC współpracujący z modułami zdalnych wejść-wyjść
Zalety wynikające ze stosowania rozproszonych modułów I/O, to między innymi:
- elastyczność – możliwość precyzyjnego dopasowania liczby i rodzaju sygnałów do konkretnego projektu oraz łatwość rozbudowy,
- skalowalność – jeśli potrzebujesz cztery dodatkowe wejścia analogowe, to podpinasz dodatkowy moduł bez konieczności wymiany całego sterownika PLC,
- diagnostyka – zaawansowane moduły I/O potrafią wykryć sytuacje awaryjne (np. zwarcie w obwodzie czujnika, przerwanie przewodu czy zbyt niskie napięcie zasilania) i raportować to do urządzenia nadrzędnego,
- Hot-Swap – możliwość wymiany uszkodzonego modułu pod napięciem, bez zatrzymywania pracy całej wyspy,
- odporność na zakłócenia – cyfrowa transmisja danych między sterownikiem PLC a modułami zdalnych I/O jest mniej podatna na zakłócenia elektromagnetyczne niż długie przewody z sygnałami analogowymi,
- redukcja kosztów TCO – oszczędność na kilometrach przewodów miedzianych i roboczogodzinach związanych z ich montażem.
Komputerowe systemy pomiarowo-sterujące budowane są najczęściej z wykorzystaniem kart pomiarowych (DAQ – Data Acquisition Card). Jest to bardzo dobre rozwiązanie zwłaszcza wtedy, kiedy obiekt znajduje się w niewielkiej odległości od nadrzędnego komputera PC. Jeśli mamy do czynienia z obiektem znajdującym się w większej odległości to proponujemy systemy wykorzystujące moduły zdalnych I/O. Decydujące znaczenie ma oczywiście częstotliwość próbkowania. W przypadku modułów zdalnych I/O należy dokładnie sprawdzić jaki jest czas przetwarzania poszczególnych modułów i opóźnienie wynikające z zastosowanego interfejsu i protokołu komunikacyjnego. W przypadku komunikacji Ethernetowej częstotliwości próbkowania rzędu 20-50 Hz są możliwe do uzyskania. Przed realizacją projektu wykonujemy wewnętrzne testy potwierdzające osiąganie zakładanych wymagań.
Oprogramowanie i schemat układu do testowania szybkości komunikacji
pomiędzy komputerem PC i modułem zdalnych I/O
Sposób działania oprogramowania współpracującego ze zdalnymi modułami I/O przedstawiliśmy w krótkim filmie zamieszczonym na naszym kanale YouTube: Oprogramowanie LabVIEW współpracujące z modułem zdalnych I/O IDEC SX8R.
Jeśli potrzebujesz oprogramowania pomiarowo-sterującego do komputera PC, współpracującego z modułami zdalnych wejść-wyjść, to…