Aktuální vydání

celé číslo

12

2018

Automatizační technika v energetice a teplárenství

celé číslo

Systém X20 – v inovacích je konjunktura stále

číslo 2/2005

Systém X20 – v inovacích je konjunktura stále

Ten, kdo v oboru komponent pro automatizaci dosahuje obratu 165 milionů eur a po léta udržuje jeho růst přes deset procent, jistě ví, co výrobci strojů a zařízení potřebují: ucelenou a širokou nabídku neustále inovovaných prostředků pro automatizaci, od jednotného vývojového prostředí integrujícího řízení, vizualizaci, komunikaci a pohony do jediného projektu, přes vhodné prostředky pro řízení a pohony až po komunikační systémy, jako je Ethernet Powerlink. Společnost B&R vždy rozšiřuje svou základnu prostředků o novinky důsledně navržené podle požadavků praxe. Stejně je tomu u systému X20. Kdo si myslí, že dnes už nelze sloučit systém distribuovaných vstupů a výstupů s inovacemi, velmi se mýlí.

Od prvních vývojových kroků na systému Remote-I/O s krytím IP20 do uvedení na trh na veletrhu SPS/IPC/Drives koncem listopadu 2004 v Norimberku uplynuly zhruba dva roky. „Velmi intenzivně jsme se vývojem zabývali dvanáct měsíců,„ řekl před veletrhem Hans Wimmer, vedoucí oddělení techniky a marketingu B&R v Eggelsbergu (Rakousko). K tomu si stanovil ambiciózní cíl: „Bezprostředně po veletrhu budeme mít připravenou škálu třiceti různých modulů v celkovém počtu 10 000 kusů pro právě začínající projekty.„

Samotná dostupnost hardwaru ale automatizaci neřeší. Stejně důležité je zapracovat systém a jeho moduly do vývojového prostředí – u společnosti B&R je to Automation Studio. Zde se soustřeďují všechny jednotlivé postupy programování řízení, regulace, vizualizace, komunikace i řízení pohonů. „Škálovatelnost a plná vzájemná kompatibilita jsou základem naší filozofie řízení,„ uvedl Wimmer, „jen tak je možné vytvářet aplikace nezávislé na platformě i přesně odpovídající potřebám konkrétního stroje nebo zařízení.„ Škálovatelnost neznamená jen mít k dispozici různé platformy řízení, jako jsou systémy 2003 a 2005, nebo Slot-PLC, Soft-PLC a průmyslové počítače, ale hlavně mít možnost záměny cílových systémů úpravou jen několika parametrů projektu. Klasický sendvičový I/O systém X20 je vystavěn stejně jako dosud dodávané systémy: jednotlivé I/O a technologické moduly se skládají doprava od modulu připojení sběrnice (přijímač, tzv. bus receiver, nebo různé řadiče sběrnice – bus controller). Teoreticky je možné vedle sebe zařadit až 250 modulů. V praxi je však mnohem častější požadavek na strukturovanou topologii, např. pomocí sběrnice X2X-Link, tak jak se již používá u systému X67 s krytím IP67. Mezi dvěma I/O moduly může být vzdálenost až 100 m. „X2X-Link rozhodně nelze zaměňovat s běžnými provozními sběrnicemi (fieldbus), jako jsou Profibus nebo Ethernet Powerlink,„ řekl Wimmer, „je to náš nástroj pro vytváření struktur, pro jednoduchou a levnou realizaci libovolných flexibilních topologií v rámci jediné konfigurace I/O.„ Flexibilní znamená např. to, že je možné podle varianty stroje nebo volitelných přídavných částí stroje libovolně přecházet mezi oblastmi, kde jsou použity moduly s krytím IP20, a zónami s moduly X67 (krytí IP67).

Mezi sběrnice podporované systémem X20 patří stejně jako u systému X67 CANopen, Profibus-DP, DeviceNet a Ethernet Powerlink. Poslední uvedená sběrnice se používá pro spojení komponent, jako jsou Automation-PC (B&R), řídicí systémy a servopohony. V praxi je pro použití Ethernetu v automatizaci nejdůležitější schopnost práce v reálném čase. „Standardní součásti sítě Ethernet a softwarově řešený zásobník (stack) pro provoz v reálném čase jsou základem pro velmi rychlý, cyklický a silně deterministický přenos dat v systému Ethernet Powerlink,„ říká Wimmer. Všechny stanice na sběrnici Ethernet Powerlink je možné navzájem synchronizovat, popř. i synchronizovat s řídicím programem v PLC. Kvalita automatizačního celku a z ní vyplývající výkonnost také přímo závisejí na rozptylu časování sítě (jitter) – v systému Ethernet Powerlink činí méně než 1 µs.

Obr. 1.

Obr. 1. Protichůdné požadavky na velkou hustotu a velkou granularitu jsou u systému X20 vyvážené

Cyklus sběrnice Ethernet Powerlink je navíc rytmem, ve kterém pracují servopohony Acopos. „Tento takt rozhoduje i o tom, jak rychle dokáže servozesilovač reagovat na náhle vznikající změny v provozu,„ uvedl Wimmer.

Místo je vzácné – dvojnásobný počet kanálů při stejné šířce

Nejzřetelnějším důkazem inovace systému X20 je větší počet kanálů: dvanáct, šest nebo také jen čtyři kanály, ovšem pro úplné třívodičové zapojení. To znamená 50% zvýšení počtu vstupů a výstupů oproti nyní používaným sendvičovým systémům. U třívodičového zapojení (napájení, země a signál pro každý kanál) se hustota I/O bodů zvýší dokonce o 100 %. U jedno-, dvou- i třívodičového zapojení nejsou zapotřebí přídavné ranžírovací svorky ani složité externí propojování modulů navzájem. Zkrátka, jednoduchost zapojování systému X20 byla při jeho návrhu na předním místě. Protichůdně k požadavku na větší hustotu jde potřeba tzv. granularity I/O kanálů (tj. možnost konfigurovat I/O kanály po co nejmenších přírůstcích, hlavně u dražších typů; obr. 1). I v tomto ohledu systém X20 příjemně překvapí – některé I/O kanály lze přidávat po jednom.

Obr. 2.

Obr. 2. Rozdělení modulu systému X20 na svorku, modul s elektronikou a sběrnicový modul přináší mnoho výhod

H. Wimmer podotýká: „S dvanácti kanály v modulu o šířce 12,5modul distribuovaných vstupů a výstupů s krytím IP20.„ Přesto vývojáři nepotřebovali diskutované 3,5mm svorky. K zacházení s nimi totiž elektrikáři, kteří nemají po ruce malý šroubovák, často využívají nevhodný nástroj a pomáhají si násilím. Proto jsou použity pružinové svorky umožňující zapojování bez nástrojů. V případě potřeby lze čelisti uvolnit páčkou. Speciální tvar svorek dovoluje zavést až dva vodiče o průřezu 2 × 0,75 mm2. Nesmějí však chybět samostatné otvory pro standardní hrotové měřicí sondy a prostor pro označení a popis jednotlivých I/O kanálů, svorek a modulů. Moduly systému X20 jsou právě na hranici stran hustoty I/O kanálů, která je ještě akceptována z pohledu mechaniky i z pohledu konstrukčních požadavků na odvětrání a návrh desek plošných spojů.

Výhoda rozdělení na tři části

Ještě výše než hustotu I/O bodů je třeba jako další milník v automatizaci hodnotit koncepci modulu – rozdělení mechanické a elektronické části na sběrnicový modul, modul elektroniky a svorku (obr. 2).

Obr. 3.

Obr. 3. Mechanika pro montáž na lištu DIN umožňuje současnou montáž bloku modulů i manipulaci s jednotlivými moduly zvlášť

Protože sběrnice systému a napájení jsou propojeny na boku modulu přes pružinové kontakty, pracuje sběrnicový modul i bez modulu elektroniky. Velmi levně je tak možné vytvořit volné rezervní sloty v dané skupině I/O pro pozdější využití. Lze vytvořit i skupiny modulů, které jsou potenciálově odděleny. Rozdělení na tři části přináší výhody i při výrobě rozváděčů a zapojování předem: dražší elektronika se může doplnit až po sestavení stroje nebo zařízení. Dalším plus je téměř zadarmo získaná možnost zapojovat a vyměňovat elektroniku za provozu. Jak názorně ukazuje příklad upevňovacího mechanismu, promyšlená koncepce prostupuje celým výrobkem – pomocí dvoupolohové aretační páčky lze vyměnit celý blok I/O modulů nebo jen jediný prvek (obr. 3). Existuje i možnost vítaná mnohými zákazníky: objednat I/O moduly již sestavené do bloků a ty vcelku nasadit na lištu DIN.

Provozní bezpečnost a odolnost

Každý modul systému X20 je opatřen potiskem na vnější straně a elektronickým typovým štítkem. To znamená, že i po síti lze každý modul jednoznačně identifikovat, a to až do úrovně sériového čísla. Díky identifikaci modulů se opět minimalizují chyby a navíc je možné vytvářet flexibilní konfigurace s jednotným aplikačním vybavením, které se přizpůsobí aktuální konfiguraci. To je významné pro sériové výrobce s neustále rostoucím počtem variant strojů.

Obr. 4.

Obr. 4. Možnosti popisu systému X20: popis svorek a jednotlivých kanálů a modulu jako celku a popis na přídavném krytu

Pro to, aby při sestavování systému nedocházelo k nechtěným záměnám, je možné svorky s moduly s elektronikou mechanicky zaklíčovat. Stejně tak je mechanicky zamezeno sestavování modulů a svorek, které si elektricky neodpovídají. Větší přehlednosti napomáhá i systém popisů I/O kanálů, svorek a modulů (obr. 4). Už i při projektování se však projektant může opřít o makra pro systémy ECAD (Electronic Computer-Aided Design), které obsahují potřebný popis modulů systému X20. Všechna tato opatření jsou navržena s cílem uspořit čas a v konečném důsledku i náklady.

Velký důraz je kladen také na diagnostiku a analýzu neobvyklých událostí. Kromě standardních LED na modulech je v systému integrována i rozsáhlá diagnostika jednotlivých modulů, aby v případě těžkostí měli řídicí systém a technici maximum informací o modulech a možných zdrojích závad.

Elektromagnetická kompatibilita a odolnost na vysoké úrovni se u zařízení tohoto typu předpokládá. Nejinak je tomu i u systému X20 – kromě důsledného stínění se objevují pozoruhodná řešení i ve vnitřní konstrukci. Například vstupní obvody dvanáctikanálového digitálního modulu jsou osazeny třemi rezistory v sérii. To sice znamená více prvků, složitější osazování, ale vede to také k lepšímu rozložení výkonu, menšímu namáhání součástek a v konečném důsledku i k větší spolehlivosti.

Tab. 1. Sendvičový systém distribuovaných I/O B&R X20 – základní vlastnosti

Podpora připojení na

Profibus-DP, DeviceNet, CANopen, Ethernet Powerlink, systémy B&R

Vzdálenost mezi moduly

až 100 m

Počet modulů ve větvi

až 250

Perioda cyklu sběrnice

typicky <1 ms

Topologie

libovolná: centralizovaná, decentralizovaná

Deterministické časové chování

ano

Hustota I/O kanálů

až dvanáct na modul

Granularita

od jednoho kanálu na modul

Rozměry (š × v × h)

12,5 × 99 × 75 mm

Krytí

IP20

Výměna elektroniky za provozu

ano

Galvanické oddělení sběrnicové a I/O části

ano

Velká odolnost proti rušení, galvanické oddělení I/O

ano

Vytváření potenciálově oddělených skupin modulů

ano

Montáž bez nástrojů (na lištu DIN)

ano

Zapojení svorek předem bez instalace systému

ano

Jedno-, dvou- a třívodičové připojení

ano

Zdokonalený systém kódování a popisu modulů

ano

Rozdělení modulu na tři části (sběrnicový modul, modul elektroniky, svorka)

ano

Promyšlená mechanika modulů, ergonomická konstrukce

ano

Integrovaná diagnostika, elektronické typové štítky na modulech

ano

Možnost kombinace s dalšími prvky

moduly X67, ventilové terminály, panely

Vlastní CPU, technologické moduly, komunikace

ano

Tvorba variant konfigurací pro opakovanou výrobu

ano

Podpora projektování v systémech ECAD

ano

Zabezpečený přenos dat, realizace bezpečnostních okruhů

připravuje se

Systém X20, jehož vlastnosti jsou přehledně shrnuty v tab. 1, není jen systémem distribuovaných vstupů a výstupů. O možnostech jeho použití, o začlenění do palety produktů firmy B&R a vůbec o trendech v současné automatizaci se zájemci dozvědí v článku v příštím čísle.

Ing. Karel Bílek,
B&R automatizace, spol. s r. o.

B+R automatizace, spol. s r. o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel.: 541 420 311
fax: 541 420 326
e-mail: office.cz@br-automation.com
http://www.br-automation.cz