ControlLogix – řídicí systém budoucnosti

ControlLogix – řídicí systém budoucnosti

ControlLogix je nový řídicí systém společnosti Rockwell Automation, poprvé představený v Evropě na loňském veletrhu v Hannoveru a později, na podzim, také u nás na MSV v Brně. Od jeho uvedení na trh tedy uplynul téměř jeden rok a i v České republice se množí projekty realizované tímto unikátním systémem. Následující text si klade za cíl v krátkosti vysvětlit všechny přednosti systému ControlLogix i revolučnost jeho řešení.

ControlLogix
Systém zaujme již na první pohled svými minimálními rozměry a zajímavým, moderním provedením. Hlavní přednost a síla systému jsou ale ukryty uvnitř. Jde o vnitřní sběrnici ControlBus, opouštějící tradiční architekturu master/slave.

ControlBus
Vnitřní sběrnice systému ControlBus využívá při přístupu k modulům nový, moderní model producent/spotřebitel. Architektura sběrnice vychází z architektury sítě ControlNet. Stejně jako zmíněná průmyslová síť uskutečňuje požadavky na komunikaci koordinací periodického přístupu jednotlivých zařízení k lince, a to patentovanou metodou CTDMA (Concurrent Time Domain Multiple Access). Jde ale o paralelní sběrnici, na niž jsou místo stanic (nodů) sítě připojeny moduly systému, zasunuté do šasi. V praxi to znamená, že se moduly nerozlišují podle toho, zda jsou master nebo slave, ale podle toho, zda data produkují nebo naopak spotřebovávají. Moduly mají ke sběrnici naprosto rovnocenný přístup bez ohledu na to, zda jde o procesor, komunikační jednotku nebo I/O modul.

Výčet hlavních atributů systému ControlLogix:

• efektivní a rychlá výměna dat mezi moduly po vnitřní sběrnici ControlBus,
• počet modulů-procesorů v jednom šasi neomezen (resp. omezen pouze výkonem napájecího zdroje),
• libovolná pozice všech modulů v šasi,
• možnost moduly vkládat do šasi i vyjímat z něj pod napětím, za provozu,
• realizace diagnostiky vnějších I/O obvodů (v „technologii“), speciálními moduly,
• možnost modulů vybavit svá data časovou značkou (systémové hodiny),
• plná softwarová konfigurovatelnost všech modulů s hardwarovou a softwarovou diagnostikou,
• funkce sekvenčního řízení, polohování a řízení pohonů integrované v jednom procesoru.

Systém ControlLogix v současné době nabízí procesor Logix5550, pět různých šasi (4, 7, 10, 13 a 17 pozic), zdroje na střídavé i stejnosměrné napětí a množství komunikačních a I/O modulů. Počet pozic v šasi lze rozšířit připojením dalších šasi komunikačními jednotkami, standardně sítí ControlNet, popř. DeviceNet, RIO atd.

Procesor Logix5550
Úkolem tohoto modulu je vykonávat uživatelský program. Logix5550 využívá tzv. třístrukturní organizační model, ve kterém jsou vrstvy představovány úlohou, programem a podprogramem. Operační systém procesoru Logix5550 je víceúlohový (multitaskingový) a podporuje maximálně 32 nezávislých úloh. Hlavní úloha, tzv. main task, která je systémová a organizační, je vždy automaticky založena při vytvoření projektu. Zbývající úlohy mohou být vytvořeny uživatelem a spouštěny buď periodicky, nebo na základě přerušení. Jednotlivým úlohám lze přiřadit priority až patnácti úrovní. Každá uživatelská úloha se skládá z programů, kterých může být až 32, a které se v jejím rámci postupně vykonávají. Úloha, představující virtuální procesor, vždy obsahuje svou lokální datovou oblast, hlavní program, chybový program a množství podprogramů. Samozřejmě mohou poskytovat svá data jiným programům, popř. i úlohám (definice global).

Datová oblast řídicího systému ControlLogix v plné míře opouští pevně danou strukturu takovou, jak ji známe ze současných řídicích systémů SLC a PLC. Celá datová oblast je uživatelsky definována, každý prvek samostatně bez přiřazení ke konkrétnímu místu. To umožňuje pojmenovávat data a shromažďovat je podle potřeb programátora. Každému datovému prvku je přiřazen jeho typ. Systém dovoluje vytvářet tzv. alias datové prvky, které jsou zástupci jiného datového prvku. Tento postup lze s výhodou využít při vývoji programu, který může být napsán bez ohledu na skutečné fyzické zapojení vstupů a výstupů, jež je možné přiřadit až v době instalace systému. Výhodou je i snadná úprava programů při změně zapojení apod. V procesoru jsou uloženy mimo programy i kompletní definice a komentáře, a tak odpadají problémy s nahráním cizích programů, které po načtení z procesoru nebyly nijak okomentovány.

Logix5550 respektuje nejen datové typy používané staršími řídicími systémy, ale zavádí i nové, 32bitové. Navíc existuje možnost vytvořit si uživatelsky definované datové typy, např. trojrozměrná datová pole složená z ostatních datových typů apod.

Instrukční soubor procesoru Logix5550 je téměř shodný s instrukčním souborem procesoru PLC-5, je jen rozšířen o sadu instrukcí, vycházejících z jazyka GML a sloužících k řízení pohonů. Programovat jej je možné standardně v příčkovém diagramu (ladder logic), v sekvenčních funkčních diagramech (SFC), funkčních blocích (FB), popř. v jazyce strukturovaného textu. V současné době je pro programování k dispozici pouze RSlogix 5000, jenž umožňuje programování příčkové logiky a nově i funkčních bloků.

Modul Logix5550, obsazující jednu libovolnou pozici v šasi, má standardně 160 kB paměti, ale paměťovými moduly může být paměť rozšířena až na 2 MB. Instrukční soubor umožňuje využít ControlLogix jak při řešení kombinačního nebo sekvenčního řízení, tak při řízení pohonů a polohování.

Procesor disponuje jedním komunikačním rozhraním (RS-232), které standardně pracuje v protokolu DF1 (point-to-point, master nebo slave). Hlavní využití kanálu ale spočívá v programování systému, tj. nahrání uživatelského programu včetně konfiguračních dat I/O jednotek.

Konfigurace modulů
Jak již bylo uvedeno, v systému může být osazeno několik modulů procesorů. K rozlišení vzájemných vazeb mezi jednotkami v dalším výkladu je nutné definovat termín „procesor-vlastník“. Procesor-vlastník je procesor, který spravuje určitou množinu I/O jednotek. Ty využívá ve svém uživatelském programu, ale hlavně je konfiguruje (I/O jednotky nemají žádnou linku pro svoji softwarovou konfiguraci). Procesor, který jako první nahraje do jednotky konfigurační data, se stává jejím vlastníkem a ostatní procesory mohou uvedenou jednotku již jen sdílet.

Konfigurační data, určující chování I/O jednotky (způsob komunikace/perioda, časové značky, diagnostika atd.), jsou součástí uživatelského programu procesoru. Bezprostředně po nahrání programu do procesoru začne procesor-vlastník vyhledávat „svoje“ moduly. Jde o jediný okamžik, kdy některý modul ControlLogix vykonává „poll“, známý z architektury master/slave. Jakmile procesor-vlastník jednotku nalezne, nahraje do ní konfigurační data. Od toho okamžiku začne jednotka sama komunikovat a procesor-vlastník k ní přistupuje podle jejího nastavení. Jestliže jsou jednotky „local“, tzn. ve stejném šasi jako jejich procesor-vlastník, začnou pracovat, jak bylo uvedeno, bezprostředně po nahrání programu. Jsou-li jednotky „remote“, tedy v jiném, vzdáleném šasi, je nutné ještě spustit program RSNetWorx for ControlNet, který nakonfiguruje síť ControlNet, spojující šasi systému.

Přestože jednotka je např. producentem dat a sama komunikuje, procesor-vlastník spojení neustále kontroluje a jeho případný výpadek signalizuje nastavením příslušné proměnné i stavem diody LED I/O na svém čelním panelu.

Jednotky se konfigurují v prostředí programovacího systému RSlogix5000.

RSlogix5000
Programovací software RSlogix5000 vychází z programovacích prostředí nižších systémů (SLC, PLC) a je velmi přehledný a intuitivní. Veškeré instrukce, včetně popisu a příkladů použití, jsou popsány v nápovědě. Integrován je i překladač pro aplikační software řady SLC/PLC do systému ControlLogix a již dříve zmíněná podpora řízení pohonů.

Programovací prostředí také slouží ke grafické konfiguraci I/O modulů. Umožňuje velmi snadno nastavit jednotlivé I/O moduly, čímž kompletně odpadá pracné nastavování blocktransferů či konfiguračních slov tak, jak je tomu u jiných řídicích systémů. V grafické podobě lze zároveň sledovat stavy jednotlivých modulů za provozu on-line.

Logické I/O moduly
Systém ControlLogix nabízí širokou paletu I/O modulů. Jak jsme zvyklí z jiných systémů Rockwell Automation, mají I/O moduly ControlLogix na čelním panelu indikátor stavů (vstupů nebo výstupů) – log.1 nebo 0. Navíc je zde indikátor stavu komunikace i stavu vlastního modulu.

Pod prostorem indikátorů je páčka mechanického zámku zajišťujícího spolehlivé připojení ranžírovacího konektoru (RTB) s kabelovými rozvody nebo konektoru prodlužovacího kabelu (IFM) k modulu. Konektor RTB je nabízen v provedení se standardní šroubovací svorkovnicí nebo s pružnou, popř. zámkovou svorkou. Proti záměně konektorů je modul opatřen uživatelsky nastavitelným mechanickým klíčem, který zabrání nasazení konektoru na chybný modul.

Dalším ochranným prvkem je elektronický klíč, uplatňovaný při konfiguraci rámu. Ten zabraňuje vložení chybného modulu do slotu, v němž je původně definován jiný modul. Po vložení modulu do slotu modul zkontroluje identitu (parametry uložené přímo na modulu – prodejce, typ, katalogové číslo, hlavní korekce, drobné korekce).

Vstupní moduly
Vstupní moduly jako producenti dat je zasílají do procesoru-vlastníka. Způsob přenosu je definován parametry RPI (Request Packed Interval) a COS (Change Of State) v konfiguračních datech. RPI určuje interval, po jehož uplynutí modul umísťuje data na sběrnici (nastavitelné od 200 µs do 750 ms). Parametr COS sděluje modulu, že data bude zasílat pouze v případě, že nastane specifikovaná změna vstupního stavu.

Jestliže je modul umístěn v remote šasi, ovlivňuje periodu přenášených dat nejen nastavení RPI a COS, ale i parametr rychlosti obnovy dat sítě ControlNet, tzv. NUT (Network Update Time). Ten je automaticky generován programem RSNetWorx, a to s ohledem na nastavení RPI.

Vstupní moduly umožňují použít i tzv. časové značky. Je-li tak modul konfigurován, může data označovat časovou značkou, která dokládá, kdy byla data změněna.

Výstupní moduly
Výstupní moduly v systému ControlLogix jsou jak spotřebiteli dat, tak jejich producenty. Jakmile modul obdrží data od procesoru, vystaví je na fyzické výstupy a bezprostředně odešle na sběrnici tzv. echo (Output Data Echo). Echo obsahuje povel, který modul obdržel od procesoru-vlastníka, a diagnostické a chybové informace. Zopakování povelu je důležité pro ostatní procesory systému. Diagnostická a chybová informace jsou určeny pro procesor-vlastníka. Procesor-vlastník zasílá data na své výstupní moduly buď na konci programového scanu, tak jak jsme zvyklí (pouze moduly v lokálním šasi), nebo v definovaných periodách RPI.

Podobně jako vstupní moduly umožňují i výstupní moduly využívat časové značky. Ty se v tomto případě využívají k „plánování výstupů“ a způsobují vystavení informace na fyzický výstup v přesně definovaný okamžik. (Výstupy lze plánovat až 16 s dopředu.)

Diagnostické výstupní a vstupní moduly
Nabídka I/O modulů ControlLogix obsahuje i tzv. diagnostické jednotky, které sledují stav „technologické“ instalace mimo systém. Funkce „detekce otevřené smyčky“ u logických vstupů umožňuje testovat velikost jejich zbytkového proudu (ve stavu logická 0). Jestliže modul zaregistruje nepřítomnost zbytkového proudu, zašle tuto informaci spolu s dalšími daty do procesoru-vlastníka. AC diagnostické vstupní moduly navíc umožňují „detekci ztráty napájení“. Modul testuje napětí na svém vstupu, a poklesne-li napětí pod úroveň log.1, signalizuje do procesoru-vlastníka chybu.

Výstupní diagnostické moduly testují zbytkový proud výstupu, který není schopen aktivovat akční člen, detekují „ztrátu zátěže“. Funkce „kontrola výstupu“ spočívá v kontrole proudu, který výstupem protéká při jeho sepnutí (stav ON). Funkce „ztráta napájení“ detekuje pokles ovládacího napětí na individuálním výstupu pod stanovenou mez. Další funkcí je „pulsní test“, kdy se krátkou aktivací výstupu otestuje stav výstupních obvodů, aniž by nastalo sepnutí zátěže. Uvedené diagnostické moduly disponují i individuálním jištěním výstupů. Moduly jsou schopny detekované poruchy „zachytit“ a umožnit jejich odeslání do procesoru-vlastníka bez ohledu na dobu jejich trvání, popř. je opatřit časovou značkou, která označuje, kdy chyba vznikla nebo naopak kdy zmizela.

Vstupní moduly mohou diagnostické informace zasílat typem přenosu COC, a to nejen při změně vlastních vstupů, ale i při změně diagnostické informace. Výstupní moduly zasílají diagnostiku v echu nebo při RPI nebo COS.

Analogové I/O moduly
Analogové I/O moduly Poskytují možnost data předem zpracovat tak, aby uspořily procesoru maximum času. Data mohou být opatřena relativní nebo systémovou časovou značkou, označující např. okamžik načtení kanálu. Formát dat může být pohyblivá řádová čárka nebo celočíselný. Moduly umožňují vyjádřit veličiny v technických jednotkách, vydat výstražné hlášení, detekovat přetečení nebo podtečení. Kalibrovat lze kanál po kanálu nebo celý modul.

Analogové vstupy
Stejně jako v případě logických modulů je způsob komunikace analogových vstupů závislý na umístění modulu (lokální vana/remote vana). Zajímavá je možnost nastavovat číslicový filtr individuálně pro každý kanál. Zmíněné výstražné hlášení modulu umožňuje detekovat čtyři předvolené hodnoty (HH, H, L, LL), přerušení smyčky i skokovou změnu měřené veličiny (např. 1 V/s).

Analogové výstupy
Komunikace modulu analogových výstupů je obdobná jako u diskrétních výstupů. Analogové moduly navíc disponují funkcemi pro ošetření výstupů jednotlivých kanálů. Rampy omezují rychlost změn výstupu v režimech: RUN, PROG, Chyba. Držení hodnoty umožňuje nastavit na výstup předvolenou hodnotu pro stavy PROG, Chyba. Limit výstup je držen v předem definovaných mezích i v případě, že zadaná hodnota je mimo rozsah.

Komunikační jednotky
Komunikace v systému ControlLogix je velmi rozmanitá (Ethernet, ControlNet, DH+, DeviceNet, Remote I/O) a je řešena pomocí speciálních modulů. Komunikační moduly mohou dokonce pracovat nezávisle a „routrovat“ data mezi komunikačními sítěmi, bez účasti procesoru.

Se systémem ControlLogix se budeme v aplikacích průmyslového řízení setkávat stále častěji, a to nejen pro jeho vynikající parametry, ale i z důvodu jeho velmi zajímavé ceny.

ControlTech spol. s r. o.
Třídvorská
280 00 Kolín
tel.: 0321/74 20 11
fax: 0321/74 20 22
http://www.controltech.cz
e-mail: info@controltech.cz

Rockwell Automation s. r. o.
Nad Vršovskou horou 88/4
101 00 Praha 10
tel.: 02/67 10 74 13
fax: 02/670 74 15
http://www.rockwellautomation.com