Чтобы управлять одним или несколькими пневмоостровами в рамках промышленной цифровой сети, Camozzi предлагает интерфейсный модуль Серии CX, обеспечивающий связь приводов и их компонентов с системой управления верхнего уровня по полевым шинам и промышленному Ethernet. Модуль поддерживает один из шести протоколов: PROFIBUS, CANopen, DeviceNet, EtherNet/IP, PROFINET и EtherCAT. Продолжением модуля Серии СХ могут являться как пневмоострова, так и модули периферии для управления внешними устройствами, использующими дискретные и аналоговые сигналы ввода-вывода.
Примечание: в этой статье раскрываются возможности модуля CX, его пользовательские преимущества, разновидности подключения пневмоостровов и устройств автоматизации; описываются топологии управления, вопросы конфигурирования, отладки и диагностики в специальных программах, а также программирование на примере среды TIA Portal.
Приведённая информация доступна в формате обучающего видео в четырёх частях:
- Часть1/4. Интеграция в Индустрию 4.0
https://www.youtube.com/watch?v=l6_n7-pcKRU
- Часть 2/4. Подключение устройств автоматики и работа в конфигураторе
https://www.youtube.com/watch?v=s1EzsSqBHU8
- Часть 3/4. Добавление в проект программы и разбивка адресного пространства
https://www.youtube.com/watch?v=0ONtEEPJKeI
- Часть 4/4. Программирование модулей ввода-вывода
https://www.youtube.com/watch?v=t_xfQHGZYk4
Общие сведения о пневмоостровах
В самом простом виде пневмоостров представляет собой набор электропневматических распределителей, установленных на монтажной плите (монолитная или составная). Распределители имеют общее пневматическое питание и электрическое подключение через разъём D-SUB и многожильный кабель. Ответная часть кабеля подключается к дискретным выходам контроллера. В плите также расположены каналы сброса сжатого воздуха в атмосферу (в них устанавливаются глушители шума).
Компоновка пневмоострова распределителями определяется типом и количеством пневмоцилиндров, которыми надо управлять. В каталоге Camozzi представлено пять серий островов: 3 Plug-In, F, HN, НС и D. Выбор конечной структуры острова и его серии может определяться разными требованиями, среди которых:
- максимальное количество распределителей в составе одного острова (максимальное количество сигналов управления – соленоидов – от 22 до 38);
- структура распределителей (2/2, 3/2, 2х3/2, 5/2, 5/3);
- требуемый расход (от 250 до 2000 Нл/мин);
- удобство и простота монтажа;
- быстродействие распределителей;
- качество подготовки сжатого воздуха;
- возможность работы при давлении вакуума (от -0,9 до 0 бар);
- массогабаритные характеристики;
- степень защиты IP;
- применяемые материалы;
- опции, расширяющие возможности управления (дополнительные подвод и сброс сжатого воздуха, разделение каналов монтажной плиты, организация зон с разным уровнем рабочего давления, регулирование давления в канале питания одного распределителя с помощью встроенного микрорегулятора давления).
Сигнал управления от контроллера верхнего уровня подаётся на соленоиды распределителей через кабель с многоштырьковым разъёмом. Распределители переключаются в требуемое положение, происходит подача воздуха в полости пневмоцилиндра или сброс.
При сравнении пневмоострова с набором индивидуально смонтированных распределителей несомненными преимуществами применения островов будут:
- более низкие затраты на прокладку пневматических трубопроводов, электрических кабелей и фитингов для монтажа за счет общего подключения;
- снижение потребления сжатого воздуха;
- компактность конструкции острова;
- удобство и простота монтажа (вся система управления приводами);
- экономия времени и ресурсов на монтаж, наладку и эксплуатацию (светодиоды наличия сигналов и ручные дублеры находятся в одном месте; замена распределителей происходит без отключения кабелей, трубопроводов и фитингов);
- применение специальных опций для более эффективного управления.
Промышленный рынок всё больше склоняется к цифровизации. Серийные производители машин стараются уйти от дорогостоящей и ненадёжной трассировки проводов и хотят наделить свои системы интеллектуальными функциями: самодиагностикой, анализом ошибок, работой в режиме реального времени. Особенно актуальна возможность дистанционного контроля, адресного управления и считывания данных. Для многих станков и технологических линий количество датчиков, приводов и прочих устройств достигает десятков, сотен и даже тысяч единиц. Для согласованного управления множеством устройств автоматизации удобно применять модуль полевой шины Серии СХ.
Подключение пневмоострова и модулей ввода-вывода к модулю серии СХ
Модуль CX – это устройство последовательного обмена данными. Пневмоострова разных серий подключаются к модулю CX через специальные интерфейсные блоки. Они обеспечивают механическую и электрическую связь острова с модулем CX и его периферией. Между ними могут быть установлены модули входных и выходных дискретных или аналоговых сигналов, модули организации подсети. Модуль организации подсети позволяет развить структуры системы управления, добавив дополнительные пневмоострова и модули ввода-вывода, используя модуль расширения (об этом будет рассказано в разделе по топологии сети).
Количество дополнительных модулей периферии (ввода-вывода, подсети) и их последовательность задаются в электронных конфигураторах (доступны для скачивания с сайта camozzi.com). Компоновка определяется удобством подключения электрических кабелей и визуального контроля сигналов состояния.
Модуль CX имеет небольшие размеры, примерно 90 на 120 мм. Металлический ударопрочный корпус из алюминия со степенью защиты IP65 позволяет использовать его в жёстких условиях, где присутствует пыль, грязь и влага. На корпусе имеется три разъёма:
- разъём питания 24 В постоянного тока;
- разъём Bus IN - для подключения на вход полевой шины Fieldbus или промышленного Ethernet;
- разъём Bus OUT – для подключения еще одного модуля CX или другого устройства, поддерживающего тот же протокол.
Светодиод 1 – обозначен LINK2 – индикация подключения модуля к сети через разъём BUS OUT.
Светодиод 2 – обозначен LINK1 – индикация подключения через разъём BUS IN.
Светодиод 3 – обозначен SF (SYSTEM FAULT) – индикация возможной ошибки в системе.
Светодиод 4 – обозначен BF (BUS FAULT) – индикация отсутствия физического соединения с сетью, слабой скорости передачи данных, отсутствие обмена данными или связи.
Под прозрачной панелью находится разъём micro USB. Через него модуль подключается к компьютеру и настраивается через специальный конфигуратор CX Series Configurator.
Примерами устройств, которые подключаются к дискретным входам, могут быть магнитные датчики положения, реле давления или вакуума, электрические кнопки, замыкающие или размыкающие контакты. Для подключения устройств используется 3-пиновый разъем M8. Модуль может иметь 8 или 4 дискретных входа, т.е. потенциально на него можно завести 8 или 4 сигнала. Максимальный ток равен 100 mA на каждый вход. Входной сигнал типа PNP.
К модулю дискретных выходов можно подключать катушки пневматических или гидравлических распределителей, электромеханические и твердотельные реле, двигатели постоянного тока, средства индикации или теплонагревательные элементы. Модуль имеет два 4-пиновых разъёма М12, в каждом реализовано 2 дискретных выхода с напряжением 24 V DC и с выходной мощностью 10 Вт на каждый выход. Использования дискретных выходов позволяет управлять внешними по отношению к острову распределителями, установленными вблизи цилиндров. Это позволяет повысить быстродействие приводов.
К модулю аналоговых входных сигналов подключаются датчики непрерывно-изменяющихся величин. Это могут быть, например, датчики давления сжатого газа, температуры, расхода рабочей среды, положения объекта управления.
К модулю аналоговых выходов подключаются устройства, непрерывно управляющие процессом. Это пропорциональные регуляторы давления и расхода, позиционеры и следящие пневмоприводы, драйверы электрических приводов.
У аналогового модуля можно комбинировать вход и выход, используя два канала. Это удобно использовать для устройств, требующих аналоговый сигнал задания и имеющих датчик обратной связи. Все аналоговые модули имеют 2 разъёма М12 и визуально выглядят одинаково, но внутри может быть реализован как аналогово-цифровой, так и цифро-аналоговый преобразователь. Модуль может принимать или отправлять сигналы токовой петли 4-20 mA и сигналы по напряжению 0-10 V. Каналы ЦАП и АЦП 12-рязрядные, что достаточно для большинства задач автоматизации.
Применение технологий полевых шин повышает надёжность системы управления как на этапе проектирования системы автоматизации, так и при её эксплуатации за счёт уменьшения числа электрических и пневматических соединений, высокой степени защиты IP65 и прочного корпуса модулей в сравнении с подобными модулями расширения классического ПЛК, удобства обслуживания, возможности проведения диагностики и системы индикации неисправностей. Наряду с многоштырьковым подключением полевые шины также обеспечивают снижение стоимости и времени на электромонтажные работы.
Максимальное количество обрабатываемых сигналов на входе или на выходе равно 1024. При этом под дискретные устройства ввода-вывода в этом пространстве выделяется по 1 биту, а под аналоговые – 16. То есть потенциально модуль CX может обработать 1024 входных сигнала с 1024 дискретных датчика или отправить такое же количество сигналов на соленоиды внешних распределителей. Или, например, принимать сигналы с 64 линейных датчиков положения или датчиков давления, управлять электропневматическими позиционерами и приводами в составе запорно-регулирующей арматуры аналоговыми модулями ввода-вывода.
Топологии сети
Для управления оборудованием используют один модуль СХ. К нему стыкуется нужное количество дискретных и аналоговых сигналов для подключения электрических устройств автоматизации. Но когда число исполнительных устройств и датчиков достигает сотен и тысяч единиц, то нагрузка на вычислительные мощности АСУТП верхнего уровня становится слишком большой, частота дискретизации без потери реального времени может быть недостаточно высокой для заданного технологического цикла. Для этих целей используют подсети, которые включают в себя модуль организации подсети в составе главного модуля СХ и модуль расширения, подчиняющийся главному и возлагающий на него вычислительную нагрузку по обработке и структуризации информации. Этот же подход применяется для управления несколькими пневмоостровами, где исполнительные цилиндры разнесены на большие расстояния.
К подключаемому модулю расширения с правой стороны подключаются те же самые модули ввода-вывода, модули подсети и пневмоострова. Порядок и количество модулей периферии не имеет значения, но обязательно необходимо не превышать максимально допустимую нагрузку. Эта группа модулей создает блок в подсети SPI-X – цифровой протокол в рамках устройств модуля CX или модуля расширения.
К модулю CX максимально можно подключить пять таких модулей. Это значит, что есть возможность создать 5 параллельных веток подсети. К модулю подсети подключается модуль расширения, у которого есть вход сети SPI и выход для подключения следующих модулей расширения. В одной подсети последовательно можно подключить до 8 модулей расширения. Длина этой ветки ограничена 100 метрами. Если по каким-то причинам этого окажется недостаточно, то от каждого устройства внутри подсети параллельно организуется новая подсеть. Так создается единое информационное пространство. Оно объединяет подключённые к системе сбора данных компоненты разной физической природы и функционального назначения. Обеспечивается диагностика, отслеживаются ошибки и принимаются решения, исключающие брак продукции или поломку оборудования.
Оценивая объём подключаемых устройств и данных, обрабатываемых модулем CX, проектируется система управления. Если одного модуля недостаточно, то систему делят на части, добавляя дополнительные модули.
В качестве примера, зачем нужна сложная многоуровневая топология сети, приведена система управления автоматизированным процессом производства лекарств. От АСУТП верхнего уровня происходит передача сигналов управления через контроллер на модуль CX и панель оператора. Модуль CX управляет запорно-регулирующей арматурой с пневматическими или электрическими приводами, позиционерами, принимает сигналы с дискретных и аналоговых датчиков, управляет насосной станцией.
Если по какой-то причине в существующую систему управления с модулем CX требуется встроить остров с многоштырьковым управлением, то применяется D-SUB модульный адаптер CXA.
Подключением модулей расширения через модули организации подсети к модулю CX (или нескольким модулям) создаются подсети. ПЛК верхнего уровня выступает в роли Master-устройства, модуль CX по отношению к нему – как подчинённое устройство (Slave). При этом устройства в подсети являются подчинёнными по отношению к модулю CX, который является Master-устройством по отношению к ним. Модули подключаются друг к другу через разъёмы BUS IN и BUS OUT. Ветки в подсети Camozzi начинаются с порта BUS OUT модуля организации подсети и заканчиваются терминатором, подключенным к порту BUS OUT модуля расширения или D-Sub адаптера. Обязательно необходимо подключать порт BUS OUT к порту BUS IN следующего модуля или подключить терминатор, если это последний модуль в ветке. Используя эту гибкую систему, можно реализовать множество различных конфигураций, примеры которых можно найти в каталоге.
Конфигурирование модуля СХ, отладка и диагностика оборудования
Для работы с конфигуратором CX Series Configurator кабель micro-USB от компьютера или ноутбука подключается к разъему модуля CX. Автоматически начнется процесс определения и установки драйвера подключенного устройства. Каждый модуль в подсети требует адрес для управления им. Можно назначить адрес с помощью процедуры автоматической адресации. Адреса назначаются последовательно слева направо внутри блока, от первого блока до последнего в первой ветви. Когда все блоки в первой ветке обработались, процесс адресации переходят к следующему модулю в следующей ветке подсети.
В Конфигураторе следующая структура Меню:
- Home: описывает конфигурацию подключенного оборудования.
- Communication: содержит все базовые настройки модуля CX с возможностью их изменения.
- Advanced: включает возможности для управления «пустыми узлами».
- System: содержит системные функции.
- Topology: содержит функции по сохранению, импорту, сравнению и загрузки конфигураций.
Раздел 1: отображает дерево со всеми модулями и их взаимное расположение в сети. Каждый модуль, за исключением модуля CX, может иметь определённый цвет, который идентифицирует его состояние (зелёный цвет – корректное подключение). Другую цветовую индикацию можно посмотреть в инструкции к конфигуратору. В дереве первые две строки относятся к модулю CX с интерфейсом Profinet. Ниже находятся другие модули сети, которым присваивается автоматическая нумерация.
Раздел 2: в таблице отображаются параметры выбранного модуля.
Раздел 3: отображается состояние модулей.
Раздел 4: отображаются параметры сети, количество бит входов и выходов, количество модулей.
Каждый дискретный вход занимает 1 бит из 1024 бит адресного пространства. Под один дискретный модуль на 8 или 4 входа зарезервировано 8 бит или 1 байт. Для модуля на 4 входа используются только первые 4 бита – с нулевого по третий. Остальные 4 не используются. Аналогичное резервирование относится и к модулю дискретных выходов, а также модулям аналоговых входов и выходов. На рисунке ниже показан пример организации топологии и объ`м адресного пространства, которое занимает тот или иной узел.
Конфигуратор позволяет имитировать подачу сигналов на внешние аппаратные устройства через модуль дискретных выходов. Таким образом можно проверить работоспособность и правильность подключения, например, распределителей, расположенных не в составе пневмоострова, а вблизи исполнительного механизма. После подачи сигнала управления на разъёмах распределителей, модуле дискретных выходов и виртуальных светодиодах в конфигураторе должны загореться светодиоды индикации. Это позволяет достоверно проверять работоспособность и выявлять ошибки.
Как было сказано ранее, используя ту или иную серию пневмоострова, можно управлять определённым количеством распределителей. Таким образом, остров занимает определённое адресное пространство. Меняю структуру топологии изменяется дерево конфигурации.
Программирование
Модуль CX является подчинённым устройством по отношению к ПЛК верхнего уровня. Вне зависимости от серии острова способ обмена данными может быть организован через протоколы PROFIBUS, CANopen, DeviceNet, EtherNet/IP, PROFINET или EtherCAT. Подключение между ними выполняется с помощью готовых кабелей или разъёмов. Например, используя протокол Profinet, можно говорить о существенно упрощённой интеграции модуля CX в существующую систему управления.
Создавая пользовательскую программу, например, в среде TIA Portal, перед тем как добавить модуль CX в проект, задаются настройки модуля в конфигураторе серии CX. Во вкладке System находятся настройки устройства сети. Для Profinet это имя устройства, IP адрес, MAC адрес, IP Gateway. На этом заканчивается конфигурирование модуля СХ.
Добавление модуля CX в проект программы осуществляется с помощью GSDML-файла, в котором описывается информация о модуле для его эксплуатации. Файлы для определённого протокола скачиваются с сайта. После этого появляется возможность управлять модулем CX от ПЛК, который воспринимает модуль CX как стандартный модуль расширения.
С целью настройки оптимального управления модулем CX осуществляется разбивка его адресного пространства. Перед разбивкой необходимо удалить разбивку пространства, которая была по умолчанию (128 байт на вход и 128 байт на выход).
В правой части экрана отображаются модули ввода-вывода, которые используются для настройки модуля CX. Модули ввода и вывода из каталога можно перетаскивать в соответствующий список модулей с левой стороны до тех пор, пока не будет сформирован желаемый размер данных.
Пример разбивки адресного пространства для пневмоострова
Например, перетаскивая 1 Byte Input, предоставляется доступ к первым 8 битам входного адресного пространства. Это пространство может быть занято модулем дискретного ввода. Для модуля дискретного вывода перетаскивается 1 Byte Output. Для аналоговых устройств выделяется по 2 байта (16 бит) адресного пространства. Если используются модуль аналогового ввода, то необходимо добавить под первый и второй вход модуля два раза по 2 Byte Input. Если используется модуль вывода, то добавить два раза 2 Byte Output. Если к модулю CX подключается пневматический остров, то в зависимости от серии и компоновки острова под его соленоиды также выделяется адресное пространство в области входов.
В случае возникновения сбоев и неисправностей сигналы светодиодов модуля CX позволяет быстро выявить тип неисправности: низкая скорость физического соединения или его отсутствие, отсутствие обмена данными, отключение разъёмов и кабелей в конкретных точках системы. Коды ошибок также можно выводить на панель управления и сохранять в памяти (просадка напряжения, скачки по току, разрыв главной или локальной сети, обрыв питания обмоток на катушке). Использование цифровых протоколов повышает помехозащищенность при длинных протяженных линиях. Еще одним конкурентным преимуществом модуля CX является подключение островов разных серий в составе нескольких машин и технологических участков, подстройка под существующую систему не только с точки зрения стандартизированных протоколов, но и разных условий эксплуатации.
Синяков Антон Фёдорович
Инженер по развитию учебных программ
Учебно-научного центра
ООО «Камоцци Пневматика»
Предыдущие статьи:
МАНИПУЛЯТОРЫ CAMOZZI В УПАКОВОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
НОВЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ФИТИНГОВ CAMOZZI
Камоцци Пневматика: пневмоприводы для управления массивными объектами
ПНЕВМОПРИВОДЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ МАССИВНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ КАМОЦЦИ: МАГИСТРАЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА СЖАТОГО ВОЗДУХА (ЧАСТЬ 1)
НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ КАМОЦЦИ: МАГИСТРАЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА СЖАТОГО ВОЗДУХА (ЧАСТЬ 2)
ПЛАСТИКОВЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ В ПНЕВМАТИКЕ
ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКИМИ ПРИВОДАМИ НА БАЗЕ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ЛОГИКИ (часть первая)
Построение системы управления пневматическими приводами на базе пневматической логики (часть вторая)
