VIPA SLIO: Входове/Изходи само за µs по дънната магистрала

В

ходно / Изходната Система SLIO е напълно нова разработка на VIPA. Чрез тази модулна и компактна система, бъдещите решения за автоматизация може да се осъществяват по-лесно и по-бързо. Чрез SLIO е възможно измерването и контрола през всички поддържани мрежи (Profibus-DP, CANopen, Profinet, EtherCAT и Modbus) с точност до µs.

Механика

Входно / Изходната система на VIPA – SLIO, съчетава висока функционалност с интелигентна механична концепция в много компактен дизайн. SLIO означава “Парче - Вход/Изход” (Slice – I/O).

Системата е много компактна и се инсталира “парче по парче” съгласно изискванията на приложението. Всички интерфейсни модули (IM) за PROFIBUS-DP, CANopen, PROFINET, EtherCAT и Modbus поддържат до 64 модула (парчета) и имат инсталиран захранващ модул.

Електронните модули (EM) се захранват с напрежение посредством различно оцветен захранващ модул (PM) и са групирани в отделни потенциални групи съгласно изискванията.

Електронните модули са свързани с терминалните модули (TM) посредством плъзгащ се механизъм. Терминалните модули съчетават клеморед, дънната магистрала на електронните модули и механичен шинен съединител. Клемите които са разположени стъпаловидно позволяват бързо, ясно и безопасно окабеляване. При необходимост могат да се сменяват само електронните модули като просто се извадят от терминалния модул, което не засяга окабеляването и монтиранирането на 35 милиметровата шина. Това не само опростява и ускорява подмяната на модулите но също така предпазва от допускане на грешки при преокабеляване.

Точното и ясно определяне на състоянието на каналите на електронния модул се осигурява от вградени светодиоди за състоянието и указателна лента на лицевия панел. Непрекъснатата индикация на състоянието на модула позволява точно определяне на евентуална грешка, което означава, че грешна конфигурация, прекъсване на магистралата, грешка при окабеляване и дефектирал модул се показват от светодиоди и могат да бъдат открити без допълнителни диагостични устройства.

Дънна магистрала

За постигане на максимална надеждност и ефективно предаване на данни е разработена 48 MBit-ова бърза дънна магистрала, която осигурява:

- Контрол изправността на модула – веднага се забелязва дефектирал модул;

- Диференциална токозахранена комуникация посредством нисковолтова диференциална сигнализация (LVDS) – нечуствителна срещу неизправности;

- Watchdog функции на всеки модул – наблюдава интерфейсните модули;

- Диагностичен брояч на всеки модул позволява точна диагностика на повредите – бързо откриване на грешки при инсталацията;

- Гъвкавост на формата на данните и предаването им – оптимално приспособяване на предаването на данни към съществуващата система.

В допълнение на тези основни функции, дънната магистрала на SLIO осигурява допълнителни характеристики които отстраняват ограниченията на съществуващите магистрални системи. С това децентрализираната система SLIO може да се използва и за разработка и за приложения с критични времена, които са били осъществими само за многофукционални централизирани системи за управление или комплексни специализирани решения.

Измерване и управление в µs-ната област

Времевите изисквания по прилагане на децентрализираната периферия може лесно да се определят от два фактора:

- Време за реакция – Какво е максималното време за което изходът реагира при промяна на входа.

- Времева точност – Колко точно може да се определи времето за настъпване на събитието.

Например най-лесният метод за постигане на подобрения и на двата фактора е да се намалят интервалите на времето за актуализация, което е възможно при преминаването от Profibus (min. 600 µs) към Profinet IRT (min. 250 µs)

Тези подобрения не са достатъчни за някои приложения. В специфични приложения които изискват постигане на значително по-висока точност немогат да се прилага нискостойностна децентрализирана периферия.

В такъв случай може да се прилага характерната за SLIO функция µs-на времева щампа.

През 2005г. VIPA въведе входен модул за централизирана система за управление, съвместим със STEP^®7 процесорите. Този модул измерва времето за промяна състоянието на сигнала на 16 канала с резолюция 1µs. През следващата година бе разработена осем входова аналогова карта със записване на данните с растер 25 µs.

Функциите са приложени в настоящата децентрализирана система и значително се разширяват. Заедно със стартиране на децентрализираната система SLIO се предлагат цифрови входни и изходни модули с памет за последователност (FIFO) за буфериране на пиковете на сигналите. Тези терминали са маркирани със съкращението ETS (Edge Timestamp System).

SLIO ETS предлагат и значително подобряване на точността в микросекундната област за всички поддържани мрежи.

Едно и също време за всички:

Всички SLIO модули инсталирани на SLIO интерфейсния модул имат една и съща времева база. Тази времева база има резолюция 1 µs и синхронизация между отделните модули ± 85 ns. Вече е възможно и при Profibus DP-V2 (isochronous mode) да се синхронизират времевите бази на няколко SLIO интерфейсни модула със синхронизация между всеки модул ± 5 µs. Основният синхронизиращ механизъм е мрежово независим и ще бъде на разположение и на други бъдещи системи.

Пример: Система за впръскване на дизелово гориво

Следният пример за електронно управление на допълнително впръскване на дизелово гориво за оптимизиране на изгарянето в дизелов генератор с биогаз е пример за функциониране на системата и показва разнообразни възможности за приложение.

Възможността да се измерва и управлява със SLIO ETS с точност до µs, позволява да се комбинират удобството и гъвкавостта на PLC със стандартния процес на много точно предварително, основно и последващо впръскване на дизелово гориво за оптимизиране степента на емисиите и ефективността, без микроконтролер и специализирани решения.

Следното много опростено обяснение показва управляващата функция: Коляновият вал (1) се върти с 1500 об./мин. Поради това че двигателят е четирицилиндров процесът се появява по 750 пъти в минута. Поради това разпределителните валове (2 и 3) за управление на входящите и изходящите клапани се въртят само със 750 об./мин. На един от разпределителните валове има датчик на Хол, който изпраща импулси на всеки оборот на вала. Този сигнал служи като отправна точка на процеса за впръскване и е свързан към входния терминал на SLIO ETS. Инжекторът за дизелово гориво се управлява електронно с изходния терминал на SLIO ETS. Сензорът на разпределителния вал може да бъде поставен по такъв начин, че времезакъснението между сигнала от разпределителния вал и времето за впръскване на гориво да е в рамките на 10 ms.

Изпълнение със стандартни входно/изходни терминали чрез обща мрежа

Ако тази задача трябва да се реши със стандартни децентрализирани входно/изходни терминали, ще е необходимо да се измерва времето на входния сигнал директно в процесора. Появяват се множество неточни резултати които водят до значителна обща грешка: описан е само най-голямият източник на грешки.

Предполага се, че приложната програма на процесора е възможно да измерва времето с достатъчна точност (например процесор SPEED7 с времева резолюция 1 µs). Процесорът следи за поява на входно събитие (коляновия вал) и записва времето. Когато настъпи време за включване на изхода процесорът подава управляващ сигнал по мрежата към интерфейсния модул и след това до терминала.

Зелената част на фиг.1 показва гледната точка на процесора – не е възможно да се различи промяната на сигнала в рамките на цикъла на мрежата или да се класифицират по-точно отколкото се изисква от растера на времето на общата мрежа. Появява се област на неточност с широчина на минималното време за цикъл на общата мрежа.

Фиг.1: Стандартна децентрализирана Входно/Изходна система (в зелено): Неточно определяне на входния и изходния сигнал. Възможна децентрализирана SLIO ETS система (във виолетово): времеви фактор - µs с поредност на входовете и изходите.

Поради тази причина в системи с Profibus с време за цикъл 600µs (в най-добрият случай) грешката при определяне на позицията на коляновия вал (посредством сензора на коляновия вал) е до 5,4 градуса. 1500 об./мин. отговарят на 40 ms за оборот и на ъглова скорост от 9 градуса за ms, което означава че 5,4 градуса се управляват за 600 µs. При свързване на изходите се появяват още неточности.

С Profinet IRT и цикъл 250 µs грешката ще се намали до 2,25 градуса.

Поради тези недопустими грешки тези решения не се прилагат. В повечето такива случаи се използват специализирани cam устройства за управление. Такива решения са високостойностни, не са гъвкави и не са подходящи когато се налага преработка и оптимизация.

Изпълнение със SLIO ETS терминали чрез обща магистрала

Когато Входно/Изходните терминали имат възможност да измерват времето на фронтовете на сигналите респективно да забавя включването на изходите до времето определено от процесора, се отстраняват всички източници на времева неточност причинени от основната магистрала и цикъла на процесора.

Виолетово оцветената част на Фиг.1 показва огромното подобрение на времевата точност на такава система в сравнение с Входно/Изходни терминали без µs-отличителната характеристика на ETS (в зелено).

Ведага щом входния терминал на SLIO ETS открие събитие на разпределителния вал, той запомня допълнително към последното състояние на входовете също и времето във FIFO паметта. Тези данни се предават към процесора чрез общата мрежа. Събитието може да се класифицира независимо от общата мрежа или цикъла на процесора въз основа на времевата снимка.

Тъй като времето за действие на всички SLIO модули инсталирани на интерфейсния модул е еднакво ± 85 ns, процесорът може да изчисли времената за превключване на изходите на SLIO ETS (инжектора) с точност до 1 µs и да предаде стойностите по общата магистрала. При достигне на времето за превключване на терминала, изходите се управляват по подходящ начин а крайната грешка е само 0,009 градуса.

В рамките на цикъла на общата мрежа могат да се изпратят до 15 свързани заявки към SLIO ETS модулите. Поради това изхода може да се управлява няколко пъти по време на цикъла. Входните SLIO ETS модули също така имат FIFO памет която може да съхранява до 15 входни данни.

Чрез използване на SLIO ETS модулите в Profibus система, грешките от измерване могат да се намалят до 1/600.

Времената между няколко интерфейсни модула на SLIO могат да се синхронизират с точност до ± 5 µs в управлението с DPV2 (isochronous mode). Поради това и в по-големи децентрализирани инсталации също е възможно да се измерва и управлява с резолюция µs. 

Пример: Нож за рязане на хартия

На опростения пример на цех за рязане на хартия е показано приложение на няколко интерфейсни модула с база еднакви времена:

 Фиг 2: Едно и също време за два различни Profibus интерфейсни модула

Сензорът за наличие на етикет и инкременталния енкодер са свързани към отделни Profibus интерфейсни модули. SLIO броячът на инкременталния енкодер предоставя данни на всяка µs. Тези данни позволяват лесно да се определи скоростта на лентата. Цифровите входове SLIO ETS прибавят към промените на сигнала на четеца на етикета времевата снимка която е точно на µs. Процесорът може да управлява много точно “Гилотината” посредством SLIO ETS цифров изход, тъй като вторият интерфейсен модул има същата времева база (max. ± 5 µs) както първият:

Най-малките точности които могат да се постигнат при 5 метра за секунда са:
(приблизителна калкулация!)

Стандартен Profibus терминал:             600 µs:                       3,000 mm
Стандартен Standard Profinet IRT терминал:   250 µs:                       1,250 mm
SLIO ETS Profibus терминал:            ± 5 µs:                       0,050 mm

Допълнителни функции

SLIO модулите и SSI модулите имат функцията времева щампа което улеснява например точните измервания на скоростта. Освен това ще има също бързи аналогови входове и изходи с времева щампа и запомняща функция.

За специфични приложения всички модули SLIO ETS могат да се комбинират със стандартни модули SLIO.