Dlaczego centralny sterownik PLC nie zawsze jest najlepszym miejscem na domykanie pętli sterowania?

Jeżeli w danej instalacji przemysłowej rośnie liczba sygnałów, a system wykonuje wiele zadań równolegle (komunikacja, archiwizacja, wizualizacja, diagnostyka itp.), możemy zacząć odczuwać ograniczenia centralnej architektury.

Są to m.in.:

• wydłużający się czas cyklu PLC,

• większe obciążenie procesora,

• trudniejsza do utrzymania stabilność pętli regulacji,

• opóźnienia wynikające z transmisji danych pomiędzy rozproszonymi wyspami I/O a sterownikiem.

W takich warunkach naturalnie pojawia się potrzeba skrócenia drogi: czujnik – algorytm – element wykonawczy. To właśnie w tym miejscu pojawia się dyskusja o lokalnej pętli regulacji i przenoszeniu części funkcji sterowania bliżej procesu.

Od zdalnych wejść/wyjść do inteligentnych węzłów – ewolucja modułów I/O

W świecie nowoczesnej automatyki przemysłowej moduły I/O EtherCAT coraz częściej stają się autonomicznymi węzłami systemu. W praktyce przekłada się to m.in. na uwarunkowaną przyczynowo komunikację w czasie rzeczywistym, możliwość budowy rozproszonych wysp I/O, decentralizację części funkcji sterowania oraz łatwą rozbudowę systemu I/O wraz z rozwojem instalacji.

Istotna zmiana dotyczy również sposobu projektowania topologii. Wyspy z modułami nie muszą już przynależeć do jednej centralnej szafy sterowniczej, lecz mogą być rozmieszczone bezpośrednio przy maszynach i węzłach procesowych.

Dzięki temu system I/O na szynę DIN przestaje być wyłącznie strukturą sprzętową, a zaczyna pełnić rolę platformy funkcjonalnej, na której można oprzeć logikę sterowania dopasowaną do rzeczywistej architektury obiektu.

Czym różni się Hardware Controller w module I/O od klasycznego kanału I/O?

Klasyczny kanał wejściowy lub wyjściowy przekazuje sygnał do sterownika PLC. Dopiero tam wykonywana jest logika sterowania. W przypadku Hardware Controllera w module I/O część tej logiki realizuje się bezpośrednio na poziomie wyspy I/O – w tym samym miejscu, w którym zbierane są sygnały z procesu.

To nie jest wyłącznie funkcja programowa. W module kontroler i wyjścia cyfrowe pracują w osobnym zadaniu czasowym o cyklu 10 ms, a algorytm regulacji aktywuje się zgodnie z czasem próbkowania regulatora. Oznacza to, że reakcja nie zależy od obciążenia centralnego PLC ani od chwilowego ruchu w sieci komunikacyjnej.

Przekłada się to na:

• skrócenie drogi między czujnikiem, algorytmem i elementem wykonawczym,

• ograniczenie opóźnień komunikacyjnych,

• większą powtarzalność działania.

Taki sterownik w module I/O pozwala domknąć lokalną pętlę regulacji PID bez konieczności każdorazowego angażowania sterownika nadrzędnego. PLC nadal koordynuje proces i zarządza systemem jako całością, ale szybkie decyzje podejmowane są dokładnie tam, gdzie powstaje sygnał.

Hardware Controller i rozproszona automatyka przemysłowa na przykładzie rodziny modułów I/O od JUMO

Rodzina modułów I/O 7051xx od JUMO została zaprojektowana jako modularny system na szynę DIN, w którym komunikacja oraz dystrybucja zasilania pomiędzy kolejnymi modułami są realizowane przez boczne złącza systemowe. Oznacza to, że po mechanicznym dołączeniu kolejnego modułu automatycznie zestawiana jest zarówno magistrala komunikacyjna, jak i tor zasilania – bez dodatkowych przewodów i elektroniki.

Sercem komunikacji jest magistrala bus oparta o EtherCAT. Dzięki niej moduły 7051xx mogą pracować zarówno z systemami sterowania z grupy JUMO variTRON, jak i z urządzeniami PLC firm trzecich obsługującymi EtherCAT. Taka architektura umożliwia budowę wysp I/O, w których czas wymiany danych pozostaje przewidywalny nawet przy rozbudowanych konfiguracjach.

W ramach jednej wyspy możesz zestawiać różne typy modułów procesowych, m.in.:

• 4-kanałowe moduły wejść analogowych do pomiarów prądu, napięcia, rezystancji, RTD i termopar,

• 4-kanałowe moduły wyjść analogowych z obsługą sygnałów 0-10 V oraz 4-20 mA,

• 16-kanałowe moduły wejść i wyjść cyfrowych 24 V DC,

• 4-kanałowe moduły wyjść przekaźnikowych ze stykami przełącznymi bezpotencjałowymi.

W tę samą architekturę wpisuje się nowy moduł sterownika wielokanałowego 705152, który oprócz funkcji I/O udostępnia zasoby do realizacji lokalnej regulacji.

Występuje on w wariantach wyposażonych m.in. w:

• 1 wyjście analogowe,

• 2 wejścia uniwersalne,

• 3 wejścia cyfrowe.

Model ma również wyjścia wykonawcze w postaci przekaźników NO lub szybkich wyjść cyfrowych typu Open Collector z izolacją optyczną.

Kontroler i wyjścia cyfrowe w tym module pracują w osobnym zadaniu czasowym o cyklu 10 ms, a algorytm regulacji aktywowany jest zgodnie z czasem próbkowania regulatora. Dzięki temu lokalna pętla sterowania działa niezależnie od obciążenia centralnego PLC i ruchu w sieci.

Jeżeli architektura wymaga fizycznego rozproszenia systemu, można podłączyć dodatkowo moduły rozszerzeń 705162 lub 705163, wyposażone w interfejsy RJ45 EtherCAT. Pozwalają one na zdecentralizowane przypisanie kolejnych segmentów na dystansie do 100 m, a także na rozgałęzianie systemu i budowę kilku wysp zamiast jednej centralnej szafy sterowniczej. Wszystkie moduły wykorzystują zaciski PUSH IN.

Co zyskujesz, projektując taki system sterowania PLC?

Z perspektywy projektanta i użytkownika końcowego oznacza to bardzo konkretne, mierzalne efekty:

• krótsze pętle regulacji dzięki realizacji algorytmu bezpośrednio w module, w osobnym zadaniu czasowym o cyklu 10 ms,

• większą powtarzalność i stabilność regulacji, niezależną od obciążenia programu PLC,

• odciążenie centralnego sterownika PLC, który nie musi cyklicznie przetwarzać każdej szybkiej pętli,

• możliwość fizycznego rozmieszczenia wysp I/O do 100 m od siebie z wykorzystaniem modułów komunikacyjnych ethernet,

• skalowanie systemu przez dokładanie kolejnych modułów i segmentów bez zmiany istniejącej konfiguracji.

Hardware Controller w module I/O zmienia sposób myślenia o systemach sterowania. Moduł przestaje być pasywnym elementem akwizycji sygnałów, a staje się aktywną częścią architektury sterowania – blisko procesu i źródła danych.

Jeżeli planujesz modernizację instalacji lub projekt nowego systemu i chcesz sprawdzić, jak taka architektura sprawdzi się w Twojej aplikacji, skontaktuj się z nami. Pokażemy Ci możliwe warianty i pomożemy dobrać odpowiednią konfigurację modułów I/O JUMO!

O autorze

Mam na imię Michał, a moją codziennością od kilku lat są pisanie i content marketing. Tworzę treści zarówno zawodowo, jak i hobbystycznie – przelewanie słów na papier (lub ekran) i nagrywanie podcastów sprawia mi wielką satysfakcję. Prywatnie miłośnik sportu, spacerów, książek i krzyżówek.