Ze względu na coraz krótsze cykle innowacji, koncepcje maszyn i urządzeń muszą oferować możliwość elastycznego dostosowywania także do przyszłych wymagań. Działający w czasie rzeczywistym system I/O Axioline firmy Phoenix Contact dzięki swym właściwościom oferuje w tym względzie bardzo duże możliwości, optymalizując przy tym sieci komunikacyjne, takie jak np. Ethercat.

Przewidywanie przyszłych potrzeb odgrywa ważną rolę w dziedzinie planowania maszyn oraz urządzeń. Ponieważ cykle innowacji ulegają ciągłemu skracaniu, a paleta produkowanych wyrobów jest coraz większa, jednostki automatyzacji wymagają coraz większej elastyczności oraz zdolności dostosowywania. Pozwala to chronić uruchomione już inwestycje i zaoszczędzić czas podczas realizacji zmian.

Adaptacyjne technologie bazowe

Działający w czasie rzeczywistym system I/O Axioline firmy Phoenix Contact został wprowadzony na rynek trzy lata temu. Pozytywne informacje zwrotne od użytkowników pozwalają stwierdzić, że rozwiązanie oferuje niezbędne możliwości adaptacyjne w odniesieniu do wspomnianych wyżej wymagań. Zastosowane w przypadku Axioline technologie bazowe zapewniają systemowi I/O liczne możliwości i oferują użytkownikom z różnych branż, takich jak przetwórstwo drewna i metalu, technika pomiarowa i kontrolna, przemysł półprzewodnikowy lub energetyka wiatrowa odpowiednie rozwiązania dostosowane każdorazowo do zadań związanych z automatyzacją (rys. 1).

Rys. 1. Różne zastosowania wymagają systemów automatyki umożliwiających dostosowanie

Rys. 2. Działający w czasie rzeczywistym system I/O Axioline firmy Phoenix Contact

System I/O Axioline opiera się na trzech istotnych właściwościach, które są wykorzystywane w poszczególnych aplikacjach w różnym stopniu: prostym sposobie obsługi, trwałej konstrukcji oraz szybkiej transmisji danych. Ostatnią z wymienionych cech można osiągnąć dzięki szybkiej magistrali lokalnej, wyposażonej w mechanizmy synchronizacji. Aplikacja lub sterownik otrzymuje dane procesu o typowym czasie cyklu rzędu 10 mikrosekund w czasie rzeczywistym. W związku z tym nadrzędna sieć wyznacza jedynie całkowity czas cyklu transmisji. Trwała technologia obudowy oraz układów połączeń systemu I/O zapewnia oczekiwane właściwości mechaniczne i elektromagnetyczne. Wynika to np. z zastosowania materiałów obudowy wzmacnianych włóknem szklanym oraz specjalnych koncepcji ekranowania komunikacji magistrali lokalnej (rys. 3). Jako trzecia technologia bazowa, wtykowa technika złączy Push In (PIT) oraz montaż Plug&Play zapewniają łatwość obsługi modułów.

Rys. 3. Specjalna technologia magistrali lokalnej sprawia, że system Axioline jest odporny na zakłócenia elektromagnetyczne

Komunikacja z innymi sieciami

Oprócz standardowych sygnałów cyfrowych i analogowych oferta Axioline obejmuje również wejścia do rejestracji temperatury, z funkcją liczenia, do czujników przyrostowych oraz wartości bezwzględnych, jak również nowy, uniwersalny, szeregowy moduł komunikacyjny. Wkrótce dostępne będą także szybkie wejścia cyfrowe o minimalnych czasach filtrowania rzędu 5 mikrosekund. Aby możliwe było udostępnienie funkcji I/O z wymienionymi technologiami bazowymi w szerszym zakresie zastosowań, oferta produktów zostanie ponadto rozszerzona o łączniki do systemów magistrali Ethercat, Modbus TCP i Ethernet/IP, które dołączą do istniejących już łączników magistrali Profinet, Profibus i Sercos 3. Szczególną zaletą łączników magistrali systemu Axioline jest to, że funkcje systemowe udostępniane są w odpowiedniej sieci bez opóźnienia czasowego, zapewniając tym samym poprawę ogólnych właściwości sieci. Zostanie to przedstawione poniżej na przykładzie systemu Ethercat.

Szybka i synchroniczna transmisja danych Ethercat

Ze względu na technologię lokalnej magistrali systemu Axioline, sieci Ethercat ulegają zmniejszeniu, co ma pozytywny wpływ na prędkości transmisji. Wynika to z tego, że sieć Ethercat nie musi przebiegać przez kompletną stację Axioline, aby osiągnąć minimalny czas cyklu rzędu 50 mikrosekund. Protokół Ethercat jest kierowany zamiast tego jedynie przez główny moduł stacji. Ponieważ czasy cykli w magistrali lokalnej wynoszą jedynie kilka mikrosekund, a w głównym module stacji nie powstaje zwłoka związana z przetwarzaniem, czas przebiegu ulega skróceniu. Zwiększa to wydajność całej sieci Ethercat (rys. 4).

Rys. 4. Dzięki Axioline sieć Ethercat jest szybsza, ponieważ mniejszy pierścień Ethercat oferuje krótsze czasy cykli

Rys. 5. Ze względu na odporność Axioline, sieć Ethercat pozostaje dostępna również w przypadku zakłóceń w magistrali lokalnej

Rozdzielenie nadrzędnej sieci Ethercat oraz podporządkowanej magistrali lokalnej jest korzystne również wtedy, gdy sieć działa w trybie synchronizacji. W następstwie zmniejszenia topologii sieci Ethercat zmniejsza się również jitter, a cała sieć pracuje bardziej synchronicznie. W zwykłej sieci Ethercat w przypadku bardzo szybkich i synchronicznych procesów ze względu na jitter pojawia się jeszcze jedno wyzwanie. Nie można mianowicie stwierdzić ze stuprocentową pewnością, czy dane są jeszcze aktualne, czy już przestarzałe. Zastosowanie stacji Axioline eliminuje tę niedogodność, przynajmniej w odniesieniu do danych I/O: z każdą cykliczną informacją przekazywany jest również „bit aktualności”. Ponadto stosowana jest również procedura w rodzaju Handshake, która zapewnia, że przekazywane dane są zawsze aktualne. Właściwości związane z synchronizacją sieci Ethercat ulegają dalszej poprawie, ponieważ po wymianie modułu I/O Axioline nie ma potrzeby ponownej synchronizacji.

Lepsza dostępność aplikacji

System Axioline sprawia, że sieć Ethercat jest nie tylko szybsza i lepiej zsynchronizowana, ale również bardziej odporna i prostsza. Ze względu na szczególne właściwości kompatybilności elektromagnetycznej oraz konstrukcję mechaniczną sieć Ethercat bazująca na stacjach Axioline jest sama w sobie bardziej odporna, niż sieć złożona z wykorzystaniem innych urządzeń I/O. Ponadto wynikające z odsprzęgnięcia sieci Ethercat oraz magistrali lokalnej przerwanie w obrębie stacji I/O nie ma niepożądanego wpływu na pierścień Ethercat, lecz oddziałuje jedynie w sposób ograniczony lokalnie, jak również zdefiniowany przez użytkownika. Dzięki temu cała sieć jest bardziej odporna i wzrasta również dostępność maszyn i urządzeń (rys. 5).
Nadawanie jednoznacznego adresu w urządzeniu Axioline Ethercat Slave upraszcza obsługę sieci Ethercat, jeśli np. konieczna jest wymiana modułu uczestnika w ramach ingerencji serwisowej. Dzięki obrotowemu przełącznikowi kodującemu można ustawić stały adres Ethercat, który w przypadku zmiany urządzenia jest po prostu przejmowany, bez konieczności ingerencji administratorskiej w obrębie sieci. System I/O Axioline przyczynia się w ten sposób do poprawy właściwości danej sieci komunikacyjnej – w tym przypadku Ethercat.

Rys. 6. Do łącznika magistrali Ethercat można podłączyć maksymalnie 63 moduły Axioline

Podsumowanie

Zorientowany również na przyszłą modernizację system I/O musi dopasowywać się elastycznie do odpowiednich wymogów maszyn lub urządzeń i równocześnie optymalizować wykorzystywany system komunikacji jako szkielet rozwiązania służącego automatyzacji. Dzięki połączeniu różnych technologii system Axioline Phoenix Contact spełnia takie założenia ramowe. Jak pokazano na przykładzie, adaptacyjny, działający w czasie rzeczywistym system I/O może przyspieszyć działanie, zwiększyć odporność i uprościć sieć taką jak np. Ethercat.

Carsten Henning
Autor jest menadżerem produktu
w zakresie systemów I/O
w firmie Phoenix Contact Electronics,
Bad Pyrmont
(Niemcy)