Perifèria descentralitzada, mesurant i controlant a la zona de el µ

Malgrat la clara evolució dels busos de camp actuals encara existeixen limitacions de rendiment deguts als temps de cicle (que encara que millorats significativament a causa de la tecnologia Ethernet encara segueixen sent grans para segons quines aplicacions), que repercuteixen en els intervals d'actualització. Est és un punt clau a l'hora de desenvolupar aplicacions de temps crític, que fins ara estaven reservades només per a sistemes de control centralitzats d'alt rendiment o complexes i costoses solucions especials.

Les demandes temporals en l'aplicació de la perifèria descentralitzada podrien fàcilment atribuir-se a dos factors decisius:

• Temps de resposta: Quin és el temps màxim fins que una sortida respon a un canvi en l'entrada?
• Exactitud temporal/ Determinisme: Amb quina exactitud temporal pot ser detectat un esdeveniment respecte a l'exactitud en la sortida activada?

El mètode més fàcil per aconseguir millores en ambdues àrees és el de reduir els intervals d'actualització, que ja ha estat possible en el canvi de Profibus (mínim 600 µs) a Profinet IRT (mínim 250 µs), per exemple.

Aquestes millores no són suficients per a algunes aplicacions. Aquí, especialment, és convenient tenir una exactitud molt major i per tant l'aplicació de la perifèria descentralitzada de baix cost s'exclou.

En aquest punt la funció marca de temps en µs del sistema SLIO podria aplicar-se. SLIO MTS ofereix una exactitud temporal millorada significativament a la zona de el µs per a tots els sistemes de bus de camp.

Mecànica

El sistema VIPA d'I/S SLIO combina una elevada funcionalitat amb un concepte de mecànica intel·ligent en un disseny molt compacte. SLIO significa Slice I/O.

El sistema és extremadament compacte i s'adapta ‘mòdul a mòdul’ exactament a les demandes de l'aplicació. Tots els mòduls d'interfície (IM) para Profibus-DP, CANopen, PROFINET, Modbus i EtherCAT suporten fins a 64 mòduls i tenen un mòdul d'alimentació integrat.

Els mòduls electrònics (EM) s'alimenten a través dels mòduls d'alimentació (PM) i s'ordenen en grups potencialment separats segons requisits.

Els mòduls electrònics estan connectats amb els mòduls de terminal (T) a través d'un mecanisme de lliscament polaritzat. El mòdul de terminal combina el terminal, la laimentación dels mòduls d'electrònica i la mecànica del connector de bus. Els borneros que es disposen en forma d'escala permeten un cablejat ràpid, clar i segur. Si és necessari, és possible reemplaçar només el mòdul d'electrònica simplement extraient-ho del mòdul terminal - el cablejat i la instal·lació en el carril de 35 mm de perfil no es veuen afectats. Això no només simplifica i accelera l'intercanvi dels mòduls, sinó que també evita errors que poden ocórrer en el cablejat de les I/S.

Una assignació precisa i la llegibilitat de l'estat del canal dels mòduls electrònics es garanteixen mitjançant LEDs d'estat integrats i les tires de designació en el front. La visualització contínua de l'estat del mòdul permet una ubicació exacta de la fallada. Això significa que configuracions errònies, interrupcions de bus, les fallades de cablejat i mòduls defectuosos són mostrats per LEDs i es poden determinar sense eines de diagnòstic.

Bus posterior

Els ràpids 48 MBit/s del bus posterior s'han desenvolupat pel que fa a la màxima fiabilitat i eficiència de la transmissió de dades, a més:

• Control de tots els accessos

=> pèrdua de mòdul reconeguda directament

• Comunicació diferencial per corrent per senyals de diferencial de baix voltatge (LVDS)

=> insensible al mal funcionament

• Funció de watchdog en cada mòdul

=> Supervisió de mòduls d'interfície i del mestre de bus de camp

• Hash total i comptador de diagnòstic en cada mòdul permeten un diagnòstic exacte de la fallada

=> ràpida localització de fallades d'instal·lació

• Flexible format de telegrama i mecanisme de transmissió

=> adaptació òptima de les dades de transmissió en l'estructura de sistema actual.

A més d'aquestes funcions bàsiques del bus posterior, SLIO també proporciona altres elements que anul·len les limitacions de rendiment en els sistemes de bus de camp existents. Amb això el sistema descentralitzat SLIO desenvolupa també aplicacions de camp de temps crític, que fins ara estaven reservades només per a sistemes de control centralitzats d'alt rendiment o complexes solucions especials.

Vipa ja va introduir en 2005 un mòdul d'entrades que és compatible amb CPUs STEP 7 per als sistemes de control centralitzats. Aquest mòdul mesura el temps de la transició de la condició del senyal amb una resolució d'1 µs en 16 canals. Una targeta de 8 canals d'entrades analògiques amb enregistrament de dades en 25 µs amb marca de temps en µs es va desenvolupar l'any següent.

Les funcions estan també disponibles en un sistema descentralitzat i ara s'estenen de manera significativa: juntament amb el llançament del sistema descentralitzat SLIO hi ha mòduls d'entrades i sortides digitals amb memòria buffer (FIFO) per als flancs de senyal. Aquests terminals estan marcats amb la sigla MTS (Edge Timestamp System).

En un Mòdul d'interfície SLIO tots els mòduls tenen el mateix temps de base. Aquesta base de temps té una resolució d'1 µs i un sincronisme de mòdul a mòdul de +/- 85 ns. Per Profibus DP-V2 (manera isócrono) ja és possible sincronitzar les bases de temps de diversos mòduls d'interfície SLIO i cada mòdul connectat a un sincronisme de +/- 5 micres. El mecanisme sincronització subjacent és independent del bus de camp i estarà disponible per a altres sistemes de bus en el futur.

Exemple: sistema d'injecció de combustible diésel

El següent exemple d'un control electrònic de la injecció dièsel addicional per optimitzar la combustió d'un generador dièsel de biogàs dóna una explicació del funcionament i mostra les diverses possibilitats d'aplicació. La possibilitat de mesurar i controlar exactament fins a el µs per SLIO MTS, ofereix ara la comoditat i la flexibilitat d'un PLC que podria combinar-se amb el procés estàndard de l'extremadament exacta injecció de combustible en les etapes pre, principal i posterior per optimitzar el grau d'emissions i l'eficàcia, prescindint de micro controlador i solucions especials.

La següent descripció molt simplificada mostra la funció de control: El cigonyal (1) gira a 1.500 rpm en aquest camp. A causa que és un motor de quatre temps, el procés de combustió només ocorre 750 vegades per minut. Per tant, l'arbre de lleves (2 i 3) per controlar l'entrada i la sortida de la vàlvula només gira amb 750 rpm. En un dels arbres de lleves hi ha un sensor d'Hall, que envia un impuls a cada volta de l'arbre de lleves. Aquest senyal actua com una referència per al procés d'injecció i està connectada a un terminal d'entrada de MTS SLIO. L'injector de combustible dièsel serà controlat electrònicament amb un terminal de sortida de MTS SLIO. El sensor en l'arbre de lleves pot ser col·locat de tal manera que el desfasament entre el senyal d'arbre de lleves i la seqüència d'injecció de combustible estan en un camp d'uns 10 ms.

Si aquesta tasca ha de ser resolta per terminals standard d'I/S descentralitzats seria necessari mesurar el temps del senyal d'entrada directament en la CPU. Una sèrie d'inexactituds resultarian aquí, la qual cosa provocaria un significatiu error total: exemplarment només es descriu la font del major error.

Se suposa que el programa d'aplicació de la CPU és capaç de mesurar el temps amb una precisió suficient (per exemple, SPEED7 CPU amb 1 µs resolució temporal). La CPU controla si l'esdeveniment d'entrada (arbre de lleves) ocorre i guarda el temps. La CPU dóna l'ordre a través del mestre de bus de camp al mòdul interfície i al seu torn a la terminal, quan és el moment per canviar la sortida.

La part verda de la figura 4 mostra, que —a la vista de la CPU— no és possible distingir el canvi d'un senyal en el cicle del bus de camp o més exactament, la qual cosa exigeix el moment de la trama de bus de camp. Es presenta un camp d'imprecisió amb l'ample d'un temps mínim de cicle del bus de camp.

Per tant, en un sistema Profibus amb 600µs de temps de cicle (millor dels casos) resulta en un error de fins a 5,4 graus per determinar la posició del cigonyal (a través del sensor de l'arbre de lleves). 1500 rpm per a un temps de 40 ms per revolució i per a una velocitat angular de 9 graus per ms, signifiquen que 5,4 graus es gestionen en 600 µs. Més errors apareixerien en activar la sortida.

Amb Profinet IRT i 250 µs de cicle l'error es reduiria a 2,25 graus.

A causa d'aquests errors inadmissibles aquestes solucions estan fora de qüestió. En la majoria d'aquests casos, s'apliquen les unitats especials de control de lleves. Però aquesta solució suposa un alt cost i resulta inflexible i dolenta d'escalar quan l'adaptació i optimització són necessàries.

Quan els terminals d'I/S són capaces de mesurar el temps dels flancs del senyal pel que fa al retard en la commutació de les sortides fins al temps que la CPU defineix, totes les fonts d'error de la precisió temporal de les quals són causades pel bus de camp i el cicle de la CPU són eliminades.

La part violeta de la imatge 5 mostra la gran millora de la precisió temporal d'aquest sistema en comparació de terminals d'I/S sense marca de temps en µs- MTS (verda).

Tan aviat com el terminal d'entrada SLIO de MTS detecta l'esdeveniment de l'arbre de lleves, guarda addicionalment l'últim estat de les entrades i el temps en la memòria FIFO. Aquestes dades són transferides a la CPU a través del bus de camp. L'esdeveniment es podria classificar ara independentment del bus de camp o el cicle de la CPU en base de la marca de temps.

A causa dels temps de tots els mòduls SLIO en un mòdul d'interfície corrent igual a +/- 85 ns, la CPU és capaç de calcular els temps de canvi per a les sortides de MTS SLIO (injector) amb exactitud de fins a 1 µs i transferir els valors a través del bus de camp. Si el temps de commutació en el terminal s'ha aconseguit, les sortides estan controlades de manera adequada i l'error resultant és només 0,009 graus.

Dins d'un cicle de bus de camp fins a 15 peticions de connexió es poden enviar a un mòdul MTS SLIO. Per tant, una sortida podria ser controlada diverses vegades dins d'un cicle. Els mòduls d'entrada SLIO MTS tenen també una memòria FIFO que pot emmagatzemar 15 entrades de dades.

A través de l'aplicació de mòduls SLIO MTS, per exemple, en un sistema Profibus, els errors de mesurament es podrien reduir a 1/600.

Els temps entre els mòduls d'interfície de diversos SLIO podrien ser sincronitzats exactament a +/- 5 ms en l'operació equidistant DPV2 (isócrona). Així que és possible també mesurar i controlar amb resolució de µs en les grans instal·lacions descentralitzades.

Exemple: Cortadora de paper

En el següent exemple simplificat d'una cortadora de paper, es mostra l'aplicació del mateix temps de base amb diversos mòduls d'interfície:

El detector per al reconeixement de l'etiqueta i el codificador incremental estan connectats a cada mòdul d'interfície Profibus. El comptador de SLIO per al codificador incremental proporciona un valor a el µs en temps d'execució. Aquest valor permet definir fàcilment la velocitat de la cinta. El mòdul digital MTS SLIO d'entrada afegeix als canvis del senyal del lector de l'etiqueta una marca de temps ajustada a el µs. La CPU pot controlar la ‘cortadora’ a través d'un terminal digital de sortida MTS SLIO sortida de forma molt precisa, a causa que la segona IM té la mateixa base de temps (màxim +/- 5 µs) que la primera IM.

Les següents precisions s'aconsegueixen, almenys, als cinc metres per segon: (Càlcul simplificat)

• Standard Profibus terminal: 600 µs:       3,000 mm
• Standard Profinet IRT terminal: 250 µs: 1,250 mm
• SLIO MTS Profibus terminal: +/- 5 µs:   0,050 mm

La funció de marca de temps també està disponible per al mòdul de contaje SLIO i mòduls de SSI per fer fàcilment, per exemple, mesuraments precisos de la velocitat. També els mòduls analògics d'I/S ofereixen alta velocitat amb marca de temps i funció de memòria. Com a exemples d'ús, el generador dièsel, el corrent elèctric del qual ha de ser subministrada de forma síncrona en el sistema de subministrament d'energia. La sincronització exacta i la regulació de la tensió de la línia que és necessària per a aquesta fi es podrien fer amb terminals d'entrada analògics SLIO MTS. Tots els mòduls SLIO MTS es poden combinar amb mòduls SLIO standard per a aplicacions particulars.

VIPA GmbH ofereix amb el sistema SLIO:

• Un Sistema d'I/S amb concepte d'etiquetatge i mecànica orientat a l'usuari
• Clara indicació d'estat i diagnòstic
• Tècnica de connexió eficient en estalvi d'espai i temps
• Fiable i ràpid bus posterior
• Mitjançant l'aplicació de la funció de marca de temps MTS per mesurar i controlar exactament a el µs, apareixen nous camps d'aplicació per als autòmats programables i sistemes de bus de camp, els avantatges del qual són fàcil programació, flexibilitat i facilitat de manteniment, però que estaven reservades per a solucions especials fins ara.