Periferia descentralizada, midiendo y controlando en la zona del µs

Pese a la clara evolución de los buses de campo actuales todavía existen limitaciones de rendimiento debidos a los tiempos de ciclo (que aunque mejorados significativamente debido a la tecnología Ethernet todavía siguen siendo grandes para según qué aplicaciones), que repercuten en los intervalos de actualización. Este es un punto clave a la hora de desarrollar aplicaciones de tiempo crítico, que hasta ahora estaban reservadas sólo para sistemas de control centralizados de alto rendimiento o complejas y costosas soluciones especiales.

Las demandas temporales en la aplicación de la periferia descentralizada podrían fácilmente atribuirse a dos factores decisivos:

• Tiempo de respuesta: ¿Cuál es el tiempo máximo hasta que una salida responde a un cambio en la entrada?
• Exactitud temporal/ Determinismo: ¿Con qué exactitud temporal puede ser detectado un evento respecto a la exactitud en la salida activada?

El método más fácil para alcanzar mejoras en ambas áreas es el de reducir los intervalos de actualización, que ya ha sido posible en el cambio de Profibus (mínimo 600 µs) a Profinet IRT (mínimo 250 µs), por ejemplo.

Estas mejoras no son suficientes para algunas aplicaciones. Ahí, en especial, es conveniente tener una exactitud mucho mayor y por lo tanto la aplicación de la periferia descentralizada de bajo coste se excluye.

En este punto la función marca de tiempo en µs del sistema SLIO podría aplicarse. SLIO ETS ofrece una exactitud temporal mejorada significativamente en la zona del µs para todos los sistemas de bus de campo.

Mecánica

El sistema VIPA de E/S SLIO combina una elevada funcionalidad con un concepto de mecánica inteligente en un diseño muy compacto. SLIO significa Slice I/O.

El sistema es extremadamente compacto y se adapta ‘módulo a módulo’ exactamente a las demandas de la aplicación. Todos los módulos de interfaz (IM) para Profibus-DP, CANopen, PROFINET, Modbus y EtherCAT soportan hasta 64 módulos y tienen un módulo de alimentación integrado.

Los módulos electrónicos (EM) se alimentan a través de los módulos de alimentación (PM) y se ordenan en grupos potencialmente separados según requisitos.

Los módulos electrónicos están conectados con los módulos de terminal (TM) a través de un mecanismo de deslizamiento polarizado. El módulo de terminal combina el terminal, la laimentación de los módulos de electrónica y la mecánica del conector de bus. Los borneros que se disponen en forma de escalera permiten un cableado rápido, claro y seguro. Si es necesario, es posible reemplazar sólo el módulo de electrónica simplemente extrayéndolo del módulo terminal - el cableado y la instalación en el carril de 35 mm de perfil no se ven afectados. Esto no sólo simplifica y acelera el intercambio de los módulos, sino que también evita errores que pueden ocurrir en el cableado de las E/S.

Una asignación precisa y la legibilidad del estado del canal de los módulos electrónicos se garantizan mediante LEDs de estado integrados y las tiras de designación en el frente. La visualización contínua del estado del módulo permite una ubicación exacta del fallo. Esto significa que configuraciones erróneas, interrupciones de bus, los fallos de cableado y módulos defectuosos son mostrados por LEDs y se pueden determinar sin herramientas de diagnóstico.

Bus posterior

Los rápidos 48 MBit/s del bus posterior se han desarrollado con respecto a la máxima fiabilidad y eficiencia de la transmisión de datos, además:

• Control de todos los accesos

=> pérdida de módulo reconocida directamente

• Comunicación diferencial por corriente por señales de diferencial de bajo voltaje (LVDS)

=> insensible al mal funcionamiento

• Función de watchdog en cada módulo

=> Supervisión de módulos de interfaz y del maestro de bus de campo

• Hash total y contador de diagnóstico en cada módulo permiten un diagnóstico exacto del fallo

=> rápida localización de fallos de instalación

• Flexible formato de telegrama y mecanismo de transmisión

=> adaptación óptima de los datos de transmisión en la estructura de sistema actual.

Además de estas funciones básicas del bus posterior, SLIO también proporciona otros elementos que anulan las limitaciones de rendimiento en los sistemas de bus de campo existentes. Con esto el sistema descentralizado SLIO desarrolla también aplicaciones de campo de tiempo crítico, que hasta ahora estaban reservadas sólo para sistemas de control centralizados de alto rendimiento o complejas soluciones especiales.

Vipa ya introdujo en 2005 un módulo de entradas que es compatible con CPUs STEP 7 para los sistemas de control centralizados. Este módulo mide el tiempo de la transición de la condición de la señal con una resolución de 1 µs en 16 canales. Una tarjeta de 8 canales de entradas analógicas con grabación de datos en 25 µs con marca de tiempo en µs se desarrolló en el año siguiente.

Las funciones están también disponibles en un sistema descentralizado y ahora se extienden de manera significativa: junto con el lanzamiento del sistema descentralizado SLIO hay módulos de entradas y salidas digitales con memoria buffer (FIFO) para los flancos de señal. Estos terminales están marcados con la sigla ETS (Edge Timestamp System).

En un Módulo de interfaz SLIO todos los módulos tienen el mismo tiempo de base. Esta base de tiempos tiene una resolución de 1 µs y un sincronismo de módulo a módulo de +/- 85 ns. Para Profibus DP-V2 (modo isócrono) ya es posible sincronizar las bases de tiempo de varios módulos de interfaz SLIO y cada módulo conectado a un sincronismo de +/- 5 micras. El mecanismo sincronización subyacente es independiente del bus de campo y estará disponible para otros sistemas de bus en el futuro.

Ejemplo: sistema de inyección de combustible diésel

El siguiente ejemplo de un control electrónico de la inyección diesel adicional para optimizar la combustión de un generador diesel de biogás da una explicación del funcionamiento y muestra las diversas posibilidades de aplicación. La posibilidad de medir y controlar exactamente hasta el µs por SLIO ETS, ofrece ahora la comodidad y la flexibilidad de un PLC que podría combinarse con el proceso estándar de la extremadamente exacta inyección de combustible en las etapas pre, principal y posterior para optimizar el grado de emisiones y la eficacia, prescindiendo de micro controlador y soluciones especiales.

La siguiente descripción muy simplificada muestra la función de control: El cigüeñal (1) gira a 1.500 rpm en este campo. Debido a que es un motor de cuatro tiempos, el proceso de combustión sólo ocurre 750 veces por minuto. Por lo tanto, el árbol de levas (2 y 3) para controlar la entrada y la salida de la válvula sólo gira con 750 rpm. En uno de los árboles de levas hay un sensor de Hall, que envía un impulso a cada vuelta del árbol de levas. Esta señal actúa como una referencia para el proceso de inyección y está conectada a un terminal de entrada de ETS SLIO. El inyector de combustible diesel será controlado electrónicamente con un terminal de salida de ETS SLIO. El sensor en el árbol de levas puede ser colocado de tal manera que el desfase entre la señal de árbol de levas y la secuencia de inyección de combustible están en un campo de unos 10 ms.

Si esta tarea tiene que ser resuelta por terminales standard de E/S descentralizados sería necesario medir el tiempo de la señal de entrada directamente en la CPU. Una serie de inexactitudes resultarian aquí, lo que provocaría un significativo error total: ejemplarmente sólo se describe la fuente del mayor error.

Se supone que el programa de aplicación de la CPU es capaz de medir el tiempo con una precisión suficiente (por ejemplo, SPEED7 CPU con 1 µs resolución temporal). La CPU controla si el evento de entrada (árbol de levas) ocurre y guarda el tiempo. La CPU da la orden a través del maestro de bus de campo al módulo interfaz y a su vez a la terminal, cuando es el momento para cambiar la salida.

La parte verde de la figura 4 muestra, que —a la vista de la CPU— no es posible distinguir el cambio de una señal en el ciclo del bus de campo o más exactamente, lo que exige el momento de la trama de bus de campo. Se presenta un campo de imprecisión con el ancho de un tiempo mínimo de ciclo del bus de campo.

Por lo tanto, en un sistema Profibus con 600µs de tiempo de ciclo (mejor de los casos) resulta en un error de hasta 5,4 grados para determinar la posición del cigüeñal (a través del sensor del árbol de levas). 1500 rpm para un tiempo de 40 ms por revolución y para una velocidad angular de 9 grados por ms, significan que 5,4 grados se gestionan en 600 µs. Más errores aparecerían al activar la salida.

Con Profinet IRT y 250 µs de ciclo el error se reduciría a 2,25 grados.

Debido a estos errores inadmisibles estas soluciones están fuera de cuestión. En la mayoría de estos casos, se aplican las unidades especiales de control de levas. Pero esta solución supone un alto coste y resulta inflexible y mala de escalar cuando la adaptación y optimización son necesarias.

Cuando los terminales de E/S son capaces de medir el tiempo de los flancos de la señal con respecto al retardo en la conmutación de las salidas hasta el tiempo que la CPU define, todas las fuentes de error de la precisión temporal de las que son causadas por el bus de campo y el ciclo de la CPU son eliminadas.

La parte violeta de la imagen 5 muestra la gran mejora de la precisión temporal de dicho sistema en comparación con terminales de E/S sin marca de tiempo en µs- ETS (verde).

Tan pronto como el terminal de entrada SLIO de ETS detecta el evento del árbol de levas, guarda adicionalmente el último estado de las entradas y el tiempo en la memoria FIFO. Estos datos son transferidos a la CPU a través del bus de campo. El evento se podría clasificar ahora independientemente del bus de campo o el ciclo de la CPU en base de la marca de tiempo.

Debido a los tiempos de todos los módulos SLIO en un módulo de interfaz corriendo igual a +/- 85 ns, la CPU es capaz de calcular los tiempos de cambio para las salidas de ETS SLIO (inyector) con exactitud de hasta 1 µs y transferir los valores a través del bus de campo. Si el tiempo de conmutación en el terminal se ha alcanzado, las salidas están controladas de manera adecuada y el error resultante es sólo 0,009 grados.

Dentro de un ciclo de bus de campo hasta 15 peticiones de conexión se pueden enviar a un módulo ETS SLIO. Por lo tanto, una salida podría ser controlada varias veces dentro de un ciclo. Los módulos de entrada SLIO ETS tienen también una memoria FIFO que puede almacenar 15 entradas de datos.

A través de la aplicación de módulos SLIO ETS, por ejemplo, en un sistema Profibus, los errores de medición se podrían reducir a 1/600.

Los tiempos entre los módulos de interfaz de varios SLIO podrían ser sincronizados exactamente a +/- 5 ms en la operación equidistante DPV2 (isócrona). Así que es posible también medir y controlar con resolución de µs en las grandes instalaciones descentralizadas.

Ejemplo: Cortadora de papel

En el siguiente ejemplo simplificado de una cortadora de papel, se muestra la aplicación del mismo tiempo de base con varios módulos de interfaz:

El detector para el reconocimiento de la etiqueta y el codificador incremental están conectados a cada módulo de interfaz Profibus. El contador de SLIO para el codificador incremental proporciona un valor al µs en tiempo de ejecución. Este valor permite definir fácilmente la velocidad de la cinta. El módulo digital ETS SLIO de entrada añade a los cambios de la señal del lector de la etiqueta una marca de tiempo ajustada al µs. La CPU puede controlar la ‘cortadora’ a través de un terminal digital de salida ETS SLIO salida de forma muy precisa, debido a que la segunda IM tiene la misma base de tiempo (máximo +/- 5 µs) que la primera IM.

Las siguientes precisiones se consiguen, al menos, a los cinco metros por segundo: (Cálculo simplificado)

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

La función de marca de tiempo también está disponible para el módulo de contaje SLIO y módulos de SSI para hacer fácilmente, por ejemplo, mediciones precisas de la velocidad. También los módulos analógicos de E/S ofrecen alta velocidad con marca de tiempo y función de memoria. Como ejemplos de uso, el generador diesel, cuya corriente eléctrica debe ser suministrada de forma síncrona en el sistema de suministro de energía. La sincronización exacta y la regulación de la tensión de la línea que es necesaria para este fin se podrían hacer con terminales de entrada analógicos SLIO ETS. Todos los módulos SLIO ETS se pueden combinar con módulos SLIO standard para aplicaciones particulares.

VIPA GmbH ofrece con el sistema SLIO:

• Un Sistema de E/S con concepto de etiquetado y mecánica orientado al usuario
• Clara indicación de estado y diagnóstico
• Técnica de conexión eficiente en ahorro de espacio y tiempo
• Fiable y rápido bus posterior
• Mediante la aplicación de la función de marca de tiempo ETS para medir y controlar exactamente al µs, aparecen nuevos campos de aplicación para los autómatas programables y sistemas de bus de campo, cuyas ventajas son fácil programación, flexibilidad y facilidad de mantenimiento, pero que estaban reservadas para soluciones especiales hasta ahora.