Egy új megoldás az osztott rendszerû vezérlésre Alex Rothwell Control Techniques, UK - Kutatás-fejlesztés
Az összetett felépítésû alkalmazások tervezõi számára nem kis feladatot jelent a vezérlõk, érzékelõk, végrehajtó szervek és az ember-gép kapcsolat eszközeinek egymással való összekapcsolása. A Control Techniques kibocsátott egy sor új terméket, amelyekkel elosztott vezérlésû rendszerek a legköltséghatékonyabb és legrugalmasabb módon valósíthatók meg, PLC-k felhasználása nélkül. Ez a terméksor tartalmaz helyi intelligenciával ellátott hajtásokat, kihelyezett I/O-kat és kezelõi interfészeket. Valamennyi termék szervesen illeszkedik a Control Techniques 5 Mbit/s-os vezérjeles hálózatához, a CTNet-hez, amely nagy sebességgel továbbítja a közvetlen, valós idejû vezérlés adatait. A hajtásvezérlõ funkciók programozása a hálózathoz kapcsolódó Windows IEC1131-3-kompatibilis eszköztár felhasználásával végezhetõ el. A vezérlõrendszer csatlakoztatható SCADA, PLC és más hálózatokhoz.
Bevezetés A korszerû, nagy mûködési sebességû terepi buszt már kiforrott megoldásként alkalmazzák az ipari automatizálás rendszereiben. A kényelmetlen kábelrengeteg digitális soros hálózattal való kiváltása a kábelezési munkák és a telepítési költségek radikális csökkenését eredményezi. Az adatok - a számos analóg építõelem és a hozzájuk tartozó átalakítók alkalmazása esetén - a digitális tartományban maradnak, ami fokozza a rendszer teljesítõképességét, ismételhetõségi képességeit, továbbá kiküszöböli a drifthibákat. A megfelelõ kommunikációs rendszer kiválasztása meghatározóan befolyásolja az automatizálási alkalmazás eredményességét, a rendelkezésre álló rendszerek látszólag végtelen sora azonban megnehezíti a választást a mérnökök számára. Kétségtelen, hogy a hálózatnak elég strapabírónak kell lennie, hogy megbízhatóan mûködjön abban a mostoha környezetben, amelyben a VSD-k (Variable Speed Drives = változó fordulatszámú hajtások) üzemelnek. A hálózatnak rendelkeznie kell az elegendõen nagy adatátviteli sebességhez szükséges dinamikus mûködési tulajdonságokkal, továbbá biztosítania kell a hálózatba kapcsolt VSD-k távfelügyeletét és távbeállítását. Végül szükséges, hogy a tervezõmérnök tudatában az eszközök kielégítõ együttmûködésének. A világszerte csaknem ötven hajtásközpontot mûködtetõ Control Techniques figyelemre méltó tapasztalatokkal rendelkezik a különféle hálózatokat és PLC-ket felhasználó rendszerek összeállításában. A tervezõmérnökök általában területi szempontok és a vevõk igényei alapján választják ki a PLC-ket és a hálózatokat; a végfelhasználók egyre inkább egy
2
általános üzemi hálózat szabványosítására törekednek, különösen azokban az esetekben, amikor a hajtásrendszert üzemük meglévõ rendszerébe kell beilleszteni. Ezek a megoldások többnyire PLC-re alapozott, központosított felépítésû rendszerek. Európában a legelterjedtebben az Interbus S és a Profibus-DP hálózatokat alkalmazzák, mindkettõben szilárdan tartja magát az elosztott PLC eszközöket felhasználó ‘slave’ architektúra, ami nem különösképpen meglepõ, ha figyelembe vesszük, hogy ezeket a rendszereket mely cégek indítványozták: az elosztott I/O-kat elõállító Phoenix Contact és a PLC-ket gyártó Siemens. Minthogy a piac jelentõs részét lefedõ megoldásokról van szó, a Control Techniques eszköztárában fontos helyet foglalnak el a Profibus-DP, Interbus S, Modbus-Plus és CAN rendszerekhez alkalmazható hálózati interfészek. A végfelhasználók közül sokan nem írják elõ szigorúan, hogy milyen mûszaki megoldásokat kell alkalmazni azokban az alrendszerekben, amelyek az üzem átfogó vezérlési funkcióit látják el vagy a felügyeletét ellátó hálózatokhoz való csatlakozás céljára szolgálnak; alapvetõ szempontjaik a megbízhatóság, teljesítõképesség, flexibilitás és az ár. Ha lehetõségünk van a technológia szabad megválasztására, a Control Techniques az elosztott vezérlés megoldásait részesíti elõnyben; az iparágban érvényesülõ másik törekvés a vezérlési funkciók szétosztása az üzemi területen lévõ érzékelõkhöz vagy a végrehajtó szervekhez. Ez a folyamatirányítás ágazatának elfogadott irányelve, ami a legkülönbözõbb teljesítõképességi célkitûzések megvalósítását szolgálja. Az alkalmazások legnagyobb részében kisebb hajtásrendszerek üzemelnek. Ezek lehetnek extrúderek, dróthúzók, szõtt anyagokat feldolgozó kisebb gépsorok, csévélõk, anyagmozgató géprendszerek, szállítópályák, elektronikus áttételek, stb, amelyekhez összehangolt mûködésû hajtásokra (számuk 2-tõl 30-ig terjedhet) és a PLC használatát kiküszöbölõ, elosztott vezérlésre van szükség. Az így felépített rendszert különösen vonzóvá teszik azok az elõnyök, amelyek a költségek csökkenésében és a flexibilitás növelésében jelentkeznek.
Vezérlési architektúrák A vezérlõrendszerek hagyományosan egy központi PLC köré épülnek, amely hordozóvázba épített CPU kártyát, tápegységet és I/O áramköröket tartalmaz. Egy ilyen összeállítás lényegében leutánozza a relés logikai áramköröket, amelyek kiváltására eredetileg kialakították a PLC-ket. Ahogy a 90-es években tökéletesedett a digitális, soros hálózati technológia és növekedett a hálózatok teljesítõképessége, úgy vált lehetõvé az I/O-k decentralizálása.
Ebben
az
architektúrában
az
I/O
pontok
elhelyezhetõk
az
érzékelõk/végrehajtó szervek közelében, és a PLC a hálózaton keresztül távolról ‘szkenneli’ az I/O pontokat. Az Interbus S egyike volt az elsõ hálózatoknak, amelyek közvetlenül a PLChez címezték a decentralizált csatlakozásokat.
3
A változó fordulatszámú hajtások könnyen illeszkednek a PLC + decentralizált I/O modellhez, és a belsõ VSD paraméterek, amelyek szabályozzák a fordulatszámot, nyomatékot, stb., általában I/O-ként jelennek meg a PLC regiszterterületén. A VSD alkalmazások, amelyek az irányítástechnika legigényesebb eljárásai közé tartoznak, a legtöbb esetben digitális szabályozási algoritmusok alkalmazását igénylik
-
olyanokét, mint a PID - az 1-tõl 5 ms-ig terjedõ idõtartamú mintavételezési tartományban. Ez a szabályozási sávszélesség a PLC-ben végzett számításokkal csak úgy valósítható meg, ha nagy sebességû PLC-s letapogatást és terepi buszt alkalmazunk. A terepi busznak periodikusan és determinisztikus módon kell frissítenie a VSD szabályozási paramétereit (alapértékek, visszacsatolás, stb.). Más szavakkal, az adatoknak szabályos, garantált idõközökben kell érkezniük, általában a PLC szkennelõ ciklusához szinkronizáltan. A VSD-k is
használnak általános beállításokat, adatnaplózást és
diagnosztikai adatokat, amelyek továbbítására a terepi busznak szintén képesnek kell lennie. Kézenfekvõ, hogy a csomópontok számának növekedésével a PLC képességeinek és így az árának is növekednie kell, és ezzel együtt a szoftver is terjedelmes és nehezen karbantartható lesz. A kis rendszerek esetében viszont a terepi busz támogatására és egyszerûbb számítások elvégzésére alkalmas legkisebb kiépítésû PLC is megfizethetetlen lehet. Egy másik megoldásként az osztott rendszerû architektúra alkalmazható, ahol a teljes rendszervezérlés szét van osztva az egyes csomópontok különálló programjaira. Egy intelligens VSD helyileg megvalósíthat bizonyos szabályozóhurkokat a helyi visszacsatolás felhasználásával, ami a VSD-hez tartozóan áll rendelkezésre (pl. enkóder-bemenetekként) a terepi busz terhelése nélkül. Ez a megoldás csökkenti a hálózat terhelését, minthogy a hálózatra ezután csak a lassabb külsõ hurok alapjeleinek átvitele hárul, és ezek a jelek kevésbé érzékenyek a rendszer meghatározott válaszjeleiben bekövetkezõ változásokra. Vegyük figyelembe, hogy ha több tengely rendkívül szorosan összehangolt mûködésére van szükség - pl. egy többtengelyes CNC szerszámgép esetében - a frissítési eltérések elfogadhatatlanná válhatnak (bár bizonyos esetekben alkalmazhatók interpolációs technikák ezek kompenzálására); az ilyen alkalmazásokhoz elõnyösebb a központosított megoldás választása. A VSD viszonylag kis ráfordítással ellátható helyi intelligenciával, mivel az erõforrások - mint például a táplálás és a készülékház - megosztottan rendelkezésre állnak. Összességében a rendszer méretezhetõbb lesz, mivel az intelligens csomópontok hozzáadásával könnyebben bõvíthetõ, mintha a PLC-t cserélnénk ki egy nagyobb kiépítésû változatra. A megnövelt flexibilitású, osztott vezérlésû rendszerek megingatják azt a korábbi vezetõ pozíciót, amit a PLC elfoglalt az ipari automatizálásban.
4
Ide kívánkozik még, hogy a PLC-t fenyegetõ másik veszedelem a Soft Logic, amelynek alapja az IEC1131-3-as programozási szabvány. A mindenütt megtalálható PC hardver platformon - amelynek ár/teljesítõképesség aránya tovább javul - a Windows NT valós idejû kiegészítések felhasználásával valóságos operációs rendszert képez, és az így elõálló soft logic vezérlõknek esélyük van rá, hogy háttérbe szorítsák a PLC-t és a CNC gépeket.
Intelligens hajtások és az elosztott vezérlés A Control Techniques erõteljesen támogatja az elosztott vezérlés gondolatát, és valamennyi terepi buszos opciója rendelkezik a lokális intelligencia képességével. A Unidrive intelligens, opciós modulja tartalmaz egy alacsony árfekvésû, 32 bites RISC processzort és a letöltendõ felhasználói programok tárolására szolgáló flash memóriát. A felhasználói programok a beágyazott operációs rendszer alatt futnak, amely lehetõvé teszi mintavételezett digitális algoritmusok - szûrõk, PID, stb. - megvalósítását. Az off-line programfordító eljárás gondoskodik a felhasználói programok legnagyobb hatékonyságú futtatásáról. A CTNet alapelve az elosztott vezérlés, amelyhez a nagy teljesítõképességû helyi hálózatra csatlakoztatott intelligens VSD-ket, kihelyezett I/O-kat, MMI (Man-Machine Interface) és SCADA alállomásokat használja fel.
Rendszerprogramozás Az ipari automatizálás uralkodó programozási nyelve változatlanul a létralogika, és az üzemi karbantartók és mérnökök többsége jól érti ezt és járatos az alkalmazásában. A PLC gyártók többnyire egymástól eltérõen értelmezik a létraprogramozást, és persze teljesen különbözõek a programfejlesztéshez és a hibakereséshez felhasznált eszközeik. Újabban azonban a vezérlés nyílt programozására való átmenet törekvése érvényesül, amelynek legfõbb képviselõi a PLCOpen és az IEC1131-3-as szabvány. Ez a világszerte egyre szélesebb körben elfogadott IEC dokumentum szabványosított vezérlésprogramozási módszerek leírását tartalmazza, amelyek a következõ öt programozási metodika alkalmazására épülnek: utasításkészlet (hasonló a PLC mnemonikához), strukturált szöveg (hasonló a PASCALhoz), létra, funkcióblokk és szekvenciális mûködési vázlat (a Grafcet-hez hasonló állapotdiagram). A teljes megoldást kínáló CTNet fontos részeként a Control Techniques egy új, magas szintû programozási és konfigurálási eszköztárat nyújt, amelyet a létra- és funkcióblokkos programozás felhasználása jellemez. Ez a nyílt szabványon alapuló programozási eszköztár, amely a normál Microsoft Windows platformokon mûködik, különösen vonzóvá fogja tenni a CTNet-et
az
új
rendszerekkel
járó
betanulásoktól
és
kiképzésektõl
idegenkedõ
végfelhasználók körében. Ez a nyílt programozási rendszer a terjedelemtõl és a felhasználás
5
céljától függetlenül láthatatlanná teszi a végfelhasználó számára az alapul szolgáló hardvertechnológiát. Az IEC1131-3 paradigma magában foglalja az objektumorientált programozási eljárás bizonyos sajátosságait, különösen a szoftver modulos felépítésének vonatkozásában. Az IEC1131-3-ban és a CTNet-ben ezt elsõsorban a felhasználó által definiált funkcióblokkok segítik elõ, amelyek biztosítják a szoftver modulos felépítéséhez és a programok ismételt felhasználása szempontjából fontos modulkönyvtár kezeléséhez szükséges szerkesztési megoldásokat. Egy osztott rendszerû alkalmazás programozása új helyzetet teremt, amelynek kezelésére az eszköztárba beépített kulcsfontosságú képességek szolgálnak. A rendszer kialakításának és üzembe helyezésének ideje alatt a kisegítõ programkészlet közvetlenül csatlakozik a CTNet-hez. Ennek a kedvezõ helyzetnek köszönhetõen a felhasználó programozhatja és nyomon követheti az összes hálózatba kötött intelligens VSD mûködését, továbbá felépítheti a hajtások közötti ciklikus adatforgalmat, amely szükséges a géprendszer valós idejû vezérléséhez. Az alkalmazói munkaterület tartalmazza a hálózat grafikusan megjelenített csomópontjait és a kommunikációs ciklus vonalas ábrázolását, ahol a vonalak a csomópontokat kötik össze. Az ‘elhúz-letesz’ módszert alkalmazó grafikus szerkesztõvel a felhasználó könnyen kialakíthatja az osztott rendszerû alkalmazást (1. ábra).
1.ábra Az eszköztár alkalmazási munkaterülete
6
Bármelyik csomópontra kétszer rákattintva szerkeszthetõ a hozzá tartozó VSD- program. A maximális flexibilitás lehetõvé teszi a program megírását a létra-, funkcióblokk-diagram vagy a Control Techniques szöveges DPL (Drive Programming Language) programnyelvének felhasználásával is (2. ábra).
2. ábra Létra- és a funkciódiagramos program összeállítása A CTNet A CTNet architektúra gerincét az a kiváló mûködési tulajdonságokkal rendelkezõ hálózat képezi, amely flexibilis, egyenrangú adatátvitelt biztosít a rendszer csomópontjai között. A CTNet fokozza a bevált vezérjeles gyûrûhálózati technológia teljesítõképességét az egyedülálló protokollkészlettel, amelynek kettõs ciklikus adatcsatornája van a valós idejû vezérlõadatok hatékony szinkron átviteléhez. Ezen kívül az általános célú csatorna biztosítja az esetleges, - vagy az események által kiváltott - mûveletek végrehajtását, amelyek alkalmasak adatnaplózásra, diagnosztikára és beállítások elvégzésére (3. ábra).
7
Ciklikus adatok
Változó fordulatszámú hajtás Általános üzenetadatok Alk. réteg interfész Alkalmazási réteg
3. ábraCTNet A CTNet üzenetprotokollkészlete protokoll
Ciklikus adatok
hálózati Elterjedten alkalmazott elv a gyorsanAlsó és szintû megfelelõ idõben továbbítandó adatokhoz. A valós adatkezelõ
Adat-
idejû adatok csupán kis részéhez (pl. fordulatszám, nyomaték, vezérlés, állapot) szükséges kapcsolati A vezérjeles gyûrû
réteg ezt az átviteli módot alkalmazni. A CTNetvezérlõje a ciklikus adatokhoz két különálló logikai csatornát
biztosít, kétszintû prioritással. A két ciklikus Fizikaiadatcsatorna réteg prioritásának megõrzéséhez és a nem idõkritikus általános üzenetekSzigetelt beiktatásához egy kiválasztott hajtás általános érvényû transzformátor ütemjelet állít elõ. A periodikusan ismétlõdõ frissítésekhez szükséges ciklikus adatcserék az Árnyékolt, sodrott érpár
ütemjelhez vannak szinkronizálva; az általános üzenetadatok átvitelére közvetlenül a ciklikus adatok továbbítása után kerül sor (4. ábra).
Általános üzenetek Átvitt ciklikus adatok Szinkronizáló ütemjel
Szinkronizáló idõ ütemjel
4. ábra Ciklikus adatátvitelek Csak példaként említve: egy többfokozatú hálókikészítõ hengersor 30db VSD-bõl álló rendszerében az összes pont közötti 16bájtos ciklikus adatcsere 5ms-os ciklusidõvel valósítható meg.
Általános üzenetadatok Az ‘alkalmazási’ réteg a VSD adatainak eléréséhez flexibilis szolgáltatásokat nyújtó magas szintû protokoll. Ez a nem idõkritikus hozzáférés jellemzõen a kezelõi beavatkozás, VSD
8
beállítás (PID értékek, felfutási/lefutási idõk, stb.), alkalmazói szoftverletöltés, általános diagnosztika és adatnaplózás céljára szolgál. Az alkalmazási réteg flexibilitása általában nagyon sok járulékos elem felhasználását teszi szükségessé, ami lassítja a mûveletek végrehajtását, ezért a CTNet ciklikus adatai a maximális hatásfok elérése érdekében kikerülik ezt a réteget.
Fizikai réteg A ‘fizikai’ réteg meghatározza az átviteli közeget és a közeghez alkalmazott digitális információ
kódolásának
módját.
A
kontaktorok,
erõsáramú
kapcsolóeszközök
és
áramelosztók mind hozzájárulnak a VSD alkalmazások környezetében fellépõ magas elektromágneses zajszinthez, amelyek hatásától meg kell védeni az adathálózatot. A CTNet egy jól méretezett transzformátoros leválasztású, csavart érpáros, árnyékolt kábeles interfészt alkalmaz a csomópontok összekapcsolásához. Az árnyékolt csavart érpárt többnyire elõnyben részesítik gazdaságossági megfontolásokból és a könnyû telepítés miatt. A jelismétlõk és hubok a hálózat bõvítéséhez használhatók, és megkönnyítik a fénykábelek alkalmazását, ha hosszabb kábelvezetésre van szükség. A CTNet jellemzõi közé tartozik az automatikus konfigurálás, ami nagy mértékben leegyszerûsíti a hálózat felépítését; a csomóponti címek és az átviteli sebesség beállítása után a hálózat készen áll a használatba vételre.
Összekapcsolhatóság A
CTNet-re
csatlakoztatott
intelligens
VSD-kkel
ellátott
gyártó
részleg
nagy
teljesítõképességet és megismételhetõ eredményeket fog szolgáltatni. Egy korszerû, gyors reagálású gyártó rendszer mûködtetéséhez a végfelhasználónak folyamatosan és kellõ idõben meg kell kapnia a termelési adatokat, a gyártási folyamat megfelelõ irányításához. A gyártó részlegek szintjén a legtöbb esetben SCADA és MMI állomásokat helyeznek el. Szintén Emerson Electric vállalat, - a Control Techniques testvércége - az Intellution gyártja a FIX márkanevû terméket, amelyet sokan a legkiválóbb SCADA rendszerek egyikének tartanak. Az Intellution és a Control Techniques közötti szoros együttmûködésnek köszönhetõ egy CTNet meghajtó létrehozása is. Windows-alapú DDE meghajtó szintén rendelkezésre áll, bármely DDE konform Windows programhoz való csatlakozáshoz. Várható egy gyári méretû hálózati összeköttetés kiépítésére alkalmas termék megjelenése, továbbá leltárkészítõ és más gyári rendszerek kibocsátása, amelyekkel megvalósítható egy nagyvállalati, kiterjedt kapcsolatrendszer belsõ hálózata. A Control Techniques felhasználta az SS technológiát, hogy létrehozzon egy CTNet meghajtót a bevált XLINK platformhoz. Az XLINK intelligens eszközként a két hálózat közötti átjárás funkcióját támogatja, járulékos programozás igénybe vétele nélkül. Felhasználásával kapcsolat
9
létesíthetõ a CTNet és a DH+, DH485, AB-DF1, AB-Ethernet, LONWorks, GE-GENIUS, Modbus-Plus, Interbus S, Profibus DP, SERIPLEX és sok más rendszer között.
Összefoglalás A Control Techniques képes eszközöket biztosítani az iparban használatos minden fontosabb terepi busz támogatásához, és terméksora tartalmaz Interbus S, Profibus DP és Modbus-Plus interfészeket. Az alkalmazásokban, amelyek felhasználják ezeket a hálózatokat, érvényesülnek a PLC központú architektúra jellemzõ vonásai, de ezek a megoldások nem használják ki az intelligens hajtások és az elosztott intelligencia által kínált minden lehetõséget. A kulcsrakész rendszerekhez a CTNet architektúra ajánlható, mint a legkisebb ráfordítást igénylõ, bõvíthetõ és a legnagyobb teljesítõképességet nyújtó kialakítási mód, amelynek elõnyei elsõsorban a VSD-ket felhasználó kisebb rendszerekben jelentkeznek. A CTNet kimondottan az intelligens hajtások és perifériák szerves egységbe foglalására szolgáló
rendszer,
amely
garantálja
a
hálózatba
kapcsolt
eszközök
zavartalan
együttmûködését. A Control Techniques számos külsõ partner bevonásával gondoskodik az I/O, MMI és SCADA megoldásokról, beleértve a más hálózatokhoz való csatlakozás céljára szolgáló átjárókat is. A Control Techniques egyik célja az, hogy az IEC1131-3 osztott rendszerû, beágyazott soft logic programrendszert felhasználó alkalmazási logikával és algoritmusokkal kiváltsa a PLC-ket. Ennek megkönnyítésére vevõit ellátja felhasználóbarát fejlesztõi eszköztárral, melynek részét képezik a szoftver ismételt alkalmazását és karbantartását elõsegítõ felhasználói funkcióblokkok. A CTNet mûködésének alapvetõ eszköze a nagy igénybevételhez kialakított 5 Mbit/s-os vezérjeles gyûrûhálózat.
