Budoucnost i v průmyslu patří komunikaci. Uvedený Ethernet I/O systém tak již v základním výpočetním modulu podporuje plnou Ethernet komunikaci. Součástí je i OPC a Embedded Web server umožňující bezproblémový přenos dat a řízení z jiných PC i PLC nezávisle na výrobci.

I v nabídkách v České republice málo známých výrobců lze najít zajímavé řídící systémy, obsahující zajímavé vlastnosti a prvky. Mezi takové patří i tzv. Ethernet I/O system, jak ho pojmenoval samotný výrobce, firma Intelligent Instrumentation. Jak blíže popíšu níže, jde o zajímavý "hybrid" mezi běžnými systémy typu PLC, PAC a Embedded PC. Vizáží, provedením a modulárností odpovídá PLC, řídícími a komunikačními schopnostmi pak systémům PAC a použitým operačním systémem pak Embedded PC. O co tedy jde ?

Sám výrobce popisuje jeho Ethernet I/O systém EDAS CE jako otevřenou architekturou pro monitorování a řízení aplikací a procesů. Je fakt, že díky modulární konstrukci umožňuje snadnou hardwarovou implementaci již stávajících systémů a díky použití operačního systému Windows CE 3.0 umožňuje standardními vývojovými nástroji (Microsoft eMbedded Visual C++) si vytvořit vlastní libovolnou aplikaci. Ta může využívat vstupy a výstupy všech modulů, které jsou k blokům napájení a CPU připojeny. Těch může být různý počet, maximálně však 12. Jak již vypovídá název "Ethernet I/O systém" je zde kladen velký důraz na použití komunikace prostřednictvím ethernetu. Ten je součástí již základního CPU modulu, stejně jako vestavěný OPC a Embedded Web server. To umožňuje začlenit tento systém prakticky okamžitě do již stávajícího systému. Dále také není problém systém přímo napojit na uživatelské rozhraní, SCADA nebo různé HMI (Human-Machine Interface) systémy. Společně se širokou paletou PC softwaru pro návrh aplikací tedy není problém řídit i hodně specifické aplikace. Velká univerzálnost proti klasickým PLC je ale přece jenom vykoupena větší softwarovou složitostí, čímž tento systém přímo nekonkuruje tradičním "jednoduchým" PLC. Na druhou stranu však nedosahuje takové flexibility a výpočetního výkonu větších a rozsáhlejších systémů, jako jsou například Compact FieldPoint a PXI firmy National Instruments.

Porovnání Ethernet I/O systému s PLC a PC

Porovnání s PLC:

• Zhruba stejná velikost a instalační provedení
• Větší výpočetní výkon a komunikační schopnosti
• Volnější návrh řídících aplikací (programování aplikací přes Visual C++)
• Složitější softwarová konfigurace / programování
• Vhodné pro větší a složitější řídící procesy (COM/DCOM/OPC/ODBC připojitelnost)
• Jednoduchá konfigurace a přístup přes webové rozhraní (obsahuje Embedded Web server)
• Analogové zpracování dat až 200 kvzorků/sekundu (kS/sec)

Porovnání s Embedded PC:

• Menší rozměry a složitost
• Jednodušší instalace
• Menší výpočetní výkon
• Menší univerzalita
• Větší mechanická odolnost
• Vestavěná možnost sériového přenosu dat pro Ethernetu

Příklady použití v praxi

Systém Ethernet I/O je možné použít v široké oblasti průmyslu, prakticky i pro většinu aplikací jako alternativa k PLC nebo malým PAC systémům. Například pro řízení robotů, regulaci topných a klimatizačních systémů, pro HMI, sběr dat z rozsáhlých měřících systémů apod. Jako doklad použitelnosti lze uvést i příklad, kde se Ethernet I/O systém opravdu prakticky použil buď jako hlavní řídící jednotka nebo jako součást distribuovaného systému:

 

• Aerodynamický tunel (Race Car Wind Tunnel Testing) - I když je celý aerodynamický tunel samozřejmě řízen výkonnými PC je zde z důvodu vysokého rušení nutné zajistit co nebližší předzpracování dat ze senzorů, tj. zajistit, co nejkratší propojovací vzdálenost mezi citlivými analogovými senzory a systémem, který upraví naměřené signály a data do vhodné podoby pro další přenos do PC. Zde se právě použili Ethernet I/O systém EDAS CE konkrétně pro systém měření tlaku (Ethernet-ready pressure scanning system from Scanivalve).
• Real-Time měření vibrací ve válcovně plechu ve firmě Morgan Construction - zde EDAS zpracovávají data z akcelerometrů.
• Monitorování budov v městě New Mexico - zde EDAS monitoruje a optimalizuje teplotu v místnostech a podává hlášení o alarmujících stavech chladícího systému.

Další možnosti použití:

• Monitorování a řízení automatických zařízení
• Monitorování a řízení procesů
• Vzdálené zpracování dat, předzpracování signálů přímo u senzorů
• Monitorování budov
• Zabezpečovací a přístupové systémy
• Výrobní testovací systémy
• Zákaznické OEM řešení
• atd.

Struktura Ethernet I/O systému EDAS CE

Jak již bylo krátce zmíněno výše, Ethernet I/O EDAS CE firmy Intelligent Instrumentation jsou kompaktní řídící systémy zaměřené hlavně na flexibilitu a schopnost rychlé komunikace. Ta v dnešních distribuovaných systémech, které se skládají z mnoha vzájemně komunikujících jednotek, hraje klíčovou roli. Proto je Ethernet rozhraní (10/100BaseT) implementované přímo do řídící CPU jednotky společně s RS-232.

V základu je modulární systém je složen z:

• Napájecí zdroj - vstupní napětí 90-260 V AC, výstupní napětí 5 V, 10 A
• CPU modul - obsahuje mimo samotné výpočetní jednotky (procesoru) i 10/100BaseT Ethernet a RS-232
• I/O moduly - různé moduly typu analogové nebo digitální vstupy a výstupy, řízení motorů

V celku systém poskytuje zpracování libovolného procesu 32bitovým procesorem AMD Elan s Flash i RAM pamětí, na kterém běží operační systém Windows CE verze 3.0. Ten se od běžných Windows liší hlavně v přístupu k datům, kdy z důvodu neexistence harddisku využívá co nejvíce RAM, kterou využívá nejen pro práci programu, ale i jako virtuální disk. Důvod je minimalizovat počet zápisů na Flash paměť, která má velmi omezenou životnost. Řízení a monitorování z PC či z HMI je možné prostřednictvím embedded interactive Web serveru nebo přes jednoduchý OPC server. K CPU jednotce lze připojit až 12 I/O modulů, to umožňuje získat až 192 vstupních kanálů. Vzájemná komunikace mezi CPU a I/O moduly probíhá přes enhanced PC/104 bus. Systém je přitom odolný proti šoků a trvalým vibracím. Též dokáže pracovat při teplotách 0 až 60°C.

Nabídka vestavných modulů

Podobně jako u PLC systémů je i zde vestavná architektura založená na připevnění modulů na DIN lištu a jejich vzájemné signálové propojení, které zajišťuje vnitřní sběrnice.

CPU jednotka

Ta tvoří spolu s napájecím modulem základní položku systému. Zvolit lze ze tří typů EDAS-2000E-1, -2, nebo -3 Series base unit jednotné velikosti 116 x 150 x 85 mm, které obsahující 32bitový 66 MHz embedded procesor AMD Elan SC400 a paměť 64MB DRAM + 32 MB Compact Flash (rozšiřitelnou až na 1 GB). Verze 2 a 3 navíc obsahují bateriově zalahovanou NV-RAM velikosti 128 kB, která udrží data i po vypnutí napájení a přitom pracuje rychleji než Flash paměť. Pro komunikaci s okolním světem slouží RS-232 port a 10/100BaseT Ethernet rozhraní podporující TCP/IP, UDP, SNMP, DHCP, HTTP i časovou synchronizaci.
Všechny moduly mají v ROM uložený OS Windows CE 3.0. Verze 3 (EDAS-2000E-3 Base Unit) navíc obsahuje Entivity Studio 7.0 Runtime kernel, který umožňuje přímé spuštění aplikací vyvinutých Entivity Studiem.

Analogové vstupní moduly

Tyto moduly umožňují měření napětí v řádu jednotek 0 až 10 V nebo proudy 0 až 20mA běžné v proudových smyčkách z průmyslových senzorů a vysílačů. Každý modul má 16 vstupních kanálů, pomocí kterých může měřit i 8 diferenčních signálů nebo přímo připojit termočlánky typu J, T nebo T. Za každým vstupem následuje programovatelný zesilovač a 12bitový A/D převodník. Signály (do až frekvencí 200 kHz) na každém vstupu lze zaznamenávat do paměti nebo jeho vzorky přímo posílat přes Ethernet do dalšího systému. Součástí jen i Channel Scanner a 24bitový Rate Generator.

Výstupní analogové moduly

Tyto moduly nabízejí 8 výstupů s napěťovým rozsahem 0 až 10V a zatížitelností až 10 mA. Využívá se zde 12bitového D/A převodníku.

Digitální vstupní/výstupní moduly

Zde je více typů modulů. Jedni nabízejí 8 vstupů a 4 výstupy, kde každý může být nezávisle nastaven jako čítač, vstup reagující na změnu stavu nebo jako pulsní generátor. Jiný modul pak obsahuje 16 vstupů pro napěťové úrovně 5, 24, 120 nebo 240 V. K dispozici jsou také moduly s 12 výstupy pro úrovně 12 nebo 24 V spínající jako NPN nebo PNP. Dále existují i moduly s reléovými nebo triakovými výstup pro spínání velkých zátěží a motorů.

Modul pro sériovou RS-232C komunikaci

Každý modul nabízí 4 subminiaturní 9pinové D-SUB konektory umístěné na zadní straně modulu. Komunikace může probíhat volitelnou rychlostí v rozsahu 300 - 115 KBaudů. Protože systém podporuje až 6 těchto modulů, je možné získat až 24x RS-232 + 1x konektor na CPU modulu.

Kvadraturní enkodér/vysokorychlostní čítač

Univerzální kvadraturní enkodér/čítač může být použit pro měření pozice a rychlosti v aplikacích s hřídelovými vysílači polohy. Ke každému modulu je možné přes šroubové svorky připojit signály až ze dvou standardních snímačů/enkodérů (dva kanály) se signály až do frekvence 500 kHz. Každý kanál pak obsahuje dva digitální vstupy s možností nastavení čítání nahoru nebo dolů v módu vysokorychlostního čítače a dva digitální výstupy. Čítače mají 32bitové rozlišení.

Softwarová podpora & vývoj

Microsoft eMbedded Development Tools - poskytuje uživatelům/koncovým vývojářům eMbedded Visual C programovací prostředí umožňující čtení, zápis a vývoj aplikace pro EDAS CE. Programovací rozhraní pro systém, síťové prostředky a sériové porty používá klasických 32 API, zatímco pro přístup k I/O modulům se využívá další specielní API prostředky - CE link API.

WebDevice = embedded Web server, který podporuje funkci statických nebo dynamických webových stránek pro potřeby vzdáleného řízení. Dynamické stránky je pak možné použít ke zpracování dat z I/O modulů a jejich zasílání dat v reálném čase. Umožňuje navázat komunikaci se zařízeními s OS Windows 98/Me/NT/2000/XP přes webové prohlížeče a přes ODBC.

Entivity studio automation & control software - velmi rozsáhlý vývojový software umožňující návrh aplikací přes bloková a vývojová schémata a návrhy HMI rozhraní pro vzdálené řízení z PC. Podporuje komunikaci s SQL databázemi, obsahuje OPC 2.0 client/server a DDE Server, má integrovanou podporu pro COM, DCOM a Microsoft.NET. Zjednodušuje návrh aplikací řízení motorů a bloků PID regulátorů. Pro jednoduché vedení projektů nabízí i možnost přímého zpracování dokumentace.

Závěr

Uvedený řídící systém je zajímavou ukázkou, kam se dále ubírá a jistě bude i v budoucnu ubírat trh malých řídících programovatelných automatů (PLC). Budoucnost patří komunikaci systémů. Trend je tedy v maximální podpoře komunikačních prostředků a široké nabídka možností vzájemného předávání dat mezi různorodými řídícími systémy různých výrobců. To vše již součástí základní výpočetní jednotky, tzn. bez nutnosti doinstalovávat další moduly.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka o Ethernet I/O - www.edasce.com