Moduły I/O – Polska

Badania, które objęły moduły wejściowo-wyjściowe, pokazują, że czytelnicy Control Engineering Polska, dokonując wyboru takich urządzeń, zwracają uwagę na modułowość, łatwość obsługi, odporność na pracę w trudnych warunkach, a także na wyposażenie i wiele interfejsów analogowych, cyfrowych i sieciowych.
Czytelnicy Control Engineering Polska w ankiecie przeprowadzonej w czerwcu 2010 r. wskazują trendy zmian urządzeń I/O. Identyczna ankieta została przeprowadzona w amerykańskim Control Engineering (artykuł po prawej stronie).
Najbardziej pożądana cecha modułów I/O to łatwość i swoboda konfiguracji punktów analogowych i dyskretnych. Użytkownicy podkreślają wagę ergonomiczności w postaci łatwego podłączania przewodów, umieszczania modułów na szynie i rozbudowywania systemu. Nie mniej istotna jest także możliwość mieszania wejść/wyjść analogowych z dyskretnymi oraz funkcja diagnostyki i separacja optyczna.
Większość modułów I/O podłączonych jest do sterowników PLC. Ankietowani wskazali, że liczba modułów obsługiwanych przez PLC jest ponadtrzykrotnie większa niż liczba modułów pracujących w systemach DCS i podobnych. Np. opracowane przez firmę Turck moduły I/O rodziny BL Compact pozwalają na zebranie wielu różnych typów sygnałów w pojedynczym węźle sieciowym. Akceptują sygnały analogowe, cyfrowe, szeregowe, pochodzące z termopar, czujników RTD i znaczników FRID. Mogą się komunikować z innymi elementami sieci poprzez interfejsy DeviceNet, CANopen lub Profibus. Dostępne są wersje o różnych konfiguracjach, pozwalające na podłączenie maksymalnie 16 sygnałów.
Respondenci wskazują, że prawie 70% połączeń między modułami wykonywanych jest za pomocą Ethernetu przemysłowego. W następnej kolejności istotną rolę odgrywają protokoły sieci rozproszonych i Ethernet. Rzadziej zastosowanie znajdują protokoły wymiany danych między urządzeniami i protokoły do zastosowań bezprzewodowych.

Polscy i amerykańscy inżynierowie są zgodni w kwestii używania modułów I/O wyposażonych w jednostkę obliczeniową w celu wyeliminowania innego kontrolera.
Simatic ET 200pro IWLAN firmy Siemens Industry znacznie redukuje ilość kabli i kosztów instalacyjnych, bezprzewodowo łącząc dowolne moduły ipunkty pomiarowe. Odporna obudowa w wykonaniu IP67 może być – zgodnie z zapewnieniami Siemensa – montowana bezpośrednio na maszynie bez użycia dodatkowych osłon.
Ponad połowa respondentów wskazała, że używa modułów I/O wyposażonych we własną jednostkę przetwarzania danych. JM elektronik proponuje moduły we-wy firmy ICP DAS z rodziny PET-7000 zasilane za pomocą technologii PoE, z wbudowanym serwerem WWW, umożliwiającym zdalne konfigurowanie, monitorowanie i sterowanie z wykorzystaniem przeglądarki internetowej. Urządzenia te obsługują standard Modbus/TCP, dając tym samym możliwość dostępu do danych pomiarowych z poziomu oprogramowania SCADA i pracują w szerokim zakresie temperatur pracy -25°C do 75°C.
Co na rynku
Automatycy często stają przed problemem integracji rozległych systemów pomiarowych. Konieczne jest w nich przesyłanie dużej liczby sygnałów na znaczne odległości. W takim przypadku staje się przed koniecznością przygotowania instalacji, która powinna uwzględniać ochronę przed zakłóceniami. Są one szczególnie uciążliwie w przypadku sygnałów analogowych.

Przydatne jest wtedy przesyłanie sygnałów w postaci przetworzonej do formy cyfrowej, za pomocą sieci Ethernet. W modułach serii ADAM-6000 zastosowanie znajduje implementacja protokołu P2P (Peer To Peer). Urządzenia nie wymagają korzystania z dodatkowego urządzenia MASTER, które odpowiedzialne jest za cykliczne odpytywanie modułów wejściowych i na tej podstawie ustalanie stanu wyjść w modułach wyjściowych. W trybie BASIC współpracuje ze sobą tylko para modułów: moduł wyposażony w wejścia (analogowe lub cyfrowe) dokonuje cyklicznego ich próbkowania i na podstawie uzyskanych danych autonomicznie, za pośrednictwem połączenia sieciowego, wysyła odpowiednie komendy ustalające stany wyjść do modułu „wyjściowego”. Użytkownik ma również do dyspozycji tryb ADVANCED. W danym module „wejściowym” oddzielnie dla każdego z wejść ustalić można inny adres IP oraz nawet inny numer kanału modułu docelowego („wyjściowego”).
Moduł IO-16DI wyposażono w 16 wejść cyfrowych z możliwością konfiguracji 16 liczników. Pojemność liczników to 32 bity przy częstotliwości 1 kHz. Minimalna szerokość impulsu wynosi 0,5 ms. Pozostałe parametry tego urządzenia to:

  • stan niski: 0–6,5 VDC,
  • stan wysoki: 12–24 VDC,
  • impedancja wejścia: 2,2 kΩ,
  • zasilanie: 12–24VDC,
  • stan wejść: LED dla każdego kanału.

Moduły Ethernet I/O serii MSX-E przeznaczone są do systemów akwizycji i przetwarzania sygnałów We/Wy bezpośrednio na maszynach produkcyjnych, działających w środowisku przemysłowym. Obudowy wykonane są z metalu.
Odporność na działanie czynników zewnętrznych zapewnia wysoki stopień ochrony IP. W module uwzględniono 32-bitowy procesor ARM9, pracujący pod kontrolą wbudowanego systemu Linux. Moduły mogą być podłączane bezpośrednio do sterowników PLC, np. Siemens S7, przez wbudowany switch Ethernet. Dane pomiarowe mogą być grupowane w pakiety ze znacznikiem czasowym, a dostępne operacje obejmują uśrednianie, wyliczanie wartości szczytowych i interpolację. Zastosowanie znajdują odpowiednie algorytmy, dzięki którym możliwe jest natychmiastowe przetwarzanie danych na postać cyfrową bezpośrednio w module oraz przeprowadzanie na nich obliczeń. Moduły I/O mogą współpracować z komputerami, na których zainstalowane są systemy operacyjne obsługujące standardowe protokoły transmisji SOAP, Socket TCP/IP i UDP. Wywoływane modułów może odbywać się z poziomu PC poprzez biblioteki DLL lub bezpośrednio przez protokół TCP/IP.

Firma Rockwell Automation wprowadziła moduły We/Wy o wysokiej gęstości w linii Compact I/O. Konstrukcja modułów pozwala na ich łatwe łączenie ze sobą. Tym sposobem zyskuje się uwzględnienie indywidualnych wymagań systemu bez kosztownego przewymiarowania. Urządzenie standardowo wyposażone jest w gniazdo przeznaczone do prefabrykacji kabli łączeniowych. Moduły mają maksymalnie cztery izolowane kanały o następującym poziomie izolacji: 500 V prądu przemiennego lub 710 V prądu stałego w ciągu jednej minuty, przebicie kanał – kanał i kanał – płyta montażowa. Obudowy można instalować na płycie montażowej (za pomocą śrub) lub na szynie DIN, co eliminuje konieczność stosowania kasety i pozwala na jednoczesną oszczędność miejsca w szafie.
Moduły I/O z interfejsem IO-Link przeznaczone są do pracy m.in. w obrabiarkach, przemyśle ciężkim, urządzeniach spawalniczych itp. Metalowe moduły z portami M12 są proste w instalacji i uruchomieniu. W urządzeniach przewidziano szczegółową diagnostykę pojedynczego portu wykrywającą zwarcia, przeciążania oraz brak komunikacji. Wejścia mogą być programowalne jako NO lub NC. Podłączenie czujników z diagnostyką odbywa się w standardzie DESINA.
W modułach BNI IOL-252 i BNI IOL-256 porty podzielono na dwa segmenty 2×4 porty. Każdy segment jest oddzielony od drugiego galwanicznie. Maksymalne obciążenie portu to 2 A.
I/O bezprzewodowo
Firma Phoenix Contact oferuje moduły umożliwiające bezprzewodową transmisję sygnałów procesowych i sterujących. Urządzenia ILB BT ADIO 2/27 16/16 mają 16 cyfrowych wejść/wyjść oraz dwa wejścia/wyjścia analogowe i podłączane są do magistrali lokalnej bezprzewodowo poprzez moduł bramki – stacji bazowej lub urządzenia IB IL 24 FLM Inline. Stację wejść/wyjść można włączać również z wykorzystaniem różnych łączników magistrali do wszystkich standardowych sieci lokalnych – Interbus, Profibus i innych. Zastosowanie standardu Bluetooth 1.2 umożliwia niezawodną transmisję danych w środowisku przemysłowym.
Moduły systemu I/O WAGO zasilane są odpowiednim napięciem przez interfejsy (sterowniki) lub specjalne moduły zasilające. Połączenie powstaje poprzez styki mocy, znajdujące się w każdym module, od sąsiedniego elementu w węźle, po lewej stronie. Połączenie tworzy się automatycznie z chwilą wpięcia modułu na szynę montażową. Położenie modułów w węźle jest dowolne. Należy mieć jedynie na uwadze liczbę i sposób zasilania (napięcie) styków mocy. Celem eliminacji szumów i tłumienia zakłóceń wywoływanych np. drganiem styków przekaźnika na wejściu – każdy kanał wyposażony jest w filtr RC o stałej czasowej 3,0 ms lub 0,2 ms.
Sterownik CJ oferuje szeroki wybór analogowych modułów wejść; jest odpowiedni do wszelkich zastosowań: od powolnych wielokanałowych pomiarów temperatury po szybkie, precyzyjne zbieranie danych. Wyjścia analogowe mogą być wykorzystywane przy precyzyjnym sterowaniu lub do zewnętrznych wskazań.

Niełatwy wybór
Bartłomiej Besz, specjalista d/s automatyki, TURCK
Rynek modułów I/O w Polsce jest już na tyle duży, że każdy użytkownik jest w stanie znaleźć coś dla siebie. Do wyboru ma szeroką gamę produktów prostych i tanich, jak również zaawansowane technologicznie, droższe modele z wyższych półek. Projektując system, użytkownik staje przed pytaniem, jakie rozwiązanie wybrać, by spełniało ono wszystkie założenia projektu, a zarazem mogło być łatwo modernizowane lub rozbudowywane w przyszłości.
Dla wielu osób cena pojedynczego modułu będzie wciąż decydująca przy wyborze konkretnego rozwiązania. Przy małych aplikacjach, nienastawionych na rozbudowę będzie to na pewno właściwy kierunek. Jednak większość współczesnych projektantów prędzej czy później staje przed koniecznością rozbudowy systemu o kilka sygnałów lub węzłów. W takim przypadku wybór powinien paść na system zapewniający łatwą rozbudowę – niejednokrotnie będą to rozwiązania droższe. Do wyboru są moduły kompaktowe zawierające całość oferowanych funkcji w jednej szczelnie zamkniętej obudowie. Takie podejście sprawdza się bardzo dobrze w przypadku producentów OEM, którzy produkują powtarzalne rozwiązania o niewielkiej liczbie sygnałów na szeroką skalę. Po przeciwnej stronie mamy systemy modułowe, składające się z kilku niezależnych części, umożliwiające integrację większej liczby sygnałów w obrębie pojedynczego węzła niż rozwiązania kompaktowe. Dostępne na rynku rozwiązania występują w wielu wersjach, jedne spełniają podstawowe funkcje, inne mają więcej technologicznych udogodnień. Przed wyborem któregokolwiek z nich należy zastanowić się, gdzie układ będzie wykorzystywany, ile sygnałów będziemy obsługiwać, czy system jest „zamknięty” czy przeznaczony do rozbudowy.
Właściwa odpowiedź na te podstawowe pytania pozwoli zaoszczędzić czas i pieniądze przy projektowaniu, wdrożeniu i używaniu każdego systemu z użyciem modułów I/O.
Ethernet coraz popularniejszy
Aleksander Cupok, inżynier sprzedaży dz. IEI, ICP DAS, JM elektronik
W ostatnim czasie na rynku modułów I/O obserwujemy znaczny rozwój oferty zarówno pod względem pojawiania się obok znanych i renomowanych produktów, mniej znanych i rozpowszechnionych urządzeń producentów dalekowschodnich, jak również pod względem zauważalnego postępu technologicznego i wzbogacania modułów I/O o nowe funkcjonalności.
W przypadku rozproszonych modułów I/O do niedawna podstawę oferty stanowiły urządzenia wykorzystujące do komunikacji interfejs RS-485 najczęściej z wykorzystaniem protokołu Modbus RTU. Obecnie daje się zauważyć rosnącą popularność rozproszonych modułów I/O, gdzie interfejsem komunikacyjnym jest Ethernet, a komunikacja odbywa się z wykorzystaniem protokołów sieciowych, przy czym najczęściej jest to Modbus TCP. Obsługiwane przez moduły protokoły komunikacyjne mają istotne znaczenie przy integracji modułów I/O z wykorzystywanymi urządzeniami, jak sterowniki, kontrolery PAC czy komputery przemysłowe oraz z oprogramowaniem SCADA/HMI. Wbudowany często w moduły I/O serwer WWW pozwala na zdalną konfigurację, monitoring czy akwizycję danych z poziomu przeglądarki internetowej.
Inną istotną cechą jest coraz powszechniejsze wykorzystanie do zasilania takich modułów technologii PoE (Power over Ethernet), co pozwala na ograniczenie ilości okablowania (przesył danych i zasilanie w jednym kablu) i uproszczenie infrastruktury, co w warunkach przemysłowych ma niebagatelne znaczenie obok łatwości montażu (najczęściej szyna DIN) czy odporności na trudne warunki środowiskowe (pożądany szeroki zakres temperatur pracy -25°C do +75°C).

Diagnostyka bez kabli
Daniel Oszczęda, menedżer ds. produktów/koordynator sprzedaży operacyjnej, Balluff
Rynek modułów IO możemy podzielić na dwie grupy – moduły o stopniu ochrony IP20 montowane w szafach sterowniczych oraz moduły przeznaczone do pracy bezpośrednio na maszynach lub instalacjach i charakteryzujące się wysokim stopniem ochrony IP67. W swojej ofercie posiadamy szeroką gamę modułów o stopniu ochrony IP67. Rozwiązania tego typu są coraz powszechniej stosowane przez naszych klientów. Umieszczenie modułów bliżej procesu umożliwia znaczące uproszczenie oraz ograniczenie okablowania. Przewody do czujników i elementów wykonawczych są znacznie krótsze. Całość okablowania jest bardziej przejrzysta, co upraszcza diagnostykę.
Najczęstszym sposobem komunikacji wykorzystywanym w przypadku takich modułów jest stosowanie sieci przemysłowych, takich jak Profibus, DeviceNet, CC-Link. Coraz większą popularność w przemyśle zdobywają rozwiązania bazujące na sieci Ethernet, najczęściej przemysłowe wersje tej sieci, czyli np. Profinet lub EthernetIP. Nowością w tego typu modułach jest funkcja mastera dla interfejsu IO-Link. Możliwe jest dzięki temu podłączenie do takiego modułu kolejnych dodatkowych modułów I/O komunikujących się poprzez interfejs IO-Link. Zaletą tego rozwiązania jest jeszcze prostsze okablowanie, gdyż ten interfejs wykorzystuje standardowy przewód 3-żyłowy stosowany do czujników. Wprowadzenie interfejsu IO-Link do modułów pozwala również na podłączanie wielu bardziej zaawansowanych urządzeń, jak np. systemy identyfikacji, konwertery sygnałów analogowych, czujniki ciśnienia, optyczne czujniki i wiele innych. Interfejs IO-Link staje się coraz powszechniejszym rozwiązaniem w przemyśle, stopniowo zastępując w wielu urządzeniach sygnały analogowe lub interfejs RS 232.
Moduły I/O przeznaczone do pracy w przemyśle charakteryzują się dużą odpornością na trudne warunki otoczenia. Obudowy tych modułów powinny być odporne na zewnętrzne czynniki otoczenia, takie jak zapylenie, możliwe zaolejenie itp. W przypadku modułów przemysłowych podłączenie czujników lub elementów wykonawczych odbywa się za pomocą standardowych złączy przemysłowych M8 lub M12. Jest to bardzo wygodny i szybki sposób podłączania, który gwarantuje wymaganą w takich aplikacjach wysoką szczelność. Ważną cechą jest widoczność sygnalizacji diodowej, która informuje o stanie pracy poszczególnych portów. Bardzo dużą uwagę klienci zwracają na możliwości diagnostyczne. W tej chwili praktycznie standardem staje się diagnostyka każdego pojedynczego portu umożliwiająca bardzo szybką identyfikację awarii na maszynie, a dzięki temu skrócenie czasu przestojów.
Kiedy zmiana urządzenia jest naruszeniem standardów
Piotr Adamczyk, ASTOR Sp. z o.o.
Jak wygląda rynek producentów modułów I/O w Polsce?
Posiadamy w swojej ofercie układy I/O od kilku dostawców, przeznaczone do różnych zastosowań, obejmujących funkcjonalnie większość instalacji spotykanych na rynku. Analizując ofertę i sprzedaż poszczególnych dostawców, można jednoznacznie, pomimo różnego przeznaczenia modułów I/O, zaobserwować spadek cen przy jednoczesnym wzroście funkcjonalności. Tendencja taka jest zauważalna również u pozostałych dostawców działających na rynku. Możliwości dostępnych na rynku rozwiązań niewiele różnią się od siebie, dlatego o wyborze rozwiązania oprócz marki producenta decyduje również cena, która w niektórych przypadkach jest czynnikiem najważniejszym branym pod uwagę przy planowaniu inwestycji. Spadkowy trend cenowy jest zatem nieunikniony i chyba nikogo to już nie dziwi.
Jakie nowatorskie rozwiązania dostępne są na rynku w zakresie modułów I/O?
Coraz częściej spotykamy się z potrzebą bezprzewodowej transmisji sygnałów oddalonych. Wiadomo, że rozwiązania takie na rynku dostępne są od kilku dobrych lat, ale obecne zapytania dotyczą często bezprzewodowej komunikacji w sieci Ethernet. Spowodowane jest to bardzo szybkim rozwojem tej technologii, która oprócz dużej prędkości transmisji gwarantuje wysoki poziom bezpieczeństwa i nieczułości na zakłócenia oraz daje możliwość zbudowania jednolitej platformy wymiany danych w całym systemie. Obecnie w większości instalacji standard komunikacji oparty jest właściwie na sieci Ethernet. Stąd u projektantów i integratorów tak duże zainteresowanie tematem. Bezprzewodowa komunikacja dodatkowo ogranicza koszty – brak potrzeby układania kanałów komunikacyjnych i przewodów, szybsze wdrożenie. Stąd nowe rozwiązania układów I/O obecnie przygotowane są do współpracy z bezprzewodowymi interfejsami komunikacyjnymi, a pewnie w niedalekiej przyszłości nastąpi całkowita ich integracja z węzłami I/O. Obserwujemy również rozbudowę możliwości diagnostyki zarówno samych interfejsów jaki poszczególnych kanałów pomiarowych – funkcjonalność taka jest bardzo często wymagana w dużych zakładach produkcji ciągłej i w instalacjach odpowiedzialnych za bezpieczeństwo. 
 
Czym kierować się przy doborze modułów I/O?
Inaczej dobieramy moduły dla małych instalacji, gdzie konieczna jest lokalna rozbudowa o kilka dodatkowych sygnałów, a inaczej w przypadku zaawansowanych, rozproszonych instalacji automatyki, działających na przykład w branży chemicznej i petrochemicznej. Wielu klientów kieruje się tylko i wyłącznie ceną, a z naszych doświadczeń wynika, że kierunek ten nie do końca jest właściwy. Takie rozwiązania bardzo często mają ubogie możliwości komunikacyjne i konfiguracyjne, co sprawia, że są „zamknięte” i wymiana danych z innymi elementami instalacji może być niemożliwa. Dlatego przed wyborem rozwiązania dobrze jest zastanowić nie tylko nad tym, do czego układ będzie potrzebny, ale również jaka powinna być jego funkcjonalność i możliwości późniejszej rozbudowy. Warto również zwracać uwagę na gabaryty modułów i możliwość konfiguracji on-line – sprawa istotna w przypadku późniejszej rozbudowy instalacji bez konieczności dokładania kolejnych szaf sterowniczych.
Czym charakteryzują się moduły I/O przeznaczone do pracy w przemyśle?
Tutaj również wiele zależy od przeznaczenia modułów I/O, ale najważniejsze cechy to: temperatura pracy, odporność na zakłócenia, możliwości diagnostyczne i komunikacyjne, technologia wykonania, typ obudowy, zabezpieczenia, intuicyjna konfiguracja i możliwości prostej rozbudowy.

Odpowiedni moduł do odpowiednich zastosowań
Tomasz Kawka, specjalista ds. AKP, Introl
Jak wygląda rynek producentów modułów I/O w Polsce?
Rynek modułów I/O w Polsce jest bardzo duży i zapewnia użytkownikowi bardzo szeroki wybór modułów różnych modeli . Są to produkty zarówno z niskiej, jak i wysokiej półki. Nie należy jednak zapominać, że ta bogata oferta dotyczy głównie użytkowników tworzących nowe aplikacje od podstaw. W przypadku potrzeby rozbudowy, modernizacji czy aktualizacji już posiadanego okładu, wybór najczęściej – ze względów technicznych – ograniczony jest do urządzeń jednego typu/producenta.
Czym kierować się przy doborze modułów I/O?
Przy wyborze modułów I/O powinniśmy kierować się przede wszystkim ich realnymi parametrami technicznymi. Istotne przy tym są: architektura pozwalająca na późniejszą rozbudowę, formy zabezpieczeń wewnętrznych modułu typu Watchdog czy możliwość autokonfiguracji (podmiana Hot-swap). Nie należy zapominać o separacji sygnałów, rodzaju protokołu, z jakim pracują moduły czy wreszcie dostępie do szybkiego serwisu lub dostawy w razie awarii. Dla niektórych istotne są także nowinki technologiczne, takie jak: funkcja samodiagnostyki, opcja rejestru zdarzeń, dodatkowe możliwości komunikacji. Najczęściej jednak opinia użytkowników, którzy sprawdzili określone modele w wieloletnim działaniu, jest decydująca. Jeśli coś działa i nie ma potrzeby dodawania dodatkowych funkcji, warto zaufać już zweryfikowanym w działaniu urządzeniom.
Czym charakteryzują się moduły I/O przeznaczone do pracy w przemyśle?
Moduły przemysłowe – jak większość urządzeń przeznaczonych do przemysłu – są przede wszystkim odporne na działanie niekorzystnych warunków zewnętrznych (zapylenie, wilgotność, temperatura) i mają odpowiednie zabezpieczenia elektryczne. Ważne jest również to, że pozwalają one na szybką konfigurację dzięki temu, że są wspierane przez oprogramowanie producentów sterowników. Nie bez znaczenia jest także uniwersalność komunikacji – moduły przemysłowe pracują zazwyczaj w standaryzowanych protokołach komunikacyjnych.