Nowy czas modułów We/Wy

Dostawcy modułów We/Wy mają nadzieję, że rok 2010 przyniesie im wzrost dochodów ze sprzedaży tych urządzeń. Na polskim rynku najbardziej popularne są nadal układy wejść analogowych i cyfrowych. Siemens pobił swoich konkurentów w walce o tytuł najbardziej popularnego dostawcy modułów We/Wy.

Uwiększości dostawców ankietowanych przez Control Engineering Polska rok 2009 upłynął pod znakiem wzrostu sprzedaży modułów We/Wy do 20%. Jedynie 23% z nich nie odnotowało żadnego podwyższenia przychodów z tego tytułu (wykres 1). W 2010 r. ma być nadal widoczny wzrost sprzedaży tych urządzeń.
– Spowolnienie gospodarcze zaobserwowane w minionym roku na pewno osłabiło trend wzrostowy sprzedaży modułów We/Wy – mówi Tomasz Kochanowski, zastępca dyrektora działu systemów sterowania firmy ASTOR. – Jednak po nie najlepszym początku 2009 r., spowodowanym wstrzymaniem inwestycji w wielu zakładach, już w drugiej jego połowie można było zaobserwować ożywienie i powrót inwestorów do zaplanowanych inwestycji. Bazując na prowadzonych obecnie projektach, możemy z optymizmem prognozować tegoroczny wzrost sprzedaży systemów sterowania, a co za tym idzie, również modułów We/Wy.

A jakie plany związane z zakupem modułów We/Wy mają w 2010 r. użytkownicy? 47% z nich uważa, że w porównaniu do roku ubiegłego wydatki pozostaną na tym samym poziomie. 44% chce zwiększyć budżet na moduły We/Wy, a 9% zmniejszyć (wykres 2).
Najbardziej popularne
Najpopularniejszymi rodzajami modułów We/Wy według trzech czwartych użytkowników są układy wejść analogowych i cyfrowych. Równie znane są wyjścia cyfrowe i wyjścia analogowe – uważa tak ponad połowa ankietowanych. Mniejszą popularnością cieszą się układy wejść cyfrowych, interfejsy sieciowe oraz układy wejść analogowych.
Dostawcy natomiast sprzedają najczęściej układy wejść cyfrowych, układy wejść analogowych i cyfrowych, układy wejść analogowych oraz wyjścia cyfrowe. Najrzadziej dystrybuują wyjścia analogowe i interfejsy cyfrowe (wykres 3).
W zakładach królują moduły We/Wy firmy Siemens. Posiada je ponad połowa ankietowanych użytkowników. Mniej niż 20% respondentów ma zainstalowane urządzenia następujących producentów: Wago, GE Fanuc, Mitsubishi Electric, Phoenix Contact, Schneider Electric, Allen-Bradley, Beckhoff, Omron, Saia-Burgess, B&R, ICP-DAS, Moeller, a także National Instruments.

Wykorzystanie modułów We/Wy
Użytkownicy najczęściej wykorzystują moduły We/Wy w procesach ciągłych i dyskretnych. Rzadziej używane są w niewielkich aplikacjach oraz procesach produkcji ciągłej i seryjnej. Sporadycznie stosuje sięje w procesach produkcji seryjnej (partie produktów). Podobne zdanie na ten temat mają dostawcy, jednak według nich moduły We/Wy nie są tak często wykorzystywane do procesów dyskretnych (wykres 4.).

Zakupione moduły We/Wy wykorzystywane są przede wszystkim w aplikacjach ze sterownikami programowalnymi i jako rozproszone systemy We/Wy. Ponad 50% sondowanych przedstawicieli zakładów używa ich jako sloty dla PLC, natomiast mniej niż połowa stosuje je w rozproszonych systemach sterowania, a także montuje na szynach DIN ze sterownikami programowalnymi. Moduły We/Wy z rzadka można spotkać jako pojedyncze punkty, w blokach o stopniu ochrony IP67 oraz w układach modułowych o stopniu ochrony IP67.

Wykres 5. to pełne zestawienie aplikacji, w których wykorzystywane są moduły We/Wy opracowane na podstawie danych zebranych od ankietowanych przez Control Engineering Polska użytkowników i dostawców.
Komunikacja to podstawa
Do komunikacji pomiędzy oferowanymi na rynku modułami We/Wy stosowane są różne metody. Najczęściej jest to sieć Profibus-DP, protokół Ethernet oraz protokół Modbus RS-485. Zaraz po nich plasują się CANopen, standard DeviceNet, a także protokoły komunikacji bezprzewodowej. Mniej niż w jednej trzeciej przypadków używane są standard 4–20 mA, HART i sieci bezpieczeństwa (wykres 6).

Najpopularniejszymi technikami komunikacji modułów We/Wy w standardzie Ethernet są Modbus/TCP, Ethernet/IP, TCP/IP, Profinet. Najmniej używa się EtherCat i Ethernet-Powerlink (wykres 7.). Natomiast najbardziej rozpowszechnionymi protokołami komunikacji bezprzewodowej standardu są Ethernet, WiFi oraz standard 802.11, a minimalnie – Zig-Bee, Bluetooth (wykres 8.).
Problemy eksploatacyjne
Poprosiliśmy użytkowników i dostawców o informacje, z jakimi problemami eksploatacyjnymi modułów We/Wy najczęściej się spotykają. Użytkownicy wymienili takie trudności, jak: komplikacje konfiguracyjne (np. nadawanie adresu Modbus, ustawianie transmisji); kłopoty przy wymianie karty (przy niektórych sterownikach wymiana wiąże się z wyłączeniem zasilania); uszkodzenia pojedynczych wejść/wyjść w modułach; problemy z wejściami i wyjściami analogowymi; niekontaktujące złącza. Dostawcom sygnalizowane są jeszcze: brak odpowiednich urządzeń sterujących modułami; przerwy w połączeniu (prostym rozwiązaniem tych problemów jest kultura montażu i rozbudowana diagnostyka); brak miejsca w szafach sterowniczych; problemy przewodowe, takie jak trudność w wykonaniu połączeń kablowych, długości kabli i przez to utrata sygnału, ilości samego okablowania; problemy bezprzewodowe – bardzo duże pola EMG przy maszynach, interferencje sygnałów; błędna konfiguracja adresu modułu, która powoduje brak możliwości komunikacji z modułem i błędy sieci.

Argumenty za zakupem
Z punktu widzenia użytkownika przy wyborze modułu We/Wy bardzo ważna jest cena, jakość i niezawodność. Bardzo dużą wagę przykłada się również do funkcjonalności urządzenia, jego dostępności, obciążalności prądowej oraz renomy producenta. Istotna jest kompatybilność modułów We/Wy z innymi posiadanymi modułami, sterownikami PLC i aplikacjami oraz ilość wejść/wyjść i ich szybkość. Niemałe znaczenie ma wsparcie dostawcy (serwis, szkolenia, dokumentacja w języku polskim).
– Dużą rolę klienci przywiązują do jakości modułów We/Wy, materiału, z jakiego wykonana jest obudowa – twierdzi Daniel Oszczęda, menedżer ds. produktów Balluffa. – Ma to największe znaczenie przy modułach montowanych bezpośrednio w obszarach procesu produkcji, czyli modułów o IP67. W tym obszarze klienci bardzo chętnie wybierają moduły w metalowych obudowach. Kolejną ważną cechą jest funkcjonalność modułów w zakresie diagnostyki. Preferowane są moduły posiadające diagnostykę każdego pojedynczego portu.
Jego wypowiedź uzupełnia Tomasz Kochanowski z ASTOR. Uważa on, że klienci, decydując się na dane rozwiązanie, zwracają uwagę przede wszystkim na jego otwartość, a zatem na możliwości komunikacyjne, szeroką gamę dostępnych modułów oraz prostotę rozbudowy o kolejne elementy. Według niego istotnym elementem jest również możliwość podmiany modułów „na ruchu” bez wyłączania sterownika.
Opinie o dostawcach
64% użytkowników ocenia poziom wsparcia technicznego ze strony dostawców modułów We/Wy jako dobry. Według 30% jest on średni, a 6% – słaby. Poprosiliśmy ankietowanych, aby wyjaśnili, dlaczego negatywnie oceniają oni usługi dostawców. Użytkownicy uważają, że nie mają dostępu do pełnej dokumentacji technicznej, brak jest danych odnośnie zastosowania modułów We/Wy. Dodatkowo część firm ma wybranych swoich dostawcówi ciężko u nich bezpośrednio uzyskać pomoc lub zaraz po sprzedaży „zrywają” kontakt z klientem. Bardzo często zdarza się, że reakcja na zgłaszane problemy nie jest właściwa (nie zawsze są kompetentni), a terminy dostaw nie są przestrzegane. Dostawcy urządzeń nie zwracają należytej uwagi na budowę sprawnej magistrali komunikacyjnej, zajmują się tylko swoimi urządzeniami, które same z siebie są „ślepe”.
A co dalej?
Rynek modułów We/Wy cały czas się rozwija i dzięki temu obserwuje się spadek cen tych urządzeń. Powstają bardziej zaawansowane modele, stają się one mniejsze, szybsze, bardziej odporne na temperatury pracy. Wprowadzane są również nowe protokoły transmisji danych. Następuje integracja interfejsu Ethernet i łączy bezprzewodowych z wejściami i wyjściami analogowymi i binarnymi. Powiększa się oferta dostępnych bramek komunikacyjnych dla różnych sieci.
Zastosowanie sieci bezprzewodowych w modułach We/Wy ma coraz większe znaczenie w ogólnie pojętych przemysłowych systemach sterowania. Dzięki temu możliwe jest sterowanie sprzętem i maszynami w fabrykach za pomocą sygnałów radiowych, co znacznie upraszcza budowanie rozległych sieci.
Za pomoc w opracowaniu raportu szczególnie dziękujemy firmom: AB Industry, Apator Control, Astor, Automationstechnik, Balluff, BIAP, B&R Automatyka Przemysłowa, CSI, Dacpol, Elektronik, Eltop, Introl, JM Elektronik, Lumel, Phoenix Contact, Sabur, Schneider Electric, Siemens (Energy Engineering Center, Wrocław), Simlogic, Transfer Multisort. Dziękujemy również wszystkim czytelnikom Control Engineering Polska, którzy wzięli udział w ankiecie.
Ethernet przyszłością modułów We/Wy
Aleksander Cupok, inżynier sprzedaży dz. IEI, ICP DAS, JM Elektronik
Niewątpliwie wysoką popularność Ethernetu – w komunikacji przemysłowej – bezprzewodowej i przewodowej – determinuje kilka czynników. Pierwszy to łatwość integracji urządzeń z oprogramowaniem SCADA/HMI, głównie dzięki standardom Modbus/TCP, Ethernet/IP oraz samych urządzeń między sobą.
Przykładem mogą być moduły We/Wy, komputery przemysłowe itp., pochodzące często od różnych producentów. Ogromną rolę odgrywa też stosunkowo duża szybkość oraz niezawodność standardu Ethernet. W zastosowaniach przemysłowych ciągła transmisja danych w czasie rzeczywistym jest czynnikiem kluczowym. W porównaniu do bezprzewodowych sieci przemysłowych (WLAN, ZigBee, Z-Wave) jakość sieci Ethernet nie zależy od zmiany rozmieszczenia obiektów przemysłowych w przestrzeni, i jest mniej podatna na zakłócenia EMI.
W przypadku omawianych modułów We/Wy, Ethernet pozwala użytkownikowi na zdalny dostęp, monitoring, konfigurację urządzeń i ich parametrów z każdego miejsca, za pośrednictwem tradycyjnej przeglądarki internetowej. Nic nie wskazuje na to, by pozycja Ethernetu w najbliższym czasie uległa osłabieniu na rzecz innego standardu, nawet mimo konieczności stosowania w infrastrukturze sieciowej dodatkowych urządzeń, jak switche, mediakonwerterty czy access pointy. Zastosowanie innowacyjnej technologii PoE (Power over Ethernet) upraszcza przewodową część infrastruktury sieci Ethernet dzięki uniezależnieniu się od lokalnych źródeł zasilania.

Klienci coraz bardziej wymagający
Piotr Huryń, regional manager Szczecin, B&R Automatyka Przemysłowa
Użytkownicy wykorzystujący modułowe We/Wy – lokalnie wraz z procesorem PLC, jak również jako rozproszone stacje We/Wy, są coraz bardziej wymagający. Producenci, starając się zaspokoić ich potrzeby, maksymalnie rozszerzają swoją paletę produktów. W obrębie jednego systemu oprócz standardowych We/Wy cyfrowych, przekaźnikowych, analogowych czy temperaturowych pojawiają się moduły bardziej specjalizowane, jak: wagowe, pomiarów energetycznych czy synchronizacji generatorów, enkoderów ABR/SSI/resolver/EnDat, moduły z końcówką mocy do sterowania silników krokowych i DC czy sterowania tyrystorów. Nierzadko użytkownik w rozproszonej stacji We/Wy chciałby mieć możliwość podłączenia zewnętrznych urządzeń po RS232/485 czy CANopen, a nawet IOlink czy SmartWire – i tu producenci wprowadzili odpowiednie moduły do oferty. Dopełnieniem są We/Wy SAFETY, które często można mieszać ze standardowymi modułami We/Wy.
Często występują wymagania co do stopnia ochrony, gdzie moduły o IP20 – do montażu w szafie – zastępowane są przez systemy z IP67, umożliwiając montaż modułów We/Wy bezpośrednio na maszynie.
Istnieje tendencja do łączenia sterowników i stacji We/Wy różnych producentów. I tutaj nie wystarczą już standardowe bramki Profibus DP, DeviceNet czy CANopen – prężnie zaczęły wchodzić sieci oparte na Ethernetcie: Modbus TCPIP, Ether/Net IP, PROFInet, czy Ethernet POWERLINK. Niektóre z tych protokołów pozwalają na uzyskanie redundancji połączenia przewodowego, która jest wymagana np. przy zastosowaniu pierścieni ślizgowych przy stołach obrotowych lub przy automatyzacji wymagających pod względem bezpieczeństwa procesów jak np. elektrownie. Istotny jest też mechanizm hot-plug, który umożliwia szybką wymianę modułów w trakcie pracy – bez utraty komunikacji z pozostałymi w całym systemie. Na szybkość reakcji PLC na rzeczywisty proces ma wpływ nie tylko cykl pracy sieci czy samego sterownika ale, co użytkownicy zauważają coraz częściej, także szybkość wewnętrznej szyny danych znajdującej się za modułem bramki.

Moduły We/Wy – szerokie zastosowanie
Łukasz Zieliński, automatyk programista, Automationstechnik
Moduły We/Wy wykorzystuje się we wszystkich aplikacjach projektowanych i wykonywanych w firmie Automationstechnik. Mają one zastosowanie głównie tam, gdzie nie ma sieci przemysłowych do sterowania urządzeniami. Są to m.in. linie montażowe do przemysłu, w których moduły We/Wy są używane do podłączenia różnego rodzaju czujników, przełączników mechanicznych i sygnałów kontrolnych dla operatora. Moduły cyfrowe stosujemy również do sterowania wyspami zaworowymi i napędami, takimi jak silniki krokowe i falowniki. Moduły We/Wy są niezbędne w obsłudze urządzeń do montażu dostarczanych przez Automationstechnik, takich jak nitownice radialne z kontrolą procesu, zakrętarki, podajniki wibracyjne czy proste manipulatory. Innym przykładem są stanowiska testowe, w których oprócz modułów wejść/wyjść cyfrowych wykorzystuje się moduły analogowe, do których podłącza się czujniki pomiarowe – przemieszczenia, ciśnienia, siły czy momentu obrotowego. Za pomocą modułów We/Wy steruje się również czujnikami wizyjnymi do kontroli produktów na stanowiskach montażowych i kontrolnych.
Zastosowanie modułów We/Wy jest proste w montażu i oprogramowaniu. Zbudowanie prostych aplikacji bez takich modułów jest wręcz niemożliwe.

Zmiany funkcjonalności i technologii modułów We/Wy
Marcin Obarzanek, starszy inżynier sprzedaży, CSI Computer Systems for Industry
Tendencja ostatnich lat wskazuje, że rozwój komunikacji modułów We/Wy zmierza w kierunku rozwiązań opartych na Ethernetcie. Do najpopularniejszych protokołów komunikacji zaliczyć można: Modbus/TCP, Ethernet/IP, TCP/IP, Profinet i Powerlink. Obserwujemy, że poza liczbą portów we/wy klienci coraz częściej zwracają uwagę również na sposób wykonania i materiał, z jakiego zrobiony jest dany moduł. Metalowa obudowa, klasa szczelności IP-65 czy redundancja portów komunikacyjnych umożliwia adaptacje modułów tuż przy liniach produkcyjnych bez niebezpieczeństwa uszkodzenia modułu.
Coraz większe znaczenie w przemyśle będą miały moduły zapewniające bezprzewodową komunikację między urządzeniami. Dzięki tymże rozwiązaniom możliwe jest sterowanie sprzętem i maszynami za pomocą sygnałów radiowych, co znacznie upraszcza budowanie sieci rozproszonych. Należy jednak pamiętać, że rozwiązania te nie są pozbawione wad, takich jak zakłócenia sygnałów czy interferencje fal.
Nie oznacza to jednak, że rozwiązania oparte na magistralach szeregowych stały się archaizmem i nie są dłużej stosowane – dotyczy to zwłaszcza protokołu RS-485, który do dziś wykorzystywany jest w aplikacjach, w których kluczowymi są takie czynniki, jak: długość magistrali czy redukcja kosztów okablowania.