04.03.10 - VIPA SLIO: E/S con precisión de µs via bus de campo
El nuevo Sistema de E/S SLIO de VIPA GmbH en Herzogenaurach / Alemania es un desarrollo completamente nuevo. A través de este sistema modular y compacto, las soluciones de automatización del futuro podrán implementarse más fácil y rápidamente. SLIO permite medir y controlar exactamente al µs en todos los sistemas de bus de campo soportados.
Mecànica
El sistema VIPA E / S SLIO combina una elevada funcionalidad con un concepto de mecànica inteligente en un diseño muy compacto. SLIO significa Slice I / O.
El sistema es muy 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 potencia integrado.
Los módulos electrónicos (EM) se alimentan a través de los módulos de potencia (PM) y se clasifican en grupos potencialmente separados según requisitos.
Los módulos electrónicos estàn conectados con los módulos de terminal (TM) a través de un mecanismo de deslizamiento polarizado. El módulo de terminal combina el terminal, el consumo de los módulos de electrónica y la mecànica del conector de bus. Los borneros que se disponen en forma de escalera permiten un cableado ràpido, claro y seguro. Si es necesario, es posible reemplazar solo 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 garantiza 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 defectuosas, 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 ràpidos 48 MBit / s del bus posterior se han desarrollado con respecto a la màxima fiabilidad y eficiencia de la transmisión de datos, al mismo tiempo:
- 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
=> ràpida localización de fallos de instalación - Flexible formato de telegrama y mecanismo transmisión
=> adaptación óptima de los datos de transmisión en la estructura de sistema actual.
Ademàs de estas funciones bàsicas 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 solo para sistemas de control centralizados de alto rendimiento o complejas soluciones especiales.
Midiendo y controlando en la zona de µs
Demandas temporales en la aplicación de la periferia descentralizada podrían fàcilmente atribuirse a dos factores decisivos:
- Tiempo de respuesta
¿Cual es el tiempo màximo hasta que una salida responde a un cambio en la entrada? - Exactitud temporal/ Determinismo
¿Con que exactitud temporal puede ser detectado un evento respecto a la exactitud en la salida activada?
El método màs fàcil para alcanzar mejoras en ambas àreas es el de reducir los intervalos de actualización, que ya ha sido posible en el cambio de Profibus (min. 600 µs) a PROFINET IRT (min. 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.
VIPA ya introdujo en 2005 un módulo de entradas que es compatible para 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 1µs 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 estàn 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 estàn marcados con la sigla ETS (Edge Timestamp System).
SLIO ETS ofrece una exactitud temporal mejorada significativamente en la zona de µs para todos los sistemas de bus de campo.
Mismo tiempo para todos:
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 estarà disponible para otros sistemas de bús en el futuro.
Ejemplo: Sistema de inyección de combustible Diesel
El siguiente ejemplo de un control electrónico de la inyección diesel adicional para optimizar la combustión de un generador diesel de biogàs 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, ahora la comodidad y la flexibilidad de un PLC podría combinarse con el proceso estàndar de la muy exacta pre, principal y posterior inyección de combustible para optimizar el grado de emisiones y la eficacia, sin micro controlador y soluciones especiales.
La siguiente descripción muy simplificada muestra la función de control: El cigüeñal (1) gira a 1500 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 àrbol de levas (2 y 3) para controlar la entrada y la salida de la vàlvula sólo gira con 750 rpm. En uno de los àrboles de levas hay un sensor de Hall, que envía un impulso a cada vuelta del àrbol de levas. Esta señal actúa como una referencia para el proceso de inyección y està conectada a un terminal de entrada de ETS SLIO. El inyector de combustible diesel serà controlado electrónicamente con un terminal de salida de ETS SLIO. El sensor en el àrbol de levas puede ser colocado de tal manera que el desfase entre la señal de àrbol de levas y la secuencia de inyección de combustible estàn en un campo de unos 10 ms.
Realización con terminales standard E/S via bus de campo
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 solo 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 (àrbol 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 5 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 para clasificar màs 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.
Foto 5: E / S descentralizadas standard (verde): Determinación inexacta de la señal de entrada y salida. SLIO ETS descentralizada (violeta): marca de tiempo en µs con lista de orden para entradas y salidas
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 de sensor de àrbol 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. Màs 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 estàn 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.
Realización con terminales SLIO ETS via bus de campo
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 la 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 E / S sin µs- marca de tiempo ETS (verde).
Tan pronto como el terminal de entrada SLIO de ETS detecta el evento del àrbol 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 alcanzado, las salidas estàn 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 de 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:
Imagen 6: Mismo tiempo para dos módulos interfaz diferentes de Profibus
El detector para el reconocimiento de la etiqueta y el codificador incremental estàn 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 fàcilmente 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 (màx. ± 5 µs) que la primera IM:
Las siguientes precisiones se consiguen, al menos, a los cinco metros por segundo:
(càlculo 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
Màs funciones
La función de marca de tiempo también està disponible para el contador SLIO y módulos de SSI para hacer fàcilmente, 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 se menciona, 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 podría hacer con terminales de entrada analógica SLIO ETS.
Todos los módulos SLIO ETS se pueden combinar con módulos SLIO standard para aplicaciones particulares.
Conclusión:
VIPA GmbH ofrece con el sistema SLIO:
- Sistema de E/S con concepto de etiquetado y mecànica orientado al usuario
- Clara indicación de estado y diagnóstico
- Técnica de conexión eficiente en ahorro de espacio y tiempo
- Fiable y ràpido bus posterior
- Mediante la aplicación de la función de marca de tiempo 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 fàcil programación, flexibilidad y facilidad de mantenimiento, pero que estaban reservadas para soluciones especiales hasta ahora.
Autor: Steffen Schleier, profichip GmbH
