VIPA SPEED-Bus – paralelná zbernica pre náročné aplikácie
VIPA SPEED-Bus – paralelná zbernica pre náročné aplikácie
Tak ako sa značka SPEED7 stala pre užívateľov procesorov firmy VIPA GmbH synonymom výkonu a rýchlosti, podobne je paralelná zbernica SPEED-Bus spájaná s aplikáciami, ktoré musia splniť mimoriadne požiadavky na rýchlosť spracovania procesných signálov. Riadiace systémy vybavené touto zbernicou sa k nám dostávajú prevažne už zabudované vo výrobných zariadeniach od dodávateľov technológií . V tomto článku približujeme našim aplikátorom procesory a moduly určené pre zbernicu SPEED-Bus, ako aj možnosti, ktoré použitie tejto zbernice ponúka.
Vývoj zbernice prebiehal vo firme VIPA GmbH spoločne s vývojom radu 300S t.j. s procesormi vybavenými technológiou SPEED7. Hlavným dôvodom vzniku zbernice SPEED-Bus bolo využiť vysoký výkon procesorov na aplikácie vyžadujúce veľmi rýchle spracovanie signálov z technológie. Keďže všetky procesory radu VIPA 300S sú HW kompatibilné s radou S7-300 f.Siemens, používajú pre komunikáciu s modulmi umiestnenými v racku sériovú komunikačnú zbernicu označovanú ako P-bus. Táto zbernica s priemernou komunikačnou rýchlosťou 1,5Mbit/s limituje použitie riadiaceho systému pre časovo kritické aplikácie. V praxi to znamená, že aj pri použití procesorov s vysokou rýchlosťou spracovania programu, sa adekvátne nezlepší reakcia riadiaceho systému na zmenu procesných signálov .
Na obrázku č.1 je možné porovnať reakčné časy rôznych typov CPU na zmenu digitálneho vstupného signálu. V prípade použitia štandartnej sériovej zbernice sú namerané časové hodnoty pre rôzne typy CPU približne rovnaké a to v rozsahu 300 až 700µs. Pri použití paralelnej zbernice SPEED-Bus sa tieto hodnoty znížia až na hodnotu 40 až 80µs.
Obr.1 Reakčné časy rôznych typov procesorov meraný od zmenu digitálneho vstupu po zapnutie digitálneho výstupu cez prerušenie OB40.
Na rozdiel od zbernice P-Bus , ktorá je sériová, je SPEED-Bus paralelná 16-bitová zbernica s komunikačnou rýchlosťou až 58Mbit/s. Elektronika zbernice je zabudovaná v 120mm DIN lište tak, že moduly sú umiestnené z čelného pohľadu na ľavej strane CPU. Táto koncepcia umožňuje, aby mohol byť riadiaci systém vybavený modulmi kompatibilnými s S7-300 f. Siemens a zároveň modulmi určenými pre zbernicu SPEED-Bus (obr.2).
Obr.2 Zbernica SPEED-Bus s modulmi pre paralelenú aj sériovú zbernicu.
Počet modulov na paralelnej zbernici je daný počtom slotov použitého racku SPEED-Bus (2,6, alebo 10 modulov). Pri konfigurácii väčšieho počtu modulov, tak na strane sériovej zbernice ako aj paralelenej zbernice, môže prúdový odber pre napájanie internej elektroniky prekročiť max. hodnotu 4,5A, ktorú dokáže dodať CPU. V takomto prípade je potrebné do určeného slotu zbernice SPEED-Bus inštalovať pomocný zdroj PS307S_Co. Tento zdroj je ovládaný z CPU a zvýši prípustnú záťaž pre napájanie modulov až na 10A.
Procesory pre SPEED-Bus
Aj keď celý rad VIPA 300S má aktuálne k dispozícii 10 typov CPU, pre zbernicu SPEED-Bus sú určené len tri procesory:
CPU314ST/DPM - pamäť 512kB … 2MB , integrované 8DI, 8DIO, 4AI, 2AO, 1Pt100
CPU 317SE/DPM - pamäť 2MB ... 8MB
CPU317SN/NET - pamäť 2MB ... 8MB, integrovaný CP343
Okrem možnosti pripojenia k zbernici SPEED-Bus, majú tieto procesory všetky vlastnosti, ktoré charakterizujú rad VIPA 300S:
- 2x RS485 (MPI, Profibus/PtP)
- 1x RJ45 Ethernet PG/OP
- dodatočne rozšíriteľná pamäť work/load
- rýchlosť pracovania inštrukcií typu bit,word/float cca. 10/58 nanosekúnd
- programovanie a konfigurácia pomocou vývojového SW STEP7 f. Siemens alebo WinPLC7 f. VIPA
- diagnostická WEB stránka a.i.
Digitálne vstupné a výstupné moduly pre SPEED-Bus
SM321S Fast Digital Input 16DIxDC24V
SM322S Fast Digital Output 16DOxDC24V
SM323S Fast Digital In/Out DIO16xDC24V 0,5A
Uvedené moduly sú na rozdiel od štandartných modulov vybavené niektorými špecifickými možnosťami. Jednou z nich je konfigurácia digitálneho vstupného modulu v tzv. režime ALARM/ETS, v ktorom je možné využívať nasledovné funkcie modulu:
- generovanie diagnostického alarmu
- generovanie procesného alarmu pri nábehovej alebo odbehovej hrane signálu
- aktivovanie časovej značky pri zmene signálu
- nastavenie oneskorovacieho filtra signalu v rozsahu 1µs až 160ms na každý kanál zvlášť
Základom pre funkciu časovej značky je integrovaný časovač, ktorý nabieha automaticky pri zapnutí modulu. Tento časovač s presnosťou ±1µs pridelí pri výskyte nakonfigurovanej hrany vstupného signálu časovú značku. Týmto spôsobom je možné v užívateľskom programe veľmi presne vyhodnotiť okamih výskytu signálov alebo ich vzájomné oneskorenie.
Analógové vstupné moduly pre SPEED-Bus
Pre spracovanie analógových signálov sú určené dva typy 8 kanálových modulov. Obidva moduly majú rovnaké technické parametre a líšia sa iba v type analógového signálu.
SM 331S Analog Input FAST AI 8x16Bit, ±20mA
SM 331S Analog Input FAST AI 8x16Bit, ±10V
Tieto moduly sú charakteristické veľmi rýchlym A/D prevodníkom,
ktorý dokáže previesť všetky analógové signály (8 aktivovaných kanálov)
na digitálne údaje v takte 25 µs a to pri plnom 16 bitovom rozlíšení.
Okrem toho je v moduloch integrovaný buffer pre uchovávanie
65536 nameraných hodnôt. Tieto výkonné HW prostriedky sú
predpokladom, aby mohol FW modulov ponúknuť
programátorovi až 3 režimy činnosti.
Štandartný mód
V štandartnom móde sú analógové hodnoty prevádzané na digitálne údaje v nastaviteľnom cykle ≥25µs a zbernicou SPEED-Bus sú prenášané do CPU. Pri každom ukončení A/D prevodu celej karty, môže byť generované prerušenie, ktoré oznámi CPU pripravenosť nových údajov na karte.
Osciloskopický mód
V osciloskopickom móde sú digitalizované vstupné hodnoty uchovávané v internej pamäti modulu o celkovej kapacite 65536 slov. Zápis údajov do buffera je jednorázový a môže byť štartovaný ručne ( z aplikačného programu) alebo automaticky pri prekročení ( alebo poklese) úrovne niektorého signálu voči nastavenej hodnote. Konfigurácia umožňuje tiež nastavenie kapacity buffera pre funkciu
pre-trigger, ktorá realizuje zápis posledného priebehu signálu pred dosiahnutím podmienky pre samotný štart záznamu. Zápis je automaticky ukončený pri zaplnení kapacity pamäte vyhradenej danému kanálu.
Údaje z internej pamäte modulu sa prenášajú do CPU pomocou systémovej funkcie, ktorá je súčasťou FW procesorov určených pre SPEED-Bus.
FIFO mód
Pri aktivácii tohto módu sú analógové údaje priebežne zapisované do internej pamäte modulu. Užívateľský program prostredníctvom systémovej funkcie prenáša tieto údaje do CPU na ďalšie spracovanie a tým uvoľní pamäť v module. Pri zaplnení kapacity pamäte určenej pre daný kanál, sú najstaršie zapísané údaje vymazané (režim FIFO).
Komunikačné procesory pre SPEED-Bus
CP 342S CAN - CANopen master
Je určený pre pripojenie zariadení s komunikačným protokolom CANopen. Konfigurácia siete sa relaizuje pomocou programu WinCoCT f. VIPA. Vygenerovaný programový blok je potom potrebné exportovať a nahrať do CPU.
CP 342S DP - Profibus-DP master
Modul Profibus-DP master umožňuje vytvorenie ďalšej siete Profibus
v rámci projektovanej aplikácie. Kompletná konfigurácia modulu
a celej siete sa relaizuje vo vývojovom prostredí STEP7 f. Siemens
alebo WinPLC7 f.VIPA.
CP 342S IBS - Interbus master
Ďalším rozšíreným priemyselným protokolom, ktorý je možné
integrovať do riadiaceho systému je Interbus. Pre programovú
obsluhu modulu je potrebné použiť SW bloky z knižnice VIPA library.
CP 343S TCP/IP - Ethernet-CP 343
Výkonný ethernetový komunikačný procesor umožňujúci vytvoriť až 64 projektovaných spojení a 32 spojení typu PG/OP. Podporuje protokoly S7, RFC1006, H1, TCP/IP a UDP. Pre servis riadiaceho systému je možné využívať NCM diagnostiku a vyhľadávanie v sieti pomocou Siemens Simatic manager search. Konfigurácia spojení sa realizuje v NetPro f.Siemens.
Na záver
Návrh priemyselného riadiaceho systému pre časovo alebo komunikačne náročné aplikácie vyžaduje, aby projektant zvolil také HW prostriedky, ktoré s dostatočnou rezevou zaručujú splnenie požiadaviek kladených na systém. V snahe o zníženie nákladov na riadiaci systém sa v praxi často stretávame s riešeniami, pri ktorých sú jednotlivé komponenty systému zvolené nevhodne a napriek niektorým veľmi výkonným modulom parametre systému ako celku nie sú vyhovujúce. Na druhej strane nezriedka býva navrhnutý drahý systém, ktorý je predimenzovaný a jeho vlastnosti nie sú a ani v budúcnosti nebudú využité.
Snahou HW vývoja vo firme VIPA GmbH je pokryť čo možno s najmenším počtom komponentov čo možno najrširší rozsah priemyselných aplikácií. Výsledkom tejto snahy je napr. rozšíriteľná pracovná pamäť procesorov alebo prepínateľné rozhranie RS485, ktoré je možné využiť ako Profibus Master/Slave alebo ako komunikačný port pre sériové protokoly. Paralelná zbernica SPEED-Bus je ďalším prvkom, ktorý za relatívne prijateľnú cenu rozširuje aplikačné možnosti radu VIPA 300S. Využitím modulov tejto zbernice v spolupráci s procesormi SPEED7, dosahuje riadiaci systém VIPA 300S parametre, ktoré sú postačujúce pre väčšinu časovo a komunikačne náročných priemyselných aplikácií.
ControlSystem s.r.o.