Čtyři možnosti zapojení Vašeho projektu

Blog

11.06.2019 Přinášíme Vám přehledného průvodce čtyřmi základními způsoby zapojení Vašeho automatizačního projektu.

Pokud plánujete rozsáhlý automatizační projekt, velmi pravděpodobně narazíte na otázku, zda Vám bude postačovat jeden kontrolér, či budete vstupů a výstupů potřebovat více. Zde následuje otázka: Postačí jeden velký kontrolér? Je vhodnější využít rozšiřující moduly? Půjdete levnější cestou sběrnice RS485 se všemi jejími výhodami i slabinami, či raději vytvoříte ethernetovou síť? Právě s těmito otázkami Vám pomůže tento článek, ve kterém jsme rozebrali čtyři nejčastěji užívané druhy topologií a jejich výhody a nevýhody.

1. Jeden centrální kontrolér

Základní topologií sestavy je jedno centrální PLC s vysokým počtem vstupů a výstupů. Při tvoření takové sestavy je třeba víceméně pouze naplánovat si počet a typ externích zařízení a podle výsledného počtu požadovaných vstupů a výstupů vybrat model PLC, který disponuje dostatečným počtem I/O. Výsledkem je pak hvězdicové uspořádání, kdy jsou všechny komponenty rozsáhlé technologie přímo napojeny do jednoho centrálního kontroléru; na vstupní straně mohou být různé senzory, spínače, kontakty či S0 výstupy různých měřičů energií, na výstupní stranu pak můžete připojit akční členy jako jsou např. žaluzie, ventily, klapky apod.

Výhody
Jedno centrální PLC je základním a nejjednodušším uspořádáním. Veškerá logika je soustředěna do jednoho kontroléru, což výrazně usnadňuje programování a správu technologie - skrze jedno PLC můžete snadno spravovat celou síť. Co do instalace stačí pouze umístit PLC do rozvaděče a následně k němu přivést kabely ze všech jednotlivých součástí celé sestavy, vzhledem k potřebě pouze jednoho PLC je pak toto řešení zároveň i nejlevnější co do pořizovacích nákladů.

Nevýhody
Pokud nastane při tvoření projektu situace, kdy je konečný počet potřebných I/O vyšší než bylo původně plánováno, nezbývá Vám nic jiného než změnit topologii na jiný typ. V případě rozsáhlých sítí pak metoda centrálního PLC naráží na technické problémy týkající se zejména délky kabeláže. S rostoucí délkou kabelů roste nejen celková cena celého projektu, ale rovněž i vzrůstá vliv rušení. Pokud například kabely vedou okolo silového vedení, elektrických střídačů či elektromotorů, výsledné rušení může vážně narušit přenos dat; např. na digitálních vstupech se mohou objevovat “falešné” pulzy, které mohou působit problémy s provozem technologie (nepřesná měření, náhodná spouštění různých komponent apod.).

2. Kontrolér + rozšiřující moduly

Alternativou k centrálnímu PLC je využití rozšiřujících modulů ke zvětšení počtu I/O a rozdělení sestavy do několika decentralizovaných uzlů představovaných rozšiřujícími moduly, které komunikují s jedním PLC. V případě kontrolérů Unipi a rozšiřujících modulů Unipi Extension spolu moduly a kontrolér komunikují skrze sériovou linku RS485, která využívá protokol Modbus RTU. Na jednu RS485 sběrnici tak můžete umístit jedno PLC v režimu master, které následně komunikuje s libovolným počtem rozšiřujících modulů v režimu slave. V případě kontrolérů s vyšším počtem linek RS485 pak můžete vytvořit i několik větví rozšiřujících modulů, které mohou dohromady čítat i několik tisíc vstupů a výstupů; jako příklad může posloužit např. jednotka Axon S115 se čtveřicí linek RS485, se kterými lze vytvořit síť téměř 3000 I/O.

Výhody
Kombinace PLC a rozšiřujících modulů řeší problém předchozí uvedené konfigurace s malým potenciálem dalšího rozšiřování. Při využití RS485 sběrnice lze totiž přidat I/O moduly jednoduše tak, že na sběrnici připojíte rozšiřující modul. Moduly Unipi Extension neobsahují výpočetní modul a pouze zpřístupňují své I/O logice, kterou provádí PLC. Díky tomu je jejich pořizovací cena výrazně nižší než u kontrolérů. Zároveň je zachována možnost snadné konfigurace - veškerá logika setrvává na kontroléru, který podle ní následně předává pokyny rozšiřujícím modulům či z nich naopak vyčítá data. Rozšiřující moduly tak lze rozmístit do více rozvaděčů a celou sestavu decentralizovat - tím kromě zvýšení počtu I/O dosáhnete i výrazného zkrácení potřebné kabeláže a tím i snížení vlivu rušení a úspory nákladů.

Nevýhody
Hlavní slabiny tohoto uspořádání jsou svázány s technickými limity samotné sběrnice RS485. RS485 funguje v tzv. poloduplexním režimu, kdy komunikace v jednom daném okamžiku může probíhat pouze jedním směrem - tj. buď PLC odesílá dotaz na rozšiřující modul nebo rozšíření posílá odpověď. S rostoucím počtem slave zařízení a množstvím coilů/registrů se pak výrazně prodlužuje odezva systému, což zabraňuje použití této konfigurace v projektech vyžadujících komunikaci v reálném čase. Sběrnice RS485 rovněž trpí na elektromagnetické rušení; pokud vede podél silového vedení či frekvenčních měničů, pak naindukované proudy způsobují výpadky komunikace až do stavu, kdy komunikace neprobíhá vůbec. Rušení lze částečně vyřešit zpomalením rychlosti komunikace, kterou je nutné provést i s rostoucí délkou sběrnice, snížení rychlosti ale výrazně zvyšuje délku odezvy, která se může při nízkých rychlostech pohybovat i v řádu vteřin.

3. Více kontrolérů propojených přes RS485

Tento druh zapojení je ve své podstatě velmi podobný předchozí konfiguraci s tím rozdílem, že místo jednoho PLC a rozšiřujících modulů je zde užito několik PLC. Řídící PLC funguje v režimu master, další připojená PLC fungují jako slave. Oproti rozšiřujícím modulům ale každé slave PLC obsahuje vlastní samostatný program.

Výhody
Oproti rozšiřujícím modulům dokážou slave PLC fungovat autonomně, kdy každý kontrolér provádí svůj vlastní program a přes sběrnici RS485 si s master kontrolérem pouze vyměňuje provozní údaje. Z jednoho PLC tak lze monitorovat více samostatně fungujících technologií.

Nevýhody
Propojení více PLC přes sběrnici RS485 sdílí stejné nevýhody spojené s RS485 jako využití rozšiřujících modulů. Záměna rozšiřujících modulů za PLC s sebou rovněž přináší výrazně vyšší pořizovací cenu a nutnost vytvořit logiku pro každé jednotlivé PLC.

4. Více PLC propojených přes Ethernet

Pokud Váš projekt vyžaduje rychlou komunikaci mezi autonomními PLC, je vhodné jako HW linku použít ethernet, kdy se PLC propojí pomocí switche. Jako SW komunikační protokol můžete vybrat mezi klasickým Modbus TCP, případně lze využít speciální komunikační protokol SSCP. Ten mimo jiné umožňuje master/slave komunikaci mezi dvěma PLC. SSCP, stejně jako Modbus, lze použít pouze pro výměnu dat, oproti Modbusu ale již pracuje s konkrétními proměnnými a jeho konfigurace je tedy výrazně jednodušší než u Modbusu. Druhou výraznou výhodou SSCP je možnost jeho využití pro vzájemnou komunikaci PLC přes Mervis Proxy; skrze internetové spojení a proxy server spolu mohou kontroléry komunikovat nezávisle na jejich lokaci, tj. jednotlivá PLC se mohou nacházet v různých budovách, městech, státech či dokonce i kontinentech.

Výhody
Propojení PLC přes Ethernet má oproti sběrnici RS485 řadu výhod. Nejvýraznějšími je plně duplexní spojení a především vysoká rychlost komunikace; kontroléry řady Neuron jsou vybaveny Ethnernetem o rychlosti 100 Mb/s, u řady Axon pak rychlost dosahuje až 1 Gb/s. Možnost multimasteru dává síti velkou míru flexibility, rovněž lze i vytvářet síťovou hierarchii, kdy některé PLC plní zároveň úlohu master i slave. Při využití SSCP protokolu pak odpadá nutnost zdlouhavé konfigurace díky faktu, že SSCP již pracuje s konkrétními proměnnými.

Nevýhody
Dvě PLC mohou přes Ethernet komunikovat napřímo, v případě potřeby komunikace mezi třemi a více PLC je ale nutné využít síťový switch. Ten představuje dodatečné pořizovací náklady zvyšující se s velikostí switche. Pro možnost komunikace přes SSCP a proxy server pak musí na všech připojených kontrolérech být spuštěné běhové prostředí Mervis RT, neboť SSCP vznikl speciálně pro potřeby platformy Mervis.

Shrnutí

Při výběru mezi výše uvedenými topologiemi je na prvním místě nutné se rozhodnout, jak rozsáhlý systém chcete vybudovat; z tohoto rozhodnutí vyplývá počet kontrolérů, který budete pro vytváření projektu potřebovat. Výše uvedené výhody a nevýhody Vám pomohou se rozhodovat, v konečném důsledku je ale volba silně individuální a kromě potřeb projektu závislá především i na Vašem rozpočtu a technických možnostech. Pro usnadnění rozhodování níže uvádíme dva praktické příklady využití výše uvedených druhů topologií

Příklad 1 - chytrá domácnost

Popis: Majitel rodinného domu si přeje mít možnost na dálku monitorovat a regulovat teplotu v domu.

Technické řešení: Kontrolér přijímá údaje z teplotních senzorů pomocí analogových vstupů a sběrnice 1-Wire, zatímco reléové výstupy jsou připojeny na externí relé a na základě teplotních údajů zapínají či vypínají vytápění.

Vhodná topologie: Tento systém se nachází na poměrně malém prostoru a bez větších problémů umožňuje veškerou kabeláž soustředit v jednom centrálním rozvaděči. Nejvhodnější a nejjednodušší volbou je zde proto jedno centrální PLC s dostatečným počtem vstupů a výstupů pro zapojení všech komponent. V případě nutnosti dalšího rozšíření (více topných těles, přidání teploměrů apod.) pak může majitel jednoduše přikoupit rozšiřující modul a umístit jej do stejného rozvaděče.

Praktický příklad: Zónové vytápění v rodinných domech a bytech

Příklad 2 - řízení a monitoring provozu datacentra

Popis: Provozovatel velkého datacentra chce pomocí PLC sledovat a regulovat provozní parametry datacentra pomocí SCADA rozhraní a zároveň mít přehled o přístupech a docházce zaměstnanců za pomoci přístupového systému. Pro zajištění spolehlivosti je zde nutná redundance.

Technické řešení: Užit je vyšší počet kontrolérů umístěných ve více rozvaděčích umístěných po celé budově. Každý kontrolér má přiřazenou roli (řízení a regulace HVAC, ovládání osvětlení, monitoring spotřeby energie, přístupový systém a kontrola docházky na základě osobních čipů apod.) a předávají provozní údaje do kontroléru odpovědného za provoz SCADA rozhraní.

Vhodná topologie: Pro takto rozsáhlý systém je nejvhodnější využít síťovou komunikaci přes Ethernet za využití protokolu SSCP. Tato topologie zajistí vysokou rychlost komunikace a umožní každému PLC fungovat autonomně a odděleně. Závada na jednom kontroléru tak neovlivní činnost ostatních součástí systému. Díky možnosti spojení přes proxy server pak může kontroler v roli master odesílat data přes internet do vzdáleného dohledového centra.

Praktický příklad: Automatizace datacentra