Соединения для управления:коммуникационные интерфейсы для датчиков положения и движения

Коммуникационные интерфейсы обеспечивают важнейшую связь между датчиками («нервами» системы управления) и контроллерами («мозгом»). Для обеспечения этой связи было внедрено впечатляющее разнообразие коммуникационных технологий, обычно с функциями и возможностями, адаптированными к определенному типу системы управления. Давайте рассмотрим некоторые широко используемые коммуникационные технологии для управления движением.

Специальные решения для особых случаев

Для некоторых датчиков, которые обеспечивают обратную связь для управления движением, технология измерения будет диктовать интерфейс связи. Инкрементальные энкодеры выдают непрерывный поток сигнальных импульсов — по одному каждый раз, когда вал энкодера поворачивается на определенную величину. Они превосходны в управлении скоростью, так как контроллер может точно определить скорость вращения по интервалу между импульсами.

Многие инкрементные энкодеры передают два выходных сигнала, обозначенных как A и B, с разницей фаз 90°, что позволяет контроллеру определять направление вращения. Некоторые также выдают сигнал Z один раз при каждом повороте на определенный угол поворота. Это обеспечивает точную точку отсчета.

Соединение между инкрементным энкодером и его контроллером должно быть двухточечным, с выделенным кабелем, соединяющим каждый энкодер с его контроллером. Связь обычно основана на дифференциальном сигнале, передаваемом по витой паре, при этом количество пар проводников в кабеле зависит от количества сигналов (A, B и Z).

Драйверы вывода в энкодерах должны быть совместимы с интерфейсом контроллера — обычно используются драйверы вывода Push-Pull (HTL) или RS-422 (TTL). Эти стандарты определяют напряжение сигнала.

Датчики абсолютного положения

В оставшейся части этой статьи основное внимание будет уделено датчикам абсолютного положения, таким как энкодеры и инклинометры. Эти устройства сообщают об измеренном положении в определенный момент времени либо в виде уровня напряжения/тока (аналоговые энкодеры), либо путем передачи цифрового слова или «телеграммы» (цифровые энкодеры). Эти устройства идеально подходят для приложений управления положением.

Аналоговые датчики имеют долгую историю, и в более ранних системах управления использовались потенциометры (переменные резисторы). Совсем недавно были представлены цифровые датчики со встроенными цифро-аналоговыми преобразователями. Они доступны с выходами напряжения (например, 0–5 В) или тока (например, 0–20 мА). Они оснащены программируемыми цифро-аналоговыми преобразователями, так что можно задать заданный диапазон механического движения (от доли оборота до нескольких оборотов) для охвата всего диапазона электрических выходных сигналов системы (например, 0–5 В, 0–20 мА). ). Это повышает точность и разрешение в наиболее значительном диапазоне движения. Аналоговые датчики требуют двухточечного соединения, часто с проводом относительно большого сечения для ограничения электрического сопротивления.

Абсолютные энкодеры с побитовыми параллельными интерфейсами сообщают об измерениях в виде цифрового слова с отдельным проводником для каждого бита. Реакция практически мгновенная. Соединение «точка-точка», как правило, через ленточный кабель. Поскольку этот тип кабеля относительно громоздкий и негибкий, системы с битовой параллелью лучше всего работают на коротких расстояниях.

Цифровая двухточечная проводка

При двухточечной проводке специальный кабель проходит от контроллера к каждому отдельному датчику. Интерфейсы SSI (последовательный синхронный интерфейс) и BiSS (двунаправленный последовательный синхронный) для абсолютных энкодеров используют системы проводки «точка-точка». Это цифровые интерфейсы, которые можно напрямую подключать к ПЛК или другим контроллерам. Соединения SSI обеспечивают хорошую скорость (тактовая частота до 2 МГц), высокое разрешение, гибкие кабели и надежную связь на расстоянии до нескольких сотен метров (хотя скорость передачи данных снижается на больших расстояниях). Протоколы SSI обеспечивают базовое обнаружение ошибок (обрыв провода, короткое замыкание, непротиворечивость данных).

BiSS — это расширенная версия SSI, которая поддерживает обмен данными в режиме реального времени между устройствами управления и датчиками/приводами в серводвигателях, роботах и ​​других системах автоматизации. Интерфейс также позволяет контроллеру устанавливать рабочие параметры в ведомых устройствах. Существует несколько вариантов BiSS, включая BiSS C (непрерывная связь) и BiSS Line (предназначен для конфигураций, сочетающих подачу питания и передачу данных по одному кабелю). Стандарты интерфейса SSI и BiSS с открытым исходным кодом не являются проприетарными и требуют бесплатных лицензий.

Для связи SSI и BiSS используются двухточечные соединения — обычно RS-422. Несколько устройств можно последовательно соединить для более эффективной прокладки кабелей.

Fieldbus:системы электропроводки с общим доступом

Проводка «точка-точка» хорошо подходит для систем с короткими расстояниями и ограниченным количеством устройств, но по мере увеличения количества датчиков схема проводки может стать громоздкой. По мере того, как автоматизированные системы становились все более сложными, а количество подключаемых устройств росло, несколько производителей внедрили системы полевой шины. Эти функциональные сети основаны на топологии шины, в которой несколько устройств используют общую магистральную сеть. Системы Fieldbus надежны, быстры и относительно экономичны. Области применения варьируются от конвейеров и производственных помещений до мобильного оборудования, медицинского оборудования, ветряных турбин и солнечных батарей.

Наличие нескольких устройств, совместно использующих общий канал связи, может вызвать проблемы со временем отклика — при интенсивном трафике на шине сообщения отдельных датчиков могут задерживаться на непредсказуемое время. Чтобы обойти это, большинство конструкций полевых шин позволяют оператору ранжировать устройства в порядке важности. Это помогает обеспечить приоритетную обработку критических сообщений. Физический уровень систем полевых шин обычно основан на кабелях с витой парой (например, EIA-485).

К популярным стандартам полевых шин относятся сеть контроллеров (CAN) от Bosch, CANopen, Profibus (технологическая полевая шина) от Siemens и DeviceNet от Allen-Bradley/Rockwell. DeviceNET, широко используемый в Северной Америке, объединяет физический уровень CAN с протоколами более высокого уровня CIP (Common Industrial Protocol). SAE J1939, использующий стандарты передачи данных CAN, оптимизирован для большегрузных автомобилей.

Сети состоят из физических элементов (проводов, разъемов и электронных компонентов, управляющих потоком сигналов) и логических элементов (схем адресации, протоколов связи, профилей устройств и т. д., реализованных в программном обеспечении). В мире полевых шин многие системы используют стандарты CAN для определения физических аспектов сетей, а протоколы более высокого уровня, такие как CANopen, DeviceNet, J1939 и т. д., обеспечивают сквозную функциональность.

Промышленный Ethernet

Промышленный Ethernet использует те же технические основы, что и офисный Ethernet, но с усовершенствованиями, которые делают его более подходящим для суровых заводских условий. Блоки коммутации промышленного класса могут иметь прочный корпус с защитой от воды и пыли, а многие устройства используют надежные разъемы M12 вместо более уязвимых разъемов RJ45.

Есть также важные обновления протоколов связи. Промышленные приложения, особенно управление движением, часто требуют, чтобы элементы управления работали в режиме реального времени, без непредсказуемых задержек передачи (задержек или джиттера), которые могут возникнуть в обычных сетях Ethernet. Промышленные системы Ethernet, такие как Profinet IRT, EtherNet/IP и Ethernet Powerlink, решают эту проблему с помощью модифицированных стеков протоколов и специального оборудования, которое предоставляет критически важным сообщениям приоритетный доступ к полосе пропускания сети. Специальные компоненты, необходимые для достижения этой цели, могут увеличить сложность и стоимость системы.

Следует отметить, что в то время как Ethernet предлагает видение неограниченного количества устройств и гибких вариантов топологии, проблемы производительности системы — особенно для приложений управления движением в реальном времени — могут потребовать компромиссов в конструкции, которые уменьшают локальный трафик и обеспечивают прямые пути связи для критически важных. компоненты.

IO-Link — это недорогая, простая в реализации система связи, предназначенная для упрощения соединений между полевой шиной или промышленными сетями Ethernet и простыми датчиками или исполнительными механизмами, расположенными на заводе. На одной стороне главного шлюза IO-Link находится интерфейс с общезаводской сетью, а на другой стороне есть несколько двухточечных подключений к отдельным сенсорным устройствам.

Интерфейс IO-Link для конечных устройств относительно прост, что устраняет необходимость в поддержке сложных коммуникационных протоколов на уровне датчика/исполнительного устройства. IO-Link поддерживает различные типы данных, включая данные измерений, инструкции по настройке устройства и информацию о параметрах рабочих условий, таких как температура.

Беспроводная связь

Беспроводные технологии обеспечивают связь с мобильным оборудованием (например, автономными транспортными средствами) или оборудованием, которое необходимо часто перемещать. Wi-Fi (IEEE 802.11) и Bluetooth являются широко используемыми стандартами беспроводной связи малого радиуса действия. Другие стандарты доступны для связи на большие расстояния, хотя они могут иметь более низкую скорость передачи данных. Новые сети 5G обещают высокую скорость передачи данных и низкую задержку.

Беспроводная связь может быть менее надежной, чем проводная, в средах с электрическими шумами и может не подходить для сигналов обратной связи, сильно зависящих от времени. В случае со складским роботом, например, беспроводной сигнал может использоваться для указания машине достать материал из определенного места. Однако датчики рулевого управления, контроля скорости и предотвращения столкновений, как правило, жестко подключены к системе управления, чтобы обеспечить надежную и мгновенную реакцию.

Открытые стандарты совместимости

Ни один поставщик не может поставлять лучшее в своем классе оборудование для каждой части сложной системы автоматизации, и поставщики промышленных сетевых технологий перешли от проприетарных сетевых систем к поддержке открытых (нейтральных к поставщику) интерфейсов и сетевых стандартов. Благодаря этим стандартам покупатели оборудования для управления движением могут смешивать и сочетать сертифицированные по стандартам компоненты от разных поставщиков, ожидая, что все будет работать вместе.

Важные организации по отраслевым стандартам включают Ассоциацию поставщиков открытых устройств , спонсоры стандартов DeviceNet и Ethernet/IP; CAN в ассоциации автоматизации , спонсоры протоколов CANopen; и Profibus Nutzerorganisation , спонсоров интерфейсов Profibus и Profinet.

Эта статья была написана Кристианом Феллом, генеральным директором FRABA Inc., Гамильтон, штат Нью-Джерси. Для получения дополнительной информации посетите здесь .