Модули распределенного ввода/вывода ioGridex

Серия устройств ввода-вывода с дублированным Ethernet
Современный подход к промышленной автоматизации

В 2010 году российская компания «Модульные Системы Торнадо» начала внедрение ПТК «Tornado-N» собственной разработки на основе индустриального интернета и «виртуальных контроллеров».

Основной технической идеей нового ПТК является единая одноранговая сеть для всех элементов системы. Ввод-вывод в ПТК осуществляется с помощью модулей MIRage-N, взаимодействующих с управляющими компьютерами по дублированной сети FastEthernet. По сути, традиционные контроллеры трансформируются в «виртуальные»: их функции выполняют управляющие программы, исполняемые на одном из процессорных устройств в сети и взаимодействующие с технологическим объектом управления через устройства ввода-вывода MIRage-N.

Опыт внедрений на объектах теплоэнергетики подтвердил высокие технические показатели ПТК «Tornado-N» и возможность решения, на его базе, всех задач автоматизации технологических объектов класса крупных энергоблоков.

ПТК «Tornado-N» фактически не имеет ограничений на топологию, структуру и масштаб АСУТП, как по объему ввода-вывода, так и по вычислениям. За счет архитектуры и особых технических решений, эксплуатационные характеристики ПТК всегда гарантированно соответствуют проектным показателям по быстродействию, топологии, безопасности, надежности и устойчивости. Решения на базеПТК «Tornado-N» снижают затраты на проектирование и внедрение АСУТП и минимизируют стоимость владения.

Модули серии ioGRIDEX являются адаптированными для общепромышленного применения версиями модулей серии MIRage-N.В настоящее время не для всех модулей серии MIRage-N есть аналоги в линейке модулей ioGRIDEX. Но по отдельному запросу может быть выполнена адаптация любого модуля серии MIRage-N к требованиям серии модулей ioGRIDEX.


ioGRIDEX — это современные измерительные приборы, выступающие в роли устройств сопряжения с объектом (УСО) в которых взаимодействие с системой осуществляется через дублированную сеть Ethernet. Модули ioGRIDEX обеспечивают взаимодействие между автоматизируемым объектом и управляющими программами. Сигналы полевого уровня от датчиков и приводов исполнительных механизмов подключаются непосредственно к устройствам ioGRIDEX без дополнительных согласований и сопряжений, проходят первичную и специальную обработку и преобразуются в стандартный цифровой вид для передачи в формате Modbus TCP по двум независимым интерфейсам Fast Ethernet 100BASE-T (100 Мбит/с, витая пара).

Используя модули ioGRIDEX, можно разрабатывать самые разнообразные системы автоматизации технологических процессов. Модули ioGRIDEX можно применять, в том числе, для создания масштабных АСУТП крупных и сложных критически важных инфраструктурных и промышленных объектов с характерными временами протекания технологических процессов 50–100 мс и отдельными контурами управления от 10 мс, а также для локальных контуров управления с циклами от нескольких сотен микросекунд.

Устройства ioGRIDEX классифицируются по типам обрабатываемых сигналов полевого уровня (см. «Технические характеристики»).

Поскольку все устройства ioGRIDEX подключаются к общей информационной магистрали на базе локальной сети Ethernet, они могут опрашиваться любым активным процессорным устройством, подключенным к этой сети. В разработках компании «Модульные Системы Торнадо» используются промышленные компьютеры IPC GRIDEX собственной разработки и производства.

Модули ioGRIDEX — это элементы универсального конструктора, позволяющего создавать решения для автоматизации любого масштаба: от локальных установок до крупных промышленных объектов.

Преимущества

Экономическая эффективность.  Использование в качестве информационной магистрали стандартной сети передачи данных FastEthernet (100 Мбит/с) позволяет применять широкий спектр средств обработки данных, вплоть до ПК общего назначения, что значительно снижает стоимость верхнего уровня АСУТП и эксплуатационные расходы, дает гибкость в выборе оборудования для проекта. Модули ввода-вывода могут располагаться максимально близко к объекту автоматизации, что существенно снижает затраты на кабельные связи.

Надёжность.  Использование двух независимых информационных магистралей гарантирует сохранение работоспособности АСУТП при отказе одного из каналов связи, упрощает поиск и устранение неисправностей. Обеспечивается устойчивость системы к любому единичному отказу.

Расширяемость и высокая готовность.  Структура системы позволяет заменять отказавшие элементы, не затрагивая остальных частей. В функционирующую систему можно устанавливать дополнительные модули ioGRIDEX, причём эта процедура не требует модификации действующей части системы. Информационная магистраль может состоять из нескольких сегментов, использующих различные среды передачи данных: витую пару, оптоволокно или радиосвязь.

Удобство в эксплуатации.  Конструкция модулей позволяет заменять неисправные элементы без демонтажа полевых кабелей. В большинстве случаев не требуется демонтировать сам модуль. Для подключения полевых цепей используются пружинные клеммы WAGO, не требующие периодического обслуживания.

Совместимость.  Реализация стандартного протокола обмена данными Modbus TCP обеспечивает совместимость модулей ioGRIDEXс приложениями верхнего уровня разных производителей.

Быстродействие.  Фиксированный цикл опроса всех устройств в системе осуществляется за время чуть большее времени ожидания ответа от одного устройства и не превышает нескольких миллисекунд. Возможность одновременного опроса необходимого количества устройств избавляет от последовательного опроса с пассивным ожиданием ответа от каждого опрашиваемого устройства

Конструктивное исполнение

Конструктивное исполнение модулей ioGRIDEX максимально упрощает их монтаж и обслуживание и сводит к минимуму возможность отказа системы.

Модуль состоит из базовой платы-носителя, на которой размещаются только пассивные элементы: клеммные зажимы, разъемы питания и сетевых интерфейсов, предохранитель и разъемы для системного блока.

Системный блок состоит из трёх субмодулей: платы ввода-вывода (IO Interface), платы микроконтроллера (MC) и платы сетевых интерфейсов (NET, 2xEthernet). Все три субмодуля системного блока выполнены в виде отдельных плат и стыкуются между собой посредством межплатных разъёмов.

На модулях аналогового ввода и дискретного ввода-вывода также устанавливаются полевые субмодули (вставки) нормирующих преобразователей и индивидуальных гальванических развязок, промежуточных реле, источников питания аналоговых датчиков и т.п.

Питание модулей осуществляется от внешнего источника 24 В (DC), подача и снятие напряжения осуществляются подключением и отключением кабеля питания.

По отдельному заказу могут быть изготовлены модули с дополнительной функцией питания от сети Ethernet (Power over Ethernet). При этом следует учитывать, что питание модуля в режиме PoE может оказаться недостаточным для одновременного использования всех задействованных каналов.

В модулях обеспечены электрическая изоляция и гальваническая развязка измерительных и управляющих элементов.

Для надежного подключения кабелей датчиков используются безвинтовые подпружиненные клеммы WAGO, нечувствительные к вибрации и не требующие постоянного обслуживания. Обеспечивается надёжный контакт подключаемых кабельных жил сечением 0,08–2,5 кв.мм. Специальная формовка концов жил не требуется.

Унифицированный корпус модулей ioGRIDEX монтируется на DIN-рейку шириной 35 мм.

Технические характеристики

Устройства ioGRIDEX могут применяться как в составе АСУТП, так и самостоятельно в качестве локальных приборов для измерения или управления, рассчитаны на срок службы не менее 15 лет и выполняют следующие функции:

  • измерение технологических параметров;
  • первичная обработка сигналов (линеаризация, масштабирование, табличные преобразования);
  • частотная фильтрация;
  • выдача управляющих воздействий;
  • определение статуса измерения; 
  • обмен данными через сеть Ethernet.

Все модули ioGRIDEX имеют два независимых интерфейса обмена данными Fast Ethernet (100 Мбит/с, витая пара), микроконтроллер, динамическую память (регистры, содержащие результаты измерений) и энергонезависимую память, содержащую настройки и микрокод, набор портов ввода-вывода, внутренние шины и интерфейсы.

Интерфейсы обмена данными имеют следующие характеристики:

  • скорость передачи данных – 100 Мбит/с
  • протокол обмена данными – Modbus TCP
  • время ответа на запрос – не более 10 мс (при установленном соединении TCP)

В тех случаях, когда необходимая длительность цикла управления составляет менее 10 мс и решение должно быть принято «на месте» без обработки «виртуальными контроллерами» (технологическими программами в управляющих компьютерах), функции локального управления может выполнять загружаемая в модуль ioGRIDEX технологическая программа, которая исполняется на встроенном микроконтроллере устройства. (Примечание: данный функционал заказывается опционально по запросу и в базовую конфигурацию модулей не входит, кроме модуля ioGRIDEX-NFM).

Модуль ioGRIDEX-NFM имеет в базовой конфигурации возможность загрузки и локального исполнения управляющей программы. Чтобы обеспечить локальное управление с циклом от нескольких сотен микросекунд, в модуле реализован классический набор каналов ввода-вывода: АЦП, ЦАП и дискретные входы-выходы.

Подробные описания модулей и их параметров содержатся в технической документации (https://ipc-gridex.ru/iogridex/)

 

 
 

Модуль ввода/вывода ioGridex-NTHERM

Модуль ioGridex-NTHERM предназначен для измерения температуры с помощью термопар различных типов. Таблицы градуировок для различных типов термопар содержатся в постоянной памяти устройства.

 

Модуль ввода/вывода ioGridex-NAO

Модуль ioGridex-NAО предназначен для вывода заданных напряжений и/или токов, а также ввода дискретных сигналов и/или выдачи дискретных управляющих команд. Имеет 8 дискретных каналов ввода-вывода и 4 канала для вывода заданного тока/напряжения.

 

Модуль ввода/вывода ioGridex-NPT

Модуль ioGridex-NPT предназначен для измерения температуры с помощью датчиков термометров сопротивления (термосопротивлений) различных типов. Таблицы градуировок термосопротивлений содержатся в постоянной памяти устройства.

 
 

Модуль ввода/вывода ioGridex-NDOC

Модуль ioGridex-NDOC предназначен для вывода дискретных сигналов 24 В(DC). Модуль имеет 20 каналов.

 

Модуль ввода/вывода ioGridex-NDOC2

Модуль ioGridex-NDOC2 предназначен для вывода дискретных сигналов 24 В(DC). Модуль имеет 24 канала.

 

Модуль ввода/вывода ioGridex-NDIC

Модуль ioGridex-NDIC предназначен для ввода дискретных сигналов от датчиков типа «сухой контакт». Модуль имеет 20 каналов. Каналы имеют групповую гальваническую изоляцию.

 
 

Модуль ввода/вывода ioGridex-NDIC2

Модуль ioGridex-NDIC2 предназначен для ввода дискретных сигналов от датчиков типа «сухой контакт». Модуль имеет 24 канала. Каналы имеют групповую гальваническую изоляцию.

 

Модуль ввода/вывода ioGridex-NDIO

Модуль ioGridex-NDIО предназначен для ввода дискретных сигналов и/или выдачи дискретных управляющих команд. Имеет 24 канала, разделенных на две группы: с 1-го по 12-й и с 13-го по 24-й. Каналы, входящие в одну группу, могут быть входными или выходными. Режим использования каналов определяется программной конфигурацией контроллера и установкой различных типов съемных субмодулей вставок. Имеются вставки дискретных входов на различные напряжения и вставки релейных дискретных выходов. Выходные контакты каждого из каналов гальванически изолированы друг от друга и от системной части.

 

Модуль ввода/вывода ioGridex-NDIOL

Модуль ioGridex-NDIОL предназначен для ввода дискретных сигналов и/или выдачи дискретных управляющих команд. На модуль устанавливаются 12 двухканальных вставок. Установка вставок разного типа (вход/выход) определяет количество входных и выходных каналов.

 
 

Модуль ввода/вывода ioGridex-NAI

Предназначен для измерения нормализованных сигналов тока и напряжения (в зависимости от типа нормирующих вставок). 16 дифференциальных/32 униполярных входных канала. Входные сигналы подаются параллельно на два АЦП (прецезионный, быстрый)с разным быстродействием, точностью и степенью подавления помех