Hybrydowy moduł I/O z bezpiecznymi kanałami

Każdy europejski producent maszyn musi respektować wymagania dyrektywy maszynowej oraz przepisów prawa kraju, w którym maszyna będzie pracowała. W krajach z dużym potencjałem ekonomicznym, jak USA czy Chiny, również obowiązują odpowiednie standardy i prawo. Tym śladem podążają także Rosja i Brazylia, wprowadzając odpowiednie przepisy. Zasadniczo wszystkie normy jednomyślnie stanowią, że osoby pracujące przy maszynach muszą być chronione przed wszelkimi zagrożeniami wynikającymi z charakteru takiej pracy.

Konstruktorzy maszyn i automatyki, chcący spełnić wymogi dotyczące ochrony personelu, mają do wyboru wiele różnych rozwiązań technicznych, zwiększających bezpieczeństwo pracy. Ich spektrum jest szerokie – począwszy od zastosowania kilku czujników bezpieczeństwa, przez stosowanie przekaźnikowych modułów bezpieczeństwa, skończywszy na kompletnym systemie automatyki z wbudowanym sieciowym kontrolerem bezpieczeństwa oraz powiązanymi z nim systemami napędowymi wyposażonymi w funkcje bezpieczeństwa. Wszystkie wymienione rozwiązania muszą spełniać to samo zadanie: w nagłych wypadkach i w przypadku potencjalnego zagrożenia – np. gdy ktoś otworzy osłonę wirującego wciąż elementu lub wciśnie przycisk zatrzymania awaryjnego – zapewnić zatrzymanie urządzenia z maksymalną niezawodnością.

Bezpieczne kanały I/O o stopniu ochrony IP67

Technologia systemów bezpieczeństwa od kilku lat jest elementem zdalnych systemów I/O. Obecnie prawie każdy protokół sieciowy można zintegrować z urządzeniami pełniącymi funkcje bezpieczeństwa. Jednak pomimo różnic między systemami sieciowymi (także opartymi na warstwie fizycznej sieci Ethernet) większość urządzeń ma stopień ochrony IP20, są więc przeznaczone do montażu w szafach sterowniczych. Oznacza to, że wielu klientów musi doprowadzać wszystkie sygnały z urządzeń bezpieczeństwa do szafy sterowniczej lub rozdzielni, a następnie łączyć je z kanałami I/O odpowiednich modułów. Obecnie na rynku dostępnych jest tylko kilka rozwiązań o stopniu ochrony IP67/IP69K dla sieci Profinet/Profisafe, które mogą być montowane poza szafą sterowniczą, np. bezpośrednio na maszynie.

Bez względu na wybrany typ systemu bezpieczeństwa, wymagania dotyczące budowy maszyn i systemów sterowania pokrywają się tylko w ograniczonym zakresie. Gama produktów związanych z bezpieczeństwem, oferowanych przez producentów systemów sieciowych, składa się głównie z wejściowo-wyjściowych modułów bezpieczeństwa oraz standardowych kanałów I/O. Z tego względu wszystkie sygnały bezpieczne musiały być dotąd doprowadzane do sterownika tuż obok sygnałów standardowych. Do tej pory nie było bowiem modułów I/O, które mogą jednocześnie doprowadzać oba typy sygnałów do sterownika. Dla połączeń o stopniu ochrony IP67 do montażu na maszynie użytkownik mógł wybierać jedynie między modułem z kanałami bezpieczeństwa a modułem z kanałami standardowymi. Takie rozwiązanie zwykle charakteryzowało się nadmierną liczbą nieużywanych kanałów obu typów, a alternatywą było połączenie point-to-point lub zastosowanie osobnego sterownika bezpieczeństwa, który z kolei wymaga dodatkowego okablowania.

Hybrydowy moduł bezpieczeństwa I/O TBPN-L1-FDIO1

Firma Turck wypełniła opisaną wcześniej lukę, wprowadzając na rynek moduł zdalnych I/O TBPN-L1-FDIO1. Ten hybrydowy moduł łączy cztery kanały bezpieczne oraz cztery standardowe kanały I/O. Ma dwa wejścia bezpieczne dla Profisafe, do których można podłączyć dwukanałowe urządzenia bezpieczeństwa, jak wyłączniki mechaniczne czy czujniki z wyjściem OSSD, np. kurtyny świetlne. Dwa uniwersalne kanały cyfrowe są również przewidziane jako konfigurowalne wejścia lub wyjścia bezpieczne.

Elastyczność dzięki dwóm masterom IO-Link

Z myślą o obsłudze standardowych sygnałów nowy moduł wyposażono w cztery konfigurowalne kanały I/O. Dwa z nich mogą być alternatywnie skonfigurowane jako mastery 
IO-Link, co znacznie zwiększa potencjał tego urządzenia. Dzięki podłączeniu zewnętrznych hubów I/O do obu kanałów IO-Link użytkownik może zwiększyć liczbę obsługiwanych przez moduł TBPN cyfrowych sygnałów I/O o dodatkowe 32, redukując jednocześnie do minimum nakład pracy wymagany do ich obsługi. Ta elastyczność upraszcza konstruowanie urządzeń oraz minimalizuje liczbę nieużywanych kanałów. Ponieważ większość aplikacji potrzebuje większej liczby standardowych kanałów niż kanałów bezpiecznych, TBPN z masterami IO-Link jest najlepszym rozwiązaniem.

Zdalna logika i przyspieszenie czasu reakcji

Moduł TBPN-L1-FDIO1 to jednak coś więcej niż tylko duża elastyczność w zakresie bezpiecznych i standardowych kanałów I/O. Dzięki wbudowanym funkcjom logicznym moduł hybrydowy może pracować także jako zdalny, kompaktowy kontroler bezpieczeństwa. To duża korzyść dla użytkownika ze względu na szybszą reakcję całego systemu montowanego bezpośrednio na maszynie. W urządzeniu bez zdalnej logiki sygnał wyzwalający musi najpierw dotrzeć przez sieć Profisafe do kontrolera bezpieczeństwa (często znajdującego się w dużej odległości), następnie jest przetwarzany, a później wysłany do odpowiednich elementów wykonawczych. Całkowity czas reakcji systemu w tej konfiguracji jest zatem o wiele dłuższy niż zastosowane lokalne bezpośrednie rozłączenie przy użyciu hybrydowego modułu Turck. Wymiernym efektem osiągniętego dzięki nowemu podejściu krótszego czasu reakcji jest m.in. umożliwienie montażu kurtyny bezpieczeństwa bliżej niebezpiecznego elementu niż w przypadku zastosowania konwencjonalnego rozwiązania z PLC bezpieczeństwa.

Pliki GSDML i oprogramowanie konfiguracyjne

Funkcje logiczne oraz właściwości kanałów bezpieczeństwa są definiowane przy użyciu specjalnego programu Safety Configurator firmy Turck. Konfiguracja modułu jest niezbędna przed jego użyciem w jakiejkolwiek aplikacji, co wynika z tego, że różne elementy bezpieczeństwa mają odmienne znaczenie funkcjonalne, inne połączenia wewnętrzne i wymagają określonych reakcji.

Program Safety Configurator bazuje na MS Windows i dzięki intuicyjnemu interfejsowi umożliwia szybką konfigurację kanałów bezpiecznych. Standardowe kanały I/O są konfigurowane przy użyciu pliku GSDML, tak jak parametryzuje się wszystkie moduły Profinet. Wbudowany webserwer dodatkowo ułatwia diagnostykę i uruchomienie modułu.

Pamięć zewnętrzna

W celu zaoszczędzenia czasu koniecznego do wymiany modułów z powodu awarii zostały one wyposażone w pamięci zewnętrzne. Dzięki programowi Safety Configurator zapisywana jest na nich kopia ustawień kanałów bezpieczeństwa modułu TBPN. W razie konieczności wymiany urządzenia można wyjąć pamięć z uszkodzonego produktu i włożyć ją do sprawnego modułu. Po włączeniu zasilania dane konfiguracyjne są automatycznie kopiowane do nowego urządzenia i funkcje bezpieczeństwa mogą być realizowane w niezmieniony sposób.

Zasilanie i bezpieczne wyłączanie

Trzy z czterech uniwersalnych kanałów mogą być skonfigurowane jako standardowe wyjścia, z których moduł może niezawodnie „zdjąć” zasilanie. Dotyczy to również zasilania jednego z dwóch masterów IO-Link. Takie rozwiązanie umożliwia bezpieczne wyłączenie napędów pomocniczych, wysp zaworowych lub innych aktuatorów, w których wymagane jest całkowite odłączenie zasilania. Wszystkie wyjścia modułu mogą wyłączyć prąd do maksymalnie 2 A, mogą więc być użyte w aktuatorach takich, jak elektrozawory oraz styczniki.

Dwa wyjścia bezpieczne mogą być skonfigurowane przez program Safety Configurator jako dwukanałowe wyjścia unipolarne (z polaryzacją P) lub bipolarne (P/N). Umożliwia to wyzwolenie mechanicznych styczników bezpieczeństwa, a także generuje elektroniczne sygnały bezpieczeństwa dla systemów napędowych, które również należy wyłączyć bezpiecznie.

Rozszerzony zakres zastosowań: IP69K, PL e, SIL 3

Moduły o stopniu ochrony IP67 Profinet/Profisafe stosuje się przede wszystkim w europejskim sektorze budowy maszyn i systemów sterowania. Instalowane są np. w maszynach do obróbki drewna i papieru czy przenośnikach rolkowych i taśmowych w magazynach wysokiego składowania. Urządzenia te są również przeznaczone do pracy w sektorze automatyki, zwłaszcza w przemyśle motoryzacyjnym oraz aplikacjach zrobotyzowanych. Dzięki rozszerzonemu zakresowi temperatury (od –40 °C do + 70 °C) oraz wysokiemu stopniowi ochrony (IP65, IP67, IP69K) moduły te mogą być stosowane w praktycznie każdej gałęzi przemysłu. Żaden z wymienionych stopni ochrony ani wspomniany zakres temperatury nie są spotykane w innych modułach Profisafe na rynku. Solidna konstrukcja oraz wytrzymałe metalowe złącza podkreślają te cechy.

W zastosowaniach wymagających funkcji bezpieczeństwa moduły mogą być wykorzystywane w aplikacjach do SIL 3 (IEC 61508). Jeśli wymagana jest ocena ryzyka maszyn, zgodnie z EN 13849-1, klient może korzystać z modułów do poziomu zapewnienia bezpieczeństwa e/kategorii 4. Uzupełnieniem wyjątkowej specyfikacji urządzenia jest wbudowany switch ethernetowy, który umożliwia łączenie urządzeń w topologii linii.

Elastyczność modułu hybrydowego

Obecnie nie ma na rynku innego producenta, który oferuje moduły o takim poziomie elastyczności, jaki spotykany jest we wprowadzonych przez firmę Turck hybrydowych modułach o stopniu ochrony IP67 z kanałami bezpiecznymi i standardowymi. Istnieją natomiast rozwiązania przeznaczone do zarządzania standardowymi oraz bezpiecznymi kanałami I/O z szafy sterowniczej. Wszystkie sygnały są wtedy koncentrowane w szafie i mogą być odpowiednio podłączone do kanałów standardowych i bezpiecznych, muszą być jednak na bieżąco dostarczane z maszyny. Wcześniej użytkownik był zmuszony używać kilku różnych modułów o stopniu ochrony IP67, nawet jeśli potrzebny był tylko jeden dodatkowy sygnał, lub musiał użyć długiego kabla do podłączenia zdalnego.

Od początku 2016 r. moduły TBPN Profinet/Profisafe są dostępne jako uzupełnienie oferty ethernetowych modułów serii TBEN-L i TBEN-S firmy Turck, a w skład serii ethernetowej, oprócz urządzeń ze standardowymi analogowymi i cyfrowymi kanałami I/O oraz masterami IO-Link, wchodzą również urządzenia z bezpiecznymi kanałami I/O. 

Z uwagi na silną pozycję firmy Turck w Stanach Zjednoczonych oraz globalny eksport maszyn i systemów z sektora europejskiego konieczne stało się również dostosowanie do wymogów rynku amerykańskiego. Z tego względu portfolio produktów zostanie wkrótce uzupełnione o moduły bezpiecznych kanałów I/O dla EtherNet/IP oraz CIP Safety. CIP Safety jest wariantem bezpiecznym sieci EtherNet/IP – najszerzej wykorzystywanego protokołu ethernetowego w USA. Hybrydowy moduł CIP Safety będzie miał takie same właściwości, jakie moduł TBPN. Takimi urządzeniami bezpieczeństwa, używanymi w systemach automatyki oraz pracującymi w sieciach Profisafe i CIP Safety, specjaliści automatycy pokryją dużą część zapotrzebowania światowego rynku na tego typu rozwiązania.

TURCK Sp. o.o.
ul. Wrocławska 115, 45-836 Opole
tel. 77 443 48 00, fax 77 443 48 01
e-mail: poland@turck.com
www.turck.pl

źródło: Automatyka 1-2/2017