Het nieuwe I/O Systeem SLIO van VIPA is een compleet nieuwe ontwikkeling. Door zijn modulaire en compacte ontwerp kunnen toekomstige automatiseringsoplossingen sneller en eenvoudiger geïmplementeerd worden. SLIO maakt het mogelijk om op de µs nauwkeurig te meten en te besturen via alle ondersteunde veldbussystemen.

Mechanica

Het VIPA I/O systeem SLIO combineert een hoge functionaliteit met een slim mechanisch concept in een zeer compact ontwerp. SLIO betekent Slice I/O.

Het systeem is zeer compact en modules kunnen "slice by slice" worden toegevoegd om aan de wensen van de applicatie te voldoen. Alle interface modules (IM) voor PROFIBUS-DP, CANopen, PROFINET, EtherCAT en Modbus ondersteunen tot 64 modules (slices) en hebben een geí¯ntegreerde voedingsmodule (24Vdc). De elektronica modules (EM) worden van spanning voorzien door de gekleurde power modules (PM) en zijn geclassificeerd, naar gelang de behoeften, in aparte potentiaal groepen.

De elektronica modules zijn verbonden met de terminal modules (TM) via een gepolariseerd sliding mechanisme. De terminal modules combineren de stroomopname van de klemmen, de elektronica modules en de mechanische busconnector. De veerklemmen, trapvormig geordend, zorgen voor een snelle, duidelijke en veilige bedrading. Indien nodig kan alleen de elektronica module uitgewisseld worden, simpel door alleen de terminal module eruit te trekken, de bedrading en installatie op de 35mm DIN rail worden hierbij niet beí¯nvloed. Dit vereenvoudigt en versnelt niet alleen de module- uitwisseling, maar voorkomt ook mogelijke fouten die te wijten zijn aan het loskoppelen van de I/O bedrading.

Een exacte verdeling en leesbaarheid van het kanaal en de status van de elektronica modules is verzekerd door de geí¯ntegreerde status LEDs en de adresseringsstrip aan de voorzijde. De continue- weergave van de status van de module maakt een foutlokalisering nog exacter, dit houdt in dat foutieve configuraties, busonderbrekingen, bedradingfouten en defecte modules worden weergegeven door LEDs zonder dat daar een diagnoseapparaat voor nodig is. 

Backplane bus

De 48 MBit/s snelle backplane bus is ontwikkeld voor de maximale betrouwbaarheid en efficií«nte overdracht van gegevens op hetzelfde moment:

• Alle toegang wordt gecontroleerd
=> module uitval wordt direct gedetecteerd
• Watchdog functie in elke module
  => toezicht van interface modules en veldbus master
• Checksum en diagnose teller in elke module voor een exacte foutdiagnose
  => installatiefouten kunnen sneller gelokaliseerd worden
• Flexibel telegram formaat en overdrachtmechanisme 
  => optimale modificatie van de dataoverdracht van de huidige systeemstructuur.

Naast deze basisfuncties van de SLIO backplane bus bevat deze ook functies die prestatiebeperkingen tegengaan op bestaande veldbussystemen. Dit zorgt ervoor dat het decentrale I/O systeem SLIO ook kritische toepassingen m.b.t. snelheid aankan die voorheen alleen voorbehouden waren aan krachtige centrale besturingssystemen.

Meten en besturen in µs bereik

Cyclustijd eisen bij het gebruik van decentrale I/O kunnen worden teruggebracht naar twee factoren:

• Reactietijd
  Wat is de maximale tijd dat een uitgang reageert op een verandering op de ingang?
• Nauwkeurigheid/ Determinisme
  Hoe snel wordt het optreden van een gebeurtenis opgespoord resp. hoe exact kan een uitgang schakelen? 

De meest eenvoudige manier om op beide punten verbeteringen te behalen is om de update intervallen te verminderen, bijvoorbeeld de overgang van Profibus (min. 600 µs) naar Profinet IRT (min. 250 µs).

Voor sommige applicaties is deze verbetering niet voldoende, waar meer nauwkeurigheid en cyclustijden nodig zijn, sluit dit het gebruik van low-cost decentrale I/O systemen uit.

Op dit punt kan dan de  µs tijdstempel functie van SLIO toegepast worden.

VIPA heeft in 2005 voor centrale besturingssystemen al een ingangskaart, compatible met STEP®7 CPU´s, op de markt gebracht, die tijdsmetingen doet van signaaltoestandsveranderingen binnen 1 µs voor 16 kanalen. In het daarop volgende jaar werd een achtvoudige analoge ingangskaart met gegevensverwerking binnen 25 µs met µs tijdstempel ontwikkeld.

Deze functies zijn nu ook beschikbaar in een decentraal systeem en worden nog steeds verder ontwikkeld: samen met de lancering van het decentrale SLIO systeem worden ook digitale in- en uitgangsmodules gelanceerd met een buffer (FIFO) welke de signaalflanken buffert. Deze modules worden met ETS (Edge Timestamp System) aangeduid.

SLIO ETS biedt in het µs bereik voor alle ondersteunende veldbussystemen een sterk verbeterde nauwkeurigheid. 

Zelfde tijd voor alle modules

Op een SLIO interface module hebben alle SLIO modules dezelfde tijdbasis. Deze tijdbasis heeft een resolutie van 1 µs en een synchronisatie van kaart naar kaart (slice to slice) van ± 85 ns.

Voor Profibus DP-V2 (isochronous mode) is het al mogelijk om de tijdbasis van meerdere SLIO interface modules (IM) en alle aangesloten I/O kaarten binnen ± 5 µs te synchroniseren. Het onderliggende synchronisatiemechanisme is niet afhankelijk van het type veldbus en zal in de toekomst ook voor andere veldbussystemen beschikbaar zijn.

Voorbeeld: diesel injectie systeem

Het volgende voorbeeld van een elektronisch aangestuurde dieselinjectie, om de verbranding van een biogas diesel generator te optimaliseren, geeft een verklaring van de werking en laat zo de mogelijkheden van de applicatie zien. SLIO ETS biedt de mogelijkheid om de µs nauwkeurig te meten en te controleren,  het comfort en de flexibiliteit kan nu van een PLC gecombineerd worden met een standaardproces van zeer precieze diesel voor, tijdens of na brandstofinspuiting voor het optimaliseren van de mate van emissie en doeltreffendheid, zonder microcontroller of andere speciale oplossingen.

Een sterk vereenvoudigd schema ter illustratie van de controle taak: de krukas (1) draait in dit voorbeeld 1500 omw/min. Aangezien het een viertakmotor is, vindt het verbrandingsproces slechts 750 keer per minuut plaats. De nokkenassen
(2 en 3) zijn voor de besturing van de in- en uitlaatkleppen en draaien dus op 750 omw/min. Op een nokkenas is een HAL-sensor aangesloten welke bij elke omwenteling 1 puls geeft. Dit signaal dient als referentie voor de injectie en is aangesloten op een SLIO ETS ingang. De injectieklep (4), voor diesel, wordt elektronisch aangestuurd door de SLIO ETS uitgang. De sensor op de nokkenas kan zo worden geplaatst dat de tijdsinterval tussen de nokkenas en het injectiesignaal in het bereik van ongeveer 10 ms ligt.

Realisatie met normale I/O aansluitklemmen via veldbus

Als dit probleem zou moeten worden opgelost met standaard decentrale I/O aansluitingsklemmen dan zou het noodzakelijk zijn om de tijd voor het ingangssignaal direct in de CPU te meten. Dit resulteert in een aantal onjuistheden die leiden tot fouten: alleen de grootste fout wordt hier omschreven.

Het wordt aangenomen dat het gebruikersprogramma in de CPU met voldoende nauwkeurigheid de tijd kan meten (bijv. SPEED7 CPU met een resolutie van 1 µs).

De CPU controleert of de ingangpuls van de nokkenas wordt gezien en logt vervolgens de tijd. De CPU geeft de opdracht via de veldbus master aan de interface module en die geeft vervolgens de opdracht door naar de uitgangskaart welke de desbetreffende uitgang schakelt.

Het groene deel (afbeelding onder) laat zien dat vanuit het perspectief van de CPU het niet mogelijk is om een signaalverandering binnen de veldbus cyclus nauwkeuriger te classificeren dan de termijn van de veldbus. Een onnauwkeurig veld met de breedte van een minimale veldbus doorlooptijd ontstaat.   

Standaard decentrale I/O (groen): Geen exacte bepaling van de in- en uitgangssignalen mogelijk

SLIO ETS decentrale I/O (paars): µs tijdstempel afvraaglijst voor in- en uitgangssignalen  

In een systeem met Profibus met 600µs cyclustijd (beste geval)  resulteert dit in een fout van maximaal 5,4 graden bij het bepalen van de krukas positie (met behulp van de nokkenas sensor).  

1500 Omw/min komt overeen met een tijd van 40ms per omwenteling en een hoeksnelheid van 9 graden per ms, dwz. in 600 µs wordt 5,4 graden voltooid. Meer afwijkingen ontstaan bij het aansturen van de uitgang.

Met Profinet IRT en een cyclustijd van 250 µs wordt de afwijking teruggebracht tot 2,25 graden. 

Door deze intolerante fouten is er geen vraag naar dit soort oplossingen. In de meeste gevallen worden speciale nokkenbesturingen gebruikt. Een dergelijke oplossing is duur en inflexibel voor aanpassingen en optimalisatie en is tevens slecht schaalbaar.

Realisering met SLIO ETS aansluitklemmen via veldbus

Wanneer de I/O aansluitklemmen in staat zijn om de tijd van een opgaande flank op de ingang te meten of de vertraging van het schakelen van een uitgang, wanneer de CPU dit definieert zijn alle fouten veroorzaakt door veldbus en CPU cyclustijden niet meer van toepassing.

Het paarse deel in de afbeelding toont de enorme verbetering in de in de temporele precisie van een dergelijk systeem ten opzichte van een I/O systeem zonder ETS µs tijdstempel (groen).

Zodra SLIO ETS ingangen een gebeurtenis op de nokkenas opmerkt, slaat het de huidige stand van de ingangen en tijd op in een FIFO geheugen. Deze gegevens worden vervolgens doorgegeven via de veldbus naar de CPU. Deze gebeurtenis kan geclassificeerd worden onafhankelijk van de veldbus of CPU cyclus op basis van het tijdstempel.

Daar de tijden van de SLIO modules naar de interface module lopen in ± 85 ns, is de CPU in staat om de schakeltijden van de SLIO ETS uitgangen (injector) tot 1 µs nauwkeurig te berekenen en door te geven over de veldbus. Als de schakeltijd op de module bereikt is worden de uitgangen gecontroleerd en de daaruit voortvloeiende fout komt vervolgens overeen met slechts 0.009 graden.

Binnen een veldbus cyclus kunnen tot 15 connecting requests verzonden worden naar een SLIO ETS module. Zo kan een uitgang meerdere keren binnen een cyclus aangestuurd worden. The SLIO ETS ingangmodule heeft ook een FIFO geheugen en kan 15 data-ingangen opslaan.

Door het gebruik van SLIO ETS modules, in bijvoorbeeld een Profibus systeem, kunnen meetfouten teruggebracht worden naar 1/600.

De tijd tussen verschillende SLIO interface modules kan gesynchroniseerd worden op exact ± 5 µs met DPV2 equidistant operation (isochronous). Zo is het mogelijk om te meten en besturen met een resolutie in µs bereik in grotere decentrale installaties. 

Voorbeeld: Snijden papier

In dit voorbeeld een applicatie van een papiersnijmachine met meerdere SLIO interface modules met dezelfde tijdbasis.

 

Zelfde tijden voor twee verschillende Profibus interface modules.

De detectiesensor van het label en de incremental encoder zijn beide aangesloten op een Profibus interface module. In de SLIO counter module voor incremental encoder worden de gegevens verwerkt in een µs bereik. Binnen dit bereik kan dan gemakkelijk de snelheid van de lopende band berekend worden. De digitale SLIO ETS ingangsmodule voegt een tijdstempel, exact op de µs nauwkeurig, toe aan de signaalverandering van de sensor (label). De CPU kan dan de "Cutter" zeer precies besturen via een digitale SLIO ETS uitgang omdat de tweede interface module dezelfde tijdbasis heeft (max. ± 5 µs) als de eerste interface module.

Verdere functies

De tijdstempel functie is ook aanwezig bij de SLIO counter en SSI modules om bijvoorbeeld eenvoudig snelheidsmetingen uit te voeren. Naast dit zullen er ook analoge in- en uitgangsmodules komen met tijdstempel en geheugenfunctie. Als praktijkvoorbeeld, bij de dieselgenerator moet de elektrische stroom synchroon met de stroomvoorziening geleverd worden. De hiervoor benodigde  synchronisatie en regeling van de benodigde netspanning is met analoge SLIO ETS ingangen mogelijk.

Alle SLIO ETS modules kunnen gecombineerd worden met standaard SLIO modules voor specifieke toepassingen. 

Conclusie:

 

• VIPA biedt met het systeem SLIO:
• I/O systeem met gebruiker georií«nteerd concept voor labeling en mechanica
• Duidelijke status en diagnose indicatie
• Plaatsbesparende compacte bouwvorm
• Betrouwbare en snelle backplane bus (48MBit/s)
• Door de toevoeging van de tijdstempel functie voor meten en besturen op de µs zijn nieuwe applicaties voor PLC en vele veldbus systemen ontwikkeld (of nog in ontwikkeling) waar de voordelen zijn; eenvoudig te programmeren, flexibiliteit en onderhoudsvriendelijk welke tot nu toe waren voorbehouden voor speciale applicaties.