System excom

System rozproszonych stacji wejść-wyjść dla obwodów iskrobezpiecznych excom firmy Turck

 

            Systemy rozproszonych stacji wejść-wyjść projektowane do użytku w obszarach zagrożonych wybuchem można budować w oparciu o komponenty oferowane przez kilku producentów urządzeń automatyki na świecie. Jednym z nich jest firma Turck, która opracowała jeden z najnowocześniejszych systemów stacji wejść-wyjść z obwodami iskrobezpiecznymi, przystosowany do instalacji w strefach 1 i 2, a także w strefach 21 i 22 i obszarach bezpiecznych. System ten nosi nazwę excom i jest przeznaczony głównie do średnich i dużych aplikacji w przemyśle procesowym.

            Typowa stacja excom składa się z zasilacza, modułu komunikacyjnego, kart wejść-wyjść oraz płyty bazowej scalającej wszystkie komponenty, montowanej na specjalnej podstawie. Płyta bazowa umożliwia zasilanie poszczególnych modułów, wymianę danych i podłączenie urządzeń zewnętrznych poprzez złączki zaciskowe lub śrubowe.

Elementy stacji systemu excom

 

            Konfiguracja konkretnej stacji excom uzależniona jest między innymi od lokalizacji, w której planowana jest instalacja. W poszczególnych strefach zagrożenia wybuchem stosuje się różne rozwiązania, w szczególności dotyczące zasilania i komunikacji sieciowej. Od typów i ilości urządzeń kontrolno-pomiarowych, mających współpracować z systemem zależy dobór modułów wejść-wyjść (kart I/O). Wielkość podstawy wraz z płytą bazową uzależniona jest od rozbudowy systemu. Płyty bazowe występują w wersjach zdolnych pomieścić 16 lub 24 moduły wejść-wyjść.

Podstawa z płytą bazową MT16-2G stacji excom dedykowana do instalacji
w strefie 1 zagrożenia wybuchem - 16 modułów wejść-wyjść

Podstawa z płytą bazową MT16-3G stacji excom dedykowana do instalacji
w strefie 2 zagrożenia wybuchem - 16 modułów wejść-wyjść

 

Podstawa z płytą bazową MT24-3G stacji excom dedykowana do instalacji
w strefie 2 zagrożenia wybuchem - 24 moduły wejść-wyjść

 

Wariant 16-modułowy umożliwia zebranie 128 sygnałów binarnych lub 64 sygnałów analogowych, wersja 24-modułowa jest w stanie obsłużyć maksymalnie 192 sygnały binarne lub 96 sygnałów analogowych, bądź ich kombinacje.

            W strefie 1 można zbudować system stacji na podstawie MT16-2G umożliwiającej instalację maksymalnie 16 kart I/O. W strefie 2 poszczególne jednostki można rozszerzyć poprzez instalację 24 modułów wejść-wyjść instalowanych na podstawie z płytą bazową typu MT24-3G. Konstrukcja płyty bazowej z podstawą, tworząca kasetę montażową charakteryzuje się łączoną ochroną przeciwwybuchową "Ex e" oraz "Ex i".

Zasilanie i komunikacja systemu excom

 

            Zasilanie stacji excom, a konkretnie płyty bazowej realizowane jest poprzez wykorzystanie odpowiednich zasilaczy lub modułów zasilających, instalowanych w kasecie montażowej.  Jednostka przeznaczona do pracy w strefie 1 powinna być wyposażona w zasilacz typu PSD24Ex. Zasilacz PSD24Ex posiada łączony typ zabezpieczenia przeciwwybuchowego "Ex e", "Ex i" oraz "Ex m" - obudowa urządzenia jest wykonana z aluminium, a jej wnętrze zalane jest masą izolującą. Wejściowe napięcie zasilania, które należy dostarczyć do PSD24Ex powinno być nie mniejsze niż 19,5 VDC i nie większe niż 32 VDC. Napięcie wyjściowe jest dostosowane do kompletnej stacji systemu excom i wynosi 60 VDC. Maksymalna moc wyjściowa zasilacza nie przekracza 60 W. 

Zasilacz systemu excom PSD24Ex przeznaczony do pracy
w strefie 1

Moduł zasilający systemu excom PSM24-3G przeznaczony do pracy
w strefie 2

Oznaczenie: II 2 G Ex eb ib [ia] IIC T4

Oznaczenie: II 3 (2) G Ex nAc ic [ib] IIC T4

 

            Istnieje także możliwość zasilania stacji napięciem 230 VAC. Wymaga to jednak zastosowania specjalnego przetwornika AC/DC przed zasilaczem, który firma Turck również może dostarczyć.

            Wersja jednostki excom przeznaczona do pracy w strefie 2 nie wymaga stosowania zasilacza w specjalnej obudowie, a jedynie modułu zasilającego. Moduł PSM24-3G charakteryzuje się podobnymi parametrami elektrycznymi względem urządzenia PSD24Ex, wyróżnia go jednak inne zabezpieczenie przeciwwybuchowe, sposób instalacji i budowa. Jednostki zasilające typu PSM mogą być instalowane są w pierwszych dwóch slotach kasety sterowniczej. Pomiędzy wejściowym a wyjściowym obwodem zasilania zapewniona jest separacja galwaniczna.

            Przewody zasilające doprowadzone z zewnętrznego źródła zasilania podłącza się do specjalnych terminali przyłączeniowych, znajdujących się na płycie bazowej
i posiadających ochronę przeciwwybuchową typu "Ex e".

            Do działania systemu niezbędne jest zainstalowanie przynajmniej jednego zasilacza lub modułu zasilającego, które opisano powyżej. W celu zwiększenia niezawodności, system excom daje możliwość zastosowania dwóch jednostek zasilających, pracujących równolegle z redundancją. W przypadku awarii jednej jednostki zasilającej, druga przejmuje jej rolę bez zatrzymania pracy systemu.

            Do podłączenia stacji systemu excom do sieci PROFIBUS-DP niezbędny jest iskrobezpieczny moduł komunikacyjny o symbolu GDP-IS/FW2.2, określany również z ang. jako gateway. Gateway wizualnie przypomina segment zasilający PSM24-3G lub kartę wejść-wyjść. Moduły komunikacyjne mogą być instalowane w slotach płyty bazowej bezpośrednio za jednostkami zasilającymi. Poza komunikacją z nadrzędnym systemem sterowania gateway udostępnia pełen zakres funkcji diagnostycznych systemu PROFIBUS. Dodatkowo moduł umożliwia generowanie określonych kodów błędów, dotyczących na przykład problemów z zasilaniem, redundancją, komunikacją wewnętrzną czy awarią poszczególnych modułów. Gateway może obsłużyć maksymalną prędkość transmisji na poziomie 1,5 Mbps. Magistralę PROBIBUS-DP (RS-485-IS) podłącza się do gniazda komunikacyjnego na płycie bazowej.

            Oprócz zasilania redundantnego w systemie excom możliwa jest także redundancja toru komunikacyjnego. Polega ona na zastosowaniu dwóch modułów komunikacyjnych i dwóch linii połączeniowych zapewniając dzięki temu ciągłość łączności w przypadku awarii jednego z nich. Komunikacja pomiędzy modułem a urządzeniem typu master realizowana jest poprzez zastosowanie pośredniczącego separatora sieciowego SC12Ex (segmentu couplera) zgodnie z poniższym schematem. Segment SC12Ex posiada dwa izolowane od siebie, iskrobezpieczne wejścia sieciowe, dlatego separacja galwaniczna redundantnych linii komunikacyjnych może być w pełni realizowana tylko przez to jedno urządzenie.

Realizacja redundancji linii komunikacyjnej w systemie excom

 

SC12Ex oprócz funkcji podwójnego separatora galwanicznego pomiędzy RS-485-IS a RS-485 pełni rolę regeneratora sygnału (ang. repeatera) zapewniającego jego właściwą jakość i wzmocnienie.

Separator sieciowy - segment couplera Turck SC12Ex

 

Dzięki segmentowi couplera możliwa jest również kontrola przewodu połączeniowego - sygnalizacja zwarcia i przerwy w obwodzie. Urządzenie posiada także opcję automatycznego wykrywania prędkości transmisji.

Moduły wejść-wyjść systemu excom 

 

            Moduły wejść-wyjść to zasadnicze elementy każdej stacji excom. To do nich za pośrednictwem terminali zaciskowych ulokowanych na płycie bazowej podłączane są fizycznie urządzenia obiektowe. Same karty I/O umieszcza się w kolejnych slotach za modułami komunikacyjnymi w kasecie montażowej. Karty wejść-wyjść systemu excom w praktyce pełnią rolę wielokanałowych separatorów galwanicznych z iskrobezpiecznymi obwodami wejściowymi lub wyjściowymi, zdolnych współpracować z większością iskrobezpiecznych urządzeń kontrolno-pomiarowych w przemyśle procesowym.

            Moduły I/O zasilane są poprzez płytę bazową. Obwód zasilający jest izolowany galwanicznie od źródła zasilania. Niektóre karty I/O zapewniają także separację pomiędzy poszczególnymi kanałami. Wszystkie moduły wejść-wyjść mogą być częścią systemu excom przeznaczonego do pracy w strefie 1 oraz są zaprojektowane do współpracy z odpowiednio atestowanymi, iskrobezpiecznymi urządzeniami dopuszczonymi do działania w strefie 0 lub 20. Przykładem może być karta AI401EX posiadająca 4 wejścia analogowe w standardzie 4..20 mA dla pasywnych lub aktywnych przetworników pomiarowych.

Moduł 4 wejść analogowych pasywnych lub aktywnych AI401EX

Oznaczenie:  II 2 (1) G Ex ib [ia] IIC T4;  II (1) D [Ex iaD]

 

 

Podobnie jak w przypadku separatorów dla każdego modułu I/O określone zostały parametry iskrobezpieczeństwa, które należy brać pod uwagę podczas doboru urządzeń polowych.
W poniższej tabeli zestawiono typy wybranych kart I/O systemu excom wraz z informacją o obsługiwanych sygnałach i urządzeniach.

 

Wybrane moduły wejść-wyjść systemu excom

Typ modułu

Ilość kanałów

Typ sygnału

Urządzenia współpracujące

DM80Ex

8

Wejściowy lub wyjściowy binarny

Urządzenia NAMUR, siłowniki małej mocy

DI40Ex

4

Wejściowy, binarny

Urządzenia NAMUR

DO401Ex

4

Wyjściowy, analogowy

Cewki zaworów, wskaźniki
o mocy mniejszej niż 750 mW

AI401Ex

4

Wejściowy, analogowy

2-przewodowe przetworniki pasywne lub 4-przewodowe aktywne

AI41Ex

4

Wejściowy, analogowy

4-przewodowe przetworniki aktywne

AIH40Ex

4

Wejściowy, analogowy

2-przewodowe przetworniki pasywne lub 4-przewodowe aktywne z komunikacją HART

TI40Ex

4

Wejściowy, analogowy

Czujniki temperatury - termoelementy i platynowe czujniki rezystancyjne

 

            Niezwykle istotną funkcją systemu excom jest możliwość wymiany wszystkich modułów wejść-wyjść, zasilania i komunikacji w trakcie pracy, nie powodując wstrzymania pracy. Jest to tak zwane "rozłączenie na gorąco" (ang. hot swapping). Pozwala to na ewentualną wymianę modułu w przypadku wystąpienia awarii. Trwająca transmisja danych nie jest wówczas przerwana.

Excom jako zintegrowany system w obudowie przeciwwybuchowej

 

            Każdy komponent systemu excom posiada odpowiednie zabezpieczenie przeciwwybuchowe i potwierdzający to certyfikat ATEX. Odbiorca może dokonać zakupu poszczególnych elementów i budować stacje samodzielnie. Aby sprostać wymaganiom klientów z branży automatyki procesowej firma Turck wprowadziła możliwość prefabrykacji poszczególnych stacji excom na poziomie produkcyjnym, wykonywanych pod zamówienie. Wybrane podzespoły instalowane na podstawie z płytą bazową, umieszczoną w specjalnej obudowie ze stali nierdzewnej w wykonaniu "Ex e".

 

Kompletny system excom zamontowany w dedykowanej obudowie

 

            Dostarczenie w pełni skompletowanego systemu z wyposażeniem przez firmę Turck daje inwestorowi, a także użytkownikowi końcowemu gwarancję bezpieczeństwa, poprawności działania i zachowania wymaganych norm związanych z montażem tego typu układów. Co najważniejsze, producent Turck zapewnia wystawienie jednego certyfikatu ATEX na cały system, który został zbudowany w jego fabryce. Wówczas każda stacja wyposażona jest w tabliczkę znamionową z odpowiednim oznaczeniem.

Tabliczka znamionowa stacji systemu excom

Oznaczenie widoczne na powyższym rysunku uwzględnia wszystkie zabezpieczenia przeciwwybuchowe, jakie są zastosowane do ochrony stacji excom.

Paramteryzacja i konfiguracja systemu excom

 

            Możliwość łatwej parametryzacji oraz diagnostyki wszelkich urządzeń elektrycznych stosowanych w przemyśle procesowym instalowanych na obiekcie to bardzo ważny aspekt każdego systemu sterowania. Wielu producentów aparatury kontrolno-pomiarowej wprowadzało własne standardy konfiguracji i oprogramowania dla potrzeb obsługi swoich urządzeń. W 2003 roku powstała międzynarodowa organizacja FDT (ang. Field Device Tool), zrzeszająca wszystkich najważniejszych producentów urządzeń automatyki, której jedną z misji jest ujednolicenie standardu komunikacji, konfiguracji, diagnostyki i utrzymania wszystkich urządzeń polowych instalowanych w systemach automatyki na całym świecie. FDT zapewnia wspólne środowisko dostępu do najbardziej zaawansowanych funkcji urządzeń, niezależnie od ich dostawcy, typu i  stosowanego protokołu komunikacyjnego.  Do organizacji FDT należy również firma Turck, dlatego produkty tego producenta są kompatybilne ze standardami tego konsorcjum.

            System excom może być konfigurowany przy pomocy komputera z  oprogramowaniem PACTware, zgodnym z technologią FDT.

Okno parametryzacji 4-kanałowego modułu AIH40Ex w programie PACTware

 

Wymaga to zainstalowania odpowiedniego sterownika DTM (ang. Device Type Manager). Sterownik DTM zawiera dane o urządzeniu, posiada dostęp do jego funkcji, a także umożliwia komunikację. Technologia FDT/DMT daje szerokie możliwości dostosowania systemu excom do konkretnej aplikacji poprzez łatwy dostęp do wszelkich jego parametrów. Oprogramowanie umożliwia między innymi nastawę zakresów pomiarowych dla urządzeń obiektowych współpracujących z systemem, diagnostykę modułów, symulacje, a także nadzór nad kompletnym, rozproszonym systemem.

Opracowanie: Rafał Marzyński

Kopiowanie i wykorzystywanie całości lub fragmentów tekstu oraz zdjęć bez zgody autora jest zabronione”