Zasadniczo, cyfrowe przemienniki częstotliwości są w stanie przetwarzać dane z urządzeń peryferyjnych przy użyciu trzech interfejsów komunikacyjnych:

1. Typowa listwa zaciskowa wejść i wyjść dla sygnałów cyfrowych i analogowych.

2. Pulpit sterowniczy z monitorem alfanumerycznym i klawiaturą.

3. Interfejs szeregowy dla zapewnienia realizacji cyfrowej funkcji sterowniczych i diagnostyki.

Zależnie od zastosowania, komunikacja może być uzupełniona przez inteligentny interfejs szeregowy o dużej szybkości transmisji danych jak np. PROFIBUS. To może mieć formę niezależnej grupy jednostek, które mogą zawierać własny pomocniczy mikroprocesor i urządzenia peryferyjne (ang. Dual Port Ram).

Rys. 1  Podstawowa koncepcja układów komunikacji przemiennika częstotliwości

Pulpit operatorski z monitorem i klawiaturą jest integralnym podzespołem prawie każdego cyfrowego przemiennika częstotliwości. Listwa zaciskowa zawiera minimum tyle dołączonych przewodów sygnałowych, ile sygnałów jest do przemiennika dostarczanych i z niego otrzymywanych, plus masa odniesienia lub napięcie zasilania sygnałów sterujących np. +24V. Oznacza to, że liczba podłączonych do przemiennika przewodów sygnałowych zależy od rodzaju wykonywanych przez przemiennik zadań oraz liczby i rodzaju wejść i wyjść na listwie sterowania. Indywidualne terminale sygnałowe mogą być oczywiście programowane do realizacji różnych zadań.

Monitor (ang. display) umożliwia monitorowanie pracy przemiennika częstotliwości i może być pomocny przy diagnozie błędów i uszkodzeń takich jak: odłączenie się przewodu sygnałowego, czy zanik sygnału sterującego.

Rys. 2  Panel LCP - lokalnego sterowania i monitorowania przemiennika częstotliwości

W układzie napędowym przemiennik częstotliwości powinien być aktywnym jego komponentem i umożliwiać pracę ze sprzężeniem zwrotnym lub bez tj. pracować z zamkniętą pętlą regulacji lub pracować z pętlą otwartą.

Przy pracy w otwartej pętli regulacji układ napędowy z przemiennikiem częstotliwości może być sterowany przy użyciu jedynie potencjometru, ale w zamkniętej pętli regulacji sterowanie jest bardziej złożone i potrzebny jest sygnał sprzężenia zwrotnego i sygnał wartości zadanej - wartość referencji.

Sterowniki swobodnie programowane PLC

Sterowniki swobodnie programowane PLC (ang. Programmable Logoc Controllers) są zdolne obsługiwać obydwa rodzaje sygnałów: sygnały analogowe (np. prędkość silnika, moc czy moment silnika) i sygnały cyfrowe (np. przekroczenie zakresu regulacji czy dopuszczalnego prądu obciążenia). Może także wydawać i reagować na rozkazy z innych urządzeń (np. start, stop, zmiana kierunku obrotów).

Jedną z głównych korzyści sterowników PLC jest to, że potrafią one odczytać i w sposób ciągły gromadzić sygnały wyjściowe – takie jak prąd i częstotliwość silnika – generowane przez przemiennik częstotliwości. Powoduje to znaczące ulepszenie zarządzania przeważaniem danych w stosunku do użycia prostego cyfrowego przyrządu z wizualizacją.

Sterownik PLC składa się z trzech podstawowych elementów:

1. jednostki centralnej - mikroprocesora,

2. modułu wejść i wyjść,

3. jednostki programowania sterownika.

Rys. 3 Podstawowa struktura sterownika swobodnie programowanego PLC

Jednostka programująca (programator sterownika) modyfikuje program sterowania dla jednostki sterującej, który sortuje sygnały wejściowe i aktywuje odpowiednie sygnały wyjściowe. Program ten jest uaktywniany przez jednostkę centralną. Jednostka centralna jest tylko zdolna pracować z cyfrowymi sygnałami, które zmieniają się pomiędzy dwiema wartościami napięć np. 24V i 0V, − wyższe napięcie odpowiada logicznemu 1 lub ZAŁ. (ang. ON) i niższe napięcie odpowiada logicznemu 0 lub (ang. Off).

Rys. 4 Sygnały cyfrowe mogą przyjmować wartość ON lub OFF w krótszych lub dłuższych przedziałach czasowych

Zwykle przemiennik częstotliwości i PLC są połączone w jeden z dwóch rożnych sposobów – albo bezpośrednio poprzez listwę WE / WY, albo wykorzystując łącze komunikacji szeregowej. Kiedy bezpośrednio połączone są wejścia i wyjścia ze sterownika PLC do wyjść i wejść przemiennika częstotliwości, konieczne jest stosowanie indywidualnych kabli sygnałowych między poszczególnymi wejściami i wyjściami. Wejścia i wyjścia sterujące PLC zastępują oddzielne elementy sterowania, takie jak: potencjometr, styki sterujące (kontroli) i przyrządy wskazujące.

Komunikacja przez łącze szeregowe

Przy szeregowej komunikacji, sygnały są transmitowane przez jedną parę przewodów. W okresie t1-t2, przesyłana jest informacja A; w okresie t2-t3, przesyłana jest informacja B, itd. Ten typ transmisji danych informacji jest nazwany komunikacją szeregową, rys 5.

Rys. 5 Komunikacja szeregowa zapewnia szybką transmisję danych i relatywnie prostą instalację

Są trzy główne zasady szeregowej komunikacji, ale decydującym czynnikiem jest liczba jednostek, które muszą komunikować się nawzajem i szybkość działania.

Można używać dużej liczby przewodów do wysyłania i otrzymywania informacji do i od każdej jednostki w systemie lub można użyć tylko dwóch przewodów przy zastosowaniu transmisji szeregowej. W systemach dwu przewodowych kilkanaście odbiorników może być połączonych do jednego nadajnika S lub wszystkie połączone jednostki mogą wysyłać i przyjmować dane. Takie rozwiązanie wykorzystuje szynę zbiorczą transmisji danych.

Dołączone do szyny danych jednostki sterowania muszą mieć ten sam poziom sygnału, aby zapewnić prawidłową komunikację i możliwość stosowania szeregowej transmisji danych.

Ponadto jednostki sterujące pracujące w jednym systemie muszą mieć tę samą strukturę słowa danych aby odbiornik mógł je prawidłowo identyfikować. Struktura układu komunikacji szeregowej i struktura słowa danych podlegają wielu szczegółowym standardom i normom. Wspólny poziom sygnału nie posiada ściśle określonej wartości. W konsekwencji oprogramowanie w jednostkach musi być dopasowane do ustalonego w danym rozwiązaniu poziomu sygnału.

Tabela. 1  Podstawowe własności wybranych standardów komunikacji szeregowej

Tabela. 2  Struktura układów przesyłania danych w wybranych standardach komunikacji szeregowej

RS 232 jest powszechnie znanym standardem. Jego używanie jest ograniczone do krótkich odległości między komunikującymi się urządzeniami i niskiej szybkości przesyłania danych. RS-232 zwykle używany tam, gdzie wymiana danych odbywa się okazjonalnie. Np. do komunikacji szeregowej między komputerem, a urządzeniem zewnętrznym, takim jak: drukarka, modem, ploter lub mysz komputerowa.

RS 422 i 423 rozwiązują problem zwiększonej odległości i szybkości transmisji w stosunku do RS 232 i dlatego są często używane w układach automatyki do komunikacji z PLC, gdzie wymiana danych ma charakter ciągły.

RS 485 jest jedynym standardem, który umożliwia połączenie i właściwą współpracę dużej ilości jednostek, a także komunikację pomiędzy tymi jednostkami poprzez jedną parę przewodów sygnałowych. Ten typ połączenia wymaga tylko dwóch przewodów, aby umożliwić jednostkom dwukierunkowy przesył danych, tj. nadawanie i odbiór. Dwuprzewodowe połączenie między jednostkami jest nazywane szyną transmisji danych, tab. 2.

Występują tutaj trzy rodzaje sygnałów od komunikowania się sterowników PLC/PC z przemiennikami częstotliwości:

1. Sygnały sterowania przemiennikiem: szybkość, start / stop, zmiana kolejności faz napięcia wyjściowego falownika, dla zmiany kierunku wirowania silnika, itp.

2. Sygnały stanu pracy przemiennika: aktualny prąd silnika, aktualna częstotliwość napięcia zasilania silnika, maksymalna zadana częstotliwość napięcia zasilania silnika, itp.

3. Sygnały alarmowe i ostrzeżenia: zatrzymanie silnika, temperatura krytyczna, itp.

Rys. 6  Trzy rodzaje sygnałów komunikacyjnych pomiędzy sterownikiem PLC/PC i przemiennikiem częstotliwości

Przemiennik częstotliwości otrzymuje sygnały sterowania od sterownika PLC i w ten sposób steruje pracą silnika. Ponadto przemiennik wysyła sygnały stanu pracy do sterownika PLC oraz na bieżąco dostarcza informację o wpływie sygnałów sterujących na pracę silnika czy układu napędowego. Jeżeli przemiennik częstotliwości zatrzyma się z powodu nienormalnych warunków pracy, wtedy odpowiednie sygnały alarmowe przesyłane są do sterownika PLC.

RS 485 umożliwia jednoczesne połączenie różnych struktur układów sterowania i monitorowania procesu, np. możliwe jest zainstalowanie PLC w pulpicie sterowniczym, skąd można sterować pracą większej liczby przemienników częstotliwości lub innymi odległymi urządzeniami umieszczonymi w innym pulpitach sterowniczych.

Rys. 7  Wykorzystanie szyny transmisji danych w standardzie RS485 umożliwia budowę różnych struktur układów sterowania

Ze zmianą technologii analogowej na cyfrową szeregowe interfejsy sterowania stają się coraz powszechniej wykorzystywane w przemiennikach częstotliwości do łączenia ich z innymi urządzeniami:

• wyposażeniem testującym,

• urządzeniami eksploatacji,

• urządzeniami serwisowymi,

• urządzeniami automatyki,

• urządzeniami wizualizacji i monitorowania,

• urządzeniami nadmiarowymi w układach redundancyjnych - dla zwiększenia niezawodności pracy układów napędowych.

Aby zapewnić wymianę informacji pomiędzy przemiennikiem częstotliwości, a sterownikiem PLC lub komputerem PC poprzez interfejs szeregowy, wymagany jest określony protokół przesyłania danych. Protokół określa maksymalną długość informacji (słowo danych) i indywidualne pozycje danych umieszczonych w łańcuchu informacji.

Ponadto protokół oferuje następujące podstawowe funkcje:

• wybór danej jednostki (adres jednostki),

• wymagania jednostki przy przesyłaniu danych np. nominalna wartość prądu / napięcia,

• wymagania parametrów elektrycznych do budowy słowa danych dla indywidualnych jednostek układu komunikacji szeregowej wynikające z własności portów adresowych (np. wartości nominalne, ograniczenia wartości prądu / częstotliwości),

• wymagania parametrów elektrycznych dla danych adresowanych jednocześnie do wszystkich jednostek (ang. broadcast), które umożliwiają funkcje takie jak równoczesny stop / start, jeśli sprzężenie zwrotne od poszczególnych jednostek nie jest wymagane.

Producenci do urządzeń przemysłowych stosują często swoje własne protokoły komunikacyjne, co może stwarzać problem dla użytkownika, który musi napisać program obsługi tych urządzeń przez posiadany już PC lub PLC. Także użytkownik nie może umieszczać sprzętu pochodzącego od różnych producentów w tej samej strukturze układu komunikacji, jeśli urządzenia nie będą w stanie współdzielić wspólnej struktury przesyłu danych, lub będą one działać przy różnych szybkościach.

Otwarte protokóły komunikacyjne

Główni producenci urządzeń przemysłowych współpracują ze sobą i opracowali otwarte, uniwersalne protokóły budowy układów przesyłu danych do komunikacji między poszczególnymi urządzeniami układów automatyki, dzięki czemu całe przemysłowe wyposażenie może komunikować się między sobą bez względu na pochodzenie.

Jeden z najlepiej opisanych w dokumentacjach technicznych i z dobrze rozwiniętą siecią połączeń dla wszystkich produktów, włącznie z programami obsługi jest PROFIBUS.

Inne znane protokóły transmisji danych to:

                                                   Modbus + Device net

                                                   Interbus–S Lonworks

Protokół PROFIBUS ma trzy różne odmiany, rozwinięte dla różnych zastosowań:

Protokół PROFIBUS FMS (ang. Fieldbus Message Service)

Jest to uniwersalne rozwiązanie dla komunikacji wieloadresowej. Z powodu jego wysokiej elastyczności komunikacja wg FMS jest w stanie rozwiązać obszerną komunikację wieloadresową przy średniej szybkości przesyłu danych. Protokół FMS używany jest w obszarach zastosowań takich jak: przemysł tekstylny, zarządzanie budownictwem, technologia napędu - urządzenia rozruchowe i technologie czujników przemysłowych, a także jako niskonapięciowe elementy przełączające.

Protokół PROFIBUS DP (ang. Decentral Peripherals)

PROFIBUS DP jest odmianą zoptymalizowaną pod kątem zapewniania dużej szybkości transmisji danych i jest głównie wykorzystywany w układach automatyki przy rozproszonych urządzeniach peryferyjnych. Jest to właściwie tak jak zastąpienie kosztownej równoległej transmisji sygnałów analogowych napięciowych przez linie 0- 24V i sygnałów prądowych wartości przez 0/4-20mA. Ten protokół jest głównie używany w instalacjach automatyki o dużej szybkości działania urządzeń produkcyjnych.

Protokół PROFIBUS PA (ang. Process Automation)

Profibus-PA jest odmianą wykorzystywaną w układach automatyki. Profibus-PA najbardziej bezpieczną technikę przesyłania przesyłu danych, opisaną w dyrektywie IEC 1158-2 oraz umożliwia zdalne zasilanie jednostek podzielonych przez szynę zasilania.

źródło :Dr inż. Jerzy Szymański , ELPOL Centrum Elektroniki i Automatyki Sp. z o.o. (www.elpol.biz)