Modulární stroje

Proč stavět stroje modulárně?

Základní myšlenkou modularity ve strojírenství je rozdělení složitých strojů na moduly tak, aby je bylo možné sestavovat jednotlivě s využitím stále většího počtu identických dílů.  Rozmanitost typů strojů se dosahuje kombinacemi těchto modulů. Díky takto dosaženým úsporám z rozsahu lze modulární stroje vyrábět rychleji a nákladově efektivněji. Kromě toho je lze rychleji uvést do provozu a flexibilněji rozšiřovat.

Aby bylo možné jednotky rychle a snadno kombinovat, jsou zapotřebí standardizovaná rozhraní: mechanická, ale také rozhraní pro přenos energie, komunikaci a případně i stlačený vzduch. Modulárnost není vlastnost, na kterou lze odpovědět prostým „ano“ nebo „ne“. Spíše se jedná o spektrum sahající od nízké až po absolutní modulárnost.

Decentralizovaná automatizace podporuje Mdularizaci

Přímé propojení v centrální řídicí skříni znemožňuje důslednou Mdularizaci. Výměna modulu nebo rozšíření stroje je v důsledku těchto centralizovaných struktur ztíženo. Moduly stroje vyžadují samostatné struktury. Ty lze realizovat v malých místních řídicích skříňkách připojených k modulu pomocí komponentů s krytím IP20.

Zapojení a instalace jsou však obvykle složitější než u komponentů s krytím IP67, které lze instalovat přímo na stroj bez jakýchkoli dodatečných ochranných opatření. Pokud však určité komponenty nejsou k dispozici ve stupni krytí IP67 nebo pokud existují specifické požadavky týkající se hygienického designu, shody s potravinářskými normami či chemické odolnosti, jsou řešení ve stupni krytí IP20 v ochranných krytech často jedinou schůdnou možností.

Automatizační komponenty s krytím IP67 usnadňují konektivitu modulů. Decentralizované vstupně-výstupní komponenty určené k instalaci přímo v terénu umožňují sběr signálů přímo u zdroje na modulu a jejich přenos z modulu na modul prostřednictvím ethernetového připojení – bez nutnosti použití rozvaděče. To snižuje instalační náklady a zkracuje dobu uvedení do provozu pro konečného zákazníka.

Adaptéry s krytím IP67 zajišťují převod mezi ethernetovými protokoly

Stroje a moduly využívající různé ethernetové protokoly lze přímo v terénu s minimálním úsilím propojit pomocí tzv. spanners. Využití standardních průmyslových komunikačních protokolů umožňuje snadné a efektivní uvedení do provozu a propojení. To platí zejména pro modulární konstrukci strojů.

Decentralizované koncepce bezpečnosti

I aplikace, které vyžadují bezpečnou automatizaci, lze navrhovat a realizovat s využitím modulární koncepce. To znamená, že při použití stejného přístupu k napájení i datovým přenosům lze jakýkoli bezpečnostní signál ze senzorů nebo Emergency-stop vypínačů sběrat jednoduše a efektivně.

Bezpečnostní funkce lze také řídit decentralizovaně pomocí bezpe?nostních kontrolérů s krytím IP67 přímo na modulech. Tím se zabrání dlouhým dobám cyklu při komunikaci s centrálními bezpe?nostními kontroléry, což v konečném důsledku umožňuje zmenšit bezpečnostní vzdálenosti na stroji. Další výhody decentralizovaných bezpečnostních řešení najdete na naší technologické stránce věnované bezpe?nosti strojů.

Mdularizace řídicích řešení

Konzistentní modularizace rovněž vyžaduje přesun různých řídicích funkcí do strojního modulu. Tyto funkce mohou být zajišťovány buď I/O systémy s integrovaným logickým řízením, nebo skutečnými kompaktními PLC. Obě skupiny produktů – I/O moduly i řídicí jednotky – lze navrhnout v provedení IP20 pro instalaci do rozvaděčů nebo v provedení IP67 pro přímou montáž v terénu, přičemž varianta IP67 bez nutnosti použití rozvaděče nabízí významné výhody z hlediska zapojení a flexibility. Přenesení bezpečnostní logiky na I/O modul může přinést další výhody, jako je rychlejší provádění bezpečnostních funkcí nebo celkově nákladově efektivnější bezpečnostní architektura, protože není zapotřebí žádný centrální bezpečnostní řadič ani F-CPU.

Místní řídicí jednotky komunikují s nadřazenými řídicími systémy nebo uživatelskými rozhraními (HMI) za účelem monitorování, dokumentace nebo vizualizace. Výběr vhodného řídicího řešení závisí na typu a velikosti stroje. Tím se zabrání použití předimenzovaných řídicích řešení. Nároky na uživatele zůstávají minimální, zatímco se zvyšuje účinnost stroje. Jelikož lokální logický modul data předzpracovává, je třeba do řídicích systémů vyšší úrovně přenášet pouze relevantní informace o procesu. 

Přenesení zpravodajských informací na úroveň v terénu

Přenesení inteligence do terénu musí být v Software realizováno již ve fázi projektování. Strojní moduly jako samostatné systémy zpracovávají vstupy ze sousedních modulů a na jejich základě určují své akce. V závislosti na složitosti modulu lze toto zajistit pomocí I/O komponent s logickými funkcemi nebo pomocí terénních PLC. Na rozhraní mezi dvěma strojními moduly se pak přenášejí pouze informace nezbytné pro sousední modul.

Přenesení softwarových funkcí může přinést řadu výhod:

• Snížení zatížení hlavního kanálu pro komunikaci
• Snížení zatížení hlavního řídicího systému – až po jeho úplnou výměnu včetně
• Testování modulů před uvedením do provozu a integrací
• Integrace modulů třetích stran je snazší, protože centrální řídicí systém může
  zůstat beze změn. Snadné rozšiřování systému

Čím důsledněji dochází k modularizaci strojů a decentralizaci inteligence, tím více se začíná rozpadat rigidní struktura automatizační pyramidy. Hierarchie se stávají propustnějšími, zejména na úrovni senzorů a akčních členů, vstupů a výstupů (I/O) a řízení.

Modulární stroje společnosti TURCK: Často kladené otázky

1. Co jsou to modulární stroje a k čemu se používají?

Modulární stroje se skládají ze standardizovaných strojních modulů, které lze flexibilně kombinovat. Kombinací jednotlivých modulů lze modulární stroje konfigurovat do různých typů strojů. Společnost TURCK popisuje modularitu jako způsob, jak vyrábět stroje rychleji a nákladově efektivněji, urychlit jejich uvedení do provozu a snáze je rozšiřovat.

2. Jakou roli hraje decentralizovaná automatizace v modulárních strojích?

Podle společnosti TURCK vyžadují modulární stroje samostatné struktury v rámci jednotlivých modulů. Decentralizovaná automatizace umožňuje přesunout úkoly související se sběrem signálů a řízením do modulů stroje. K tomu se v rozvaděčích používají komponenty s krytím IP20, případně se přímo na stroj instalují decentralizované komponenty s krytím IP67.

3. Které komponenty společnosti Turck jsou vhodné pro modulární stroje?

Modulární stroje lze realizovat pomocí decentralizovaných I/O komponent s hodnocením IP67, bezpe?nostních kontrolérů s hodnocením IP67, průmyslových PLC a I/O systémů s integrovaným logickým řízením. Společnost Turck popisuje tyto komponenty jako základ pro strojní moduly s vlastním zpracováním signálů, řízením a bezpečnostní logikou.

4. Jak mezi sebou komunikují moduly v modulárních strojích?

Modulární stroje využívají ethernetová připojení k propojení jednotlivých modulů. Decentralizované vstupně-výstupní komponenty snímají signály přímo v místě jejich vzniku a přenášejí je mezi moduly. Společnost TURCK rovněž popisuje konektory s krytím IP67, které umožňují propojení strojních modulů využívajících různé ethernetové protokoly přímo v terénu.

5. Které ethernetové protokoly lze použít k navázání p?ipojení mezi modulárními stroji?

Modulární stroje umožňují propojení různých ethernetových protokolů. Společnost TURCK uvádí adaptéry s krytím IP67, které zajišťují převod mezi protokoly PROFINET, EtherNet/IP a Modbus TCP. To umožňuje propojení modulů s různými komunikačními standardy v rámci společné architektury stroje.

6. Jak je zajištěna bezpečnost strojů u modulárních strojů?

Modulární stroje mohou provádět bezpečnostní funkce decentralizovaně v rámci jednotlivých modulů. Společnost TURCK popisuje použití bezpečnostních řídicích jednotek s krytím IP67, které řídí bezpečnostní funkce přímo na úrovni modulů. Signály související s bezpečností ze senzorů nebo nouzových vypínačů lze snímat pomocí stejného konceptu, jaký se používá pro napájení a přenos dat.

7. Jakou roli hrají řídicí systémy a software v modulárních strojích?

U modulárních strojů jsou řídicí funkce rozděleny mezi jednotlivé strojní moduly. Společnost Turck popisuje použití I/O systémů s integrovaným logickým řízením i průmyslových PLC. Strojní moduly samostatně zpracovávají vstupy z přilehlých modulů a předávají pouze informace, které ostatní moduly potřebují.

8. Jak modulární stroje podporují vizualizaci a řídicí systémy vyšší úrovně?

Modulární stroje využívají lokální ?ídicí jednotky k provádění funkcí v rámci daného modulu. Tyto ?ídicí jednotky komunikují s ?ídicími jednotkami vyšší úrovně nebo s rozhraními člověk-stroj (HMI) za účelem řízení, dokumentace či vizualizace. Společnost Turck popisuje tuto architekturu jako způsob, jak podle potřeby rozdělovat ?ídicí úkoly.

9. Jaké modely nákladů či licencování uvádí zdroj v souvislosti s modulárními stroji?

Zdrojový kód neobsahuje žádné informace týkající se licenčních modelů ani nákladů na software pro modulární stroje. Společnost TURCK popisuje technické koncepce pro Mdularizaci strojů, decentralizovanou automatizaci a komunikaci mezi moduly. Nejsou uvedeny žádné ekonomické ukazatele ani informace o licencích.

10. V jakých aplikacích se používají modulární stroje?

Modulární stroje se používají v celé řadě průmyslových odvětví. Mezi příklady uvedené ve zdrojovém textu patří modulární výrobní linky, dopravníkové systémy, stroje s automatizačními funkcemi kritickými z hlediska bezpečnosti a systémy, které vyžadují propojení různých ethernetových protokolů. Farmaceutická společnost může využívat modulární skidy, zatímco výrobci strojů mohou kombinovat flexibilní výrobní moduly.