Well Bus от компании Decowell: Инновационная шина для автоматизированных систем

В данной статье мы рассмотрим собственное решение компании DECOWELL, представляющее из себя полевую шину WellBUS, которая передает не только телеметрические параметры, но и питает удаленные модули дискретного ввода-вывода. Компания активно развивает данное направление, одним из ключевых решением является серия коммуникационных и дискретных модулей LS.

Проблема избыточной проводки в современных системах

В промышленной автоматизации сложная проводка традиционно вызывает множество трудностей. В логистике, на конвейерных линиях и в складских системах зачастую требуется проложить сотни проводов к датчикам и исполнительным устройствам. Это ведет к высоким затратам на закупку и монтаж кабельных систем, удлиняет сроки инсталляции (требуя квалифицированных специалистов), затрудняет наращивание системы и усложняет поиск неисправностей. В результате крупные проекты по автоматизации нередко сталкиваются с большими расходами, длительным простоям при замене вышедшего из строя оборудования, удлинению срока пусконаладки и ограничению по масштабированию.

Решение: двухпроводная шина WellBUS

WellBUS это собственный полевой интерфейс, ключевой философской концепцией системы WellBUS является «минимизация проводных соединений в дискретных сценариях». Инженерное решение, лежащее в основе этой концепции, заключается в отказе от разделения линий питания и связи для маломощных устройств, что позволяет реализовать передачу энергии и данных по одной физической паре проводников. Фактически эта технология заменяет громоздкие жгуты проводов единой магистралью, к которой последовательно подключаются все устройства линии. WellBus кардинально упрощает архитектуру разводки. Линию можно строить не только, как простую цепочку, но и разветвлять оборудование по топологиям:

• T-образная;
• Звезда;
• Древовидная.

Архитектура и устройства серии LS на базе WellBUS

WellBUS является основой линейки модулей DECOWELL серии LS – распределённой системы дискретного ввода-вывода. Архитектура LS представляет собой мастер-адаптер (ведущий модуль) и набор ведомых модулей на шине WellBUS.

Мастер-модуль WellBUS выполняет роль шлюза между двухпроводной линией и внешней промышленной сетью или контроллером. В зависимости от используемой системы управления доступны различные коммуникационные адаптеры с протоколами:

• LS-PN (PROFINET). Адаптер LS-PN обеспечивает интеграцию системы WellBUS в экосистему контроллеров Siemens (S7-1200, S7-1500) и других контроллеров, поддерживающих стандарт PROFINET. Интеграция осуществляется через импорт GSD-файла (General Station Description) в среду разработки TIA Portal.
• LS-EC (EtherCAT) предназначен для высокопроизводительных систем управления реального времени, таких как Beckhoff TwinCAT, Omron Sysmac и CODESYS-based контроллеры.
• LS-EI (EtherNet/IP) ориентирована на контроллеры Rockwell Automation (ControlLogix, CompactLogix) и Schneider Electric. Адаптер поддерживает протокол CIP.

В разработке на данный момент так же находится LS-CI для сетей CC-Link IE Field Basic (Mitsubishi Electric).

Это позволяет легко интегрировать шину WellBUS практически с любым ПЛК или верхним уровнем управления. Один мастер-адаптер способен обслуживать до 128 узлов на линии и суммарно обрабатывать до 1024 дискретных сигналов - этого достаточно даже для крупных объектов. При необходимости возможна организация нескольких таких сегментов для ещё большей ёмкости системы.

Ведомые модули LS – это компактные блоки дискретного ввода-вывода, устанавливаемые непосредственно возле датчиков и устройств на оборудовании. Они подключаются к двухпроводной магистрали и получают от неё как питание, так и управляющие сигналы. Ассортимент включает модули с разным числом каналов – на 2, 8 или 16 точек I/O в различных комбинациях входов и выходов. Например, доступны 2-канальные модули с конфигурацией 1 вход + 1 выход либо 2 входа + 2 выхода (для NPN или PNP сигналов). 8-канальные блоки могут иметь 4 входа + 4 выхода либо все 8 входов или 8 выходов. Максимальные 16-точечные модули позволяют разместить большое количество датчиков на одном узле, сохраняя компактность. Такой выбор форматов дает гибкость при проектировании: можно оптимально подобрать модули под требования по количеству сигналов и габаритам в шкафу или на станке. Полный ассортимент модулей приведен в таблице ниже.

*разъемы E-CON (Type 2): Индустриальный стандарт разъемов для быстрого монтажа (IDC). Позволяет подключать датчики без зачистки проводов. Обеспечивает высокую вибростойкость контакта.

Для протяжённых линий в серии LS предусмотрены и вспомогательные компоненты. Повторитель (репитер) LS-RLY служит для усиления сигнала и расширения дальности линии - один модуль-репитер добавляет около 200 м линии, причём последовательно может быть установлено до 30 репитеров, что в теории позволяет достичь общей длины магистрали до 6 км. Реализация длинных отрезков шины не ухудшает стабильность связи: WellBUS сохраняет высокую надёжность передачи данных на всём протяжении системы. Ещё один элемент - концевой модуль (терминирующий) LS-TER01 - устанавливается в конце ветви линии, если длина отдельной ветви превышает ~20 м. Этот модуль выполняет согласование и фильтрацию сигнала, улучшая его форму и качество на удалённых концах линии. Тем самым поддерживается целостность данных даже при сложной топологии с разветвлениями.

Простота конфигурирования и обслуживания

Система WellBUS спроектирована с расчётом на удобство для инженеров. Адресация ведомых модулей выполняется вручную с помощью переключателей непосредственно на модуле – это позволяет задать или изменить адрес узла прямо на месте, без подключения к ПК и без специального ПО. Каждый модуль сохраняет свой адрес автоматически; более того, при замене вышедшего из строя блока на новый адрес прописывается в новый модуль автоматически, без дополнительной настройки. Достаточно вынуть неисправный модуль и вставить на его место аналогичный – система сразу продолжит работу с тем же адресом узла. Такая «горячая» замена существенно облегчает ремонт и техническое обслуживание оборудования, снижая простои.

Также все модули LS поддерживают функции диагностики на уровне мастера: при обрыве линии или отказе устройства главный контроллер может мгновенно определить, какой узел отсутствует или аварийно отключён, что ускоряет поиск и устранение неполадок. Система распознаёт такие состояния, как потеря связи с модулем (Slave loss), конфликт адресов, короткое замыкание или ошибка канала, а также пониженное или повышенное напряжение питания, позволяя оперативно локализовать проблему, минимизировать простой и повысить надёжность оборудования.

Программное обеспечение для ПК WellBUSTesterTool, подключаемое к адаптеру через порт USB Type-C. Предоставляет расширенные возможности для пусконаладки всей сети.

Ключевые функции:

1. Сканирование сети: автоматическое обнаружение всех подключенных модулей и построение карты сети.
2. Автоматическая адресация: функция последовательного назначения адресов, что удобно при первоначальной сборке линии.
3. Поиск дубликатов: при наличии конфликта адресов (два модуля с одинаковым ID), ПО подсвечивает проблемные модули и позволяет переназначить адрес конфликтующего устройства.   
4. Режим Force: принудительное управление выходами и мониторинг входов без участия ПЛК верхнего уровня. Это позволяет проверить монтаж и работу исполнительных механизмов еще до написания программы управления.
5. Экспорт/Импорт конфигурации: возможность сохранить конфигурацию сети в CSV-файл для документации или клонирования на другие машины. Поддерживается два режима экспорта: «Standard» (для переноса на аналогичное оборудование) и «UUID-based» (жесткая привязка к уникальным идентификаторам модулей для защиты от подмены).   

Для работы с ПО необходимо перевести DIP-переключатель на адаптере в положение «SET». В этом режиме управление выходами со стороны ПЛК блокируется в целях безопасности.

При пусконаладке инженерам так же предлагается использовать специальный программатор LS-CON01. Он работает по инфракрасному интерфейсу на расстоянии до 10 см и позволяет:

• Считывать параметры ведомого модуля (slave), включая его адрес и состояние I/O.
• Назначать или изменять адреса станции и адреса точек ввода/вывода.
• Проводить отладку и диагностику без необходимости подключать ноутбук или использовать основную систему управления.

Такой инструмент значительно упрощает и ускоряет наладочные работы для технического персонала на производстве — особенно в условиях ограниченного доступа к модулям или в длинных линиях. Это удобное решение для настройки прямо «в поле».

Технические особенности

Стоит отметить, что для организации WellBUS не требуются специальные кабели. Используется обычный двухжильный провод (например, пары типа RVS/RVP с сечением около 0,5 мм²) - важно лишь обеспечить достаточное сечение для одновременной передачи тока питания и сигнала. Поскольку кабель имеет сопротивление, емкость и индуктивность, которые влияют на источник питания, необходимо рассчитать соответствующее соотношение между пропускной способностью и длиной шины, посмотрев таблицу на подключенном ведомом устройстве.

*примечание: рассчитанный ток – это значение, при котором подчиненные устройства распределены равномерно. Если все подчиненные устройства распределены в конце, доступное значение тока необходимо разделить на два.

Например: если все подчиненные устройства линии длиной 200 м подключены к конечному разъему длиной 20 м, используйте 16AWG, кабель 4P который может подавать ток только 0,3 А.

На графике показана зависимость длины провода от тока, где горизонтальная ось представляет расстояние длинной 200м, а вертикальная ось - ток. Ток в любой точке физической линии не может быть выше синей линии. Превышение пропускной способности может привести к:

• Сбоям в работе шины. Не получится просканировать или настроить ведомые устройства.
• Сбоям на входе и выходе модуля ввода-вывода, например, превышение допустимого значения тока из-за увеличения числа выходов, может привести к потери связи с выходом.
• Адаптер часто перезагружается.

Предварительное обнаружение: проверяйте все устройства ввода – вывода по крайней мере 20 раз каждые 30 секунд, чтобы проверить, есть ли ошибки ведомого устройства и сбои в работе адаптера.

Расчет на примере: 200 м кабеля 4P требуется для подключения 10 - 8DI, 20 - 8DO, 20 - 4DIDO, 20 - 2DI датчиков, ток каждого датчика составляет 20мА.

• Максимальный ток на стороне шины 8DI - 3,6 мА
• Максимальный ток на стороне шины 8DO - 8,3 мА
• Максимальный ток на стороне шины 4DIDO - 5,5 мА
• Максимальный ток на стороне шины 2DI - 3,6 мА+20 мА

Общий ток составляет 10*3.6+20*8.3+20*5.5+20*23.6= 784 мА. 784 мА > 0,6А не может работать стабильно

Решение 1:

Добавьте ретранслятор посередине: поместите 10 - 8DI, 20 - 8DO и 20 - 4DIDO перед ретранслятором. (10*3.6+20*8.3+20*5.5= 312 мА)

20 - 2DI после реле

20*23,6= 472 мА

Оба кабеля имеют длину менее 200 м. В то же время реле делит нейтральную линию на две секции, и предел тока каждой секунды будет увеличиваться.

Решение 2:

20 - 2DI с 20 - 8DI (10*3.6+20*8.3+20*5.5+20*3.6= 384 мА). Перенесите нагрузку со стороны шины на сторону ввода-вывода. 10*8*20+20*8*100+20*4*(20+ 100)+ 20*2*20= 28000мА = 28А.

Примечание: на стороне ввода-вывода также установлены ограничения по току; максимальный ток кабеля 4P составляет 6 А Рассчитайте в соответствии с приведенной выше конфигурацией по 2 методу. Предположим, что все токи DI равны 20 мА, а все токи DO равны 100 мА

Можно видеть, что ток значительно превышает 6 А, и вспомогательный источник питания также необходимо разделить: от передней к задней части, каждый раз, когда ток достигает 6 А, добавляется источник питания. Как показано на рисунке, отсоединить дополнительный источник питания относительно просто.

С помощью плоскогубцев перережьте линию дополнительного питания и подключите источник питания.

Простота конфигурирования и обслуживания

Основное промышленное применение — это использование модулей серии LS на конвейерных линиях, система WellBUS позволяет быстро заменять неисправные модули прямо во время работы линии — достаточно извлечь вышедший из строя модуль и установить новый, и система автоматически назначит ему правильный адрес, минимизируя простой производства. При обрыве связи с модулем конвейера или коротком замыкании в датчике система мгновенно идентифицирует аварийный узел и выводит сообщение на панель оператора, что сокращает время поиска неисправности и повышает общую надёжность технологического процесса.