Топологии шинных систем и способы монтажа пневмоостровов

Фактически сейчас различают четыре концепции монтажа пневмоостровов в шинных системах: централизованный, децентрализованный (распределенный) с низкой плотностью, децентрализованный с высокой плотностью и гибридный.

Централизованный монтаж

Централизованный монтаж подразумевает наличие в системе, выполняющей какую-то технологическую операцию, единственного пневмоострова с развитой электрической периферией, подключенного к шине. В этом случае все входы/выходы обслуживаются одним шинным узлом, что, наряду с относительно небольшим объемом монтажных работ, оптимизирует затраты.

Схема централизованного монтажа

Здесь нет никаких ограничений по функциональности и диагностике, обслуживание упрощено – все в одном доступном месте.

Примеры централизованного монтажа модульных пневмоостровов с электрической периферией

С другой стороны, с ростом числа распределителей в пневмоострове отчетливее проявляется и главный недостаток любого централизованного монтажа распределителей – некоторые из них оказываются далеко от своих приводов. А это чревато удлинением времени рабочего цикла и увеличением затрат сжатого воздуха. Также неудобно и дорого тянуть к такому острову длинные кабели от многочисленных датчиков. Иногда возникают и проблемы с пространством для большого острова. Поэтому число входов/выходов в такой системе редко превышает нескольких десятков.

Децентрализованный монтаж с низкой плотностью

При децентрализованном монтаже с низкой плотностью каждый из нескольких пневмоостровов рассредоточен по машине и имеет подключение к шине.

Схема децентрализованного монтажа с низкой плотностью

В этом случае удается получить меньшее время цикла и более низкое потребление воздуха. К тому же небольшому острову проще найти монтажное место. Функциональность (аналоговые сигналы, встроенные пропорциональные устройства и т.п.) и диагностика полностью сохраняется. Практически нет ограничений по числу входов/выходов. Но закупочная стоимость возрастает, поскольку шинные узлы довольно дорогие. И каждый пневмоостров требует подвода пневматического и электрического питания.

Децентрализованный монтаж с высокой плотностью

При децентрализованном монтаже с высокой плотностью используют шинный узел, который является как бы мастером шины низшего уровня, например, СР/AP-системы от компании Festo или системы AS-i.

Каждая из подключенных к шинному узлу цепочек может содержать один-два пневмоострова и модули входов/выходов.

Схема децентрализованного монтажа с высокой плотностью

Т.е. к одному шинному узлу можно подключить до 8 пневмоостровов с 16 катушками каждый. При сохранении основных достоинств распределенного монтажа здесь есть еще одно преимущество – по кабелю передаются и сигналы и питание. За это приходится платить некоторыми ограничениями: числом станций, числом входов/выходов в станции, длиной кабелей, специфическим порядком подключения модулей, упрощенной диагностикой и невозможностью передавать аналоговые сигналы. Усложняется и процесс заказа. Выгода по цене при таком монтаже имеет место при большом числе цепочек на шинный узел.

Гибридный монтаж

Гибридный монтаж подразумевает свободные комбинации предыдущих концепций. Это позволяет, комбинируя пневмоострова с электрической периферией и прямым подключением к шине, с СР-системой и AS-i получать множество вариантов решения каждой конкретной задачи и выбрать оптимальное сочетание затрат на закупку и монтаж. Здесь нет никаких ограничений по функциональности, диагностике, монтажному пространству или числу входов/выходов.

Схема гибридного монтажа

Децентрализованная CP-система FESTO

Что касается СР-системы, то независимо от протокола fieldbus/Ethernet существует 3 варианта ее реализации: с помощью отдельного шинного СР-узла (децентрализация с высокой плотностью), с помощью модуля СР-интерфейса в электрической периферии (гибридный монтаж) и с помощью пневмоострова с прямым подключением к шине (низкая плотность). Отдельный шинный узел СР-системы и модуль СР-интерфейса имеют по четыре CP-разъема, а пневмоостров – всего один.

Системы распределенного монтажа на базе пневмоострова с прямым подключением к шине

К каждому такому разъему с помощью специальных готовых кабелей различной длины можно подключить до 16…32 выходов (пневмоострова или блоки выходов) и до 16…32 входов. При этом длина одной цепочки не должна превышать 10 м. Модуль выходов (пневмоостров) или модуль входов в цепочке может отсутствовать. В более старых системах возможны три варианта цепочки: 1) с модулем выходов (пневмоостровом) и модулем входов; 2) только с модулем выходов или пневмоостровом; 3) только с модулем входов. Текущая конфигурация цепочки на пневмоострове выставляется с помощью набора небольших переключателей, чтобы мастер шины понимал, сколько адресов входов/выходов он должен отвести на эту станцию. А в отдельном шинном узле и модуле интерфейса в электрической периферии, которые имеют до 4 цепочек, для сохранения конфигурации используется кнопка Save (сохранить). Проверка конфигурации выполняется каждый раз при подаче на цепочку питания. Все пневмоострова и модули выходов такой системы имеют входящий и исходящий разъемы, а модули входов (всегда последние в цепочке) – только входящий. Модули выходов при необходимости могут иметь дополнительный разъем питания.

Эта система распределенного монтажа пневмоостровов, отдельных распределителей и датчиков оказалась очень удачной, позволяя упростить монтаж и сократить время цикла пневматических приводов. При этом стоимость используемого оборудования, по сравнению с одним центральным пневмоостровом, повысилась незначительно. Зато предварительной работы стало больше: отдельно конфигурируется каждый пневмоостров, а затем конфигурируется сама система с кабелями и модулями входов/выходов. В последней конфигурации пневмоострова учитываются только «виртуально» – под них просто резервируется место. СР-система постоянно модернизируется за счет появления новых модулей входов/выходов, оптимизированных по цене и габаритам, увеличения их количества в цепочке, а также за счет оборудования СР-интерфейсом новых пневмоостровов.

Децентрализованная AP-система FESTO

Дальнейшим развитием децентрализованных систем стала система AP от FESTO.

Схема децентрализованного монтажа на базе FESTO CPX-AP-I

Система AS-i

Аналогично, система AS-i может базироваться на мастер-модуле, который подключается к шине напрямую или встраивается в электрическую периферию пневмоострова с шинным узлом.

Варианты конфигурации системы AS-i: с отдельным мастером и мастером в пневмоострове

Модулями системы AS-i могут быть отдельные блоки для подключения двух датчиков и двух катушек (т.е. отдельного пневмоцилиндра с датчиками и распределителем) или пневмоострова. В каждом пневмоострове не должно быть более 4 катушек и 4 датчиков, но есть «двойные» пневмоострова с AS-i, где катушек и датчиков по 8. Номера станций задаются отдельным устройством адресации.

Установка пневмоострова в шкаф управления

В большинстве случаев защита IP65/67 позволяет устанавливать пневмоострова на оборудование открыто. Тем не менее, концептуально по проекту часто бывает необходимо собрать единый шкаф, содержащий в себе всю "электрику" (источники питания, контроллеры, промежуточные реле, клеммы и прочее оборудование АСУТП) и "пневматику" (пневмоостров, блок подготовки воздуха). Также установка пневмоострова в шкаф бывает обусловлена наличием специальных требований, например, по взрывобезопасности или устойчивости к агрессивным средам.

Установка островов в шкафу обычно в 2 раза увеличивает объем работ по подключению пневматической части с сопутствующим увеличением затрат на закупку дополнительных фитингов и шлангов.

Для оптимизации этих затрат выпускают острова на специальных монтажных плитах, предназначенных для установки на дно или стенку шкафа с выводом фитингов наружу и уплотнением плиты по периметру. В шкафу под плиту вырезается отверстие.

© По материалам книги "Проектирование и обслуживание пневматических систем", Сулига С.В. , 2021 г. согласно лицензионному договору с ООО "Би Энд Би Инжиниринг". Копирование запрещено.