Veldbus frequentieregelaar

De mens-machine-interface (MMI), ook wel HMI genoemd (Human Machine Interface), is een essentieel onderdeel van moderne frequentieregelaar-systemen. Het biedt de interface tussen de gebruiker en de regelaar, waardoor gebruikers de toepassing kunnen bedienen, bewaken en diagnostiseren. MMI’s variëren van eenvoudige ledindicatoren tot geavanceerde systemen die uitgebreide gegevens van de regelaar tonen.

Belangrijke componenten van MMI:

Led-indicatoren: Deze geven de status van de frequentieregelaar aan, zoals:

  • Stroom aanwezig
  • Actieve waarschuwing
  • Actief alarm

Bedieningspanelen: Deze variëren van eenvoudige numerieke displays tot geavanceerde grafische alfanumerieke panelen. Ze bieden de gebruiker de mogelijkheid om de frequentieregelaar te besturen en te monitoren. Voorbeeld: het VLT® Wireless Communication Panel LCP 103, dat via Wi-Fi verbinding maakt met de MyDrive® Connect-app, biedt eenvoudige bediening en onderhoud via een mobiel apparaat.

In- en uitgangsklemmen: Deze klemmen verbinden de frequentieregelaar met een PLC-besturing en stellen de gebruiker in staat om specifieke functies zoals start/stop of toerentalregeling in te stellen. Analoge en digitale signalen kunnen worden gebruikt voor zowel input- als outputfunctionaliteiten.

Softwaretools: Tools zoals MyDrive® Connect stellen de gebruiker in staat om de frequentieregelaar via een pc of mobiel apparaat te configureren en te monitoren. Deze software biedt uitgebreide mogelijkheden voor het instellen van communicatienetwerken, het maken van back-ups, het eenvoudig vervangen van defecte regelaars, en het uitvoeren van preventief onderhoud.

Veldbusinterface: Door gebruik te maken van gestandaardiseerde veldbussen kan de frequentieregelaar efficiënt worden geïntegreerd in een PLC-gestuurd systeem voor het inbedrijfstellen, regelen en bewaken van de toepassing.

    Samenvattend biedt de MMI gebruikers de tools om frequentieregelaars op een eenvoudige, efficiënte en flexibele manier te bedienen, terwijl het gebruik van moderne software en veldbusinterfaces zorgt voor optimale prestaties en integratie in automatiseringssystemen.

    2. Werkingsprincipes van seriële interfaces

    Seriële gegevensoverdracht houdt in dat gegevens bit voor bit worden verzonden, waarbij een logische 0 of 1 wordt gedefinieerd door specifieke spanningsniveaus. Er zijn verschillende methoden en standaarden ontwikkeld om betrouwbare, foutloze communicatie mogelijk te maken, afhankelijk van de interface-specificaties. De overdracht kan worden gekarakteriseerd door het type elektrisch signaal (stroom of spanning) en de gebruikte codering. Hierbij ligt de nadruk vaak op de referentiepotentiaal van het signaal, minder op het absolute spanningsniveau.

    Veelgebruikte seriële interfaces

    RS232/EIA232-interface

    • Gebruik: Deze interface, geïntroduceerd in 1962, was lange tijd de standaard voor communicatie tussen twee apparaten (punt-naar-puntverbinding).
    • Kenmerken:
      • Maximaal 1 zender en 1 ontvanger.
      • Communicatie over korte afstanden (tot 15 meter).
      • Duplex communicatie met minimaal 3 lijnen voor statussignalen.
      • Spanningsniveaus: ±5V tot ±15V.

    RS422/EIA422-interface

    • Gebruik: De RS422-interface maakt zowel punt-naar-punt– als multidropnetwerken mogelijk, waarbij meerdere ontvangers aan één zender kunnen worden gekoppeld.
    • Kenmerken:
      • Maximaal 1 zender en 10 ontvangers.
      • Communicatie over langere afstanden (tot 1200 meter).
      • Full duplex met 4 lijnen.
      • Spanningsniveaus: ±2V tot ±7V.

    RS485/EIA485-interface

    • Gebruik: RS485 is een verbeterde versie van RS422 en is geschikt voor multi-point communicatiesystemen, zoals buscommunicatie.
    • Kenmerken:
      • Maximaal 32 zenders en 32 ontvangers, met uitbreidingen tot 256 apparaten mogelijk.
      • Communicatie over afstanden tot 1200 meter.
      • Half-duplex communicatie, vaak met 2 lijnen.
      • Spanningsniveaus: ±1.5V tot ±5V.

    USB-interface

    • Gebruik: De USB (Universal Serial Bus) werd ontwikkeld in 1995 en heeft sindsdien diverse snelheidsverbeteringen ondergaan, van 12 Mbps (USB 1.1) naar 480 Mbps (USB 2.0) en zelfs 5 Gbps met USB 3.0.
    • Kenmerken:
      • Gegevensoverdracht via gedraaide aderparen (twisted pairs).
      • Maximaal 127 apparaten kunnen via een hub aan één poort worden aangesloten.
      • Maximum kabellengte van 5 meter.

    Ethernet-interface

    • Gebruik: Ethernet, oorspronkelijk ontwikkeld in de jaren 70, heeft zijn weg gevonden naar de industriële automatisering via protocollen zoals Modbus TCP, EtherNet/IP™, en PROFINET®.
    • Kenmerken:
      • Werkt meestal op 100 Mbps (kan ook 1 Gbps of meer zijn).
      • Communicatie over afgeschermde twisted-pair (STP) kabels, glasvezel of draadloos.
      • Grote voordelen: hoge snelheid, gestandaardiseerde kabels en connectoren, en de mogelijkheid om via bedrijfsnetwerken toegang te krijgen tot automatiseringsapparatuur, zelfs op afstand.
    Opmerking: Hoewel Ethernet verschillende technologieën ondersteunt, kunnen niet alle ethernettechnologieën in hetzelfde netwerk worden gemengd vanwege verschillende eisen aan arbitrage of timing.

      Overzicht van standaard specificaties van interfaces

      InterfaceType verbindingMax. apparaten per hoofdcircuitMax. afstand (m)Aantal lijnenSignaalniveau
      RS232Punt-naar-punt1 zender, 1 ontvanger15Duplex, min. 3 lijnen±5V tot ±15V
      RS422Punt-naar-punt1 zender, 10 ontvangers1200Duplex, 4 lijnen±2V tot ±7V
      RS485Bus32 zenders, 32 ontvangers1200Half-duplex, 2 lijnen±1.5V tot ±5V
      USBPunt-naar-puntMax. 127 apparaten via hubs54 lijnenVerschillende niveaus
      EthernetPunt-naar-punt127 apparaten (via hub)Variabel4 lijnenVerschillende niveaus

      Conclusie

      Seriële interfaces zoals RS232, RS422, RS485, USB en Ethernet hebben hun toepassing in industriële systemen en pc-communicatie aanzienlijk verbeterd, door flexibele, efficiënte en schaalbare gegevensoverdracht mogelijk te maken. Elk type heeft zijn specifieke gebruiksscenario’s en eigenschappen, afhankelijk van de gewenste overdrachtssnelheid, netwerkstructuur en afstand.

      3. Standaard seriële interfaces in frequentieregelaars

      De meeste frequentieregelaars zijn tegenwoordig standaard uitgerust met een seriële systeeminterface voor netwerkaansluiting. Deze interfaces ondersteunen vaak gestandaardiseerde protocollen, maar ook fabrikantspecifieke (bedrijfseigen) protocollen kunnen voorkomen. De fysieke interfaces zijn vaak gebaseerd op ethernet of RS485. Wanneer alleen een seriële RS485-interface beschikbaar is, zijn interfaceomzetters nodig. Voor gepubliceerde interfaces kunnen eenvoudige omzetters, zoals USB naar RS485, gebruikt worden. Steeds vaker hebben frequentieregelaars ook een USB-interface, waardoor het gebruik van omzetters overbodig wordt, aangezien veel pc’s deze interfaces ondersteunen.

      4. Veldbusinterfaces in frequentieregelaars

      Moderne frequentieregelaars maken vrijwel altijd gebruik van interfaces voor seriële communicatie, waarmee ze kunnen worden geregeld, bewaakt, geconfigureerd en gedocumenteerd. Deze interfaces, vaak onderdeel van een veldbussysteem, maken het mogelijk meerdere apparaten op hetzelfde netwerk aan te sluiten. In vergelijking met conventionele regeling via digitale en analoge in- en uitgangen, vergt een veldbussysteem minder bekabeling, wat de installatiekosten verlaagt. Echter, er zijn extra kosten voor de interfaces en componenten die nodig zijn om het bussysteem te besturen.

      In traditionele systemen vereist de communicatie tussen regelaar en PLC een aparte kabel voor elke parameter, wat resulteert in hogere installatie- en uitbreidingskosten, beperkte flexibiliteit en een grotere kans op fouten door verkeerde aansluitingen. Veldbusbedrading, daarentegen, gebruikt minder kabels en maakt de installatie sneller en veiliger. Het systeem is uitbreidbaar door extra regelaars aan een serieel ethernet-netwerk toe te voegen, waarbij nieuwe parameters snel en goedkoop in de PLC kunnen worden gecodeerd.

      Een veldbus over ethernet maakt het mogelijk om externe toegang te krijgen tot de regelaarparameters via een webserver, zonder tussenkomst van de PLC. Dit biedt flexibele inbedrijfstelling, externe bewaking en ondersteuning van toepassingen, en verhoogt de efficiëntie en veiligheid.

      5. Veldbusstandaardisering

      De ontwikkeling van veldbussen begon in de jaren 80, met als doel de voordelen van seriële communicatie ook in industriële omgevingen te benutten. Dit had niet alleen als voordeel dat kosten en tijd bespaard konden worden tijdens planning en installatie, maar ook de mogelijkheid om het systeem eenvoudig uit te breiden en de verhoogde interferentie-immuniteit voor het doorgeven van analoge signalen.

      Een cruciaal aspect van het succes van veldbussystemen is de ‘openheid’ van het systeem. Open-bussystemen bieden gebruikers de flexibiliteit om componenten van verschillende fabrikanten in hetzelfde netwerk te integreren zonder grote aanpassingen, wat de systeemefficiëntie vergroot en de onderhoudskosten verlaagt.

      Verschillende veldbussystemen gebruiken verschillende fysieke ontwerpen en protocollen, afhankelijk van de toepassing. Bijvoorbeeld, systemen die snelle processen zoals verpakkingsmachines aansteken, vereisen buscyclustijden van milliseconden, terwijl voor toepassingen zoals klimaatregeling, langere responstijden van enkele seconden acceptabel zijn. De keuze voor een specifiek systeem hangt af van factoren zoals datavolume, overdrachtstijd en transmissiefrequentie.

      Communicatiesystemen kunnen worden ingedeeld in drie niveaus, afhankelijk van het gebruik:

      1. Bedrijfsniveau: Hier wordt een groot datavolume (megabytes) uitgewisseld met lange overdrachtstijden (uren).
      2. Celniveau: Datavolume is kleiner (kilobytes), overdrachtstijden zijn korter (seconden), en gegevens worden frequenter uitgewisseld (minuten/uren).
      3. Veldniveau: Hier worden kleine hoeveelheden data (bytes of bits) uitgewisseld, met zeer korte overdrachtstijden en hoge transmissiefrequenties (milliseconden).

      De standaardisatie van de belangrijkste veldbussen werd in 1999 vastgelegd in de IEC 61158-norm. Verschillende veldbussystemen zijn wereldwijd populair, afhankelijk van de regio en de specifieke toepassing. In Europa heeft Profibus® en zijn ethernet-gebaseerde opvolger PROFINET® een dominant marktaandeel, terwijl in Noord- en Zuid-Amerika DeviceNet™ en EtherNet/IP™ meer verspreid zijn. De overgang naar ethernet-gebaseerde systemen, zoals PROFINET® in Europa en EtherNet/IP™ in Amerika, heeft de acceptatie van deze technologieën verder vergroot.

      6. Industrieel Ethernet en Internet of Things (IoT) in frequentieregelaars

      Frequentieregelaars kunnen tegenwoordig verbinding maken met het internet, maar dit vereist zorgvuldige aandacht voor cyberveiligheid, gezien de grote hoeveelheden gevoelige gegevens die kunnen worden overgedragen. Protocollen zoals MQTT zijn populair voor IoT-communicatie, maar kunnen kwetsbaar zijn voor beveiligingsproblemen, omdat gegevens via een tussenpersoon worden verzonden, wat de beveiliging bemoeilijkt. Daarom moet de veiligheid van gegevensoverdracht goed worden gepland bij het opzetten van de netwerkarchitectuur, vooral wanneer gegevens naar de cloud van de eindgebruiker worden gestuurd.

      Diensten zoals real-time bewaking op afstand (bijvoorbeeld DrivePro® Remote Monitoring) kunnen een aanzienlijke meerwaarde bieden. Door meerdere frequentieregelaars te combineren in één overzicht kunnen waardevolle inzichten worden verkregen voor foutdiagnose en probleemoplossing. Gateways kunnen helpen om de beveiliging te verbeteren door het netwerk achter de gateway te beschermen tegen directe blootstelling aan internetaanvallen. Het is niet aanbevolen om een frequentieregelaar direct via Ethernet aan het internet te koppelen zonder een beveiligingslaag, zoals een gateway.

      Bij het werken met grote hoeveelheden gegevens is gegevensbeheer essentieel. Het systeem moet in staat zijn om apparaten te beheren en de benodigde analysemogelijkheden te bieden. Edge Analytics, waarbij analyses lokaal op de regelaar zelf worden uitgevoerd, kan nuttig zijn voor eenvoudige foutidentificatie en anomaliedetectie. Geavanceerdere analyses, zoals machine learning, vereisen vaak meer rekenkracht dan wat een frequentieregelaar biedt, waardoor deze analyses naar de cloud moeten worden verplaatst voor uitvoering.

      Samengevat, het integreren van frequentieregelaars in een IoT-omgeving vereist een zorgvuldige afweging van beveiliging, gegevensbeheer en de mogelijkheden voor lokale versus cloud-gebaseerde analyses.