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X20控制系统特点及典型架构介绍 |
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作者：广西华锐钢铁工程设计咨询有限公司 申世武 黄小刚 |
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摘 要：介绍了X20控制系统的特点以及X20分布式IO系统典型架构，并就X20控制系统的高度开放性进行了较为详细的说明。
关键词：X20控制系统；分布式IO；系统典型架构
1.前言
随着新一代分布式I/O系统产品的上市及其解决方案成功应用，以及用户对不同总线通讯联网的需求，分布式I/O系统的市场份额得到了不断的扩大和增长。分布式I/O系统目前已经成为与集散控制系统（DCS）、可编程控制器（PLC）和基于PC控制系统同分天下的控制系统产品，并得到了越来越多用户的认可。
贝加莱（B&R）最新一代X20系统已成为控制系统领域中的佼佼者，X20系统不仅是一款性能卓越的分布式I/O系统，还是一款性能极强的PLC系统，该系统目前在全球范围内各行业的应用越来越广泛。X2分布式I/O系统具有模块化设计、无缝集成、高密度、灵活性及工业配电箱架构等特点。
2.X20系统特点
X20分布式控制系统是一种新型的PCC（可编程计算机控制器或模块化的工业计算机）系统，其特点包括以下四个方面。
2.1 模块化设计
因为模块化设计能够进一步满足用户对过程控制系统高度柔性化的系统选型要求，许多分布式I/O系统采用了完全模块化设计选型方案。有助于满足用户对于各种类型I/O模件的需求，因为大部分控制系统都具有数字量和模拟量混合控制的要求。只有采取数字量和模拟量混合型模块化设计方案，才可以进一步满足这种过程控制系统非常柔性化的要求。同时在一些特殊行业，客户要求分布式I/O能够具备带电热插拔的功能。这种模块化的特性使X20集成了传统导轨式及插片式I/O系统的以下优点：
可在系统以外预接线，电气模块的热插拔，自由的总线插槽供配件使用，极高的I/0装置密度，高99mm，模块宽12.5mm，深75mm大大节省了装置空间，最多12路DI或DO，单片模块集成12个数字量输入或输出通道。就X20系统而言，端子、底板对于所有的模块都是通用的。而且，即使变化的电气局部也是模块化的电气主板被设计为通用尺寸，以便能够以统一的形式装置在电气的外壳内，这使得整个模块的构成变得简单，统一的端子、统一的底板、统一的电气模块单元设计，端子和底板低故障率，这使得客户只需要为端子和底板提供很少的备件，节省部分备品备件投资。
2.2 无缝集成
贝加莱公司的X20系统为自动化技术再次设立了新的I/O规范，无缝集成是X20产品的主要优势。贝加莱公司凭借其在全球范围的应用经验，凭借与客户之间的临时以来的合作经验以及对简单，经济，平安性的追求，X20系统成为众多合作伙伴和集成商的首选。与贝加莱产品的组合使用，将使X20发挥最大的作用，对项目应用来说，也将带来超乎想象的性能优点。具备导轨式系统特点的插片式I/O系统，凭借其精密的构造，整个X20系统可以预先安装于导轨上，同时，拆卸过程也非常方便。预安装和预编程的系统可以根据用户要求短时间交货。
2.3 高密度
高密度的I/O特性优越表现使端子排、电气模块、总线模块3个基本单元只需组成1个模块，模块数量大大减少，模块状态可通过LED一目了然。电气模块的热插拔，可脱离系统进行预接线，节省用户备件成本， X20是一个解决复杂任务的工具，其简洁直观的构造让用户无需特别的技术就能使用。X20系统提供给你快速经济的方案以实现您的目标。X20模块由三个部分组成，确保了整个使用寿命过程中使用的最简单性。总线模块、电气模块及端子排的分列具备众多的优点。对不同种类机器的预配置，X20系统总线模块是众多设备类型的基本平台，机器的种类决定了所要使用的电气模块，软件自动识别所使用的模块，然后提供相应的功能。处理不同种类的机器变得再简单不过了。
2.4 灵活性
X20已不仅仅是一个远程I/O系统，而是一个完整的控制方案。对于标准现场总线来说，X20是一个最佳的延伸，同时，它也扩充了标准控制系统的控制性能。其实现的步骤相当简单，连接，配置，即宣告成功。X20系统是一个智能的控制器和I/O系统，无论是本地还是远程，用户自行决定性能，结构及拓扑。模块安装于彼此紧密相邻的导轨上，通过统一的X2X Link底板技术通信。 与其它贝加莱组件相连时，可以在100米以外的地方，或者安装于同一个开关柜中。X20系统为用户提供了最大的设计自由度，而且在无需昂贵现场总线模块的情况下能实现本地和远程拓扑的结合，大大地节省了成本。
而X20分布式I/O正是基于这样的设计理念，相对于集中系统分布式系统提供了更大的灵活性。提供了自动化现场应用的充分灵活性，具体表示在以下几点：
最多可扩展至253站， 1个模块也可以是一个站。根据现场的需要可以非常灵活的进行组织，只需要直接插入当前I/O站的右侧即可，增加一个模块并不需要如传统PLC那样更换底板。热插拔支持能力使得即使在不停机的状况下也不会影响系统的应用。贝加莱提供的步进电机控制器ACOPOSmicro和ACOPOSinvert变频器也可以直接被像I/O站一样的融入到整个系统中。比如3IP20产品、IP67XV控制器也可以任意的配置到系统中，这项技术提供了极大的灵活性超乎想象。
工业配电箱架构，X20端子排与电气模块相分离，使得对整个配电箱进行预接线成为可能，对于批量生产机器来说是最好的选择。维护简单，X20模块更换容易，从而排除故障也相当简单。电气模块可在操作的过程中更换，由于独立的端子排，接线维持原样，这样整个系统可以最快地更换自动化组件而减少了停机时间。
3.X20分布式IO系统典型架构
分布式I/O，不限I/O点数 ，最多可扩展253个分站。站与站之间最远距100m，远程与外地数据刷新时间相同， 数据刷新周期可达100微秒。外地24VDC供电，扩展站与站之间无需任何中继器。X20分布式IO系统典型架构如图1所示。
图1 X20分布式IO系统典型架构
丰富的模块类型可应用于多种行业并简化编程。 种类丰富，有数字量/模拟量模块等（DI/DO/AI/A O/A T）。信号类型有 源式、漏式、电压型、电流型、 绝对式、增量式。 专家模块有计数器模块、编码器模块、光栅尺、绝对式编码器、增量式编码器等的输入，支持最大2.5MHz编码器输入，提供高速的采样。通讯模块、 PWM模块、步进电机驱动模块、使得系统更加灵活。对于包装机械行业的定量称重等的调整即可采用这些小型的步进驱动模块来实现。伺服驱动模块、 应变检测模块、超声波信号接收模块、 能量检测模块，可应用于风力发电的功率丈量、功率因素、有功功率、无功功率、三相电流、电压丈量，应用于电力行业的变压器低压侧测量， 网关模块，平安模块。配置灵活：有2路/4路/6路/12路等。
超远距离光纤模块，贝加莱新的光纤模块可以把连接距离扩展20倍。贝加莱公司扩展 X20中继系统。系统中加入了一种新的光纤模块，从而使模块之间的距离分布能力增大，远程模块分布能力可高达2000米。双工技术的基础上，此模块的加入对系统来说是一个巨大的扩展。与只能覆盖100米的运行在快速以太网上的铜线相比。基本规范是100兆，没有内部降级技术的使用，这意味着没有任何的性能损失（线速）。因此，任何POWERLINK拓扑中，光纤模块非常适合在X20中继系统应用。不同的中继站设备能够很容易的连接。Hub单元可以通过RJ45来连接，X20中继系统是为了工业以太网的应用而开发的模块。或者简单的连接在一起或者是通过总线控制器连接。
4.X20 I/O系统的高度开放性
贝加莱 X20总线控制器，开启全开放的控制时代，无论是本地I/O扩展还是远程I/O扩展，这个问题完全可以由用户自己来决定，X20的总线控制器模块能够让客户自由、灵活地选择各种系统架构，让我们的用户真正做到应用决定架构。贝加莱 X20总线控制器能够兼容多个主流的现场总线，主要包括以下现场总线：Ethernet POWERLINK、EtherNet/IP、CAN、CANopen、Devicenet、Profibus-DP、Profinet, Modbus和TCP/IP等。同时贝加莱还推出了带有CPU性能的智能总线控制器，该类型的总线控制器在帮助用户扩展X20 I/O模块的同时，还能进行数据的采集和处理。所以，不论用户目前或以前所使用的控制系统是哪一家主流的自动化生产厂商所提供的PLC， X20 I/O模块都可以通过总线控制器方便地连接到现有的PLC系统中去，如果客户使用的是成套的贝加莱PCC系统，那么可以在贝加莱任何一款PCC系统中通过X20 总线控制器连接X20 I/O模块。
[1]当主站使用的是西门子PLC系统S7-400/300控制系统时，同时又希望扩展本地或远程I/O模块，针对这样的应用，可以采用图2系统架构示意图来实现用户的需求。从站控制器是贝加莱的X20BC0063，将X20BC0063总线控制器模块的GSD文件导入STEP 7中，即可在S7-400/300 PLC系统硬件组态时识别X20 I/O模块，其中X20BC0063是带Profibus-DP总线接口的总线控制器。
图2 系统架构示意图
X20总线控制器具有小体积、模块化的结构，这为用户的使用安装带来了便利，同时X20总线控制器还能为X20 I/O模块提供供电，在该模块上集成了LED显示和节点号拨码开关，帮助用户及时掌握通讯状态。同时X20总线控制器还能为X20I/O模块提供供电，不论用户目前或以前所使用的控制系统是任何自动化生产厂商所提供的PLC模块，都可以通过总线控制器简单方便地连接到现有的PLC系统中去。您所做的仅仅是导入设备描述文件，就可以完全兼容即插即用到第三方系统。
当用户选择一家公司的PLC产品时，以前的I/O系统是互不兼容。也不得不选择同一品牌的I/O产品。也许尽管该品牌的I/O性价比不是很好，但要求系统工程师改变一种已经习惯多年的编程模式并不容易，因此系统工程师有时由于客观原因没有选择更好的I/O产品来做项目。为方便客户的使用、维护方便以及容易升级，要求控制器可以兼容多个主流的现场总线， 这对I/O产品的开放性和兼容性需求就越来越强烈， X20系统是真正意义上的开放性I/O系统，支持Profibus、Modbus、DeviceNet、POWERLINK、CAN open和CAN等现场总线规范，兼容多种主流品脾的PLC -CPU如Siemen、Rockwell、Schneider等。
开放的I/O时代使用户在选择I/O产品时，突破品牌的限制，尽享标准化I/O所带来的方便。X20被融入到第三方控制中，通过在AutomStudio中生成的规范Gsd文件并导入到第三方的控制器。这些控制器完全将这些X20理解为自己的I/O来进行控制。 通过导入贝加莱提供的设备描述文件，您的系统就可以自动识别贝加莱I/O对I/O操作和编程与原有品牌的I/O完全一样，兼容且即插即用。
总之，不论您使用的是哪个品牌的控制系统，不论您的控制系统用于通讯的现场总线协议有多少种，在I/O扩展的领域中，X20总线控制器都能为您提供自由、灵活的系统架构。X20开放性I/O已经得到广泛的应用，假如项目中采用西门子S7-400控制器，通过X20BC0063总线控制器，扩展X20 I/O同一DP地址下再通过X20BR9300和X20BT9100通讯模块进行扩展，可以挂接63个X20系列I/O模块。所有的X20模块采用分布式的导轨式系统底板，支持带电热插拔。
5.结束语
X20 I/O系统具有极高的I/O密度、模块化安装、现场分布式、可预接线以及热插拔技术，并支持Profibus、Device、NetModbuS、TCP、CAN、POWERLINK、CANopen等现场总线。X20 I/O系统是开放、兼容、即插即用的I/O系统。X20总线控制器以其真正的开放、兼容、即插即用，能够为用户提供自由、灵活的配置及选型。X20目前所支持的IP等级分别为IP20和IP67，能够满足客户在恶劣工业环境的需求，X20系统都能灵活的应用于各个行业，如钢铁，冶金，机械、水处理，汽车，交通，造纸等行业，受到了越来越多用户的青睐。
参考文献
[1] 卜学增. PCC —— 一种具有独特理念的高效、实时、开放的PLC。沈阳：青年科学。2010年03期，22-24 。
作者简介
申世武，(1978-)，男，贵州金沙县人，工程师，学士学位，主要从事DCS、PLC、自动化、智能仪器仪表应用。
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(9/7/2012) |
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