بررسی تخصصی ریموت I/O زیمنس ET 200SP و مقایسه جامع با ET 200S

در توپولوژی‌های نوین اتوماسیون صنعتی، انتقال حجم انبوه سیگنال‌های فیلد (حسگرها و عملگرها) با کابل‌کشی مستقیم به تابلو مرکزی، از نظر فنی منسوخ و از نظر اقتصادی ناموجه است. شرکت زیمنس با توسعه خانواده سیستم‌های ورودی/خروجی توزیع‌شده (Distributed I/O)، راهکارهای ماژولاری ارائه کرده است که ایستگاه‌های محلی را از طریق بسترهای اترنت صنعتی به کنترل‌کننده‌های مرکزی پیوند می‌دهند.

سیستم ET 200SP (نسل پیشرفته Periphery) به عنوان جانشین رسمی و مهندسی‌شده خانواده کهنه‌کار ET 200S، هم‌اکنون استاندارد اصلی صنایع در زمینه سیستم‌های I/O ماژولار با استاندارد حفاظتی IP20 به شمار می‌رود. در این مقاله جامع، به بررسی فنی اجزای سخت‌افزاری ET 200SP، کارکرد ماژول‌های اینترفیس، تکنولوژی منحصربه‌فرد ترمینال‌ها و مقایسه همه‌جانبه آن با ET 200S می‌پردازیم.

 

 

 

معرفی اکوسیستم SIMATIC ET 200SP زیمنس و جایگاه آن در اتوماسیون توزیع‌شده

گذار از معماری سنتی به سیستم I/O ماژولار و فشرده (IP20)

خانواده SIMATIC ET 200SP برای نصب در تابلوهای کنترل و محفظه‌های فشرده طراحی شده است. تمرکز زیمنس در بازطراحی این سیستم، دستیابی به بالاترین چگالی کانال (Channel Density) در کمترین عرض فیزیکی، سهولت فوق‌العاده در کابل‌کشی بدون نیاز به ابزار و ارتقای پهنای باند انتقال سیگنال روی باس داخلی بود. این سیستم با کاهش ابعاد تا حدود ۵۰ درصد نسبت به رک‌های سنتی، حجم مفید تابلو برق را به‌طور چشمگیری آزاد می‌کند.

 

پردازش محلی با پی ال سی S7-1500  (سری Open Controller و CPU 1510SP/1512SP)

ایستگاه ET 200SP صرفاً یک پایانه واسط I/O ساده نیست؛ زیمنس پردازنده‌های کنترل محلی را نیز در قالب همین ابعاد فیزیکی تعبیه کرده است:

• پردازنده‌های توزیع‌شده (Distributed Controllers): پردازنده‌هایی مانند CPU 1510SP-1 PN و CPU 1512SP-1 PN هسته محاسباتی کامل S7-1500 را با فرم‌فکتور ET 200SP ترکیب می‌کنند. این پیکربندی امکان اجرای برنامه‌نویسی پیشرفته در TIA Portal و کنترل فرآیندهای محلی مستقل را بدون نیاز به اشغال فضای یک CPU بزرگ S7-1500 فراهم می‌سازد.
• کنترل‌کننده‌های باز (Open Controllers): مدل‌هایی مانند CPU 1515SP PC2 ترکیبی از یک کنترل‌کننده نرم‌افزاری مستقل (Software Controller بر پایه استاندارد ایمنی سخت‌افزاری) و سیستم‌عامل ویندوز استاندارد هستند که برای مصارف تحلیل داده، برنامه‌های ++C/C و بینایی ماشین (Machine Vision) در لبه شبکه (Edge Computing) کاربرد دارند.

 

بررسی سخت‌افزاری ET 200SP؛ اجزای اصلی تشکیل‌دهنده رک

ساختار مکانیکی و الکتریکی ET 200SP کاملاً نوآورانه است و از چهار المان بنیادین تشکیل می‌شود:

• ماژول ارتباطی شبکه (Interface Module)؛ تحلیل سری ماژول IM 155-6 (نسخه‌های BA، ST و HF)

وظیفه جمع‌آوری دیتا از باس داخلی و مخابره آن به سمت PLC مرکزی بر عهده ماژول IM 155-6 است. این اینترفیس‌ها در رده‌های عملکردی گوناگون عرضه می‌شوند:

• Basic (BA): مدل مقرون‌به‌صرفه مانند IM 155-6 PN BA با پشتیبانی از حداکثر ۱۲ ماژول و توابع پایه‌ای شبکه برای کاربردهای سبک.
• Standard (ST): مانند IM 155-6 PN ST با توانایی اتصال حداکثر ۳۲ ماژول ورودی/خروجی، انتخابی ایده‌آل برای عموم پروژه‌های متعارف صنعتی.
• High Feature (HF): مدل‌های پرچمدار مانند IM 155-6 PN/2 HF (شماره‌قطعه 6ES7155-6AU01-0CN0) و نسخه‌های سه‌پورت IM 155-6 PN/3 HF. این سری امکان پشتیبانی از حداکثر ۶۴ ماژول، قابلیت‌های سنکرون‌سازی ایزوکرونوس (Isochronous Real-Time - IRT)، پروتکل کنترل خطای رسانه (MRP/MRPD)، تعویض گروهی کارت‌ها در حین برق‌داری و پشتیبانی از پایداری سیستم ریداندنت (S2 Redundancy برای سری‌های S7-1500R/H) را محقق می‌سازد.

 

• تکنولوژی BusAdapter زیمنس؛ انعطاف در زیرساخت فیزیکی شبکه صنعتی

در تجهیزات کلاسیک، خرابی سوکت شبکه RJ45 روی کنترلر به معنای تعویض کل برد اینترفیس بود. نوآوری BusAdapter زیمنس این نقص را برطرف کرد. ماژول‌های ارتباطی و پردازنده‌های ET 200SP فاقد پورت فیزیکی ثابت روی بدنه خود هستند و کابل شبکه به قطعه‌ای جداگانه موسوم به BusAdapter متصل می‌شود:

• BA 2xRJ45: استفاده از دو درگاه استاندارد کابل مسی اترنت (مانند پارت نامبر 6ES7193-6AR00-0AA0).
• BA 2xFC (FastConnect): اتصال مستقیم رشته‌های کابل صنعتی به ترمینال بدون نیاز به کانکتور RJ45 که مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر ارتعاشات مکانیکی شدید فراهم می‌کند.
• BA 2xSCRJ و BA 2xLC: ماژول‌های مبدل فیبر نوری شیشه‌ای یا پلیمری برای فواصل طولانی و محیط‌هایی با اعوجاج الکترومغناطیسی (EMC) بسیار بالا.
• ترکیب‌های هیبریدی (مانند BA 1xRJ45 / 1xFC): تغییر مدیا بدون نیاز به سوئیچ مبدل خارجی.

 

• فلسفه طراحی BaseUnit زیمنس؛ تفکیک سیم‌کشی از ماژول و مفهوم گروه پتانسیل

در این پلتفرم، ترمینال‌های سیم‌کشی بخشی از ماژول الکترونیکی نیستند؛ بلکه بر روی ساختاری تحت عنوان BaseUnit زیمنس (پایه‌های ترمینال روی ریل) پیاده شده‌اند:

• تفکیک کامل سیم‌کشی دائمی (Permanent Wiring): سیم‌ها مستقیماً وارد ترمینال BaseUnit می‌شوند. اگر ماژول الکترونیکی آسیب ببیند، تعویض آن در چند ثانیه و بدون دست‌زدن به پیچ‌ها یا سیم‌ها صورت می‌گیرد.
• کدگذاری مکانیکی خودکار: در اولین بارگذاری کارت، یک خار مکانیکی در BaseUnit قفل می‌شود تا در صورت اشتباه انسانی، نتوان کارتی از نوع دیگر (مثلاً کارت ۲۳۰ ولت به جای کارت ۲۴ ولت) را در آن اسلات جا زد.
• گروه‌های پتانسیل (Light vs Dark BaseUnits):
  • BaseUnit روشن (سفید / Light BaseUnit - پیشوند BU…D): این پایانه تغذیه ورودی جدید ۲۴ ولت DC را دریافت کرده و یک گروه پتانسیل الکتریکی مجزا (Potential Group) باز می‌کند.
  • BaseUnit تیره (خاکستری / Dark BaseUnit - پیشوند BU…B): پتانسیل تغذیه را از BaseUnit قبلی خود به اشتراک می‌گذارد و نیاز به جامپر زدن سیم‌های ۲۴ ولت و ارت را به‌طور کامل در داخل ترمینال مرتفع می‌کند.

 

• تنوع کارت DI DQ زیمنس، ماژول‌های آنالوگ و ماژول‌های Fail-safe

تنوع ماژول‌های الکترونیکی ET 200SP بسیار گسترده است:

• کارت DI DQ زیمنس: ماژول‌های ورودی و خروجی دیجیتال در قالب‌های ۸، ۱۶ کاناله (با پهنای استاندارد ۱۵ میلی‌متر) و حتی مدل‌های متراکم ۳۲ کاناله، با گزینه‌های جریان نشتی صفر، محافظت در برابر اتصال کوتاه و تشخیص قطعی سیم (Wire-break Diagnostics).
• کارت‌های ورودی/خروجی آنالوگ (AI/AQ): با رزولوشن‌های تا ۱۶ بیت، قابلیت پشتیبانی از انواع سیگنال‌های ولتاژی، جریانی (HART)، ترموکوپل و RTD با ایزولاسیون کانال‌به‌کانال.
• ماژول‌های ایمنی (Fail-safe F-DI / F-DQ / F-PM): طراحی‌شده برای کاربردهای حفاظتی منطبق بر SIL 3 / PL e که امکان کنترل عملگرهای اضطراری را در همان رک فرعی بدون کنترلر مجزا مهیا می‌کند.

 

• مقایسه جامع و گام‌به‌گام ET 200SP در برابر نسل قدیمی ET 200S

 

• وضعیت چرخه حیات (Product Lifecycle) و توقف تولید ET 200S

کمپانی زیمنس رسماً از اکتبر ۲۰۲۰ فرآیند فاز حذفی (Phase-out) سری ET 200S را اعلام کرد و از اکتبر ۲۰۲۳ این سری وارد چرخه محدود قطعات یدکی شد. این بدان معناست که دیگر نباید در پروژه‌های جدید از قطعات ET 200S (سری IM 151 و TM-P/TM-E) استفاده کرد؛ زیرا هزینه تأمین و ریسک کمیاب‌شدن آنها در بازار جهانی بسیار بالاست. در نقطه مقابل، خرید ریموت I/O زیمنس سری ET 200SP تضمین‌کننده دسترسی آسان، پشتیبانی فیرم‌ور و ثبات قطعات یدکی برای دهه‌های آتی است.

هشدار مهندسی مهاجرت (Migration Note): تبدیل سیستم‌های قدیمی ET 200S به ET 200SP به صورت Drop-in (جایگزینی مستقیم کارت روی بیس قبلی) غیرممکن است. به دلیل تفاوت در گذرگاه پس‌زمینه و ابعاد BaseUnitها، ارتقای خطوط نیازمند بازطراحی فیزیکی چینش ریل و به‌روزرسانی پیکربندی سخت‌افزاری در TIA Portal است.

 

• تراکم کانال‌ها، ابعاد تابلو و اشغال فضای مکانیکی

در سیستم ET 200S، برای پیاده‌سازی ۱۶ کانال ورودی دیجیتال، به حداقل ۲ تا ۴ ماژول جداگانه نیاز بود که این امر طول رک را روی ریل DIN به شدت افزایش می‌داد. در نقطه مقابل، یک کارت DI DQ زیمنس در سیستم ET 200SP می‌تواند تا ۱۶ کانال را درون یک اسلات استاندارد ۱۵ میلی‌متری جای دهد. این مزیت علاوه بر کاهش هزینه خرید سلول تابلو، طول کابل‌کشی داکت‌ها را کمینه می‌سازد.

 

• قابلیت تعویض در حین کار (Multi-Hot Swapping)

در ماژول‌های ET 200S، در صورت بروز نقص، اپراتور تنها مجاز به بیرون کشیدن یک ماژول معیوب در حین برق‌داری بود. در استاندارد ET 200SP با بهره‌گیری از ماژول‌های رابط High Feature (مانند IM 155-6 PN HF)، قابلیت Multi-Hot Swapping مهیا شده است؛ بنابراین می‌توان چندین کارت را به صورت همزمان از BaseUnit خارج و تعویض کرد، بدون آنکه ارتباط شبکه اصلی فیلدباس قطع شود یا اختلالی در عملکرد مابقی کانال‌های تحت فرمان رخ دهد.

 

• راهنمای گام‌به‌گام پیکربندی و راه‌اندازی ET 200SP در محیط TIA Portal

برای پیکربندی اصولی یک ایستگاه ET 200SP، مراحل استاندارد زیر در محیط مهندسی TIA Portal اجرا می‌شود:

• انتخاب اینترفیس متناسب با نیاز پروژه: بر اساس تعداد ورودی/خروجی‌ها، نسخه Basic، Standard یا High Feature از ماژول IM 155-6 را از کاتالوگ سخت‌افزار انتخاب کرده و به شبکه PROFINET تخصیص دهید.
• پیکربندی BusAdapter: در تنظیمات پورت فیزیکی، نوع آداپتور سوارشده روی IM (مثلاً RJ45 یا FastConnect) را دقیقاً مطابق با پارت‌نامبر سخت‌افزاری مشخص کنید.
• تنظیم دقیق Potential Groupها در کاتالوگ کارت‌ها: به ازای هر کارت، در برگه پارامترها مشخص کنید که BaseUnit پایینی از نوع سفید (Enable new potential group) است یا تیره (Use potential group of the left module). عدم تطابق این پارامتر نرم‌افزاری با نوع بیس فیزیکی منجر به خطای تشخیصی سخت‌افزار (Diagnostic Error) و روشن شدن LED خطا (SF/ERROR) خواهد شد.
• تعبیه Server Module (ماژول انتهای رک): این قطعه بدون هزینه اضافی به همراه ماژول رابط ارائه می‌شود و نصب مکانیکی آن در آخرین اسلات سمت راست ترمینال‌ها جهت بستن مدار سیگنال باس داخلی الزامی است.

 

• تحلیل اقتصادی، قیمت SIMATIC ET 200SP و فاکتورهای کلیدی در خرید ریموت I/O زیمنس

هنگام تصمیم‌گیری برای تجهیز تابلوهای صنعتی، مقایسه صرف برچسب قیمت دو قطعه دیدگاه کاملی ارائه نمی‌دهد. فاکتور قیمت SIMATIC ET 200SP باید در چارچوب کل هزینه چرخه عمر و ساخت (TCO) ارزیابی شود:

• کاهش هزینه سیم‌کشی و مونتاژ تابلو (TCO)

• حذف سرسیم‌زنی و پیچ‌کاری با ترمینال Push-in: بهره‌گیری از پایانه‌های کلمپی فشاری سرعت سیم‌بندی تابلو را تا ۶۰ درصد نسبت به روش‌های سنتی افزایش می‌دهد و نیاز به آچارکشی دوره‌ای جهت جلوگیری از شل‌شدن ترمینال‌ها در اثر لرزش خط را به صفر می‌رساند.
• عدم نیاز به ماژول تغذیه مجزا: در ET 200S کاربر ناچار به صرف هزینه برای ماژول‌های پاور مجزای PM-E بود، در حالی که در ET 200SP کافی است یک BaseUnit روشن خریداری شود که قیمت بسیار کمتری از یک ماژول الکترونیکی کامل دارد.
• کاهش زمان توقف خط با تعویض بدون ابزار: تفکیک قطعه الکترونیکی از پایانه ترمینال اجازه می‌دهد تکنسین تعمیرات بدون ابزار و در کمتر از ۲۰ ثانیه کارت آسیب‌دیده را حتی در حین کارکرد خط (Hot Swap) جایگزین کند.

 

• چک‌لیست مهندسی پیش از سفارش‌گذاری و استعلام قیمت

پیش از اقدام به خرید ریموت I/O زیمنس، بررسی اطلاعات زیر از بروز اشتباه در سفارش جلوگیری می‌کند:

• نوع فیزیکی اتصالات شبکه (نیاز به پورت‌های کابل مسی معمولی یا کابل نوری با BusAdapterهای مقاوم).
• تیپ پایه‌های BaseUnit متناسب با کارت انتخابی (نوع A0، A1، B0 و وجود پایانه‌های اضافی AUX یا ارت مستقیم).
• نسخه فیرم‌ور و پشتیبانی در پلتفرم مهندسی شما (نیازمندی نسخه STEP 7 V5.5 SP4 به بالا از طریق فایل GSD یا سازگاری بومی در بسترهای TIA Portal).

 

پرسش‌های متداول (FAQ)

• تفاوت اصلی BaseUnit روشن (Light) و تیره (Dark) در ET 200SP چیست؟

BaseUnit روشن (سفید) وظیفه دریافت تغذیه جدید ۲۴ ولت را بر عهده دارد و یک گروه پتانسیل تازه می‌سازد؛ در حالی که BaseUnit تیره (خاکستری) فاقد ورودی ترمینال تغذیه جداگانه است و ولتاژ کمکی را از ماژول قبلی سمت چپ خود به کارت‌های بعدی منتقل می‌کند.

• آیا برای استفاده از ET 200SP حتماً باید PLC سری S7-1500 داشته باشیم؟

خیر. ماژول‌های ET 200SP استاندارد می‌توانند از طریق پروتکل صنعتی PROFINET یا PROFIBUS به هر کنترل‌کننده‌ای از جمله سری‌های S7-1200، S7-300، S7-400 و حتی کنترل‌کننده‌های برندهای دیگر که از فایل استاندارد GSD/GSDML پشتیبانی می‌کنند، متصل شوند.

• ماژول رابط IM 155-6 PN ST چه تفاوتی با نسخه High Feature (HF) دارد؟

نسخه High Feature (HF) تعداد اسلات بیشتری را تا سقف ۶۴ ماژول پشتیبانی می‌کند، مجهز به عملکردهای شبکه نظیر Isochronous Real-Time (IRT) و قابلیت Multi-Hot Swapping همزمان است و از مدهای ریداندنسی پیشرفته S2 برای خطوط حیاتی پشتیبانی به عمل می‌آورد.

• نقش قطعه BusAdapter در ماژول‌های ET 200SP چیست؟

BusAdapter بخش فیزیکی اتصال کابل شبکه است که از برد الکترونیکی ماژول واسط جدا شده است. این قطعه به مهندسان اجازه می‌دهد نوع رابط فیزیکی (RJ45 سنتی، اتصال FastConnect ضدلرزش یا فیبر نوری شیشه‌ای و پلیمری) را بدون تغییر در ماژول اصلی انتخاب یا تعویض کنند.