Модули дискретного ввода что это

Рейтинг лучших модулей аналогового и дискретного ввода/вывода на 2021 год

В чем суть автоматизации? В том, что весь поток информации передается от первичных источников (датчиков). Предполагается, что поступающие данные должны соответствовать действительности, преподносить информацию в реальном времени, что предполагает высокую скорость обновления. Только таким образом получится осуществлять действенный контроль за объектом управления, чтобы предотвратить ложные срабатывания и аварийные ситуации. Помочь в этом могут модули аналогового и дискретного ввода/вывода.

Для чего нужны такие приспособления

Чтобы подключить устройство удаленного доступа, которое применяется с целью аккумулирования огромного количества данных, применяется ряд вспомогательных механизмов (исполнительных). Как работает агрегат? Осуществляет замеры получаемых аналоговых и дискретных показателей, которые преобразовывают данные на контроллер, а также управляющее приспособление, сервер (облачный), ПК и оборудования другого типа.

Ключевые характеристики узлов ввода – вывода:

Какими бывают

Узлы ввода – вывода бывают:

Стоит обратить внимание на то, что в каждом из рассматриваемых случаях, поступившая команда будет обозначена в пределах одного из диапазонов:

При определенных обстоятельствах нужно обустроить специализированные порты, которые помогут принимать сигнал от термосопротивления или термопара.

Модули дискретного типа предполагают наличие логической команды в определенном диапазоне, в то время как аналоговые согласовывают со своими электромагнитными показателями, сопоставимыми с исполнительными механизмами, которые управляются системой. На узлы ввода поступают сигналы общей шины посредством определенного протокола, после они передаются на выходные линии.

Стоит отметить, что как все каналы модулей, так и питающие цепи, имеют гальваническую изоляцию от общей шины.

Применяемые узлы могут работать с одним из множества коммуникационных протоколов: Modbus, DeviceNet, RTU. Принцип обмена информационными протоколами между узлом и контроллером выглядит следующим образом: ведущий и ведомый, где модуль – ведомый. Процессор приспособления, запросив данные со всех каналов и зафиксировав их состояние, дожидается инициирующей команды от ПЛК по приему и передачи данной информации.

Существуют популярные модели, где команда обмена инициирует сам узел ввода, который принял информацию об изменении состояния канала. Происходит адресная передача данных от узла к ПЛК. Процессор в состоянии выполнять и дополнительные функции, такие как:

Модификации оборудования

Лучшие производители выпускают модели в нескольких модификациях. Они отличаются функционалом, средней ценой, возможностями, техническими характеристиками, материалом изготовления комплектующих элементов, взаимодействием с ПЛК посредством общей шины. Остановимся на каждом варианте более подробно.

Дискретные серии ARD

Обмен данными происходит при помощи протокола DeviceNet. Универсальная модель, позволяющая использовать разные процедуры связи, в том числе и изменение (COS). Присутствует многобайтный ввод сигнала. Что это такое? Прежде всего, оптимальное решение удаленного ввода/вывода для АСУ. Серия включает стандартные модули и экземпляры, имеющие специальные разъемы, чтобы была возможность подключить датчики.

Наличествует восемь каналов ввода – вывода дискретных сигналов с открытым PNP- или NPN — коллектором. Каналы обладают оптической развязкой от источника поступления данных или нагрузки. Присутствует также защита от перегрузки тока, при изменении полярности напряжения питания, от слишком высокого напряжения.

Все оборудования поддерживание протокол DeviceNet. Присутствует возможность подключить три дополнительных узла расширения к основному модулю. Дополнительные устройства в состоянии работать в сетях DeviceNet / ModBus. Данная продукция дает возможность:

При этом, скорость передачи информации напрямую зависит от удаленности узла от ведущего приспособления. Как следствие, получается такая картина:

Вес модулей, в зависимости от марки, колеблется от 64 до 59 грамм. Присутствуют такие дополнительные возможности:

Наличие в узле специального разъема e-Con для подсоединения датчиков позволяет сделать подключении быстрым и беспроблемным, экономя при этом свободное пространство при монтаже.

Обзор технических характеристик покажет такую картину:

Дискретные серии ARM

Для обмена данных используется протокол Modbus RTU, причем есть возможность выполнить только одну процедуру: осуществить циклический опрос (POLL) и 1-байтный ввод информации. Модель позволяет расширить количество портов для выходных и входных сигналов ПЛК, операторских панелей или ПК.

Количество каналов – 8 штук, которые оптически изолированы от нагрузки и от источника сигнала, а также от скачков напряжения, смены полярности и так далее. Присутствует автоматическое установление скорости передачи данных, которое соответствует скорости ведущего оборудования (ПК, ПЛК и так далее). Максимальное количество подключений таких базовых модулей к ведущему устройству – 63. Предусмотрено подключение дополнительных узлов расширения для работы в сети DeviceNet / ModBus.

Очень компактный продукт, ширина которого составляет 26 мм. Монтируется на DIN – рейку или к панели при помощи болтов. Подключение датчиков осуществляется быстро и легко при помощи контактных разъемов e-Con. Способно работать на значительном удалении – до 800 м. По своим параметрам практически схожи с предыдущим вариантом.

Компактное устройство, в состав которого входят:

Может одновременно объединить 64 устройства ввода – вывода и использовать их для управления. Оборудование оснащено вставными клеммами, которые позволяют оперативно подключить внешние элементы. Установка конструкции осуществляется на DIN-рейку. Наличие возможности отключить клеммный блок и блок управления, предоставляет возможность проводить техническое обслуживание системы, не выключая канал обмена информацией и источник питания. Конструкцию можно установить при недостаточном свободном пространстве, так как малые ее габариты позволяют это сделать без особых усилий и смекалки.

Продукция используется в таких областях:

Чтобы определиться с самым хорошим товаром, необходимо изучить рейтинг качественных моделей, определить критерии выбора, уточнить их достоинства и недостатки, а также среднюю цену, понять их особенности. К достоинствам модуля ARIO стоит отнести:

Сфера использования

Область применения устройств подобного типа при условии, что речь идет о конструкциях предусматривающих использование таких приспособлений, следующие:

Как выбрать и где купить продукцию

Когда возникает необходимость приобрести модули, появляется масса вопросов, в том числе и какой фирмы лучше выбрать товар. Популярных моделей много, производители стараются угодить самым дотошным пользователям. Умные варианты стоят больших денег, брендовые недорогими не бывают.

Какой бренд лучше купить, зависит от предпочтений пользователя и сферы использования устройства. Немаловажное значение имеют отзывы покупателей, на которые стоит обратить внимание. Ошибки при выборе лучше не допускать, так как конечный результат может быть отрицательным и деньги будут потрачены впустую.

Прежде, чем посетить специализированные торговые точки или заказать конструкцию онлайн в интернет – магазине, стоит прислушаться к рекомендациям специалистов в этой области и получить от них дельный совет. Нужно не пропускать новинки как российского, так и зарубежного производства. По мнению покупателей, можно выбрать качественный продукт по бюджетной цене. Изготовить такое устройство своими руками не представляется возможным, да в этом и нет необходимости. А вот установить его можно без посторонней помощи.

Рейтинг лучших модулей аналогового и дискретного ввода/вывода на 2021 год

Аналоговые

Четырехканальный модуль работает на базе DAC 8775, имеет интегрированный преобразователь LM 5166, который дает возможность довести рассеиваемую мощность до показателя в 1 Вт. Устройству необходимо входное напряжение от 1,5 до 40 В. Способен регенерировать на входе 4 обособленных источника, используемые для контроля подключения периферии. К его особенностям можно отнести наличие адаптивного управления питанием токовых выходов, а также показатель коммутируемого тока в 4 – 20 мА на каждый канал.

Сколько стоит продукция? Производитель предлагает свое произведение по договорной цене, в зависимости от комплектации.

Продукция относится к категории полнофункциональных законченных модулей аналоговых входов, удовлетворяющих современные требования эффективности и функциональности, а также плотности каналов, при умеренных размерах печатной платы. Отличительные особенности – низкое энергопотребление и широкий диапазон рабочих температур. Данная конструкция работает на основе конвертора DC/DC в режиме Charge Pump. Из одноканального в многоканальный режим можно перейти без корректировки основных параметров питания.

К главным особенностям продукта можно отнести:

Можно подключить одно- или многоканальные аналоговые входы с биполярными входными сигналами. Подходит для устройств «канал-канал» так и для входов с групповой изоляцией.

Цена товара договорная.

Продукт помогает измерять аналоговые сигналы встроенными аналоговыми входами и преобразовывать полученные показатели в значения физических величин, чтобы потом передать данные по сети RS-485. Обладает скоростью обмена от 2400 до 115200 бит/сек. Поддерживаемые протоколы: DCON, OBEH, ModBus RTU, Modbus ASCII. Основные технические характеристики:

Товар можно приобрести по цене 5160 рублей.

Товар можно приобрести по цене 16718 рублей.

Дискретные

Устройство производится для того, чтобы управлять по сигналам из сети RS – 485 встроенными дискретными ВЭ, которые применяются для подключения исполнительных конструкций с управлением дискретного типа, а также для сбора информации с дискретных входов модулей и последующей ее передачей в сеть. Основная особенность – поддерживает много протоколов, в том числе DCON и ModBus RTU. Показатель скорости обмена колеблется в диапазоне от 2400 до 115200 бит/сек.

Крепится на стену или DIN-рейку.

Средняя стоимость приобретения – 5760 рублей.

Средняя стоимость товара – 5580 рублей.

Данные модели разработаны и выпускаются производителями с целью управления по сигналам из Интернета посредством встроенных дискретных входных элементов, основная задача которых – подключить исполнительные механизмы с дискретным управлением. Обменный интерфейс – сдвоенный интернет с 10/100 Мбит, используемые протоколы обмена – Modbus TCP (дает возможность сделать четыре одновременные соединения), SNMP и MQTT. Два последних протокола находятся в стадии разработки.

Модуль Мх210 настраивается при помощи конфигуратора, поддерживающий работу с группой модулей. Он предоставляет возможность иметь доступ ко всем параметрам. Подключается устройство посредством использования интерфейса Ethernet или USB (через разъем microUSB). Использование USB не требует использования внешнего питания модуля.

Работает в двух режимах:

Показатели максимального напряжения:

Базовая комплектация предполагает наличие таких компонентов:

Средняя стоимость от производителя составляет 7440 рублей.

Заключение

Модули ввода-вывода представляют собой интерфейс между реальным миром и процессором. Конечно же, идеальная картина выглядит следующим образом: в процессоре сосредоточены абсолютно все показатели измерительных сигналов в любой временной промежуток. Но этого достичь пока не представляется возможным, так как каналов ввода-вывода с некоторых устройствах может быть тысячи, а каналы измерительного плана ограничены в пропускной способности, поэтому измеренные значения доходят до процесса не тогда, когда нам захочется, а исключительно в дискретные моменты времени.

Разработаны и применяются несколько уровней и вариантов опросов канала ввода. Современная конструкция ввода обладает собственным микроконтроллером, благодаря которому происходит циклический опрос абсолютно всех каналов с последующим направлением полученной информации в буфер. Если автоматическая система предполагает использование только несколько модульных каналов, то незадействованные каналы можно временно исключить из процесса опроса (замаскировать). Это позволит системе работать более оперативно и эффективно.

В настоящее время пользуются большой популярностью дискретный модуль ввода/вывода, который может быть в двух состояниях: выключенном и включенном. У аналогового ввода/вывода в качестве сигнала используются термометры, термопары, универсальные сигналы тока и напряжения, термометры сопротивления RTD и так далее.

Источник

Модули дискретного и аналогового ввода-вывода сигналов, какие функции выполняют и схемы подключения

Меня зовут Рик, я инженер компании «НТК Приборэнерго». Сегодня я хочу рассказать о модулях ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов. Модули ввода-вывода обеспечивают обмен данными с управляющим компьютером или контроллером с помощью интерфейса, позволяя собирать, накапливать, контролировать и преобразовывать данные.

Область применения таких устройств чрезвычайно широка. Модули ввода-вывода применяются для контроля параметров энергетических систем, контроля и управления технологическими процессами в металлургии, химической, газовой, машиностроительной, пищевой и других отраслях промышленности.

С их помощью возможна автоматизация работы локальных технологических устройств, производственных линий и участков. Модули ввода-вывода являются базовыми элементами при разработке систем сбора и передачи информации в схемах управления промышленной автоматики, системах диспетчеризации и управления производственными комплексами.

Рис. 1- Пример модуля ввода-вывода

Дискретные и аналоговые модули ввода-вывода

Различают дискретные и аналоговые устройства. Функционал дискретного модуля подразумевает приём и преобразование полученной команды, которая передаётся в общую шину сети по выбранному протоколу связи. Для работы модулей дискретного типа предполагается наличие логической команды, которая может быть передана на модуль в виде сигнала в определённом диапазоне.

Аналоговые устройства принимают и преобразуют аналоговую информацию в цифровой вид согласно выбранного протокола связи, после чего данные поступают на сервер и обрабатываются. При работе аналоговые модули ввода-вывода преобразовывают сигнал из цифрового в аналоговый и обратно. Такая операция выполняется с помощью АЦП (аналого-цифрового преобразователя) и ЦАП (цифро-аналогового преобразователя) соответственно. АЦП и ЦАП при этом входят в состав модуля ввода-вывода.

Модули дискретного ввода позволяют преобразовывать входной цифровой сигнал в сигнал интерфейса RS-485. Такие устройства применяются для создания систем управления процессами производства, сбора и обработки информации.

Модули дискретного вывода обеспечивают сопряжение выходного сигнала с интерфейсом RS-485.

Модули аналогового ввода обеспечивают АЦП и ЦАП-преобразование входного сигнала с датчиков или иных устройств контроля. Входной сигнал преобразуется в цифровой сигнал интерфейса RS-485 и используется далее для систем управления производственными процессами, систем сбора и обработки информации.

Модуль аналогового вывода обеспечивают АЦП и ЦАП-преобразование выходного сигнала в интерфейсе промышленных сетей RS-485.

Рис. 2-Чертеж модуля ввода-вывода

Таб. 1-Технические характеристики

Модули ввода-вывода производства НТК Приборэнерго

Наша компания выпускает модули преобразования сигнала, с подключением по интерфейсу RS-485 с помощью протокола ModBus RTU или DCON к компьютеру, программируемому логическому контроллеру или системам сбора данных на основе различных датчиков. Обмен данными выполняется согласно принципа Master – Slave (ведущий – ведомый).

Устройства ООО «НТК Приборэнерго» оснащаются следующими функциями:

выполняют АЦП и ЦАП-преобразование напряжения и тока;

позволяют вводить и выводить аналоговые и цифровые сигналы;

измерять частоту сигнала;

имеют сторожевой таймер, встроенный в микроконтроллер, аппаратный и системный сторожевой таймер, таймеры длительности логических операций. Функция сторожевого таймера позволяет перезапустить устройство в случае нестабильного питания или некорректной работы модуля и перевести выходы устройства в безопасное состояние;

оснащаются счётчиком импульсов;

возможность преобразования интерфейсов;

преобразование и нормализация аналоговых сигналов.

Модули аналогового и дискретного ввода могут эксплуатироваться в тяжёлых условиях и имеют систему защиты от короткого замыкания и повышенного напряжения.

Функциональные части каждого из модулей гальванически развязаны друг с другом, что обеспечивает совместимость устройств и защищает передаваемый сигнал от помех.

Устройства оснащаются защитой по питанию от неправильного подключения полярности и от кратковременного превышения питающего напряжения. Так же предусмотрена термозащита в виде отключения устройства при перегреве.

Модули монтируются с помощью саморезов или устанавливаются на DIN-рейку 35мм. Сечение проводов может выбираться от 0,5 до 2,5 мм, модули оснащаются быстросъёмными разъёмами.

Для уменьшения наводок на кабель и повышения устойчивости передачи данных, модули рекомендуется подключать к сети RS-485 с помощью экранированной витой пары.

Рис. 3- Расшифровка наименований

Выводы

Популярность модулей ввода-вывода и их использование в системах персональных компьютеров и программируемых логических контроллеров только растёт. При этом более перспективным направлением можно считать применение модулей ввода-вывода в программируемых контроллерах автоматизации из-за возможностей использования ПК и надёжности самих контроллеров.

Модули аналогового и цифрового вывода и вывода способны работать автономно и могут быть успешно интегрированы в существующую систему автоматизации. Данные устройства неприхотливы в использовании и имеют возможность без дополнительных реле подключать датчики и другие исполнительные устройства. При этом гибкая система подачи питания и наличие гальванической развязки позволяет подключать разные устройства к одному модулю.

На базе процессора модуля ввода-вывода можно разрабатывать и дополнительные задачи, связанные с работой систем – контроль напряжения питания, калибровка, приведение считываемых данных с датчиков в линейный вид (линеаризация), различная диагностика и другие задачи.

Источник

МДВВ Модуль дискретного ввода/вывода

Назначение

Модуль дискретных входов и выходов для распределенных систем в сети RS-485 (протоколы ОВЕН, Modbus, DCON).

Модуль может использоваться совместно с программируемыми контроллерами ОВЕН ПЛК или др.

МДВВ работает в сети RS-485 при наличии в ней «мастера», при этом сам МДВВ не является «мастером» сети.

Модуль выпускается в корпусе типа Д9 для крепления на DIN-рейку.

Основные функции

Бесплатно: OPC-сервер, библиотеки WIN DLL.
Обращаем Ваше внимание на новую линейку модулей ввода/вывода Мх110

Функциональная схема

Интерфейс RS-485

В МДВВ установлен модуль интерфейса RS-485, позволяющий:

МДВВ может работать в сети только при наличии в ней «мастера». «Мастером» сети RS-485 может быть персональный компьютер, программируемый контроллер, например ОВЕН ПЛК, и т.д.

Подключение МДВВ к ПК производится через адаптер ОВЕН АС3-М или АС4.

Поддержка протоколов ОВЕН, Modbus, DCON

Для сетевого обмена с МДВВ пользователь может выбрать один из четырех протоколов: ОВЕН, Modbus RTU, Modbus ASCII или DCON. Конфигурирование МДВВ осуществляется по протоколу ОВЕН.

Поддержка распространенных протоколов Modbus и DCON позволяет МДВВ работать в одной сети с контроллерами и модулями как фирмы ОВЕН, так и других производителей.

Интеграция в АСУ ТП

При интеграции МДВВ в АСУ ТП в качестве программного обеспечения можно использовать SCADA-систему Owen Process Manager или какую-либо другую программу.

Компания ОВЕН бесплатно предоставляет для МДВВ:

Дискретные входы МДВВ

МДВВ имеет 12 дискретных входов, к которым можно подключать устройства с «сухими» контактами (кнопки, выключатели, герконы, реле и др.) или транзисторные ключи n-p-n типа.

Каждый дискретный вход может работать в одном из двух режимов:

Работа дискретного входа в режиме счетчика

При работе в режиме счетчика в сеть передается количество импульсов, поступивших на дискретный вход. Максимальная частота импульсов счета составляет 1 кГц.

Размер переменной счета равен 16 бит. При переполнении счетчика его значение автоматически обнуляется и счет продолжается.

При пропадании питания результаты счета сохраняются в энергонезависимой памяти прибора.

Дискретные выходы МДВВ для управления исполнительными механизмами

В приборе по желанию заказчика могут быть установлены в различных комбинацях 8 дискретных выходных элементов (ВЭ): э/м реле, транзисторные или симисторные оптопары, выходы для управления твердотельным реле.

МДВВ позволяет непосредственно управлять дискретными выходами и подключенными к ним исполнительными механизмами через сеть RS-485. Благодаря этому МДВВ может быть использован в качестве модуля выходов для любой SCADA-системы или программируемого контроллера, например ОВЕН ПЛК.

Управление дискретными выходами МДВВ возможно в двух режимах:

МДВВ генерирует ШИМ с высокой точностью, которую нельзя обеспечить при передаче команд включения и отключения ВЭ через низкоскоростную сеть RS-485. Период ШИМ для дискретного ВЭ задается пользователем.

В случае аварии системы управления или при обрыве связи прибор переводит дискретные выходы в безопасное состояние, заданное заранее.

Источник

ПЛК: дискретные входы/выходы

Программируемые логические контроллеры – основа для создания автоматизированной среды управления технологическими процессами. Применение ПЛК значительно упрощает процесс разработки проектов и решений, а также дает возможность значительно увеличивать жизненный цикл базовых производств и технологий, основываясь на международном стандарте IEC 61131. Во второй статье цикла рассматриваем решения Texas Instruments для организации дискретных входов и выходов ПЛК.

Под ПЛК – программируемым логическим контроллером (Programmable logic controllers, PLC), – как правило, понимается блочно-модульная система универсального назначения, построенная на основе микропроцессора. Данная система применяется для создания автоматизированной среды и управления последовательными процессами в разных областях промышленности, техники и других сферах инженерной деятельности.

Программируемый логический контроллер доступен пользователю в виде единого модуля, включающего в себя центральный процессор, преобразователь напряжения, периферию, задающую возможность работы с коммуникационными и беспроводными интерфейсами, а также входы и выходы для взаимодействия с внешними устройствами. Обобщенная структурная схема ПЛК показана на рисунке 1.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема ПЛК

Количество входов ПЛК колеблется от 6 (контроллеры нижнего уровня) до 128 и более (контроллеры верхнего уровня). Все имеющиеся на борту контроллера входы и выходы можно разделить на три класса:

Аналоговые входы необходимы для ввода непрерывного сигнала с датчиков и других внешних устройств. Аналоговые сигналы делятся на два типа: сигналы по току (4…20 мА) и сигналы по напряжению (0…10 В). К примеру, в случае подключения к аналоговому входу внешнего датчика температуры с диапазоном измерения 0…85°С на выходе датчика величина тока в 4 мА будет соответствовать 0°С, а 20 мА – 85°С.

Аналоговые выходы ПЛК служат для плавного управления устройствами. Разделение у аналоговых выходов такое же, как и у входов (по току и по напряжению). В качестве примера использования можно привести регулировку угла поворота вентиля, подключенного к выходу (0…180°). Ток величиной в 4 мА, поданный на выход ПЛК, повернет вентиль в положение 0°, ток в 20 мА, соответственно, в положение 180°.

Дискретные входы программируемого логического контроллера служат для получения сигналов от дискретных датчиков, таких как датчики давления, термостаты, датчики обнаружения, концевые датчики и так далее. Величина напряжения сигнала для этих датчиков составляет 24 В, что на программном уровне соответствует логической единице.

Дискретные выходы ПЛК необходимы для управления подключенными устройствами, например, разного рода магнитными пускателями, лампочками, клапанами и прочим, посредством коммутации высокого или низкого сигналов. Дискретный выход представляет собой контакт, способный выдавать сигнал, являющийся с точки зрения программы логическим нулем или единицей. Такой сигнал способен замкнуть или разомкнуть управляющую или питающую цепь подключенного устройства, тем самым выполнив необходимый алгоритм работы.

Специализированные входы/выходы – отдельный класс входов/выходов, который используется для взаимодействия с датчиками и устройствами, обладающими нестандартными параметрами — нестандартным уровнем сигнала, специфическими параметрами питания и программной обработкой.

Наибольшее распространение в промышленном оборудовании получили функциональные звенья на основе дискретных (цифровых) входов/выходов (рисунок 2). В некоторых случаях для сложных типов станков число дискретных каналов может достигать десятков и сотен.

Рис. 2. Применение дискретных входов и выходов ПЛК

Дискретные входы

Дискретные (цифровые) входы программируемого логического контроллера применяются для выполнения самых разных задач автоматизации технологического процесса, начиная от мониторинга состояния различных датчиков, таких как всевозможные кнопки, тумблеры, концевые выключатели, термостаты и прочее, до использования их при создании промышленных панелей управления – ПСП-панелей, клавиатур, аварийных выключателей, а также при приеме информации от исполнительных механизмов – актуаторов, катушек мощных контакторов и реле. По сути, к дискретному входу ПЛК можно подключить любое устройство с выходом типа «реле» или «открытый коллектор».

Дискретный вход программируемого логического контроллера может работать только с низким или высоким уровнем сигнала. Однако некоторые устройства и приборы имеют более двух состояний, соответствующих логическим нулю и единице. Для подключения таких устройств используют сразу несколько дискретных входов. Например, автоматические электронные весы, которые могут контролировать пороги допуска, имеют 2 выхода, соответствующих значениям «меньше нормы» и «больше нормы». Вес объекта таким образом определяется двумя битами информации: 01 – «меньше», 00 – «норма», 10 –«больше», 11 – «неисправность прибора».

Дискретный вход ПЛК, как правило, включает в себя индикатор состояния (светодиод), гальваническую развязку и защиту от неверного подключения. У некоторых контроллеров диоды индикации расположены до гальванической развязки, что дает возможность пользователю проводить диагностику работы внешних цепей до включения контроллера. Помимо этого, каждый дискретный вход оснащен аналоговым фильтром, подавляющим высокочастотные помехи и верхние гармоники спектра входного сигнала. Частота среза фильтра согласована с программным быстродействием, определяющимся типовым временем рабочего цикла ПЛК. Длительность импульса, который можно надежно зафиксировать дискретным входом общего назначения, составляет 2…3 мс. Обобщенная структурная схема дискретного входа ПЛК приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Обобщенная структурная схема дискретного входа ПЛК

Несмотря на то что функционал и алгоритм работы дискретного входа достаточно просты, его схемотехническая реализация оказывается не столь тривиальной задачей, особенно если учесть, что в современных решениях одновременно требуются компактные размеры, приемлемая цена, высокая надежность, а также минимальные значения потребления.

Реализация дискретных входов

Сигналы, поступающие на дискретные входы ПЛК, могут существенно отличаться друг от друга по различным параметрам, таким как продолжительность фронта и среза, наличие/отсутствие дребезга, сопротивление источника питания, амплитуда и так далее. К примеру, сигнал, который был сформирован замыкающимися контактами реле, обладает типовой величиной продолжительности фронта в 4 мс и продолжительностью среза в 2 мс, при этом допустимо возникновение дребезга. В то же время быстродействующие сигналы от полупроводниковых ключей могут иметь частоту в десятки и сотни кГц, причем дребезг у них отсутствует как таковой. В то же время, если рассмотреть этот вопрос с точки зрения схемотехники, более существенным оказывается правильный подбор характеристик тока и напряжения. Итогом является то, что все дискретные входы ПЛК можно разделить по двум параметрам: типу опрашиваемых датчиков и интервалу напряжений и токов для заданных логических состояний нуля и единицы.

В соответствии с ГОСТ IEC 61131–2-2012, дискретные (цифровые) входы делятся на три типа:

В соответствии с ГОСТ, рабочий диапазон входа состоит из области «ВКЛ», области перехода и области «ВЫКЛ». Для входа в область «ВКЛ» необходимо, чтобы были одновременно превышены минимальные значения тока и напряжения. Для постоянного напряжения питания 24 В вход типа 1 должен переходить в состояние «ВКЛ» при напряжениях 15…30 В при токе 2…15 мА. Для входа типа 2 напряжение включения составляет 11…30 В при токе 6…30 мА. Для входа типа 3 диапазон напряжений включения составляет 11…30 В при токе 2…15 мА. Значения токов и напряжений определяют мощность, рассеиваемую на входе, которая является еще одним важным параметром, так как способна в конечном итоге оказывать влияние на габариты создаваемого решения.

Одной из основных проблем построения дискретных входов является изоляция цепей датчика и контроллера. Изоляция цепей датчика строится на основе гальванической развязки. Сама по себе гальваническая развязка цепей может осуществляться на основе различных принципов:

Гальваническая развязка на основе оптронов является традиционным решением, применяемым при построении дискретных входов ПЛК (рисунки 4 и 5). Скорости работы данного типа развязки достаточно для передачи цифровых сигналов, однако с развитием полупроводниковой промышленности стали доступны микросхемы, позволяющие создать изоляционный барьер за счет других, более современных технологий, позволивших уменьшить тем самым габариты и стоимость конечного решения, а также получить ряд других преимуществ.

Рис. 4. Реализация дискретного входа на основе оптрона с ограничением тока резистивным делителем

Одним из вариантов замены оптической развязки являются микросхемы, где изоляционный барьер реализуется на емкостях. Применение емкостей дает возможность исключить связь по постоянному току между приемником и передатчиком, что в сигнальных цепях, по своей сути, является гальванической развязкой.

Рис. 5. Реализация дискретного входа на основе оптрона с ограничением тока резистивным делителем и стабилизатором тока

Преимущества развязки, организованной при помощи конденсаторов, заключаются в достаточно высокой энергетической эффективности, малых габаритах и устойчивости к внешним магнитным полям. Все это дает возможность производить недорогие интегральные изоляторы с высокими показателями надежности. На данный момент такие типы изоляторов находятся в производстве у компаний: Texas Instruments, Silicon Labs и Maxim Integrated.

Эти компании применяют разные подходы при создании канала, тем не менее, все три компании используют диоксид кремния (SiO₂) в качестве диэлектрика. Данный материал обладает высокой электрической прочностью и уже несколько десятилетий применяется в производстве микросхем. Диоксид кремния легко интегрируется в кристалл, причем для того чтобы обеспечить напряжение изоляции величиной в несколько киловольт, достаточно слоя диэлектрика толщиной всего в несколько микрометров (рисунок 6).

Рис. 6. Интеграция диоксида кремния в кристалл

По технологии, которую использует Texas Instruments, на кристалле, расположенном в корпусе микросхемы, располагаются площадки-конденсаторы, кристаллы соединяются через эти площадки, тем самым позволяя информационному сигналу проходить от приемника к передатчику через изоляционный барьер (рисунок 7). Устройства, построенные по данному принципу, получили название цифровых изоляторов. Такие изоляторы содержат в себе несколько изолированных каналов, каждый из которых превосходит традиционный оптрон по быстродействию и точности передачи сигнала, по уровню устойчивости к помехам и, как правило, по стоимости в пересчете на канал.

Рис. 7. Внешний вид внутренних соединений между двумя подложками цифрового изолятора Texas Instruments

Компания Texas Instruments выпустила несколько серий цифровых изоляторов, среди которых серии микросхем ISO71xx, ISO72xx, самыми передовыми из которых являются семейства ISO77xx и ISOW78xx, а также микросхемы ISO1211/12. Последние заслуживают отдельного внимания, так как именно они наиболее часто применяются при реализации дискретных входов.

Микросхемы ISO1211/12

ISO1211/12 – специализированная интегральная схема для реализации дискретных входов с индивидуальной гальванической развязкой. Посредством микросхем семейства ISO121x можно построить дискретные входы, соответствующие стандарту IEC 61131-2 и типам 1, 2 и 3, описанным ранее. К таким входам возможно подключение внешних датчиков с максимальным рабочим напряжением до 24 B (рисунок 8).

Рис. 8. Реализация дискретного входа на основе цифрового изолятора ISO1211

Изоляторы ISO121x представляют собой простое решение с малым энергопотреблением и точным ограничением тока. Эти изоляторы не требуют источника питания с первичной стороны и работают в широком диапазоне напряжений питания 2,25…5,5 В. ISO121x имеют в своем составе входы, толерантные к напряжению ±60 В и имеющие защиту от обратной полярности, что немаловажно при отказах со значительными обратными напряжениями и токами. Цифровые изоляторы этого семейства поддерживают скорости обмена данными до 4 Мбит/с с гарантией пропускания импульса длительностью 150 нс. ISO1211 подходят для разделения каналов в многоканальных системах, а ISO1212 – в решениях с ограниченным пространством размещения. Структурная схема одного канала показана на рисунке 9.

Рис. 9. Структурная схема канала ISO1211/12

Изоляторы принимают на вход дискретные сигналы уровня 24 В и обеспечивают изолированный дискретный выход. Внешний резистор Rизм задает значение ограничения втекающего тока. Порог напряжения, при котором происходит переключение между уровнями, задается резистором Rпор. Для передачи дискретных сигналов через изоляционный барьер микросхемы семейства ISO121x используют амплитудную манипуляцию ON-OFF keying (OOK). Для оценки возможностей цифровых изоляторов доступны оценочный комплект ISO1211EVM (рисунок 10) и плата 8-канального изолированного дискретного входа ISO1212EVM (рисунок 11) производства компании Texas Instruments.

Рис.10. Оценочный комплект ISO1211EVM

Рис. 11. Оценочный модуль 8-канального приемника цифровых сигналов ISO1212EVM

Основные параметры цифровых изоляторов ISO1211 и ISO1212 приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры цифровых изоляторов ISO1211/12

Цифровые изоляторы семейства ISO121x обладают более высокой скоростью работы и меньшим временем отклика по сравнению с традиционными решениями на оптронах (стандартные оптроны имеют время срабатывания в десятки микросекунд), а также обладают меньшими габаритными размерами и малыми потерями мощности (рисунок 12). Кроме того, при реализации дискретных выходов на основе ISO121x нет необходимости в дополнительном буфере с триггером Шмитта, что упрощает проектирование системы. В конечном итоге можно сказать, что микросхемы ISO1211/12 являются более предпочтительным решением для реализации развязки в дискретных входах, чем традиционные оптроны.

Рис. 12. Сравнение рабочих температур: традиционное решение +84,1, ISO1212 +44,9

Дискретные входы с определением обрыва

Компания Texas Instruments создала на базе микросхем семейства ISO121x решение, позволяющее определять обрыв на том или ином дискретном входе. Решение получило название TIDA-01509 (рисунок 13). Оно представляет собой компактную реализацию гальванической развязки для 16 дискретных входов. Входы TIDA-01509 поддерживают работу с сигналами с частотой до 100 кГц на канал и разделены на две группы, по 8 в каждой. Каждая группа состоит из трех двухканальных ISO1212 и двух одноканальных ISO 1211. Для работы ISO1211 и ISO1212 не требуется использовать гальванически развязанный DC/DC-преобразователь, что дает преимущество перед традиционными решениями дискретных входов.

Рис. 13. Внешний вид TIDA-01509

Обнаружение обрыва на входе выполнено при помощи только одного дополнительного оптического переключателя для каждого канала или двух оптических переключателей и одного дополнительного конденсатора для каждой группы.

Решение состоит из микросхем ISO121x, 8-битного сдвигового регистра SN74LV165A, одиночного инвертора SN74LVC1GU04 и интегрального однонаправленного супрессора TVS3300 (рисунок 14).

Рис. 14. Структурная схема TIDA-01509

Работа решения основана на том, что оптический переключатель отключает землю от ISO121x на короткий промежуток времени и соединяет ее потом снова, в результате чего импульс на выходе ISO121x показывает, существует ли обрыв на входе.

Если рассматривать алгоритм более подробно, в качестве примера взяв обрыв провода для однотактной конфигурации, когда используется только один канал устройства ISO121x, то есть необходим только один дополнительный оптический переключатель, то алгоритм срабатывания будет выглядеть следующим образом:

Для оценки способностей решения TIDA-01509 возможно его подключение к отладочной плате MSP430FR5969 (рисунок 15) или любой другой плате производства Texas Instruments с таким же подключением SPI. Питание TIDA-01509, составляющее 3,3 В, в данном случае будет происходить непосредственно от отладочной платы.

Рис. 15. Внешний вид отладочной платы MSP430FR5969

Дискретные выходы

Простейший дискретный выход программируемого логического контроллера представляет собой контакты реле и способен выдавать сигнал, принимающий значения логических нуля или единицы. Такой выход относительно прост в реализации и применении, но имеет характерные для реле недостатки: ограниченный ресурс работы, достаточно невысокое быстродействие и так далее. Решением, которое могло бы заменить такой подход, является использование электронного силового элемента, который выполняется по бесконтактной схеме (транзистор – для нагрузки постоянного тока, симистор – для нагрузки переменного тока).

Согласно ГОСТ IEC 61131-2-2012, к которому мы уже обращались ранее, «цифровой выход (digital output) – это устройство, которое преобразует однобитовое двоичное число в сигнал с двумя состояниями».

Основными характеристиками цифровых выходов являются:

Стандартная схема реализации дискретного выхода показана на рисунке 16.

Рис. 16. Стандартная схема реализации дискретного выхода

Датчики тока, последовательно соединенные с нагрузкой, непрерывно контролируют ток, поступающий на нагрузку, и сообщают о наличии избыточных токов контроллеру.

Величина протекающего в цепи тока является одним из ключевых параметров безопасности. Дискретные выходы сконструированы с использованием NPN-транзисторов со встроенными диодами для защиты от перенапряжения. Система гарантирует, что при включении цифровых выходов ПЛК ток от источника питания всегда находится в пределах заданного рабочего диапазона контроллера. Токочувствительный усилитель может защитить цифровые выходы от перегрузки по току, обеспечить диагностику, чтобы устранить неисправные условия нагрузки и предупредить о сбое системы.

Однако цифровые выходы ПЛК могут быть напрямую привязаны к устройствам, работающим с большими токами, превышающими допустимый ток выхода ПЛК, такими как стартеры, лампы и прочее. В таком случае необходимо использование дополнительного полевого транзистора для управления потоком тока от источника 24 В до нагрузки. На рисунке 17 показано подключение дискретного выхода ПЛК ко внешнему низковольтному полевому транзистору.

Рис. 17. Схема реализации дискретного выхода с применением дополнительного полевого транзистора

Одним из недостатков такого подхода является использование внешнего дискретного компонента (полевого транзистора), что увеличивает габариты конечного решения и его стоимость. Исключением полевого транзистора из схемы может послужить применение токочувствительного усилителя INA240, разработанного компанией Texas Instruments.

INA240 выпускается в 8-выводных корпусах TSSOP и SO, а для оценки ее возможностей доступны модули TIDA-00909 и TIDA-00913 (рисунок 18).

Рис. 18. Внешний вид модуля TIDA-00909/00913

Другие решения Texas Instruments, используемые для реализации дискретных входов и выходов

Компания Texas Instruments не ограничивается выпуском модулей гальванической развязки и токочувствительных усилителей и предоставляет полный перечень компонентов, необходимых для реализации дискретного входа и выхода (таблица 2).

Таблица 2. Решения от Texas Instruments для реализации дискретных входов и выходов

Заключение

В создании автоматизированных систем на базе ПЛК правильное построение дискретных входов и выходов является одной из главных задач: от разработчика требуется следование ГОСТ IEC 61131-2-2012, точное выполнение приведенных спецификаций токов и напряжений, а также обеспечение необходимого уровня защиты с соблюдением стоимостных и габаритных характеристик конечного продукта.

Решение задачи построения дискретных входов ПЛК можно значительно упростить, если строить схемы входов и выходов не на дискретных компонентах, а с привлечением интегральных систем. Цифровые изоляторы и высокоточные двунаправленные усилители производства компании Texas Instruments позволяют при минимальных затратах времени получить надежное и защищенное решение, не только отвечающее всем необходимым требованиям, но и превосходящее стандартные решения для данного класса устройств.

Источник