9.4. Конфигурация цепей ввода-вывода
В реальной системе управления датчики и исполнительные устройства решают различные по степени ответственности задачи и поэтому к ним предъявляются разные требования в части надежности и безопасности.
Для реализации этих требований используются различные типы конфигурации ввода-вывода. Необходимо указать, что все эти модули не являются специализированными. Задача состоит в том, чтобы, используя типовые общепромышленные модули, обеспечить показатели надежности и безопасности. На рис. 9.7 представлены некоторые возможные варианты конфигурации ввода. В принципе их может быть как угодно много. Конфигурация (рис. 9.7) а) наиболее простая без контроля состояния датчика и модуля ввода, в б) и в) показана ее реализация для двухканальной структуры с одним датчиком и с двумя Д1 и Д2. Это могут быть контакты одного реле или кнопки в разных группах. За счет этого можно выявить залипание одного из контактов Д1 или Д2. Однако во всех рассмотренных конфигурациях повреждение всех датчиков, либо сигнал помехи обнаружить невозможно. В соответственных задачах, когда необходимо с высокой степенью достоверности иметь информацию о состоянии контролируемого параметра, через контакты датчика на вход модуля ввода подается определенная импульсная последовательность (рис. 9.7,г – 9.7,ж). В этом случае полезный сигнал отличается от помехи, кроме того, окончательное решение о состоянии датчика можно принимать не сразу, а по поступлению нескольких сигналов. Например, фактом срабатывания датчика можно считать поступление подряд трех импульсов на соответствующий вход модуля ввода. Обычно формируется несколько импульсивных полюсов питания ПИ, как на схеме рис. 9.7,ж.
Рис. 9.7. Варианты конфигураций ввода
Обратите внимание: конфигурации 4, 5 и 6 отличаются от 1, 2 и 3 наличием модуля вывода, который вырабатывает импульсное питание, поступающее через контакты датчиков на модули ввода.
Конфигурации вывода также могут быть достаточно разнообразны, см. рис. 9.8. Вариант 1 наиболее простой, без проверки работоспособности выхода с однополюсной коммутацией. В 2 применена двухполюсная коммутация. В этом случае повреждение одного выхода не приводит к ложному включению ИУ, однако, контроля состояния схемы нет. Варианты 3 и 4 являются развитием схем 1 и 2, с соединением выходов по схеме “И”.
Конфигурации 2–4 можно использовать в многоканальных структурах, однако состояния ОА и ОВ не контролируются. В схемах 5, 6, 7 предусмотрен контроль состояния выхода, причем в конфигурации 6 выход ОВ может выполнять защитную функцию: при повреждении ОА (электрический пробой выходного транзистора или сваривание контактов реле) с его помощью происходит выключение исполнительного устройства. Схема 7 в этом смысле более совершенна за счет перекрестного контроля выходов по каналам А и В. Выход канала А контролируется входом канала В и наоборот, кроме того двухполюсная коммутация улучшает показатели безопасности схемы.
Очевидно, что вариантов конфигураций выходных цепей можно предложить достаточно много в зависимости от характера конкретной задачи и выдвинутых ограничений по стоимости. Этот фактор зачастую является определяющим, потому что стоимость одного входа или выхода достаточно велика. Следует также отметить, что несмотря на всевозможные ухищрения при электрическом пробое выходов в схемах 1-7 создаются условия для включения исполнительного элемента.
Рис. 9.8. Варианты конфигураций вывода
Для устранения этого недостатка используется динамический режим работы выхода. При повреждении элементов выходной цепи схема теряет динамические свойства, и условий для срабатывания ИУ нет. На схеме 8 показано включение реле постоянного тока при импульсном сигнале выхода. Повреждение модуля вывода в любом случае приводит к обесточиванию реле. Такие схемы всегда достаточно сложны и поэтому выполняются, как правило, в виде отдельного конструктива.
Схемная избыточность существенным образом удорожает разработку, особенно при значительном числе объектов управления. Однако, само по себе увеличение числа коммутирующих и контрольных элементов в ответственной цепи проблему не решает, поскольку в статическом режиме очень трудно отличить поврежденное состояние выхода от рабочего.
В этом плане представляет интерес квазиимпульсный режим работы выходного каскада, собранного по схеме 5 или 6. При отсутствии выходного сигнала формируется последовательность импульсов малой длительности, график 9а, рис. 9.8.
Контроль работоспособности выхода при включенном состоянии обеспечивается путем его периодического закрытия, график 9в, рис. 9.8. Длительности импульсов и скважин подбираются таким образом, чтобы они не оказывали влияние на работу исполнительного устройства. При повреждении выхода его сигнал в любом случае будет отличаться от приведенного на графиках 9а и в.
Вторым, достаточно эффективным способом защиты схем от опасного отказа, является коммутация полюсов питания модулей вывода контактами аварийного реле. При повреждении выхода аварийное реле обесточивается, снимая питание ПА, МА с клемм модулей.
При этом включение самого аварийного реле должно производиться от отдельной схемы с безопасными свойствами.