20.1. Введення аналогових сигналів
20.2. Структура модулів вводу.
20.3. Модулі вводу струму і напруги
Пристрої (модулі) вводу-виводу є інтерфейсом між процесором ПЛК і оточуючим середовищем. В ідеальному випадку було б бажано мати в процесорі значення виміряних сигналів у будь-який момент часу. Проте оскільки кількість каналів вводу-виводу в деяких системах може сягати тисяч, а вимірювальні канали завжди мають обмежену пропускну спроможність, виміряні значення поступають в процесор в дискретні моменти часу.
Сучасні модулі вводу-виводу можуть виконувати окрім функцій введення деяку обробку інформації, що вводиться, і додаткові функції: компенсацію температури холодного спаю термопар, лінеаризацію нелінійних датчиків, діагностику обриву датчика, автоматичне калібрування, ПІД-регулювання, управління рухом. Перенесення частини функцій контролера в модулі введення-виводу є сучасною тенденцією, направленою на збільшення ступеня розпаралелювання завдань управління, забезпечення незалежності локальних модулів (які по своїх функціях наближаються до ПЛК) і зменшення потоку інформації між паралельно працюючими процесорами в модулях введення-виводу.
20.1. Введення аналогових сигналів
Різноманітність фізичних явищ породжує різноманітність датчиків, для кожного з яких існує відповідний пристрій введення. Для уніфікації модулів введення використовують пристрої нормування сигналів, які перетворюють вимірювану фізичну величину в стандартний електричний сигнал, відповідний ГОСТ 26.011-80 і ГОСТ Р 51841-2001. Фактично в промисловій автоматизації використовуються наступні стандартні діапазони аналогових сигналів: 0...10В, 0...±10В, 1...5В і 4...20мА, 0...20мА. ГОСТ Р 51841-2001 не рекомендує застосовувати діапазон 0...20 мА в нових розробках. Вхідний опір потенційних входів повинен бути не менше 10кОм для діапазону 0... 10В і 0... ±10В, не менше 5кОм для діапазону 1...5В і не більш 300Ом для діапазону 4...20мА. Застосування стандарту дозволяє виготовити всього один тип універсального пристрою введення із стандартними діапазонами для всіх типів датчиків із стандартними вихідними сигналами. Проте для таких датчиків, як термопари, термоперетворювачі опору, тензорезистори, через їх широку поширеність нормуючі перетворювачі вбудовують в самі модулі вводу. Тому, окрім універсальних модулів вводу, набули поширення спеціалізовані модулі введення сигналів термопар, термоперетворювачів опору і тензорезисторів.
20.2. Структура модулів вводу.
Розглянемо типову структуру модулів вводу аналогових сигналів (рис. 20.1).
Основною частиною модуля вводу є аналого-цифровий перетворювач (АЦП). Зазвичай використовують один АЦП для введення декількох (зазвичай 8 або 16) аналогових сигналів. Для підключення джерел сигналу до АЦП використовується аналоговий комутатор на МОП-ТРАНЗИСТОРАХ. Введення декількох сигналів виконується послідовно в часі. У випадках, коли необхідне одночасне введення, використовують модулі, в яких кожен канал має свій АЦП.
У модулях вводу зазвичай використовують диференціальні входи, які дозволяють виконати більш перешкодозахищений канал передачі аналогового сигналу в порівнянні з одиночними (не диференціальними) входами. Деякі модулі дозволяють програмно задавати конфігурацію входів: диференціальні або одиночні.
Рис. 20.1. Структура модуля NL-4RTD для введення сигналів термоперетворювачів опору
Вхідні ланцюги пристроїв вводу прийнято захищати від статичної електрики, від підвищеної напруги, від зміни полярності. Для захисту використовують спеціальні мікросхеми захисту, в яких активним елементом є МОП-ТРАНЗИСТОРНИЙ ключ. При підвищенні напруги вище допустимого ключ закривається, оберігаючи чутливі входи від підвищеної напруги. Вимірювальні ланцюги будують так, щоб опір відкритого МОП ключа не вносив похибку у результат вимірювання. Для цього ключ використовують або для передачі потенціалу, коли струм, що протікає через відкритий ключ, достатньо малий, або для передачі струму, коли інформація переноситься у формі струму і тому падіння напруги на ключі не вносить похибки до передаваного сигналу.
Модулі введення можуть мати програмно комутовані діапазони вхідних сигналів.
Сучасна елементна база дозволяє будувати недорогі модулі аналогового введення з погрішністю вимірювань ±0,05%, що ще 10 років тому можна було реалізувати тільки в стаціонарних і дорогих вольтметрах.
Для комутації вхідних ключів модуля використовується програма, що виконується мікроконтролером. Ця процедура достатньо проста і для її виконання можна використовувати мікроконтролер, що входить до складу деяких АЦП (саме такий АЦП використаний на рис. 20.1). Це дозволяє зменшити кількість каналів гальванічної розв'язки між аналоговими входами і портом RS-485.
Мікропроцесор типового модуля введення виконує наступні функції:
реалізує протокол обміну з ПЛК;
виконує команди, що надсилаються ПЛК в модуль;
реалізує виконання функцій автоматичного калібрування, діагностики обриву або к.з. у ланцюзі датчика;
перетворює формати даних, що вводяться (інженерний формат — в одиницях вимірюваної величини, шістнадцятковий формат, відсотки від діапазону вимірювань);
встановлює швидкість обміну з ПЛК (для ПЛК з розподіленими модулями введення-виводу);
виконує цифрову фільтрацію вхідного сигналу.
У постійній пам'яті модуля ЕППЗУ зберігаються калібрувальні коефіцієнти, адреса модуля, програма, таблиці лінеаризації нелінійних характеристик термопар і термоперетворювачів опору. Сторожовий таймер виконує перезавантаження (скидання) мікроконтролеру у разі його зависання.
У модулі вводу на рис. 20.1 є канали виведення дискретних сигналів. Це дозволяє реалізувати на одному модулі ПІД-регулятор з широтно-імпульсним (ШІМ) управлінням виконавчим пристроєм.
Живлення внутрішніх вузлів модуля виконується від внутрішнього стабілізатора напруги, який дозволяє подавати зовнішню напругу живлення в широкому діапазоні, зазвичай від 10 до 30В. Великий діапазон напруги живлення дуже корисний в розподілених системах, коли модулі введення можуть знаходитися на значній відстані один від одного і тому падіння напруги на опорі дротів живлення сягає 10...20В.
Ланцюги живлення модулів захищаються від неправильної полярності напруги живлення і від перевищення напруги живлення над допустимим значенням. Захист виконується діодами, стабілітронами, позисторами і плавкими запобіжниками.
Для інтерфейсу RS-485 використовується захист від статичної електрики, від електромагнітних імпульсів, від короткого замикання і перегріву вихідного каскаду.
Команди управління модулем. Для читання даних з входів модуля, зміни вхідного діапазону, частоти обміну і виконання інших функцій процесор ПЛК посилає в модулі команди. Команди можуть мати текстовий формат (так зроблено в протоколі DCON і Моdbus Аscii або шістнадцятковий (як, наприклад, в протоколі Моdbus RTU).