Энциклопедия АСУ ТП Спонсор проекта: Skip Navigation LinksЭнциклопедия АСУ ТП : 6 Контроллеры : 6.3 Устройства ввода-вывода : 6.3.7 Ввод дискретных сигналов Соспонсор:




Робот BotEyes




Промышленные контроллеры RealLab!

6.3.7. Ввод дискретных сигналов

Рис. 6.28. Структурная схема модуля ввода дискретных сигналов NL-16DI (подробнее см. pdf 920 Кб). ВИП - вторичный источник питания

В системах автоматизации очень распространены двоичные сигналы, которые поступают от концевых выключателей, датчиков охранной или пожарной сигнализации, датчиков заполнения емкостей, датчиков сбегания ленты на конвейере, датчиков приближения и т. п. Такие сигналы не совсем правильно называются "дискретными", но этот термин прочно вошел в практику.

Модули ввода дискретных сигналов в промышленной автоматизации имеют несколько различных типов входов:

  • вход типа "сухой контакт";
  • дискретный вход для логических сигналов в форме напряжения;
  • вход дискретных сигналов 110...220 В.

"Сухим" контактом в системах автоматизации называют источник информации, не имеющий встроенного источника энергии, например, контакты реле или дискретные выходы типа "отрытый коллектор". Для передачи информации о состоянии такого контакта необходим внешний источник тока или напряжения.

Структура модуля вода дискретных сигналов представлена на рис. 6.28. Микроконтроллер модуля ввода выполняет периодическое сканирование входов или по запросу ПЛК. Микроконтроллер выполняет также устранение эффекта "дребезга" "сухих" контактов. Команды опроса входов, установления адреса, скорости обмена, формата данных и др. посылаются в модуль через последовательный интерфейс, обычно RS-485.

Для правильного применения модулей дискретного ввода необходимо знать структуру и характеристики входных каскадов (рис. 6.29, рис. 6.30).

Дискретные входы гальванически развязаны от остальной части модуля ввода. Развязка выполняется, как правило, с помощью оптронов с двумя излучающими диодами, включенными встречно. Это обеспечивает возможность подключения ко входам дискретных сигналов любой полярности. Гальваническая изоляция может быть поканальной или групповой. Чаще используется групповая изоляция, поскольку при этом почти вдвое уменьшается количество входных клемм модуля.

Конденсатор используется во входных каскадах модулей (рис. 6.29, рис. 6.30) для фильтрации высокочастотных помех. Значение граничной частот выбирается в результате компромисса между быстродействием модуля и возможностью ложного срабатывания при воздействии высокочастотных помех. Типовое значение граничной частоты и скорости опроса входов лежит в районе 1 кГц. Для увеличения помехоустойчивости используют также триггеры Шмидта на выходе сигналов оптронов.

Уровень логической единицы дискретных сигналов составляет обычно от 3В до 30В, уровень логического нуля - от 0 до 2 В. Для ввода сигналов от источников типа "сухой контакт" используют источник напряжения , как показано на рис. 6.30. Аналогично подключают дискретные выходы типа "открытый коллектор". Источник может быть как встроенным в модуль дискретного ввода (как, например, в модуле NL-16DI фирмы RealLab!), так и внешним.

Ввод высокого постоянного напряжения выполняется по схеме рис. 6.29, однако для снижения мощности, рассеиваемой на токозадающем резисторе, используют оптроны с малым управляющим током и резистор с большим сопротивлением и большим пробивным напряжением.

Рис. 6.29. Структурная схема входных каскадов каналов дискретного ввода

Рис. 6.30. Структурная схема входных каскадов для источников сигнала типа "сухой контакт"

Ввод дискретных сигналов 220 В

Рис. 6.31. Структурная схема входных каскадов для ввода дискретных сигналов 220 В

Ввод сигналов высокого (220В) переменного напряжения осуществляется аналогично рассмотренному выше (рис. 6.31), однако вместо токозадающего резистора для включения оптрона используют конденсатор, чтобы снизить активную рассеиваемую мощность. Резистор сопротивлением 750 кОм на рис. 6.31 служит для разряда конденсатора при отключенных входах, что является стандартным требованием электробезопасности. Резистор сопротивлением 1 кОм ограничивает бросок тока во момент коммутации входа, назначение других элементов - такое же, как в цепи на рис. 6.29, рис. 6.30.

Каскады для ввода высокого напряжения могут быть с общим проводом или независимые.

Для отображения состояния дискретных входов (включено/выключено) используют светодиоды, которые включают либо до оптрона, либо после него.

6.3.8. Вывод дискретных сигналов

Вывод дискретных сигналов используется для управления состоянием включено/выключено исполнительных устройств. Устройства вывода отличаются большим многообразием. Знание структуры выходных каскадов необходимо для правильного их применения.

Выходные каскады со стандартными ТТЛ или КМОП логическими уровнями в промышленной автоматизации используются редко. Это связано с тем, что нагрузкой дискретных выходов являются не логические входы электронных устройств, а чаще всего электромеханические реле, пускатели, шаговые двигатели и др. Дискретные выходы обычно строятся на основе мощных биполярных транзисторов с открытым коллектором или полевых транзисторов (обычно МОП) с открытым стоком (рис. 6.32). С точки зрения схемотехники применения эти каскады эквивалентны, поэтому мы будем их называть "каскады ОК". Каскады с ОК обеспечивает большую гибкость, позволяя получить необходимые для нагрузки ток или напряжения с помощью внешнего источника питания. Кроме того, каскад ОК с помощью внешних резисторов и источников напряжения позволяет получить стандартные КМОП или ТТЛ уровни (рис. 6.32).

Рис. 6.32. Структурная схема выходных каскадов типа ОК для вывода дискретных сигналов

Рис. 6.33. Подключение индуктивной нагрузки к дискретному выходу

Наилучшим решением для построения дискретных выходов являются микросхемы интеллектуальных ключей, которые содержат в себе не только мощный транзистор с открытым стоком, но и цепи его защиты от перегрузки по току, напряжению, короткого замыкания, переполюсовки и перегрева, а также электростатических разрядов. При перегреве выходного каскада или превышения тока нагрузки интеллектуальный ключ выключается.

Рис. 6.34. Структурная схема выходных каскадов для втекающих токов

Рис. 6.35. Структурная схема выходных каскадов для вытекающих токов

Наиболее широко распространены выходные каскады ОК модулей вывода двух типов: для втекающего тока (рис. 6.34) и вытекающего (рис. 6.35). Различие между ними состоит в том, какой вывод является общим для нескольких нагрузок: заземленный или соединенный с шиной питания.

Каскады с открытым коллектором (стоком) удобны тем, что позволяют использовать внешний источник питания с напряжением, отличным от напряжения питания модулей вывода (рис. 6.34, рис. 6.35). Кроме того, в этих схемах вместо источника питания можно использовать тот же источник, что и для питания модулей вывода ().

Для управления нагрузками, питающимися большим током или от источника напряжения 110...220 В используют выходные каскады с электромагнитными или твердотельными (полупроводниковыми) реле, тиристорами, симисторами.

Основным достоинством электромагнитных реле является очень низкое падение напряжения на замкнутых контактах, что исключает необходимость их охлаждения. Недостатком является ограниченное количество срабатываний (порядка ). Полупроводниковые реле, наоборот, имеют относительно большое сопротивление в открытом состоянии и требуют отвода тепла, но могут выполнить до переключений. Кроме того, полупроводниковые реле обладают более высокой надежностью и не имеют эффекта "дребезга контактов".

При использовании реле для коммутации индуктивной нагрузки возникает большая э. д. с. самоиндукции, которая вызывает пробой воздушного зазора при размыкании контактов и их искрение. Это приводит к быстрому износу контактов и появлению электромагнитных помех. Проблема решается с помощью диода, включенного параллельно катушке индуктивности при коммутации в цепи постоянного напряжения (рис. 6.36) и RC-цепочкой - в цепи переменного (рис. 6.37). Контакты реле желательно защищать предохранителями.

При использовании твердотельных реле или тиристоров в высоковольтных цепях с длинными кабельными линиями используют защиту на варисторах (рис. 6.38), TVS диодах и газовых разрядниках.

Рис. 6.36. Релейный выход. Применение диода для устранения искрения контактов реле при коммутации индуктивной нагрузки

Рис. 6.37. Релейный выход. Применение RC цепочки для предотвращения искрения контактов при коммутации индуктивной нагрузки

6.3.9. Ввод частоты, периода и счет импульсов

Рис. 6.38. Тиристорный выход. Варистор используется для защиты тиристора от импульсов напряжения

Функции счетчика, частотомера и измерителя периода следования импульсов обычно совмещаются в одном и том же модуле ввода. Такие модули могут быть использованы для решения следующих задач:

  • измерение скорости вращения вала двигателя с целью ее стабилизации или изменения по заданному закону;
  • подсчет количества продукции на конвейере;
  • измерение частоты периодического сигнала;
  • работа с датчиками, имеющими импульсный выход (например, энкодеры - датчики угла поворота, электросчетчики или анемометры);
  • автоматическое дозирование счетной продукции;
  • подсчет движения продукции на складе.

Структуру типового модуля ввода рассмотрим на примере счетчика-частотомера NL-2C, pdf 875 K фирмы RealLab!, см. рис. 6.39. Он содержит два 32-разрядных счетчика-частотомера. Каждый счетчик имеет изолированные и неизолированные входы. Изолированные входы выполнены с помощью оптрона и являются пассивными со стороны источника сигнала. Неизолированные входы имеют программно регулируемые уровни логического нуля и единицы. Это позволяет уменьшить вероятность ошибочного срабатывания модуля в условиях помех. Для регулировки уровней использованы два 8-разрядных цифроуправляемых потенциометра. Для подавления помех служит также цифровой фильтр с перестраиваемыми параметрами, выполненный на микроконтроллере, входящем в состав модуля.

На рис. 6.39 использованы следующие обозначения: Gate - входы разрешения счета; In - счетные входы с программируемыми логическими уровнями; - дискретные выходы; INIT* - вывод для выполнения начальных установок модуля; Data+, Data- - выводы интерфейса RS-485.

Для расширения функциональных возможностей каждый счетный вход модуля имеет вход разрешения счета (Gate) и источник тока для питания "сухих" контактов. Модуль имеет также четыре изолированных дискретных выхода с общей "землей".

Счетчик содержит четыре микроконтроллера. Они выполняют следующие функции:

  • исполняют команды, посылаемые из управляющего компьютера;
  • выполняют алгоритм цифровой фильтрации;
  • выполняют подсчет количества импульсов;
  • реализуют протокол обмена через интерфейс RS-485.

В состав модуля входит сторожевой таймер, вырабатывающий сигнал сброса, если микроконтроллер перестает вырабатывать сигнал "ОК" (это периодический сигнал, подтверждающий, что микроконтроллер не "завис"). Второй сторожевой таймер внутри микроконтроллера переводит выходы модуля в безопасные состояния ("Safe Value"), если из управляющего компьютера перестает приходить сигнал "Host ОК".

Схема питания модулей содержит вторичный импульсный источник питания, преобразующий поступающее извне напряжение в диапазоне от +10 до +30В в напряжение +5 В для питания электрической цепи внутри модуля. Модуль содержит также изолирующий преобразователь напряжения для питания каскадов вывода дискретных сигналов.

Модуль измеряет частоту в диапазоне от 10 Гц до 300 кГц с погрешностью где - измеряемая частота в Гц; - время счета импульсов (1 с или 0,1 с.).

Внешние управляющие команды посылаются в модуль через порт RS-485. Используются всего 54 команды, подробно описанные в руководстве по эксплуатации модуля.

6.3.10. Модули управления движением

Контроллеры с модулями управления движением используются в роботах, металло- и деревообрабатывающих станках, сборочных линиях, типографских машинах, в оборудовании для обработки пищи, для дозирования и упаковки, для автоматической сварки и лазерной резки, для обработки полупроводниковых пластин и т. п.

В силу специфики задачи контроллеры для управления движением занимают отдельное место на рынке ПЛК, поскольку отличаются как параметрами модулей ввода-вывода, так и специализированным программным обеспечением. Основными отличиями от модулей общего применения являются повышенные требования к быстродействию и особый состав каналов ввода-вывода, оптимизированный для задач управления движением с целью минимизации стоимости.

Типовой системой управления движением является электропривод [Следящие], который является частным случаем системы автоматического регулирования с обратной или прямой связью. В состав электропривода входит электродвигатель, датчики положения исполнительного механизма, контроллер и сервоусилитель.

Рис. 6.39. Структурная схема модуля ввода частотных сигналов NL-2С (подробнее см. pdf 875 кб)

В электроприводах используют асинхронные и синхронные двигатели переменного тока, постоянного тока, шаговые, линейные двигатели, а также гидро- и пневмоцилиндры с насосами.

Электропривод строится обычно с двумя контурами обратной связи. Внутренний контур с сигналом от датчика скорости (тахометра или инкрементного энкодера) используется для управления скоростью двигателя и часто реализуется внутри сервоусилителя. Внешний контур с обратной связью от оси двигателя или от его нагрузки используется для управления позицией исполнительного механизма и вращающим моментом. Обратная связь от нагрузки позволяет повысить точность реализации траектории движения и использовать нежесткие механические связи, однако усложняет настройку замкнутой системы.

Сигнал обратной связи внешнего контура поступает от датчиков положения, в качестве которых используют энкодеры, резольверы, потенциометры, датчики Холла и тахометры. Энкодеры делятся на абсолютные и инкрементные. Инкрементные энкодеры определяют изменение положения механизма, а абсолютные определяют его абсолютное положение. Резольверы выполняют ту же функцию, что и энкодеры, но имеют аналоговый выходной сигнал, поскольку построены на основе вращающегося трансформатора и выдают синусоидальный и косинусоидальный сигналы, которые позволяют вычислить положение вала двигателя. Недостатком резольвера является низкое быстродействие и необходимость использования АЦП.

Сигналы обратной связи поступают в контроллер, который должен иметь модули для ввода сигналов от перечисленных выше датчиков. В контроллер поступают также сигналы от концевых датчиков, установленных в крайних положениях исполнительного механизма. Управляющее воздействие из контроллера поступает на двигатель через сервоусилитель. Усилители имеют мощные выходные каскады с радиаторами, поэтому изготавливаются отдельно от контроллера. На их входы могут поступать аналоговые сигналы ±10 В, цифровые или ШИМ-сигналы. Усилители делятся на усилители скорости, усилители момента, усилители с синусоидальным входным сигналом, усилители с импульсным входом, а также гидравлические. Обычно они имеют встроенную защиту от перенапряжения, низкого напряжения, перегрева, к. з., превышения тока, потери фазы. Выбирая усилитель с нужными характеристиками, можно выполнять управление оборудованием любой мощности, от микрозондов для тестирования полупроводниковых пластин до мощных металлообрабатывающих центров.

ПЛК могут иметь вход для джойстика или кнопок, которые позволяют управлять движением вручную.

Основным параметром модулей ввода-вывода для управления движением является количество одновременно управляемых осей координат. Ось координат в подавляющем большинстве случаев ассоциируется с одним двигателем. Однако несколько двигателей могут работать на общую нагрузку, например, два двигателя могут вращать общий вал с двух его концов или совместно осуществлять плоско-параллельное перемещение одной балки. В этом случае несколько двигателей соответствуют одной оси координат.

В общем случае ось координат определяется как линейная комбинация трех координатных осей, соответствующих трем двигателям, поэтому она не соответствует ни одному конкретному двигателю отдельно.

Поскольку движение в трехмерном пространстве можно разложить на три одномерных, для построения любой траектории достаточно трех координатных осей. Однако в металлообработке часто приходится поворачивать столик с закрепленной деталью или шпиндель с закрепленным инструментом, для описания чего вводятся дополнительные оси координат. Наиболее мощные контроллеры управления движением могут синхронно управлять сотней координатных осей.

Модули ввода-вывода для управления движением оптимизированы для ввода сигналов энкодеров, резольверов, тахометров, потенциометров и концевых выключателей, а также для вывода сигналов управления сервоусилителями. Основные параметры типовых модулей для управления движением приведены ниже.

Модули ввода могут иметь следующие входы:

  • дифференциальные или одиночные входы счетчиков разрядностью 16/24/32 бит для сигналов энкодера;
  • дискретные входы;
  • входы прерываний процессора;
  • аналоговые входы для сигналов от резольвера и потенциометра.

Типовые модули вывода могут содержать :

  • аналоговые каналы вывода с разрядностью 12, 14 или 16 бит для управления сервоусилителями;
  • дискретные выходы (обычно с открытым коллектором);
  • цифровые выходы;
  • импульсные выходы для шаговых двигателей.

Основными параметрами модулей ввода-вывода являются:

  • время обновления данных;
  • разрядность и количество АЦП-ЦАП;
  • количество дискретных и импульсных входов/выходов;
  • емкость памяти в шагах;
  • тип и возможности программного обеспечения;
  • типы коммуникационных интерфейсов (RS-232/422, RS-485, USB, Ethernet, PCI, VME, ISA и др.).

Сигнал от инкрементного энкодера может поступать в некоторых случаях со скоростью до 20 Мбит/с, что требует быстродействующих счетчиков импульсов. В некоторых модулях используются процессоры цифровой обработки сигналов и специализированные микросхемы (ASIC).

В системах управления движением специализированными являются не только модули, но и программное обеспечение. Приведем примеры некоторых встроенных функций, которые выполняются контроллерами для управления движением:

  • плавный пуск;
  • перемещение: непрерывное, абсолютное, относительное, синхронное, в контрольную точку (для калибровки и синхронизации);
  • синхронизация координат в режиме контрольных точек;
  • реализация заданной траектории движения в пространстве;
  • интерполяция: линейная, круговая, сплайнами;
  • возврат в начальное положение;
  • ручной режим управления;
  • управление зависимостью скорости от времени: трапецеидальная, S-образная (трапеция с закруглениями вместо углов);
  • автонастройка контуров регулирования;
  • отладка программы без реального привода;
  • подавление резонансных явлений (вибраций);
  • автоматическое распознавание двигателя;
  • синхронизация работы нескольких приводов (в том числе при работе двигателей на общий вал);
  • управление силой или давлением;
  • защита (от непреднамеренного запуска, при сбоях в оборудовании, при срабатывании концевых выключателей);
  • самодиагностика;
  • мониторинг текущего состояния;
  • аварийная сигнализация;
  • аварийный останов;
  • функция таймера.

Системы управления движением воспринимают информацию от программ автоматизированного проектирования (САПР) и чаще используются с компьютерами, чем с ПЛК. Для работы от компьютера под ОС Windows используются буферы FIFO на входе и выходе модуля, чтобы исключить неконтролируемые задержки ОС.

6.4. Заключение

Особенностью рынка ПЛК является огромное разнообразие их модификаций, вызванное естественной широтой областей применения. Общим является только стремление к стандартизации, вызванное перспективами идеологии "открытых систем". В последние годы наметилась также тенденция стирания прежних различий между ПЛК и промышленными компьютерами.

Модули ввода-вывода характеризуются устоявшимся набором требований к их функционированию и основным техническим параметрам. На протяжении десятилетий остаются наиболее применяемыми модули ввода сигналов термопар, термопреобразователей сопротивления, тензодатчиков и универсальные. Улучшение технических характеристик модулей и ПЛК определяется, в основном, производителями полупроводниковой элементной базы, в первую очередь микропроцессоров и аналого-цифровых преобразователей, а также развитием технологии монтажа электронных устройств.

Направлениями дальнейшего развития промышленных ПЛК являются снижение габаритов и веса, повышение устойчивости к внешним воздействиям, улучшение удобства монтажа и упрощение пуско-наладки систем автоматизации, обеспечение высокой надежности и горячей замены, расширение функций контроля и диагностики, снижение стоимости.


© RLDA Ltd. info@rlda.ru  Рейтинг@Mail.ru Спонсоры проекта: , а также