Что такое дискретный выход контроллера
Что такое DO (дискретный выход) в ПЛК. Для чего он нужен? Оставить комментарий
Дискретный выход (DO, digital output, DQ) в ПЛК применяется для включения подсоединенных к нему устройств: клапанов, магнитных пускателей промежуточных реле. Фактически дискретный выход — это переключатель, который замыкается по команде программируемого логического контроллера. Дискретный выход может иметь два состояния: разомкнутое (FALSE) и замкнутое (TRUE). При замкнутом состоянии подсоединенное устройство будет включено, при разомкнутом — отключено.
Рис. 1 — Принцип работы дискретных выходов
Дискретные выходы бывают транзисторные и релейные.
Транзисторные DQ коммутируют только низковольтные сигналы до 24…30 В постоянного тока (VDC). С их помощью включают низковольтное оборудование, например лампы индикации. У транзисторных выходов большая скорость переключения, поэтому их также используют для широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM), PID-регулирования и т. д. Недостаток транзисторных выходов — малая нагрузка, например, транзисторные выходы «ОВЕН ПЛК110» рассчитаны до 24 VDC / 0,4 A.
Если ПЛК имеет только транзисторные выходы и нужно коммутировать переменный ток, то устанавливается промежуточное реле.
Рис. 2 — Промежуточное реле к дискретным выходам для коммутации переменного тока
Релейные выходы коммутируют не только постоянный, но и переменный ток. Максимальная допустимая нагрузка релейных DO зависит от модели ПЛК. Например, 250 VAC / 4 A для «ОВЕН ПЛК63», 250 VAC / 1,5 A для Delta DVP-SS и т. д. Недостаток релейных выходов — низкая скорость переключения, что не позволяет их использовать для ШИМ и PID. Реле имеют механический ресурс на количество переключений. Обычно он равен 100 000…300 000 переключений.
Дискретные входы
В этой статье я попробую объяснить “на пальцах”, что такое дискретный вход. Профессионалов просьба иметь ввиду, что почти все мои статьи предназначены для новичков, поэтому иногда приходится жертвовать точностью ради “понятности”.
И для начала надо объяснить слово “дискретный”, потому как я уверен, что не все это четко понимают.
Что же происходит в том случае, если на входе будет напряжение от 1 до 4 В?
А ничего. Переключения из нуля в 1, или из 1 в 0 просто не произойдёт, и состояние входа микроконтроллера будет оставаться таким, каким оно было после последнего переключения (точнее, таким его будет считать микроконтроллер, который отличает ноль от единицы по своим внутренним правилам).
А теперь давайте очень упрощённо попробуем представить, как работает дискретный вход микроконтроллера (см. рис.).
На самом деле никаких лампочек внутри микроконтроллера, конечно, нет. И переключатели к входам подключается обычно так, как показано на следующем рисунке.
Выбор сопротивления резистора зависит от напряжения питания и от характеристик входов микроконтроллера.
Типы дискретных входов
В автоматизации различают три типа дискретных входов:
К входу микроконтроллеров напрямую можно подключить только сигнал второго типа (точнее, не совсем напрямую, а через резистор как на рис. 2).
“Сухой контакт” к входу микроконтроллера подключить можно, но в такой схеме включения это будет уже не “сухой контакт”, а вариант с рис. 2, то есть постоянное напряжение.
Что касается постоянного напряжения, то в схемах на микроконтроллерах обычно используется тот же источник питания, от которого запитан сам микроконтроллер.
Но можно использовать и сторонний источник напряжения, при условии, что общий (минусовой) вывод этого источника соединён с общим проводом схемы на микроконтроллере.
Напряжение такого источника может быть намного больше, чем напряжение питания микроконтроллера. Но надо помнить, что входные токи портов ввода-вывода микроконтроллера имеют ограничения, поэтому надо подбирать резистор таким образом, чтобы ни при каких обстоятельствах эти ограничения не были превышены. Но это уже отдельная история.
Программируемые логические контроллеры. Устройство и принцип работы.
Современную промышленность невозможно представить без систем автоматизации. Сложность производственных процессов делает невозможным управление ими вручную, к тому же системы автоматики обходятся гораздо дешевле, чем обслуживающий персонал, да и работают они быстрее и надёжнее. Да что говорить о промышленности – в настоящее время практически ни одно здание не обходится без автоматики. Школы, больницы, детские сады, офисные и складские помещения, загородные дома и коттеджи – все эти объекты оснащены инженерными системами с автоматическим управлением. Несмотря на многообразие применений и сфер использования все системы автоматики работают по одному принципу и обладают схожей структурой, в центре которой находится «мозг» системы – программируемый логический контроллер (ПЛК).
С чего всё начиналось?
Все начиналось с построения релейно-контактных систем управления, представляющих из себя огромные шкафы, набитые проводами и релейными модулями. В эти шкафы приходили сигналы от датчиков, а на выходе формировались команды исполнительным устройствам. Кроме того, что они были больших размеров, такие системы управления неудобны тем, что они совершенно не гибкие: для того, изменить логику управления, необходимо вручную перебирать всю электрическую схему. С развитием микропроцессорной техники на смену релейным шкафам пришли ПЛК – устройства, выполняющие те же функции, но имеющие принципиально другой механизм преобразования входных сигналов в выходные. Такое преобразование в ПЛК выполняется в соответствии с записанной программой. С появлением контроллеров размеры систем управления уменьшились в десятки раз, значительно упростился процесс их разработки и последующих изменений.
Принцип работы ПЛК
ПЛК работает по циклическому принципу. В самом начале цикла ПЛК сканирует состояния входов, на которые поступают сигналы от датчиков и устройств. Затем в соответствии с алгоритмом программы происходит вычисление состояния выходов. В конце рабочего цикла контроллер устанавливает каждый выход в состояние, которое было определено.
1. Чтение состояний входов
2. Выполнение программы пользователя
3. Запись состояний выходов
Указанные этапы цикла выполняются последовательно – это означает, что изменения состояний входов не будут «замечены» контроллером во время выполнения программы. По этой причине одним из важнейших параметров ПЛК является время реакции. Если оно окажется больше, чем минимальный период изменения состояний входов, некоторые события, происходящие в системе, будут «пропущены» контроллером.
Также стоит учесть, что и датчики реагируют на изменения в системе не мгновенно. Поэтому полное время реакции системы управления складывается из времени реакции ПЛК и времени реакции датчиков.
Время реакции системы — время с момента изменения состояния системы до момента выработки соответствующей реакции (принятия решения).
Системы реального времени
Все системы можно условно разделить на системы жёсткого и мягкого реального времени.
В системах жёсткого реального времени реакция ПЛК не должна превышать определённый временной порог. При увеличении времени реакции система теряет свою работоспособность.
В системах мягкого реального времени при увеличении времени реакции может происходить сильное ухудшение качества управления, но работоспособность при этом не теряется.
Входы и выходы ПЛК
Дискретные входы – предназначены для ввода сигналов от дискретных датчиков (кнопки, тумблеры, концевые выключатели, термостаты и др.). Напряжение сигнала унифицировано для всех ПЛК и составляет 24 В. Проще говоря, при «появлении» на входе контроллера напряжение 24 В – ПЛК будет считать этот вход «включенным», то есть он примет значение логической «1» в восприятии контроллера.
Дискретные выходы – предназначены для управления устройствами по принципу «включить/выключить» (магнитные пускатели, лампочки, клапаны и др.). Дискретный выход – это обычный контакт, который может замкнуть или разомкнуть управляющую или питающую цепь устройства.
Аналоговые выходы – предназначены для плавного управления устройствами. Унифицированные значения аналогового сигнала на выходах такое же, как и на входах – 4..20мА (0..10В). Например, вентиль может поворачиваться в пределах от 0° до 90°. Ток 4мА повернёт его в положение 0°, а 20мА – в положение 90°. Для того, чтобы повернуть его на 45°, нужно подать на него управляющий сигнал 8мА. Таким образом, меняя значение силы тока на выходе, контроллер может поворачивать вентиль на заданный угол.
Специализированные входы/выходы – не унифицированы, применяются для подключения нестандартных датчиков и исполнительных устройств со специфическим уровнем сигнала, питанием и программной обработкой.
Цифровые интерфейсы ПЛК
Изначально ПЛК предназначались для управления последовательными логическими процессами. Современные контроллеры помимо логических операций способны выполнять цифровую обработку сигналов. Они могут обмениваться информацией с другими устройствами, такими как панели оператора, GSM-модули, частотные преобразователи, серверы сбора данных и др.
ПЛК могут иметь распределённую структуру, когда модули входов и выходов находятся на значительном удалении от самого контроллера, вблизи объекта управления. Несколько ПЛК, управляющие разными частями одной системы, могут объединяться в сеть для обмена информаций и согласования управляющих действий, а так же передачи всей информации о системе в центральный диспетчерский пункт.
В этих случаях обмен удалённых модулей и устройствами с ПЛК осуществляется по цифровым интерфейсам с использованием специализированных протоколов, таких как Modbus RTU, ModBus TCP, CANopen, Profibus, EtherNet IP и других.
Ещё раз о входах и выходах контроллера
Моя статья про входы и выходы ПЛК — одна из самых читаемых на блоге! Надеюсь, она много кому помогла разобраться с этой темой, базовой для всех систем умный дом и для автоматики вообще.
Кстати, я недавно просматривал объявления о продаже мониторов, не менее, чем в трети объявлений фигурирует выражение «Выход HDMI». А ведь у монитора это не выход, это вход!
Входы и выходы, дискретные и аналоговые — это основное понятие для различных модулей систем управления в разных системах, включая все контроллеры всех производителей. У контроллера может быть какое-то количество входов и выходов разного типа, все модули расширения характеризуются количеством и типом входов и выходов.
Входы — это порты подключения датчиков. Это подача информации на контроллер. Датчик движения подаёт информацию на контроллер. Выключатель подаёт информацию на контроллер. Датчик температуры тоже. А контроллер на них ничего не подаёт, разве что питание, но оно не в счёт в данном случае. В общем, количество входов означает количество устройств, которые могут подавать информацию на контроллер. Если датчик температуры также сообщает о влажности воздуха, то это два входа. А вот если смотреть со стороны датчика — то это выход. Датчик выдаёт информацию, а контроллер принимает.
В некоторых датчиках газа есть два выхода — предтревога и тревога, с разными порогами количества газа в воздухе. Мы их заводим на входы контроллера, два входа.
Вход характеризуется напряжением, которое на него можно подавать. Если это дискретный (он же бинарный) вход, то он воспринимает подаваемые на него сигналы как логический ноль или логическую единицу. Логический ноль — значит, нет сигнала. Единица — есть сигнал. На выключатель можно либо нажать, либо не нажать. Нажали — вход контроллера должен получить логическую единицу. Не нажали — он должен получить ноль.
У EasyHomePLC напряжение логического ноля от 0 до 5 вольт. А логической единицы — от 7 до 60 вольт. То есть, подали на него 3 вольта — он не реагирует. Подали 6 вольт — тоже не реагирует, но лучше такое напряжение не подавать, так как входные элементы могут случайно воспринять его как единицу. А вот подали 12 или 24 или 48 вольт — контроллер знает, что что-то произошло, кнопка выключателя нажата или датчик сработал. При этом не важно, сколько именно вольт, 12 или 24 или 48 или 60. Подали больше 60 вольт — через какое-то время вход сгорит.
Аналоговый вход видит не только 0 или 1, а промежуточные значения. Например, аналоговые входы EasyHomePLC или Beckhoff KL1408 воспринимают сигнал от 0 до 10 вольт. Причем с дискретизацией 12 бит, то есть, 4096 значений напряжения от 0 до 10 вольт может быть воспринято. Подали на 2,5 милливольта больше — вход уже это увидел. Если на вход поступает информация с датчика температуры с интервалом измерения от 0 до +50 градусов, то эти 2,5 милливольта соответствуют 0,0122 градуса примерно. Если подадим на аналоговый вход 12 вольт — то он будет видеть 10 вольт, то есть, +50 градусов. Аналогично при 24 вольтах. А при 60 вольтах и больше — сгорит (это на EasyHomePLC).
Выходы — это когда контроллер сам чем-то управляет. Для управления лампочкой (или группой лампочек, работающих одновременно) нужен один выход. Для управления вытяжкой санузла тоже. Или розеткой. Для управления шторой любого типа нужно два выхода: на открывание и на закрывание. Открывание калитки — один выход. Управление воротами — либо один, либо два, в зависимости от того, будут ворота закрываться сами через какое-то время или на них нужно подать сигнал для закрывания.
Дискретный (или бинарный) выход — это, как правило, реле. Реле умеет подавать напряжение на что-либо. Или не подавать. У реле есть характеристики: максимальное напряжение и максимальный ток. В EasyHomePLC встроены мощные реле, которые могут подавать до 16 ампер 250 вольт. В модуль расширения выходов Овен встроены не очень мощные реле, они выдают до 3 ампер 250 вольт. Надо обязательно следить за тем, чтобы не подать через реле на нагрузку больше ампер, чем оно выдерживает, иначе реле просто сгорит. Надо обязательно защищать линии автоматом соответствующего номинала.
У модуля дискретных выводов Beckhoff KL2408 на выходы поступает 24 вольта, нагрузка до 0,5 ампера. Либо мы подключаем к выводу, например, привод отопления Oventrop на 24 вольта (у него максимальный ток 0,25 ампер) или сирену 24 вольта, либо подключаем отдельное реле с катушкой 24 вольта, которое будет уже коммутировать столько ампер, сколько нам надо. У ABB есть контакторы разного номинала с напряжением катушки 24 вольта, можно хоть все 63 ампера 3 фазы подключить. Обычно эти контакторы доступны только под заказ из-за своего нечастого применения, но позволяют сэкономить место в щите за счёт отсутствия промежуточных реле между выходом и контактором.
Дискретный выход может либо подать напряжение, либо нет. Аналоговый выход умеет подать определённое напряжение. Например, от 0 до 10 вольт для управления регулятором скорости вращения вентилятора или диммера освещения.
Когда меня просят посчитать комплектацию контроллера для задачи, я прошу сообщить мне количество групп света вкл/выкл, групп диммируемого света, выключателей, управляемых розеток, вытяжек, датчиков движения, радиаторов и прочего именно для того, чтобы понять, сколько нам понадобится входов и выходов разного типа. Просто по планировке квартиры это сделать сложно: в комнате может быть 2 группы света, а может быть 12 диммируемых, это совершенно разные модули и разная стоимость, поэтому лучше слать дизайн-проект, а если его нет, то просто написать количество приборов, которые будут подключены к контроллеру. Свет — дискретный выход. Радиатор — дискретных выход. Выключатель — дискретных вход. Датчик температуры — аналоговый вход. Уличная метеостанция — несколько дискретных входов. И так далее. Из количества входов и выходов понимаем, какой контроллер такую систему потянет, сколько надо каких модулей.
Есть ещё ШИМ выход. Это управление одним каналом (цветом) светодиодной ленты.
Такие вещи, как Ethernet, RS232, RS485б DALI и прочее — это уже не входы-выходы, это шлюзы (они же интерфейсы) на другие протоколы связи. Тоже важно понимать, что из них нужно для задачи.
Важный момент. Контроллер оперирует логическими сигналами. Цифрами, то есть. Видеокамеры, сигнал с домофонов, какой-нибудь интерком, звук — на контроллер не заходят вообще, он не обрабатывает аудио и видео данные никак. Он может подавать сигналы управления на соответствующие устройства, работающие со звуком и видео, например, на усилители, ресиверы, медиаплееры и так далее. Так что «завести на контроллер домофон» — так не получится. Можно с контроллера открывать дверь, калитку, ворота — на это есть дискретные выходы. Можно в приложении для управления умным домом, например, EasyHome или Iridium Mobile видеть картинку с камер, это делает приложение на смартфоне или планшете, контроллер тут вообще ни при чём.
108,689 просмотров всего, 124 просмотров сегодня
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 необходимы 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 микросхемыISO1211/12. 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
| Наименование | ISO1211 | ISO1212 |
|---|---|---|
| Диапазон токов ограничения, мА | 2,2…7,3 | |
| Встроенный изолирующий преобразователь питания | Нет | |
| Количество каналов | 1 | 2 |
| Количество прямых/обратных каналов | 1/0 | 2/0 |
| Напряжение изоляции, В | 2500 | |
| Пиковое напряжение изоляции в течение 1 с, В | 3600 | |
| Максимальное импульсное напряжение изоляции при импульсе формы 1,2/50 мкс, В | 4000 | |
| Скорость передачи данных, Мбит/с | 4 | |
| Задержка прохождения сигнала, тип., нс | 140 | |
| Максимальная частота работы, МГц | 2 | |
| Состояние по умолчанию | Нет | |
| Диапазон питающих напряжений, В | 2,25…5,5 | |
| Рабочий температурный диапазон, °С | -40…125 | |
| Корпус | 8SOIC | 16SSOP |
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 иTIDA-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
| Наименование | Описание |
|---|---|
| TIDA-00017 | 8-канальный модуль дискретных входов для программируемого логического контроллера. Разработан в соответствии со стандартом IEC61000-4 EMC и включает в себя 8 цифровых входов до 34 В каждый, подключаемых к ПЛК через последовательный интерфейс. Модуль обладает защитой от превышения значений по току, имеет изолированный блок питания. |
| TIDA-00179 | Универсальный цифровой интерфейс для подключения к энкодерам абсолютного положения, таким как EnDat 2.2, BiSS, SSI или HIPERFACE DSL. Решение способно работать со входными сигналами широкого диапазона напряжения 15…60 В. Разъем I/O логических сигналов с напряжением 3,3 В служит для организации прямой связи с головным процессором, например, Sitara AM437x или Delfino F28379. |
| TIDEP0049 | Решение для системы связи по интегрированному промышленному протоколу Ethernet. Модуль базируется на процессоре семейства Sitara и отвечает требованиям промышленного Ethernet по скорости запуска после включения питания устройства. |
| PMP9409 | Изолированный понижающий источник питания с 4 выходами для ПЛК-систем. Источник поддерживает номинальное входное напряжение 24 В и генерирует 4 изолированных напряжения смещения +15 В. Каждая из шин напряжения имеет ток нагрузки 30 мА. |
| TIDA-00129 | Компактный источник на 1 Вт с двумя изолированными выходами для программируемых логических контроллеров. TIDA-00129 создавался специально для питания модулей, работающих с ПЛК, и автоматизации производства. Имеет изолированные выходы 24 и 3,3 В. Данный проект соответствует требованиям IEC 61010-1. |
| TIDEP0079 | Проект EtherCAT на базе Sitara AM57x и PRU-ICSS с передачей в определенных временных интервалах. Решение может быть использовано в системах ПЛК, построенных на базе EtherCAT, или в системах управления движением. |
| TIDM-HAHSCPTO | Проект высокоскоростного счетчика (HSC) и выхода с прямоугольными импульсами имеет высокую степень эксплуатационной готовности. В данном проекте TI приводится базовое решение (программное обеспечение и тестовая платформа) для двух разных индустриальных IO-функций, которые относятся к управлению движением: высокоскоростного счетчика (HSC) и выхода с прямоугольными импульсами (PTO). Данный проект базируется на платформе с микроконтроллером, которая подходит для использования в промышленных приложениях, где высокая степень эксплуатационной готовности и/или функциональная безопасность являются важными характеристиками. |
| TIDEP0057 | Многопротокольный цифровой интерфейс ведущего устройства для датчика углового положения с использованием AM437xс PRU-ICSS. Решение построено на базе процессора Sitara с подсистемой программируемого модуля реального времени и промышленных коммуникаций (PRU-ICSS). |
| TIDEP0003 | Платформа для создания и разработки ETHERNET/IP-коммуникаций. Дает возможность пользователям реализовывать стандарты связи Ethernet и IP для широкого диапазона устройств, используемых в промышленной автоматизации. |
| TIDA-00012 | Изолированный интерфейс CAN-Profibus. Разработан для применения в промышленных системах, требующих подачи изолированного питания на приемопередатчики CAN и/или Profibus. |
| TIDA-00230 | Интерфейс для настройки и логирования NFC (два порта FRAM: NFC ⇔ FRAM ⇔ Serial) |
| TIDA-00560 | Проект 16-канального статусного LED-драйвера PLC-модулей для индикации статуса нескольких аналоговых и цифровых входных и выходных каналов. |
| TIDA-00320 | Восьмиканальный модуль цифрового выхода для программируемых логических контроллеров. Предоставляет 0,5 А на всех 8 каналах при относительно небольших габаритах. |
| TIDA-00319 | Высокоскоростной цифровой модуль вывода для программируемых логических контроллеров (ПЛК). |
| TIDA-00766 | Дифференциальный высокоскоростной цифровой модуль вывода, оснащенный интерфейсом RS-485. Основная ниша применения — управление шаговыми двигателями. |
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.