Цифровой вход что это

Промышленные цифровые входы и выходы. Часть 1. Цифровые входы

В цикле статей Maxim Integrated о проектировании цифровых промышленных входов и выходов для приема сигналов дискретных датчиков/переключателей рассматривается возможность применения в этих разработках специализированных ИС Maxim.

Модули цифровых входов-выходов для автоматизированных промышленных систем ранее, как правило, строились на дискретной компонентной базе. Четвертая промышленная революция (Индустрия 4.0) требует внедрения облачных технологий и увеличения пропускной способности для повышения эффективности производства. Индустрия 4.0 подразумевает развитие диагностических функций, увеличение времени безотказной работы, уменьшение габаритов, а также снижение потребления. Решение перечисленных задач вызывает вполне очевидные сложности. Первым шагом на пути к достижению поставленных целей становится ознакомление разработчиков с имеющимися на рынке интегральными решениями, которые смогут обеспечить необходимую эффективность и функционал модулей входов/выходов. В цикле статей мы рассмотрим линейку интегральных микросхем, предназначенных для создания промышленных цифровых входов/выходов, а также проанализируем преимущества, которые они дают в сравнении с традиционными дискретными решениями с учетом требований, предъявляемых Индустрией 4.0.

Цифровые входы в промышленных модулях входов/выходов необходимы для приема сигналов от дискретных датчиков или переключателей, используемых в промышленном производстве. С помощью этих датчиков осуществляется контроль различных параметров, например, определение уровня жидкости, обнаружение приближающихся объектов или считывание состояния кнопок. Входной сигнал 0 В определяется как логический «0» (или состояние «ВЫКЛ»), а напряжение 24 В, как правило, считается логической «1» (или состоянием «ВКЛ»). Задача цифрового промышленного входа заключается в том, чтобы принять сигнал от датчика или переключателя, выполнить преобразование уровня для получения низковольтного сигнала и переслать информацию о состоянии входа в программируемый логический контроллер (ПЛК) для дальнейшей обработки. Получив данные о состоянии входов, ПЛК может формировать выходные сигналы. Зачастую задача по считыванию состояния входов существенно усложняется из-за необходимости гальванической развязки между высоковольтными входными сигналами и низковольтными входами ПЛК, а также из-за размещения все большего числа каналов в условиях постоянного уменьшения габаритных размеров модулей.

Характеристики цифровых входов

Цифровые входы могут иметь различные характеристики, однако чаще всего они соответствуют требованиям стандартов. Наиболее значимым стандартом является IEC 61131-2 (отечественная адаптация – ГОСТ IEC 61131-2-2012 Контроллеры программируемые. Часть 2. Требования к оборудованию и испытания), который определяет три типа входов: 1, 2 и 3 (рисунок 1, таблица 1).

Рис. 1. Характеристики цифрового входа в соответствии с IEC 61131-2

Цифровые входы типа 1 (type 1 digital input) используются для работы с сигналами, получаемыми от механических контактных переключателей, таких как реле, кнопки, и тому подобное.

Входы типа 1 не всегда совместимы с полупроводниковыми переключателями.

Входы типа 2 (type 2 digital input) используются для работы с сигналами, пол учаемыми от мощных полупроводниковых переключателей, таких как традиционные двухпроводные датчики положения, разработанные в соответствии с IEC 60497-2.

Входные сигналы типа 3 (type 3 digital input) используются для работы с сигналами, получаемыми от маломощных полупроводниковых переключателей, таких как современные двухпроводные датчики положения, но также могут использоваться вместо входов типа 1. Входы типа 3 имеют меньшую мощность по сравнению со входами типа 2, поэтому их число в модуле может быть значительно выше.

Таблица 1. Три типа цифровых входов

Тип входа	1
Характеристика	Область «Выкл»		Переход		Область «Вкл»
Значение	VL, (В)	IL, мА	VT, В	IT, мА	VH, В	IH, мА
Макс	15/5	15	15	15	30	15
Мин	-3	ND	5	0,5	15	2
Тип входа	2
Характеристика	Область «Выкл»		Переход		Область «Вкл»
Значение	VL, (В)	IL, мА	VT, В	IT, мА	VH, В	IH, мА
Макс	11/5	30	11	30	30	30
Мин	-3	ND	5	2	11	6
Тип входа	3
Характеристика	Область «Выкл»		Переход		Область «Вкл»
Значение	VL, (В)	IL, мА	VT, В	IT, мА	VH, В	IH, мА
Макс	11/5	15	11	15	30	15
Мин	-3	ND	5	1,5	11	2

Одиночный цифровой вход на дискретных компонентах

Ранее для создания одиночных цифровых входов использовались дискретные компоненты. На рисунке 2 представлена простая бюджетная схема цифрового входа, построенная на базе резистивного делителя и оптопары, выполняющей гальваническую развязку. Входной сигнал с напряжением 24 В масштабируется с помощью делителя до уровня, необходимого для управления оптопарой, которая в свою очередь формирует низковольтные логические сигналы, поступающие на входы ПЛК.

Рис. 2. Одиночный дискретный цифровой вход с ограничением входного тока

Основным недостатком такого решения является высокая потребляемая мощность (до 10 мА, в зависимости от номинала резистора), которая зависит от величины входного напряжения. Разумеется, существует возможность реализации дополнительной схемы ограничения тока, но для этого потребуется не менее десяти дискретных компонентов, что приведет к существенному увеличению площади, занимаемой на печатной плате, и к росту стоимости готового изделия. Кроме того, ток потребления все равно окажется существенно выше идеального уровня 2 мА, указанного в стандарте IEC61131-2 для цифровых входов типа 3. Очевидно, что высокое потребление (с соответствующим тепловыделением) и большая площадь дискретной схемы не позволяют использовать ее при построении компактных модулей входов/выходов с большим числом каналов.

Одноканальная интегральная микросхема цифровых входов

Для построения одиночного цифрового входа может применяться альтернативный подход, подразумевающий использование специализированных одноканальных интегральных микросхем, например MAX22191. Эта микросхема реализует цифровой вход с паразитным питанием и ограничением по току. MAX22191 преобразует цифровой входной сигнал 24 В в ток 2,4 мА, который используется для управления оптическими изоляторами. Пороговые значения напряжений и токов соответствуют требованиям стандарта IEC61131-2 для входов типа 1 и 3, кроме того, вход поддерживает возможность работы в качестве источника и приемника тока. При добавлении внешних резисторов достигается совместимость со входами 48 В. Питание микросхемы осуществляется либо от внешнего источника, либо от самого входного сигнала. В последнем случае отпадает необходимость во внешнем источнике питания на стороне датчиков (первичная сторона), что существенно упрощает трассировку платы. Быстрое время отклика 250 нс (макс.) делает MAX22191 идеальным выбором для создания высокоскоростных входов. Кроме того, у микросхемы есть КМОП-совместимый вход TEST, используемый для диагностики аварийных состояний. Надежная работа MAX22191 возможна даже в жестких промышленных условиях со входными сигналами -60…+60 В. Микросхема имеет встроенную защиту от перегрева. MAX22191 выпускается в небольшом 6-выводном корпусе SOT23, который лучше всего подходит для модулей с индивидуальной гальванической развязкой каналов. На рисунке 3 представлена типовая схема включения, в которой микросхема MAX22191 настроена для работы с сигналами 48 В и питанием от входа.

Рис. 3. Типовая схема включения MAX22191

Уменьшение тепловыделения цифрового входа 24 В при использовании MAX22191 по сравнению с реализацией на базе дискретных компонентов демонстрируется на рисунке 4.

Рис. 4. Уменьшение тепловыделения при использовании MAX22191

Работу одноканальной микросхемы цифрового входа можно протестировать с помощью отладочной платы MAX22191EVKIT:

Многоканальные микросхемы цифровых входов

Одноканальная микросхема является усовершенствованной версией дискретной реализации, однако для создания 8-/16-/32- или даже 64-канальных модулей входов/выходов необходима еще большая степень интеграции. Однако, реализация многоканальных ИС требует решения дополнительных задач. При значительном увеличении числа каналов разработчик должен определить, каким образом передавать информацию в ПЛК – по последовательному или параллельному интерфейсу. При использовании многоканальных ИС с последовательным интерфейсом удается минимизировать число изолированных линий, однако ИС должна обеспечивать высокую скорость передачи данных. Кроме того, микросхема должна обеспечивать простое масштабирование и иметь функции распознавания ошибок для проверки целостности потока данных при обмене с контроллером. С другой стороны, хотя прием параллельного потока данных и может показаться более простым, но для его реализации требуется большое число изолированных каналов.

Компания Maxim Integrated разработала широкий спектр многоканальных интегральных схем и специализированных изоляторов, способных удовлетворить самые разнообразные требования разработчиков.

Восьмиканальная микросхема с последовательным интерфейсом

Восьмиканальная микросхема MAX22190 контролирует восемь промышленных входов 24 В и передает информацию об их состоянии по интерфейсу SPI 3/5 В. Дополнительный резистор позволяет настраивать входной ток для соответствия требованиям ко входам типов 1, 2 и 3. Встроенная защита от статики (ESD) позволяет выдерживать скачки тока до 1 А и перенапряжения до 1 кВ (с внешними резисторами, но без необходимости использования внешних TVS). Для индикации состояний входов можно использовать встроенные малопотребляющие драйверы светодиодов. Для реализации большего числа каналов допускается последовательное включение нескольких микросхем, как показано на рисунке 5.

Рис. 5. 16-канальный модуль цифровых входов, построенный на базе MAX22190 (с возможностью реализации входов типа 1, 2, 3) и цифрового с SPI-изолятора MAX14483

MAX22190 имеет широкий набор диагностических функций, В частности, речь идет о контроле целостности проводов при подключении датчиков. Для этого используются дополнительные встроенные компараторы. Если тестовый ток оказывается ниже заданного порога в течение более чем 20 мс, то выставляется соответствующий флаг ошибки и формируется аварийный сигнал на выходе FAULT. Выход FAULT также используется для сигнала о наступлении таких аварийных ситуаций, как перегрев, просадка напряжения питания 24 В, отсутствие питания 24 В и ошибка связи (несовпадение CRC). Для надежной работы в промышленных условиях каждый вход имеет собственный программируемый фильтр. Задержка каждого из фильтров задается индивидуально и выбирается из восьми доступных значений в диапазоне 0,5…20 мс. Возможно также отключение фильтра. MAX22190 работает с 4-проводным SPI-интерфейсом и, кроме того, использует вход LATCH для синхронизации входных данных между несколькими параллельно включенными устройствами. Питание микросхемы осуществляется от встроенного LDO-стабилизатора со входным напряжением 7…65 В. Стабилизатор формирует выходное напряжение 3,3 В и может использоваться для питания внешней нагрузки до 25 мА, например, цифровых изоляторов или других цепей. В качестве альтернативы для питания микросхемы может использоваться и внешний источник 3…5,5 В. В таком случае встроенный стабилизатор остается не задействованным, что позволяет уменьшить мощность, рассеиваемую микросхемой. Дополнительную гибкость MAX22190 обеспечивает SPI-интерфейс, который поддерживает работу с логикой 3 и 5 В. На рисунке 6 показано, как следует объединить два входа MAX22190, чтобы обеспечить нагрузочную способность, требуемую от входов типа 2. Ток ограничения определяется внешним резистором, подключенным ко входу REFDI.

Рис. 6. Выходы MAX22190 подключены параллельно, чтобы обеспечить нагрузочную способность, требуемую от входов типа 2

Восьмиканальная микросхема с последовательным интерфейсом и встроенной гальванической развязкой

Альтернативой для MAX22190 является микросхема MAX22192, которая обеспечивает дополнительное преимущество в виде встроенной гальванической развязки SPI-интерфейса. MAX22192 имеет восемь промышленных входов 24 В, состояние которых передается по изолированному SPI-интерфейсу с логическим напряжением 1,71…5,5 В. Токовый резистор позволяет настроить MAX22192 для обеспечения токовых характеристик, требуемых от входов типа 1, 2 или 3. Целостность соединительных проводов проверяется с помощью встроенных компараторов. Если контрольный ток оказывается ниже заданного порога в течение более чем 20 мс, то выставляется соответствующий флаг ошибки и формируется аварийный сигнал на выходе LFAULT. Этот же вход используется для сигнализации о других происшествиях, исходя из требований конкретного приложения. Микроконтроллер задает пороговые значения тока, определяет задержки входных фильтров, а также разрешает работу входов с помощью регистров управления. Кроме того, пользователь может управлять матрицей светодиодов и функционалом выхода LFAULT. Как только настройка завершится, микросхема MAX22192 будет готова к опросу регистра состояния входов. Изолированный выход LFAULT также используется для сигнализации о возникновении других аварийных ситуаций: перегрева, провала напряжения питания 24 В, отсутствия питания 24 В и ошибки связи (несовпадения CRC).

Для надежной работы в промышленных условиях каждый вход имеет собственный программируемый фильтр. Задержка каждого фильтра задается индивидуально и выбирается из восьми доступных значений из диапазона 0,5…20 мс. Возможно также отключение фильтра. Кроме 4-проводного SPI-интерфейса для синхронизации входных данных между несколькими включенными параллельно устройствами используется изолированный вход LATCH. Питание микросхемы на первичной стороне (стороне датчиков) осуществляется от встроенного LDO-стабилизатора со входным напряжением 7…65 В. Стабилизатор формирует выходное напряжение 3,3 В и может использоваться для питания внешней нагрузки до 25 мА. В качестве альтернативы для питания микросхемы на первичной стороне может использоваться и внешний источник 3…5,5 В. Для питания микросхемы на вторичной стороне (стороне логики) необходим источник 1,71…5,5 В, что позволяет MAX22192 взаимодействовать с микросхемами с логическими уровнями 1,8, 3,3 или 5 В. MAX22192 имеет класс изоляции 600VRMS (в течение 60 секунд) и доступен в 70-контактном корпусе GQFN с длиной пути утечки 2,3 мм (наикратчайшим расстоянием между двумя токопроводящими частями). Материал корпуса имеет минимальный сравнительный индекс трекингостойкости СИТ (CTI) 400 В, что соответствует рейтингу II группы.

Как показано на рисунке 7, для приложений, требующих более восьми входов, микросхема MAX22192 может включаться последовательно с MAX22190. При этом для передачи данных к микроконтроллеру используется изолированный SPI-интерфейс микросхемы MAX22192.

Рис. 7. Построение 16-канального изолированного модуля входов с помощью последовательного включения MAX22190 и MAX22192

Восьмиканальная микросхема с параллельным интерфейсом

MAX22195 преобразует восемь 24-вольтовых промышленных цифровых входов в восемь КМОП-совместимых параллельных выходов (рисунок 8). Задержка распространения между входами и выходами не превышает 300 нс для всех каналов. Присутствие ограничителей тока на всех входах 24 В существенно снижает рассеиваемую мощность по сравнению с традиционными резистивными делителями, обеспечивая при этом выполнение требований стандарта IEC 61131-2. Токозадающий резистор позволяет настраивать входы микросхемы в соответствии с требованиями для входов типа 1, 2 или 3. Кроме того, драйверы светодиодов, реализованные на высоковольтной стороне датчиков, отвечают требованиям, предъявляемым IEC 61131-2 к световым индикаторам без дополнительного рассеивания мощности. Питание микросхемы осуществляется от встроенного LDO-стабилизатора со входным напряжением 7…65 В. Стабилизатор формирует выходное напряжение 3,3 В и может использоваться для питания внешней нагрузки до 25 мА, например, цифровых изоляторов или других цепей. В качестве альтернативы для питания микросхемы может использоваться и внешний источник 3…5,5 В.

Рис. 8. MAX22195 с параллельным выходным интерфейсом

Итоговый обзор микросхем цифровых входов

Обобщенные характеристики микросхем цифровых входов представлены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики микросхем цифровых входов

Наименование	Число каналов	Изоляция	Совместимость с типами входов	Выходной интерфейс
MAX22191	1	Внешняя оптическая развязка	1, 3	Ток или напряжение
MAX22190	8	Внешние цифровые изоляторы	1, 2, 3	Последовательный (напряжение)
MAX22192	8	Встроенная	1, 2, 3	Последовательный (напряжение)
MAX22195	8	Внешние цифровые изоляторы	1, 2, 3	Параллельный (напряжение)

Заключение

Существующие стандарты предъявляют жесткие требования к цифровым входам. При этом современные приложения нуждаются в многоканальных модулях входов/выходов. В результате построение цифровых входов с помощью дискретных компонентов зачастую оказывается невозможным. Для решения этой проблемы компания Maxim Integrated предлагает использовать специализированные интегральные микросхемы.

В линейке поставок компании присутствуют как одноканальные ИС цифровых входов, например, MAX22191, так и многоканальные решения, в частности, MAX22190, MAX22192, MAX22195. Восьмиканальная микросхема MAX22190 использует параллельный интерфейс и требует наличия внешней развязки, а MAX22192 имеет встроенную развязку. MAX22195 позволяет минимизировать число внешних изоляторов за счет использования последовательного интерфейса.

Сухое, мокрое и дискретное — все о контактах

Дискретный вход (Цифровой вход) — это вход прибора или контроллера для подключения неких внешних устройств или датчиков, чей выход имеет конечное число устойчивых состояний. В системах мониторинга, сетевой автоматики, в охранно-пожарных системах и охранном телевидении, например, таких состояния 2: «замкнуто» и «разомкнуто». Примером дискретного входа может служить, например, шлейф многих охранных сигнализаций, срабатывающих на разрыв линии. Каждый вход для подключения охранных шлейфов в таких системах, по сути, является дискретым входом, который воспринимает только 2 состояния — или обрыв, или, наоборот, замыкание.

Аналоговый вход — более широкое понятие. В отличии от дискретных сигналов (когда имеется конечное число устойчивых состояний, например 2) аналоговые сигналы могут иметь сложную форму и зависимости. Например, изменяющийся уровнеь напряжения или тока в цепи — это аналоговый сигнал. Аналоговый вход контроллера представляет собой вход т. н. АЦП (аналого-цифрового преобразователя — специального устройства, преобразующего аналоговый сигнал в цифровую последовательность (код) для дальнейшей обработки внутри контроллера. Аналоговые входы можно использовать, например, для измерения уровня напряжения, величины сопротивления или протекающего тока и т. д. и т. п.

Дискретный выход (Цифровой выход) — это выход датчика или контрольного прибора, который имеет 2 устойчивых состояния, например, «замкнут» и «разомкнут». Это может быть дверной датчик охранной сигнализации (магнитоконтакт, «геркон»), концевой выключатель, кнопка или выход реле какого-либо прибора. На самом деле, даже транзисторный выход микроконтроллера (типа «открытый коллектор») так же является дискретным, т.к. тоже имеет 2 устойчивых состояния — включен или выключен (транзистор открыт или транзистор закрыт), но в современной автоматике чаще всего можно встретить дискретный выход именно в виде контактов реле, работающих на замыкание, размыкание, или с перекидной контактной круппой — выходы «нормально замкнут» (НЗ, NC), «нормально разомкнут» (НР, NO) и «общий» (C).

«Сухой контакт» — термин, означающий отсутствие гальванической связи между этим контактом и другими электрическими цепями прибора или с землей. То есть это контакт, который гальванически полностью отвязан от всех цепей управляющего устройства. Согласно другом определению «сухим контактом» называют контакт, между выводами которого в любом состоянии нет никакого подведенного напряжения (при отсутствии внешних цепей). Пример «сухого контакта» — выходы реле различных приборов, выключатели, кнопки и т. п.

В противоположность «сухому контакту» существует понятие «мокрый контакт». Это контакт, который в одном из своих положений имеет некое самостоятельно создаваемое напряжение между своими выводами и/или не имеет гальванической развязки с остальными цепями прибора и его источником питания. Пример такого контакта — аналоговый вход контроллера, оптической развязки или выход типа «открытый коллектор».

Входы и выходы контроллера (ПЛК), дискретные и аналоговые

Входы и выходы — базовое понятие любого контроллера. Это может быть промышленный контроллер (Beckhoff, Овен, Siemens, ABB), специальный контроллер для системы Умный Дом (Larnitech, Wiren Board, EasyHomePLC, Evika) или распределённая система KNX или HDL. В любой системе есть элементы типа «дискретный вход», «дискретный выход», «аналоговый вход», «аналоговый выход».

Поскольку для расчёта системы и вообще понимания того, откуда берётся её стоимость, очень важно знать разницу между входами и выходами, расскажу подробнее о них.

Входы контроллера

Вход — это клемма для подключения какого-либо источника сигнала, который передаёт информацию в контроллер. Какие могут быть источники сигнала?

Выключатель — это источник сигнала. Сигнал может быть либо «нажато» либо «не нажато». То есть, либо логический ноль, либо логическая единица.

Тут мы переходим к понятию того, что вход и выход может быть дискретным (бинарным или цифровым его могут называть) или аналоговым. Дискретный — значит, воспринимающий либо единицу, либо ноль. Выключатель подключается к дискретному входу, так как он либо нажат, либо не нажат, других вариантов нет.

Дискретный вход может либо ожидать появления какого-то напряжения, либо замыкания входа на землю. Например, контроллер ОВЕН ПЛК воспринимает как логическую единицу появление на входе напряжения от +15 до +30 вольт. А контроллер WirenBoard ожидает, что на входе появится земля (GND). В первом случае на выключатель надо подать +24В, чтобы при нажатии кнопки на вход контроллера пришли +24 вольта, во втором — на выключатель подаём общий минус (землю) с того же модуля входов, при нажатии она придёт на контроллер.

Датчик движения также подключается к дискретному входу контроллера. Датчик либо подаёт сигнал о том, что движение есть, либо о том, что движения нет. Вот схема подключения датчика Colt XS:

Два левых контакта — напряжение питания датчика, +12 вольт. Два средних контакта — тревожный контакт, он нормально-замкнут. То есть, если движения нет, то N и С замкнуты, если движение появляется, то N и С размыкаются. Так сделано для того, чтобы если злоумышленник перережет провод датчика или повредит датчик, то цепь разорвётся, что приведёт к сработке сигнализации. Если на датчик не подавать питание, то N и С также будут разомкнутыми.

В случае с контроллерами Овен, Beckhoff и большинством других контроллеров, нам надо подать на один из контактов датчика +24 вольта, а другой подключить ко входу контроллера. Если контроллер видит на входе +24В, то есть, логическую единицу, то всё в порядке, движения нет. Как только сигнал пропадает, значит, датчик сработал. В случае с контроллером, который детектирует не напряжение, а землю (как в Wirenboard), мы подключаем N к общему минусу контроллера, С так же к его входу.

Контакты Т датчика — это тампер, датчик вскрытия корпуса. Они также нормально замкнуты, размыкаются при вскрытии корпуса датчика. Такие контакты есть у многих элементов охранных систем. Для датчиков охранной сигнализации тампер можно подключить последовательно клеммам сработки, для датчиков на включение света можно вообще не подключать тампер.

Датчик протечки воды также подключается к дискретному входу. Принцип тот же — при отсутствии протечки с датчика приходит сигнал. Нужно по каждому датчику смотреть по инструкции, замкнут он в случае протечки или разомкнут.

Аналоговый вход контроллера видит не просто наличие или отсутствие сигнала, он видит величину сигнала. Универсальный аналоговый сигнал — это от 0 до 10 вольт постоянного тока, такой сигнал даёт множество разных датчиков. Либо от 1 до 10 вольт. Есть ещё токовый сигнал — от 4 до 20 миллиампер. Почему не от ноля, а от 1 вольта или 4 миллиампер? Чтобы понимать, работает ли вообще источник сигнала. Если датчик с выходным сигналом 1-10 вольт выдаёт 1 вольт, значит, это соответствует минимальному уровню измеряемой величины. Если 0 вольт — значит, он выключен или сломан, а может, провод оборван.

Датчики температуры могут выдавать от 0 до 10 вольт. Если по паспорту датчик измеряет температуру в диапазоне от 0 до +50 градусов, значит, сигнал 0 вольт соответствует 0 градусов, сигнал 5 вольт соответствует +25 градусов, сигнал 10 вольт соответствует +50 градусов. Если датчик измеряет температуру в диапазоне от -50 до +50 градусов, то 5 вольт от датчика соответствуют 0 градусов, а, скажем, 8 вольт от датчика соответствуют +30 градусам.

То же с датчиком влажности или освещённости. Смотрим диапазон измерения параметра, смотрим выходной сигнал и можем получить точную измеряемую величину.

То есть, аналоговый вход измеряет величину сигнала: ток или напряжение. Многие датчики выпускаются в разных модификациях: с выходом по току или по напряжению. Если нам для системы надо найти какой-то редкий датчик, например, уровня определённого газа в воздухе, то, скорее всего, у него будет выход либо 0-10В, либо 4-20мА. У более продвинутых — интерфейс RS485, о нём чуть позже.

Датчики угарного газа, природного газа (метана) и пропана обычно имеют дискретный выход, то есть, подключаются к дискретному входу контроллера и подают сигнал, когда значение измеряемой концентрации газа становится опасным. Датчики уровня углекислого газа или кислорода дают аналоговое значение, соответствующее уровню газа в воздухе, чтобы контроллер сам мог принимать решение о каком-то действии.

Выходы контроллера

Выходы — это клеммы, на которые сам контроллер может подать сигнал. Контроллер подаёт сигнал, чтобы чем-то управлять.

Дискретный выход — это выход, на который контроллер может подать либо логический ноль, либо логическую единицу. То есть, либо включить, либо выключить.

Свет без регулировки яркости подключается к дискретному выходу.

Электрический тёплый пол — тоже к дискретному выходу.

Клапан перекрывания воды, или электрическая розетка, или вентилятор вытяжки, или привод радиатора — они подключаются к дискретным выходам контроллера.

В зависимости от конкретного модуля дискретных выходов выход может быть либо транзисторным (открытый коллектор), то есть, требующим реле для управления каким-то мощным прибором, либо релейным, то есть, к нему сразу можно что-то подключить. Надо смотреть характеристики выхода — коммутируемое напряжение и ток. Важно понимать, что если написано, что выход коммутирует 230 вольт 5 ампер резистивной нагрузки, то это относится только к лампочке накаливания. Светодиодная лампа — надо делить ток на десять. Блоки питания и электромоторы тоже далеко не резистивная нагрузка.

Выход типа «открытый коллектор» не позволяет подключать на него нагрузку, только реле. Надо смотреть, чтобы коммутационные возможности выхода соответствовали току и напряжению катушки реле.

Аналоговый выход — клемма, на которую контроллер может подать сигнал не только включено-выключено, но определённое значение управления. Это те же 0-10 (или 1-10) вольт, либо 4-20 миллиампер. Далее на этот управляющий сигнал мы подключаем либо диммер освещения, либо регулятор скорости вращения вентилятора либо что-то ещё, имеющее соответствующий вход.

Управление освещением — это силовой диммер, который в зависимости от сигнала 0-10 вольт с контроллера даёт на выходе от 0 до 230 вольт переменного тока для питания ламп накаливания или диммируемых светодиодных ламп.

Для светодиодных лент используется ШИМ-диммер (или ШИМ-драйвер или блок питания с диммированием), он по сигналу 0-10 либо 1-10 вольт с контроллера подаёт на ленту широтно-импульсно модулированный сигнал для диммирования. Подробнее про ШИМ у меня написано здесь.

Для вентиляторов используется тиристорный регулятор, часто также со входом 0-10 вольт.

Интерфейсы контроллера

У любого контроллера есть разные интерфейсы связи, которые определяют, с какими устройствами он может общаться. Интерфейсы связи обычно двухсторонние, то есть, контроллер может передавать на них информацию и получать информацию о состоянии.

Интерфейс Ethernet — это подключение к компьютерной сети и интернету для управления с мобильного приложения или общения с другими контроллерами. Аналогично интерфейс Wi-Fi.

Интерфейс RS-485 Modbus — самый распространённый для связи с разной техникой. Это кондиционеры, вентмашины, различные датчики и исполнительные устройства, модули расширения и много чего ещё.

RS-232 это интерфейс с маленькой дальностью линии. Обычно это, например, GSM модемы.

KNX — интерфейс связи с шиной KNX, на которой может находиться очень много устройств всех видов.

Получаем такую сводную картинку по входам и выходам контроллера:

Пример

Возьмём для примера контроллер системы Умный Дом EasyHomePLC 5.2.

У него 32 дискретных входа. Напряжение на входе должно быть от +9 до +60 вольт, чтобы контролер считал его единицей.

Из этих 32 входов 16 могут быть аналоговыми. Сигнал на входе от 0 до 10 вольт.

18 дискретных выходов. Из них 9 релейные (коммутация 16 ампер 230 вольт), 9 открытых коллекторов для подключения внешних реле.

6 ШИМ выходов с током коммутации до 1.4 ампера и напряжением до 30 вольт на каждый выход. Это управление светодиодной лентой, либо сигнал 0-10 вольт, если на ШИМ выход подключить RC-цепочку (резистор и конденсатор будут сглаживать сигнал ШИМ).

Интерфейсов связи у него много: Ethernet, два RS-485, два RS-232, miniUSB (для прошивки).

Типы входов и выходов

Информация о состоянии и данные, поступающие от машины/процесса, передаются в систему ввода/вывода ПЛК в виде бинарных, цифровых, инкрементных или аналоговых сигналов. Решения и результаты, определяемые функцией обработки, передаются в машину/процесс путем использования соответствующих бинарных, цифровых, инкрементных или аналоговых сигналов. Большое разнообразие применяемых датчиков и приводов требует их адаптации к широкому диапазону входных и выходных сигналов.

В системах ввода/вывода применяются различные способы обработки, преобразования и локализации сигналов. Работа и производительность ПЛК-системы зависят от статической/динамической оценки сигнала (обнаружения события), процедур хранения/не хранения, наличия оптоизоляции и т.д.

Системы ввода/вывода в целом демонстрируют модульную функцию, которая предусматривает конфигурирование ПЛК-системы в соответствии с потребностями машины/процесса, а также последующее расширение (вплоть до максимальной конфигурации).

Системы ввода/вывода могут быть смонтированы либо вблизи модулей обработки сигналов, либо вблизи датчиков и приводов машины/процесса отдельно от модулей обработки сигналов.

Аналоговый вход

Аналоговый вход (analogue input)Устройство, которое преобразовывает непрерывный сигнал в дискретное мультибитовое двоичное число для работы в системе программируемых контроллеров.

Аналоговый выход

Цифровой вход

цифровой вход типа 1 (type 1 digital input): Устройство для измерительных сигналов, получаемых от механических контактов устройств переключения, например реле, кнопок, выключателей и т.п. Преобразует фактически сигнал с двумя состояниями в однобитовое двоичное число.

Примечание — Цифровые входы типа 1 могут быть непригодны в случае использования полупроводниковых приборов, таких, как датчики, бесконтактные переключатели и т.д.

цифровой вход типа 2 (type 2 digital input): Устройство для измерительных сигналов от полупроводниковых устройств переключения, например двухпроводных бесконтактных переключателей. Преобразует фактически сигнал с двумя состояниями в однобитовое двоичное число.

1 Приводимые здесь двухпроводные бесконтактные переключатели соответствуют IEC 60947-5-2.

2 Данный класс цифрового входа может использоваться вместо классов 1 и 3.

цифровой вход типа 3 (type 3 digital input): Устройство для измерительных сигналов, получаемых от полупроводниковых устройств переключения, например двухпроводных бесконтактных переключателей. Преобразует фактически сигнал с двумя состояниями в однобитовое двоичное число.

1 Данный класс цифрового входа может также использоваться вместо класса 1.

2 Цифровые входы типа 3 имеют более низкие электрические характеристики по сравнению с цифровыми входами типа 2. Обычно они имеют, благодаря этому, значительно более высокую плотность входного канала на один модуль или на одну единицу продукции. Отличие типа 3 от типа 2 заключается в том, что первый совместим с устройствами согласно IEC 60947-5-2, которые в состоянии «выключено» работают на низком токе. См. таблицу 8, в которой установлены рабочие диапазоны. Что касается совместимости с бесконтактными переключателями, то большое количество бесконтактных переключателей, совместимых с типом 2, должны быть совместимы также с типом 3.

Цифровой выход

цифровой выход (digital output): Устройство, которое преобразует однобитовое двоичное число в сигнал с двумя состояниями.

Батон Средства автоматизации Программируемые контроллеры 02 мая 2019 Обновлено: 23 мая 2019