"Выходные устройства промышленных контроллеров"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Государственный Университет имени Шакарима

Дисциплина: Промышленные контроллеры

На тему: "Выходные устройства промышленных контроллеров"

Выполнил: Кисанов Руслан

Группа: АУ-802

Проверил: Демьяненко А.И.

Семей 2020

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:

Рис.1

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).

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 нужно посчитать комплектацию контроллера для задачи, следует сообщить 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. Можно с контроллера открывать дверь, калитку, ворота - на это есть дискретные выходы.

В соответствии с ГОСТ IEC 61131-2-2012 аналоговый выход (analogue output) - это устройство, которое преобразовывает мультибитовое двоичное число из системы программируемых контроллеров в непрерывный сигнал. Номинальные значения и пределы импеданса для аналоговых выходов отображены в таблице 1. реле контроллер импеданс

В общем случае тракт генерации выходных аналоговых сигналов включает ряд звеньев (рис. 2): цифровые данные, поступающие от центрального процессора, могут быть преобразованы в аналоговое напряжение или ток, например, с помощью ЦАП и схем последующей обработки выходного сигнала. Дальнейшая обработка обеспечивает необходимую подстройку выходного сигнала, в том числе калибровку смещения, опорного напряжения и усиления.

Рис. 2. Обобщенная структурная схема аналогового выхода ПЛК

ЦАП, применяемые в программируемых логических контроллерах, должны соответствовать строгим электротехническим требованиям как по точности (погрешность на выходе не более 0,1%), так и по защитным характеристикам (4-й уровень защиты согласно ГОСТ 30804.4.2-2013), а также удовлетворять параметрам подачи аналоговых сигналов (коммутировать 4-20 мА и 0-10 В), работать со стандартным в этой сфере диапазоном напряжений (12-32 В) и иметь рассеиваемую мощность не более 1 Вт.

Одним из таких ЦАПов является DAC8775 от компании Texas Instruments (рис. 3).

Рис. 3. Структурная схема DAC8775

DAC8775 - это первый в отрасли ЦАП с выходом 4-20 мА и интегрированным преобразователем напряжения, имеет полную нескорректированную ошибку в 0,1% и способен работать в расширенном промышленном диапазоне температур -40…+125 °C. При работе с напряжением 12 В DAC8775 имеет потребляемую мощность всего 780 мВт. Кроме того, данный ЦАП динамически регулирует величину напряжения питания в соответствии с током нагрузки, подключенной к выходу 4-20 мА. В результате система имеет хорошо управляемые тепловые характеристики, позволяющие разместить большее количество каналов в меньшем форм-факторе. Более подробные характеристики DAC8775 приведены в таблице 2.

На базе данного цифро-аналогового преобразователя компанией Texas Instruments был выпущен модуль TIPD215.

TIPD215

TIPD215 представляет собой аналоговый 4-канальный модуль (рис. 3) на базе DAC8775 с интегрированным преобразователем LM5166, благодаря которому общая рассеиваемая мощность (при задействовании всех четырех каналов, по 20мА на канал) составляет менее 1 Вт.

Рис. 3. Внешний вид модуля TIPD215

Модуль TIPD215 работает с входным напряжением в диапазоне 12,5-40 В и генерирует на выходе четыре независимых источника, которые можно использовать для контроля за подключенной периферией (рис. 4).

Рис. 4. Схема включения модуля TIPD215

К особенностям модуля TIPD215 стоит отнести:

· четыре канала для управления аналоговыми выходами;

· коммутируемый ток: 4-20 мА на канал;

· выходное напряжение: ±10 В;

· диапазон входных напряжений: 12,5-40 В;

· менее 1 Вт рассеиваемой мощности;

· адаптивное управление питанием токовых выходов.

Построенный на базе DAC8775 модуль обладает высокими параметрами надежности: встроенные в DAC8775 средства диагностики способны находить обрывы и короткие замыкания нагрузки, вести мониторинг температуры кристалла, вычислять циклические суммы, с помощью сторожевого таймера контролировать зависание шины SPI и проверять соответствие границ напряжения питания заданным значениям. Кроме того, разработчикам предоставляется возможность программировать способы реакции устройства на аварийные ситуации, что, в свою очередь, значительно упрощает процесс выявления неполадок системы на ранних стадиях и помогает обеспечить высокую надежность ее функционирования.

Также модуль TIPD215 обладает высоким КПД и малым временем отклика. В устройство заложены инновационные возможности самообучения, позволяющие вычислять импеданс нагрузки токовой петли 4-20 мА и динамически снижать напряжение источника питания, благодаря чему уменьшается время установления и достигается эффективный баланс между КПД и скоростью отклика.

Для обеспечения генерации биполярного напряжения в цепь DAC8775 включена индуктивность величиной 100 мкГн. Данная индуктивность рассчитана на коммутацию максимально возможного значения тока 500 мA и может быть уменьшена до 80 мкГн, однако в таком случае это снизит эффективность конвертера и увеличит пульсации на выходе.

Список литературы

1. ГОСТ IEC 61131-2-2012 "Контроллеры программируемые. Часть 2. Требования к оборудованию и испытания".

2. Less Than 1-W, Quad-Channel, Analog Output Module With Adaptive Power Management Reference Design. www.ti.com/tool/TIPD215

3. Лившиц Ю.Е., Лакин В.И., Монич Ю.И. Программируемые логические контроллеры для управления технологическими процессами. Минск, БНТУ, 2014.

4. Isolated, Transformerless, Bipolar Supply for 24-Bit ADCs Reference Design. www.ti.com/tool/TIDA-01434

5. https://controlengrussia.com/apparatnye-sredstva/analogovyj-vvod-vyvod-plc/

6. https://home-matic.ru/2017/05/vhody-i-vyhody-kontrollera/

7. https://www.home-matic.ru/2018/03/eschyo-raz-o-vhodah-i-vyhodah-kontrollera/

Размещено на Allbest.ru