Входные и выходные сигналы являются основным компонентом работы ПЛК. Наиболее распространенными типами являются дискретные модули постоянного и переменного тока, релейные и аналоговые модули.

Перевод статей с сайта https://control.com.

Каждый программируемый логический контроллер должен иметь некоторые средства приема и интерпретации сигналов от реальных датчиков, таких как переключатели и энкодеры, а также быть способным осуществлять управление реальными элементами управления, такими как соленоиды, клапаны и двигатели. Это обычно известно как возможность ввода-вывода, или ввода-вывода. Монолитный (“кирпичный”) ПЛК имеют фиксированный объем встроенных в устройство возможностей ввода-вывода, в то время как модульные (“стоечные”) ПЛК используют отдельные “платы” печатных плат для обеспечения настраиваемых возможностей ввода-вывода.

Монолитные и модульные ПЛК

Преимущества использования сменных плат ввода-вывода вместо монолитной конструкции ПЛК многочисленны. Первым и наиболее очевидным является тот факт, что отдельные платы ввода-вывода могут быть легко заменены в случае отказа без необходимости замены всего ПЛК. Для пользовательских приложений могут быть выбраны специальные платы ввода-вывода, ориентированные на дискретные карты для приложений, использующих множество входов и выходов включения / выключения, или ориентированные на аналоговые карты для приложений, использующих много 4-20 мА и аналогичных сигналов. Некоторые ПЛК даже предлагают функцию “горячей замены” плат, что означает, что каждую карту можно извлечь и вставить новую без отключения питания процессора ПЛК и стойки.

Пожалуйста, обратите внимание, что не следует предполагать, что в какой-либо системе есть карты с возможностью горячей замены, потому что при попытке заменить карту “под напряжением” в системе без этой функции вы рискуете повредить карту и / или остальные части устройства, к которому она подключена!

Удаленные стойки ввода-вывода

Некоторые ПЛК имеют возможность подключаться к удаленным стойкам без процессора, заполненным дополнительными платами ввода-вывода или модулями, что позволяет увеличить количество каналов ввода-вывода сверх пропускной способности базового блока. Подключение главного ПЛК к удаленным стойкам ввода-вывода обычно осуществляется в форме специальной цифровой сети, которая может охватывать большое физическое расстояние:

Альтернативной схемой расширения системы является объединение нескольких ПЛК в сеть, где каждый ПЛК имеет свою собственную выделенную стойку и процессор. С помощью инструкций связи один ПЛК может быть запрограммирован на считывание данных с другого ПЛК и / или запись данных в другой ПЛК, эффективно используя другой ПЛК как расширение своего собственного ввода-вывода. Хотя этот метод дороже, чем удаленный ввод-вывод (когда удаленные стойки не имеют собственных выделенных процессоров), он обеспечивает возможность автономного управления в случае разрыва сетевого соединения между процессорами ПЛК.

Возможности ввода-вывода программируемых логических контроллеров бывают трех основных разновидностей: дискретных, аналоговых и сетевых; каждый тип обсуждается в следующем подразделе.

Модули дискретного ввода

“Дискретная” точка передачи данных – это точка, имеющая только два состояния: включено и выключено. Технологические переключатели, кнопочные переключатели, концевые выключатели и бесконтактные переключатели – все это примеры устройств с дискретным датчиком. Для того, чтобы ПЛК мог знать о состоянии дискретного датчика, он должен получать сигнал от датчика через канал дискретного ввода. Внутри каждого дискретного входа модуль представляет собой (обычно) набор светоизлучающих диодов (LED), которые будут под напряжением при включении соответствующего чувствительного устройства. Свет от каждого светодиода падает на фоточувствительное устройство, такое как фототранзистор внутри модуля, который, в свою очередь, активирует бит (отдельный элемент цифровых данных) в памяти ПЛК. Такое устройство с оптической связью делает каждый входной канал ПЛК достаточно прочным, позволяя изолировать чувствительную компьютерную схему ПЛК от переходных скачков напряжения и других электрических явлений, способных привести к повреждению:

Внутренняя принципиальная схема модуля дискретного ввода (“card”), показанная выше, раскрывает компоненты, типичные для одного входного канала на этой плате. Каждый входной канал имеет свою собственную оптрону, записывающую в свой уникальный бит регистра памяти в памяти ПЛК. Платы дискретного ввода для ПЛК обычно имеют 4, 8, 16 или 32 канала.

Модули дискретного вывода

Контрольные лампы, электромагнитные клапаны и пускатели двигателей (узлы, состоящие из контакторов и устройств защиты от перегрузки) – все это примеры устройств дискретного управления. Аналогично дискретным входам, ПЛК подключается к любому количеству различных дискретных устройств конечного управления через канал дискретного вывода. Модули дискретного вывода обычно используют одну и ту же форму оптоизоляции, позволяющую компьютерной схеме ПЛК передавать электроэнергию на нагрузки: внутренняя схема ПЛК управляет светодиодом, который затем активирует какую-либо форму фоточувствительного коммутационного устройства. В качестве альтернативы вместо полупроводниковых переключающих элементов с оптической развязкой, таких как транзисторы (постоянного тока) или симисторы (переменного тока), могут использоваться небольшие электромеханические реле:

Как и в случае со схематической схемой модуля дискретного ввода, показанной ранее, приведенная здесь принципиальная схема модуля дискретного вывода раскрывает компоненты, типичные для одного канала на этой плате. Каждый выходной канал имеет свою собственную оптрону, управляемую собственным уникальным битом регистра памяти в памяти ПЛК. Платы дискретного вывода для ПЛК также обычно имеют 4, 8, 16 или 32 канала.

Источник и приемник

Важной концепцией, которую необходимо освоить при работе с дискретным вводом-выводом постоянного тока, является различие между токоотводящими и токоотводящими устройствами. Термины “источник” и “токоотвод” относятся к направлению тока (обозначаемого общепринятыми обозначениями потока) в провод управления устройства или из него. Устройство, посылающее (обычный поток) тока со своего управляющего терминала на какое-либо другое устройство (устройства), называется источником тока, в то время как устройство, принимающее (обычный поток) тока на свой управляющий терминал, называется понижающим током.

Для иллюстрации на следующем рисунке показан выходной канал ПЛК, который подает ток на контрольную лампу, которая опускает ток на землю:

Эти термины действительно имеют смысл только тогда, когда электрический ток рассматривается с точки зрения обычного потока, где положительная клемма источника питания постоянного тока рассматривается как “источник” тока, а ток находит свой путь “вниз” к земле (отрицательная клемма источника питания постоянного тока). В каждой схеме, сформированной выходным каналом ПЛК, управляющего дискретным устройством управления, или дискретным чувствительным устройством, управляющим входным каналом ПЛК, один элемент в схеме должен подавать ток, в то время как другой – ток понижения.

У моего коллеги-инженера есть очаровательный способ описать поиск и поглощение: выдувание и всасывание. Устройство, которое подает ток на другое устройство, “пропускает” ток в направлении другого устройства. Устройство, которое принимает ток, “всасывает” ток из другого устройства. Многие студенты, похоже, находят эти термины полезными для первого усвоения различия между источником и потребителем, несмотря на (или, возможно, из-за!) Их неформальный характер.

Если дискретное устройство, подключаемое к ПЛК, не чувствительно к полярности, будет достаточно любого типа модуля ввода-вывода ПЛК. Например, на следующих схемах показан механический концевой выключатель, подключаемый к входу приемного ПЛК и ко входу исходного ПЛК:

Обратите внимание на различия в полярности и маркировке между общим выводом приемной платы и общим выводом исходной платы. На “тонущей” плате клемма входного канала положительная, в то время как общая (“Com”) клемма отрицательная. На плате “sourcing” клемма входного канала отрицательная, в то время как общая (“VDC”) клемма положительная.

Некоторые устройства с дискретными датчиками являются чувствительными к полярности, например электронные датчики приближения с транзисторными выходами. Бесконтактный переключатель “источника” может взаимодействовать только с “тонущим” входным каналом ПЛК, и наоборот:

Во всех случаях “исходящее” устройство посылает ток из своего сигнального терминала, в то время как “тонущее” устройство принимает ток в свой сигнальный терминал.

Здесь показаны две фотографии модуля дискретного ввода постоянного тока (понижающего) для ПЛК Allen-Bradley модели SLC 500: на одной пластиковая крышка закрыта на соединительных клеммах, а на другой пластиковая крышка открыта для просмотра клемм. Надпись на внутренней стороне обложки показывает назначение каждой винтовой клеммы: восемь входных каналов (пронумерованных от 0 до 7) и две резервные клеммы ”DC Com” для подключения отрицательного полюса источника питания постоянного тока.:

Светодиодные индикаторы

Стандартной функцией практически каждого модуля дискретного ввода / вывода ПЛК является набор светодиодных индикаторов, визуально указывающих состояние каждого бита (дискретного канала). В модуле SLC 500 светодиоды отображаются в виде группы из восьми пронумерованных квадратов в верхней части модуля.

На фотографии выводов дискретного вывода на ПЛК другой марки (модель Koyo DL06) маркировка несколько отличается:

Здесь каждый терминал выходного канала обозначен буквенно-цифровым кодом, начинающимся с буквы “Y”. Несколько “общих” терминалов, помеченных кодами “С”, обслуживают кластеры выходных каналов. В данном конкретном случае каждый “общий” терминал является общим только для четырех выходных каналов. Имея всего шестнадцать выходных каналов на этом ПЛК, это означает, что имеется четыре различных “общих” терминала. Хотя это может показаться несколько странным (почему бы просто не иметь один “общий” терминал для всех шестнадцати выходных каналов?), это более легко позволяет разным источникам питания постоянного тока обслуживать разные наборы выходных каналов.

Модули дискретного ввода-вывода переменного тока

Электрическая полярность не является проблемой при дискретном вводе-выводе переменного тока, поскольку полярность переменного тока в любом случае периодически меняется. Однако все еще остается вопрос о том, будет ли “общая” клемма на дискретном модуле ПЛК подключаться к нейтральному (заземленному) или к горячему (незаземленному) проводу питания переменного тока.

На следующей фотографии показан модуль дискретного вывода переменного тока для ПЛК Allen-Bradley SLC 500, использующий симисторы в качестве устройств переключения мощности, а не транзисторы, как это обычно делается с модулями дискретного вывода постоянного тока:

Этот конкретный восьмиканальный модуль обеспечивает два набора симисторов для переключения питания на нагрузки переменного тока, каждый набор из четырех симисторов получает питание переменного тока от “горячей” клеммы (VAC 1 или VAC 2), другая сторона нагрузочного устройства подключена к “нейтральному” (заземленному) проводу источника питания переменного тока.

К счастью, в справочном руководстве по оборудованию, поставляемом производителем каждого ПЛК, приведены схемы, иллюстрирующие подключение дискретных каналов ввода-вывода к полевым устройствам. Всегда следует обращаться к этим схемам перед подключением устройств к точкам ввода-вывода ПЛК!

Аналоговые модули ввода-вывода

На заре программируемых логических контроллеров скорость процессора и объем памяти были слишком ограничены для поддержки чего-либо, кроме функций дискретного управления (вкл / выкл). Следовательно, единственные возможности ввода-вывода, обнаруженные на ранних ПЛК, были дискретными по своей природе. Однако современная технология ПЛК достаточно мощна для поддержки измерения, обработки и вывода аналоговых (непрерывно изменяющихся) сигналов.

Все ПЛК по своей сути являются цифровыми устройствами. Таким образом, для взаимодействия с аналоговым датчиком или управляющим устройством необходим некоторый “перевод” между аналоговым и цифровым мирами. Внутри каждого модуля аналогового ввода находится АЦП, или аналого-цифровой преобразователь, схема, предназначенная для преобразования аналогового электрического сигнала в многоразрядное двоичное слово. И наоборот, каждый модуль аналогового вывода содержит ЦАП, или цифроаналоговый преобразователь, схему для преобразования цифровых командных слов ПЛК в аналоговые электрические величины.

Аналоговый ввод-вывод обычно доступен для модульных ПЛК для множества различных типов аналоговых сигналов, включая:

• Напряжение (от 0 до 10 вольт, от 0 до 5 вольт)
• Ток (от 0 до 20 мА, от 4 до 20 мА)
• Термопара (милливольтность)
• RTD (милливольтность)
• Тензодатчик (милливольтность)

На следующих фотографиях показаны две аналоговые платы ввода-вывода для модульной системы ПЛК Allen-Bradley SLC 500, плата аналогового ввода и плата аналогового вывода. На этикетках на крышках клемм указаны назначения винтовых клемм.:

Сетевой ввод-вывод

Существует множество различных стандартов цифровой сети, с которыми ПЛК могут взаимодействовать, от ПЛК к ПЛК и между ПЛК и полевыми устройствами. Одним из самых ранних цифровых протоколов, разработанных для связи с ПЛК, был Modbus, первоначально предназначенный для ПЛК марки Modicon. Modbus был принят другими производителями ПЛК и промышленных устройств в качестве фактического стандарта и остается, пожалуй, самым универсальным цифровым протоколом, доступным на сегодняшний день для промышленных цифровых устройств.

Другим стандартом цифровой сети, разработанным конкретным производителем и позже принятым в качестве стандарта де-факто, является Profibus, первоначально разработанный Siemens.

Для получения дополнительной информации о сетевых стандартах, используемых в системах ПЛК, обратитесь к главе “Цифровые электронные приборы”, в частности к разделам, посвященным конкретным сетевым стандартам, таким как Modbus и Profibus.

ОБЗОР:

• Дискретные входы позволяют подключать датчики, переключатели и кнопки; они могут иметь как переменный, так и постоянный тип напряжения.
• Дискретные выходы могут быть постоянными, переменными или релейными, что позволяет подключать катушки, индикаторы и звуковые сигналы.
• Как модули ввода-вывода постоянного тока, так и модули вывода постоянного тока могут быть различными в зависимости от направления протекания тока.
• Аналоговые входы и выходы принимают и отправляют сигналы переменного напряжения и тока.