Бесконтактный дискретный элемент с числом вход выход что это

КОНТАКТНЫЕ И БЕСКОНТАКТНЫЕ ДИСКРЕТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Контактные дискретные элементы. Исполнительным ор­ганом этих элементов является механический контакт между двумя пружинами, приводимыми в соприкосновение меха­ническим перемещением одной из них. Реагирующим орга­ном у контактных элементов могут быть обмотки, создающие магнитное поле, воздействующее через якорь или другие

устройства на контактные пружины; всевозможные меха­низмы (кнопки, ключи и т. п.), осуществляющие механичес­кое воздействие на контактные пружины при перемещении.

В зависимости от конструкции существуют контактные элементы с памятью и без памяти. Память достигается за счет механического или магнитного удержания элемента в определенном состоянии.

Наиболее распространенным контактным дискретным элементом является электромагнитное реле.. Реагирующим органом реле, воспринимающим внешнее воздействие в виде электрического тока, служит обмотка, исполнительным органом, выдающим выходные сигналы (О — цепь разомкнута, 1 — цепь замкнута) — контакт. Промежуточный орган, передающий воздействие от реаги­рующего органа к исполнительному, имеет сердечник, ярмои подвижную часть, называемую якорем, которая приводится в действие электромагнитным потоком и воздей­ствует на контакт. Реле может содержать от одной до вось­ми контактных групп. Притяжение якоря к сердечнику и замыкание контактов называют срабатыванием реле.

Таким образом, фронтовой контакт является повторителем входного сигнала, а тыловой контакт— инвертором.

Бесконтактные дискретные элементы. Действие этих элементов основано на нелинейном изменении проводимости под влиянием напряжения, тока или магнитного поля, воздействующих на элемент. Например, если на диод (рис. 1.13) подается напряжение прямой полярности (вход­ной сигнал х — 1), сопротивление составляет несколько омов, он открыт, напряжения на выходе и входе равны (выходной сигнал г =1). При подаче на вход напряжения обратной полярности (входной сигнал х — 0) сопротивле­ние диода становится очень большим, диод закрыт, значение напряжения на выходе близко к нулю (выходной сигнал 2 = 0). Как видно, у рассмотренного элемента состояние вы­хода повторяет состояние входа. Такие элементы называют повторителями.

Транзисторы в дискретных устройствах используются в режиме переключения. Транзистор может иметь два состоя­ния: закрытое, соответствующее максимальному сопротив­лению между эмиттером и коллектором, и открытое, при ко­тором сопротивление между эмиттером и коллектором мини­мальное. Переключение транзистора из одного состояния в другое обеспечивается изменением входного сигнала.

Входной и выходной сигналы дискретного элемента на транзисторе с проводимостью типа п-р-п (рис. 1.14, а) имеют значение 1 при положительной полярности этих сигналов. Это схема положительной логики. Она может быть реализована на МОП-транзисторе с индуцирован­ным каналом типа п (рис. 1.14, б). У рассмотренных схем на транзисторах наличие сигнала на входе (х — 1) соот­ветствует отсутствию сигнала на выходе (2 = 0) и на­оборот. Схему, выполняющую такую функцию, называют инвертором.

В дискретных элементах на диодах и транзисторах отсутствует четкое разделение реагирующих, промежуточных и исполнительных органов.

КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСКРЕТНЫХ УСТРОЙСТВ.

Рассмотренные выше дискретные элементы соединяют между собой определенным образом, образуя сложные дискретные устройства, предназначенные для выработки управляющих воздействий на объекты управления при автоматизации технологических процессов. Управляющие воздействия представляют собой сигналы на выходе сложного дискретного устройства, получающиеся в результате преобразования сигналов, поступающих на вход дискретного устройства и отображающих исходную информацию об объекте управления.

Таким образом, сложное дискретное устройство в системе управления есть преобразователь информации. Материальными носителями информации являются сигналы.

Дискретным автоматом называют модель дискретного устройства, отражающую только его свойства по переработке сигналов. В таком автомате выделяются множества состояний входов а и выходов v, а также внутренних состояний s. Сигналы при этом двухзначные, а элементы памяти двоичные, т. е. каждый с двумя внутренними состояниями.

В зависимости от вида функций выходов, представляющих собой зависимость значений сигналов на каждом выходе от состояния входов а и внутренних состояний элементов памяти в данный момент, дискретные автоматы делят на два класса: комбинационные автоматы и автоматы с памятью.

В комбинационном автомате, называемом также автоматом без памяти, или комбинационным устройством (схемой), каждый сигнал на выходе (логические 0 или 1) определяется лишь сигналами (логические 0 или 1), действующими в данный момент времени на входах автомата, и не зависит от сигналов, ранее действовавших на этих входах. Комбинационный автомат не имеет памяти, он не хранит информации о своей прошлой работе.

Функция выходов для комбинационного автомата

где — сигналы на j-м выходе автомата в момент времени t; а(() — значение сигналов на всех входах автомата (множество состояний входов).

На выходе комбинационного устройства формируется сигнал, определяющий совпадение сигналов на входе.

В автоматах с памятью, называемых также последовательностными устройствами, выходной сигнал определяется не только значениями сигналов на входах в данный момент времени, но и его внутренним состоянием. Внутреннее состояние автомата зависит от состояний его элементов памяти. Дискретные устройства с памятью, имеющие конечное число состояний, называют конечными автоматами.

В зависимости от того, как определены дискретные моменты времени, в которые рассматривается функционирование автоматов, последние разделяют на синхронные и асинхронные. В синхронном автомате эти моменты определяются синхронизирующими (тактовыми) импульсами, вырабатываемыми специальным генератором. Состояния входа, памяти и выхода автомата рассматриваются только в моменты поступления синхронизирующих импульсов. Во время действия синхронизирующего импульса состояние внутренних элементов памяти не изменяется. Смена состояний внутренних элементов памяти происходит после окончания импульса в интервале и обязательно завершается к моменту поступления каждого следующего синхронизирующего импульса. В асинхронном автомате в отличие от синхронного дискретные моменты времени определяются моментами изменения состояния входа или состояния памяти автомата, а длительность тактов — интервалом времени, в течение которого состояние автомата не меняется.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Бесконтактный дискретный элемент с числом вход выход что это

6. Логические бесконтактные элементы в дискретных системах автоматического управления

До последнего времени большинство логических операций в системах автоматического управления выполнялось преимущественно при помощи электромагнитных реле, т. е. с применением механических подвижных контактов. Наличие этих контактов значительно снижало надежность систем автоматического управления, а индуктивность катушек реле приводила к уменьшению быстродействия систем.

Создание электронных логических элементов и бесконтактных переключающих устройств позволяет заменить громоздкие релейные механизмы более надежными, легкими, компактными и быстродействующими элементами.

Бесконтактный элемент, не имеющий движущихся контактов, является в механическом отношении статическим устройством.

В качестве бесконтактных элементов схем управления применяются вакуумные и газоразрядные лампы, магнитные усилители и полупроводниковые приборы. Хотя магнитные усилители и полупроводниковые приборы не являются идеальными выключателями (в отключаемой ими цепи ток не уменьшается до нуля), но благодаря высокой механической прочности и большому сроку службы они получают наибольшее распространение.

Использование в системах автоматического управления стандартных логических элементов значительно сокращает время, необходимое для проектирования систем. Кроме того, облегчается ремонт систем, ибо в этом случае он сводится к замене вышедших из строя элементов новыми стандартными элементами.

В последнее время появились новые конструкции электронных логических элементов, называемые «твердыми» схемами. В этих схемах нет отдельных сопротивлений, диодов, триодов и т. д. Чаще всего «твердая» схема представляет собой пластинку германия или кремния, по площади не превышающую поперечного сечения спичечной головки. На такой пластинке при помощи травления, диффузии и другими способами формируются диоды, триоды, конденсаторы и сопротивления. Благодаря этому один кристалл, не имеющий соединительных проводов, может выполнять очень сложные логические преобразования. Поскольку «твердые» схемы не имеют ни одной пайки, они обладают исключительно большой надежностью и поэтому в ближайшее время получат очень широкое применение в системах автоматического управления.

Рассмотрим вначале простейшие релейные схемы и логические элементы, заменяющие их. Так как эти логические элементы выполняют те же функции, что и релейные схемы, то они называются аналогами релейных схем.

Пусть в системе автоматического управления имеется цепь, в которой (рис. 2.35) последовательно включено три реле с нормально разомкнутыми контактами. Ток в этой цепи появится только тогда, когда будут поданы напряжения на катушки всех трех реле (A, В и С). В этом случае реле выполняют следующую логическую операцию:

Рис. 2.35. Логический аналог трех последовательно включенных реле

Эта логическая операция может быть выполнена при помощи одного логического элемента «И» (рис. 2.35).

Если три реле включены параллельно (рис. 2.36), то они выполняют логическую операцию D = A + B + C. Поэтому реле могут быть заменены логическим элементом «ИЛИ».

Рис. 2.36. Аналог параллельно включенных реле

Рассмотрим теперь случай, когда последовательно включены три реле с нормально замкнутыми контактами (рис. 2.37). Поскольку в этом случае необходима логическая операция

то она выполняется при помощи двух логических элементов: «ИЛИ» и «НЕ».

Рис. 2.37. Аналог последовательно включенных реле с нормально замкнутыми контактами

Параллельно включенные реле с нормально замкнутыми контактами (рис. 2.38) выполняют логическую операцию

Поэтому они могут быть заменены схемой, состоящей из логических элементов «И» и «НЕ».

Рис. 2.38. Аналог параллельно включенных реле с нормально замкнутыми контактами

Переключатель (рис. 2.39) выполняет две логические операции:

Поэтому они могут быть выполнены при помощи логического элемента «НЕ».

Рис. 2.39. Аналог переключателя

Очень часто в схемах автоматического управления применяются переключатели с самозахватом (рис. 2.40). Характерной особенностью таких переключателей является то, что они при помощи блок-контакта подают напряжение на свою катушку и поэтому не переключаются после снятия сигнала А. Возврат реле осуществляется при помощи кнопки (K). Как следует из схемы переключателя с самозахватом, он выполняет следующие логические операции:

Эти операции (при соответствующем согласовании входов и выходов логических элементов) выполняются логической схемой, показанной на рис. 2.40.

Рис. 2.40. Аналог переключателя с самозахватом

Чем сложнее релейная схема, тем больше логических элементов необходимо для ее замещения. Выбор типа этих элементов и схемы их соединения осуществляется на основе суждений алгебры логики, описывающих релейную схему.

В настоящее время начинается выпуск универсальных логических элементов, наличие которых позволяет создавать любую сложную логическую схему. Такие элементы изготовляются в виде печатных плат, которые очень удобны для монтажа и наладки. Для того чтобы эти элементы были в значительной мере универсальными, они выполняются так, чтобы их можно было использовать в самых различных комбинациях.

Используя стандартные логические элементы типа «НЕ», «И», «ИЛИ», можно синтезировать (создавать) кибернетические системы автоматического управления, выполняющие сложные логические суждения.

Естественно, что для согласования логической схемы, собранной из универсальных элементов, с остальной частью системы автоматического управления необходимы преобразующие устройства, согласовывающие эти части системы по напряжениям и токам.

Рассмотрим пример синтеза кибернетической системы автоматического управления, выполненной на логических элементах.

На рис. 2.42 показан бак, из которого непрерывно вытекает вода. Наполнение бака производится по трубопроводу, имеющему вентиль K. Необходимо разработать систему автоматического регулирования уровня воды в баке. При этом требуется, чтобы вентиль К открывался тогда, когда уровень воды опустится ниже точки a, и закрывался при достижении водой точки b.

Рис. 2.42. Система автоматического регулирования уровня воды в баке

В соответствии со сказанным возможны три режима работы вентиля:

Установим два датчика, сигнализирующих об уровне воды в баке. Пусть первый датчик дает сигнал (А) в том случае, когда уровень воды в баке находится в точке а и выше. Сигнал на выходе второго датчика (В) пусть появляется тогда, когда вода достигла уровня b.

Тогда в соответствии с тремя режимами работы вентиля логическую схему управления можно представить следующим образом:

1) если A = 0 и B = 0, то надо открыть вентиль (сигнал С);

2) если A = 1, а В = 0, то не нужно изменять положение вентиля;

3) если A = 1 и В = 1, то необходимо закрыть вентиль.

Составим теперь логическую схему, выполняющую эти условия.

Прежде всего, из условия 1 следует, что сигнал открытия вентиля (С) определяется выражением

Кроме условия 1, необходимо также обеспечить выполнение условия 2. Однако уравнение (2.34) не удовлетворяет этому условию. Действительно, в том случае, когда вода находится ниже уровня а, сигналы A = 0 и B = 0. Поэтому (условие 2.34) С = 1, т. е. дается сигнал на открытие вентиля. Но после того, как уровень воды превысит точку а, появится сигнал А = 1 и в соответствии с условием (2.34) С = 0. В этом случае вентиль закроется, хотя он должен быть открыт. Чтобы избежать такого положения, несколько изменим условие (2.34) и запишем:

В соответствии с данной логической операцией получаются следующие режимы работы системы автоматического регулирования:

а) A = 0, B = 0; тогда С = 1, т. е. в том случае, когда уровень воды находится ниже точки а, дается сигнал (1) на открытие вентиля;

б) A = 1, B = 0; тогда С = 1, т. е. при подъеме уровня воды выше точки а (после открытия вентиля) вентиль остается открытым;

в) А = 1, B = 1; тогда С = 0, т. е. после достижения точки b вентиль закрывается;

г) A = 1, B = 0; тогда С = 0, т. е. при снижении уровня воды (после закрытия вентиля) вентиль остается закрытым.

Следовательно, сложное логическое суждение (2.35) полностью удовлетворяет требованиям, поставленным перед системой автоматического регулирования уровня воды. Это суждение (рис. 2.42) реализуется при помощи четырех логических элементов (двух элементов типа «НЕ», элементов «И» и «ИЛИ»). Выход элемента «И» включается на катушку электромагнита. При появлении сигнала на катушке (С = 1) электромагнит открывает вентиль К, после снятия этого сигнала (С = 0) вентиль закрывается.

Так происходит синтез кибернетических систем на основе логических элементов.

Источник

Вопрос 45. Дискретные элементы и устройства управления ЭП.

Дискретный элемент – это какой-то отдельный элемент, выполняющий элементарное преобразование сигнала. Все дискретные элементы можно подразделить на три вида: элементы релейного действия,

логические элементы и дискретные автоматы.

Элементы релейного действия. Важным частным случаем релейного элемента является элемент с памятью. Этот элемент при снятии входного сигнала сохраняет своё предыдущее состояние, или выходной сигнал с фиксацией предшествующего воздействия сигнала на вход элемента. Для перевода такого релейного элемента в противоположное состояние необходимо новое воздействие входного сигнала.

Логические элементы осуществляют информационное преобразование сигналов. Входные и выходные сигналы логического элемента представляют собой величины, интерпретируемые как логический «0» или логическая «1». Сигнал на выходе логического элемента в любой момент времени полностью определяется комбинацией сигналов на его входах. Логический элемент не обладает памятью, поэтому его выходной сигнал не зависит от ранее предшествующей комбинации входных сигналов.

Под дискретным автоматом понимается модель дискретного устройства, характеризующаяся некоторым множеством состояний входов, множеством состояний выходов и множеством внутренних состояний. Все дискретные автоматы подразделяются на автоматы с памятью и комбинационные автоматы или схемы. В дискретном автомате с памятью сигнал на выходе автомата в любой момент времени определяется не только комбинацией сигналов на входах автомата, но и внутренним состоянием автомата, зависящим от состояния входящих в него элементов памяти. В комбинационном автомате значение функции выхода полностью определяется значением комбинации состояний его входов в рассматриваемый момент времени. Следовательно, любой логический элемент может рассматриваться как некоторый простейший комбинационный автомат или схема.

Элементы управления, защиты и автоматики. Элементы управления, защиты и автоматики являются составной частью электропривода, при помощи которой осуществляют пуск, остановку, торможение, реверсирование, регулирование частоты вращения, блокировку отдельных механизмов и защиту от внезапных коротких замыканий, перегрузок и т. д.

Для управления электроприводами применяют ручные и автоматические аппараты. К ручным аппаратам относятся рубильники, выключатели, переключатели, контроллеры и масляные пускатели; к автоматическим — контакторы, магнитные пускатели, кнопки и кнопочные станции, командоконтроллеры, путевые и конечные выключатели и переключатели, различного рода реле, электромагниты и муфты, электронно-ионная и полупроводниковая аппаратура.

Защиту электродвигателей, их сетей и других элементов электроустановок выполняют аппаратурой защиты: плавкими предохранителями, автоматическими выключателями, тепловыми реле, реле максимального тока или минимального напряжения.

Аппаратуру управления и защиты выбирают по роду тока, значению напряжения и мощности электроустановок, а также условию работы и воздействию окружающей среды и степени пожарной опасности производства. Для световой и звуковой сигнализации используют сигнальные лампы и сирены.

Вопрос 46. Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения.

Так как частота вращения магнитного поля статора n = 60f/р, то регулирование частоты вращения асинхронного двигателя можно производить изменением частоты питающего напряжения.

Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту питающего напряжения, можно в соответствии с выражением при неизменном числе пар полюсов р изменять угловую скорость магнитного поля статора.

Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.

Для получения высоких энергетических показателей асинхронных двигателей (коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности) необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение. Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Мс. При постоянном моменте нагрузки напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте.

Дата добавления: 2018-02-15 ; просмотров: 1765 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

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 необходимый 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 микросхемы ISO1211/12. 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

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 и TIDA-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

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.

Источник