Анонс: что такое интерфейсы программируемых логических контроллеров и зачем нужны устройства связи с объектами. Вводы промышленных контроллеров с программируемой логикой. Основные требования к датчикам и информации на вводе в ПЛК.
Упрощенно интерфейсы (с англ. interface — взаимодействие) в промышленных программно-логических контроллерах — это «посредники-переводчики» между «мозгом» контроллера — центральным процессором и датчиками, исполнительными механизмами, другими контролерами, серверами. Т. е. de facto это входы и выходы, обеспечивающие связь с внешним миром, включая порты связи с контроллерами, ПК, серверами более высокого уровня и приборы, устройства записи, программирования, изменения параметров и т. д.
Вместе с тем, центральный процессор «понимает» только цифровую информацию, датчики формируют, исполнительные механизмы «воспринимают» аналоговые, дискретные, реже, цифровые сигналы (более подробно во второй статье цикла по ссылке ниже), а информационный обмен ПЛК с другими контроллерами, серверами более высокого уровня должен происходить по определенным и общим правилам или протоколам. Поэтому в ПЛК интегрируют (непосредственно в контроллер или в виде съемных модулей) специальные устройства связи с объектами (аббревиатура УСО), среди которых наиболее популярные:
- аналогово—цифровые преобразователи (аналого—цифровые, АЦП), которые (упрощенно) дробят один непрерывный сигнал на несколько участков, сравнивают усредненную величину сигнала каждого участка с заданным базовым значением и кодируют полученные результаты в виде цифр;
- цифро-аналоговые преобразователи, которые по цифровым кодам формируют импульсы, как правило, напряжения, реже тока с очень маленьким временем между ними, что в итоге позволяет получить на выходе (условно) непрерывный сигнал;
- коммуникационные модули — повторители, формирователи, преобразователи интерфейсов разных протоколов информационной связи (например, RS-232/RS-485), обеспечивающие коммуникации ПЛК с серверами диспетчерского уровня, другими контроллерами, средствами для программирования, УСО и т. д.
По сути, коммуникационные порты определяют возможность связи ПЛК с «информационным внешним миром» по установленным международными стандартами протоколам, но для «понимания» друг друга ПЛК и другого средства информации программы для процессора контроллера должны обеспечивать поддержку используемого протокола (или стека — пакета протоколов связи).
Вводы промышленных контроллеров с программируемой логикой
Если говорить о работе ПЛК в силовой сети, то программируемые логические контроллеры могут собирать информацию о состоянии электрических, электромагнитных, физических (в контексте — влажность, температура, давление) датчиков или «устройств ввода». Большинство датчиков преобразуют один сигнал в другой, например, в термопаре разница температур на выходе преобразуется в разницу потенциалов, датчики положения на базе линейных дифференциальных трансформаторов (linear variable differential transformer — LVDT) — в напряжение величины, зависящей от смещения железного сердечника, в конденсаторных датчиках смещения — в разницу емкостей (или емкостных сопротивлений, от которых зависит величина тока) и т. д.
На рисунке:
- при положении ферромагнитного сердечника по центру между двумя вторичными катушками, индуцируемые в них напряжения равны, а их общий выход, как разница между двумя напряжениями (v1-v2) равен нулю, т. е. напряжение отсутствует;
- при смещении ферромагнитного сердечника величина переменного напряжения, индуцируемого в одной катушке, больше, чем в другой, т. е. появляется разница между напряжениями двух вторичных катушек, которая преобразуется в аналоговое напряжение постоянного тока и усиливается перед вводом в аналоговый канал ПЛК.
а — изменения расстояния между пластинами,
b — изменение высоты между пластинами,
с — перемещения диэлектрика
Справка
Термин преобразователь обычно используется для устройства, которое преобразует сигнал из одной формы в другую физическую форму, т. е. многие датчики называют преобразователями, но превалирующее большинство преобразователей не являются датчиками, например, двигатель, который преобразует электрическую энергию в механическую (вращение) или тот же ШИМ преобразователь привода управления электродвигателя постоянного тока. ШИМ-преобразователь управления подает на обмотку двигателя постоянного тока буквально цифровые сигналы в виде пакета импульсов заданной «ширины» (продолжительности), что формирует определенную величину среднего напряжения и позволяет управлять скоростью вращения.
Датчики, имеющие цифровые/дискретные, т. е. двухпозиционные выходы, могут быть легко подключены к входным портам ПЛК, но аналоговые сигналы с датчиков должны быть преобразованы в цифровые перед их вводом в контроллер.
Основные требования к датчикам и информации на вводе в ПЛК
Каждый датчик в зависимости от измеряемых параметров может иметь свои особенности, но общие требования (упрощенно) ко всем датчикам, работающим с программно-логическими контроллерами, включают:
- Точность — степень, в которой значение, указанное системой измерения или элементом, может быть ошибочным, или проще — разница между результатом измерения и истинным значением измеряемой величины.
- Диапазон переменной системы — пределы, в которых могут варьироваться входные данные, например, резистивный датчик температуры может работать в диапазоне от −200 до +800 °С; время стабилизации (плюс отклика, нарастания) — суммарное время, необходимое для того, чтобы выходной сигнал стабилизировался в пределах некоторой погрешности, например, 2 %, от установившегося значения.
- Чувствительность — величина изменения выходного сигнала измерительной системы или элемента при изменении измеряемой величины на заданную, например, термопара может иметь чувствительность 20 мкВ/ °C и, таким образом, давать выходной сигнал 20 мкВ на каждый 1°C изменения температуры.
- Стабильность—способность системы давать один и тот же результат при использовании для измерения постоянного входа в течение определенного периода времени. Термин «дрейф» часто используется для описания изменений, происходящих с течением времени.
- Повторяемость — способность системы измерения давать одно и то же значение при повторных измерениях одного и того же значения переменной.
- Распространенной причиной отсутствия или нарушений повторяемости являются случайные колебания параметров окружающей среды, например, изменения температуры и влажности.
- Надежность — вероятность того, что датчик будет работать с согласованным уровнем параметров (точности, повторяемости и т. д.) в течение определенного периода времени при определенных условиях окружающей среды.
В случае с точностью, ошибка может возникать из-за «нелинейности» измеряемого параметра, т. е. возникает в результате ошибочного предположения о линейной зависимости, или «гистерезисной», когда при росте и уменьшении изменений регистрируются неодинаковые параметры (например, разница в показаниях термометра при нагреве и охлаждении жидкости до одной температуры).
Вы прочитали заключительную часть цикла публикаций, рассказывающих просто и доступно о программируемых логических контроллерах.
