Навигация по таблицам
- Таблица 1. Модули дискретного ввода 24VDC
- Таблица 2. Модули дискретного вывода 24VDC
- Таблица 3. Модули аналогового ввода
- Таблица 4. Модули аналогового вывода
- Таблица 5. Характеристики АЦП модулей
- Таблица 6. Типы гальванической развязки
Таблица 1. Модули дискретного ввода 24VDC
| Параметр | Стандартные модули | Быстродействующие модули | Модули с изоляцией |
|---|---|---|---|
| Напряжение питания | 24 VDC ±10% | 24 VDC ±10% | 24 VDC ±10% |
| Количество каналов | 8, 16, 32 | 4, 8, 16 | 4, 8, 16 |
| Входной ток | 7-9 мА при 24V | 8-12 мА при 24V | 5-8 мА при 24V |
| Время фильтрации | 0.2-20 мс | 0.05-1 мс | 0.1-10 мс |
| Изоляция | Групповая 500V | Групповая 500V | Индивидуальная 1500V |
| Максимальная частота | 200 Гц | 10 кГц | 1 кГц |
Таблица 2. Модули дискретного вывода 24VDC
| Параметр | Реле | Транзистор PNP | Транзистор NPN |
|---|---|---|---|
| Выходной ток | до 2А | 0.5А | 0.5А |
| Коммутируемое напряжение | 5-250V AC/DC | 5-30V DC | 5-30V DC |
| Время включения | 10-15 мс | 0.1-0.5 мс | 0.1-0.5 мс |
| Время отключения | 5-10 мс | 0.5-2 мс | 0.1-1 мс |
| Ресурс коммутаций | 10⁶ механических | Неограниченный | Неограниченный |
| Защита от КЗ | Внешняя | Встроенная | Встроенная |
Таблица 3. Модули аналогового ввода
| Тип сигнала | Диапазон | Разрядность АЦП | Погрешность | Время преобразования |
|---|---|---|---|---|
| Токовый 4-20 мА | 4-20 мА | 12-16 бит | ±0.1% | 1-10 мс |
| Токовый 0-20 мА | 0-20 мА | 12-16 бит | ±0.1% | 1-10 мс |
| Напряжение 0-10В | 0-10 В | 12-16 бит | ±0.05% | 0.5-5 мс |
| Напряжение 0-5В | 0-5 В | 12-16 бит | ±0.05% | 0.5-5 мс |
| Термопара | -200...+1800°C | 16-24 бит | ±0.1°C | 20-100 мс |
| Термосопротивление | -200...+850°C | 16-24 бит | ±0.1°C | 50-200 мс |
Таблица 4. Модули аналогового вывода
| Тип сигнала | Диапазон | Разрядность ЦАП | Нагрузка | Время установления |
|---|---|---|---|---|
| Токовый 4-20 мА | 4-20 мА | 12-16 бит | ≤750 Ом | 1-5 мс |
| Токовый 0-20 мА | 0-20 мА | 12-16 бит | ≤750 Ом | 1-5 мс |
| Напряжение 0-10В | 0-10 В | 12-16 бит | ≥2 кОм | 0.5-2 мс |
| Напряжение ±10В | -10...+10 В | 12-16 бит | ≥2 кОм | 0.5-2 мс |
Таблица 5. Характеристики АЦП модулей
| Разрядность | Количество уровней | Разрешение | Время цикла | Применение |
|---|---|---|---|---|
| 12 бит | 4096 | 0.024% | 50 мкс - 1 мс | Базовые измерения, быстрые процессы |
| 14 бит | 16384 | 0.006% | 100 мкс - 2 мс | Точные измерения средней скорости |
| 16 бит | 65536 | 0.0015% | 0.5-10 мс | Высокоточные измерения (стандарт) |
| 24 бит (сигма-дельта) | 16777216 | 0.00006% | 10-200 мс | Прецизионные измерения температуры |
| 32 бит (специальные) | 4294967296 | 0.000023% | 100-500 мс | Лабораторные и метрологические применения |
Таблица 6. Типы гальванической развязки
| Тип развязки | Принцип работы | Изоляция | Скорость передачи | Применение |
|---|---|---|---|---|
| Оптическая | Оптроны | 1000-5000V | до 10 МГц | Дискретные сигналы |
| Трансформаторная | Импульсный трансформатор | 1500-4000V | до 150 МГц | Аналоговые/цифровые сигналы |
| Емкостная | Емкостная связь | 2500-5000V | до 100 МГц | Цифровые интерфейсы |
| Электромеханическая | Реле | 1000-6000V | до 1 кГц | Силовые цепи |
Оглавление статьи
Введение в модули ввода/вывода ПЛК
Модули ввода/вывода (МВВ) являются критически важными компонентами программируемых логических контроллеров, обеспечивающими интерфейс между цифровой системой управления и физическими процессами производства. Устройства ввода-вывода являются интерфейсом между процессором ПЛК и реальным миром, преобразуя аналоговые и дискретные сигналы от датчиков в цифровую форму для обработки контроллером и наоборот.
Современные модули ввода/вывода представляют собой высокотехнологичные устройства, способные обрабатывать различные типы сигналов с высокой точностью и надежностью. Модули ввода-вывода обеспечивают обмен данными с управляющим компьютером или контроллером с помощью интерфейса, позволяя собирать, накапливать, контролировать и преобразовывать данные. Они играют ключевую роль в автоматизации промышленных процессов, обеспечивая точный мониторинг параметров и управление исполнительными механизмами.
Модули дискретного ввода/вывода 24VDC
Дискретные модули предназначены для работы с двоичными сигналами, которые могут принимать только два состояния: "включено" (логическая единица) или "выключено" (логический ноль). Стандартным напряжением для промышленных дискретных сигналов является 24 VDC, что обеспечивает надежную работу в условиях электромагнитных помех.
Модули дискретного ввода
Модули дискретного ввода преобразуют внешние дискретные сигналы от датчиков, кнопок, концевых выключателей и других устройств в цифровые данные для обработки ПЛК. Входные сигналы (Input) - модуль измеряет сигнал и преобразует сигнал в цифровой вид для передачи по сети.
При напряжении питания 24V и входном сопротивлении 3 кОм:
I = U/R = 24V / 3000Ом = 8 мА
Это типичное значение для современных модулей дискретного ввода.
Модули дискретного вывода
Модули дискретного вывода управляют исполнительными механизмами: контакторами, соленоидными клапанами, сигнальными лампами и другими устройствами. Различают три основных типа выходов: релейные, транзисторные PNP и транзисторные NPN.
Релейные выходы обеспечивают гальваническую изоляцию и способны коммутировать как переменный, так и постоянный ток, но имеют ограниченное быстродействие. Транзисторные выходы характеризуются высоким быстродействием и неограниченным ресурсом коммутаций, но работают только с постоянным током.
Модули аналогового ввода/вывода
Аналоговые входы ПЛК служат 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 (от 0–10 В). Эти модули обеспечивают высокоточное измерение и управление непрерывными процессами.
Токовые сигналы 4-20 мА
Токовый сигнал 4-20 мА является стандартом промышленной автоматизации благодаря высокой помехоустойчивости и возможности передачи на большие расстояния. Нижний уровень 4 мА позволяет диагностировать обрыв линии связи, поскольку при обрыве ток становится равным нулю.
При токе 20 мА и сопротивлении линии 100 Ом:
U = I × R = 0.02А × 100Ом = 2В
Это допустимое падение для большинства передатчиков с напряжением питания 24V.
Сигналы напряжения 0-10В
Сигналы напряжения 0-10В используются для коротких расстояний передачи и обеспечивают высокое быстродействие. Они менее помехоустойчивы по сравнению с токовыми сигналами, но требуют меньше энергии для передачи.
Характеристики АЦП и разрядность
Ведущие производители АЦП выпускают специализированные преобразователи для применения в аналоговых модулях ПЛК. Разрядность аналого-цифрового преобразователя определяет точность измерения и количество различимых уровней сигнала.
12-битные АЦП
4096 для 12-битных уровней квантования обеспечивают разрешение около 0.024% от полной шкалы. Такие АЦП применяются в базовых системах измерения, где требования к точности не критичны.
16-битные АЦП
16-битные АЦП с 65536 уровнями квантования обеспечивают разрешение 0.0015% и используются в высокоточных измерительных системах. Разрядность АЦП – 16 бит является стандартом для современных промышленных применений.
Для диапазона 0-10В:
Разрешение = 10В / 65536 = 0.000153В = 0.153 мВ
Это позволяет регистрировать изменения менее 0.2 мВ.
Время цикла и быстродействие
Время цикла модулей ввода/вывода определяет скорость обновления данных и критически влияет на быстродействие всей системы управления. В современных системах 2025 года достигнуты значительные улучшения в быстродействии благодаря применению высокоскоростных интерфейсов и оптимизированных алгоритмов обработки.
Преимуществом современных высокоскоростных шин является пропускная способность, позволяющая выполнять сканирование модулей ввода с частотой до 10 МГц и использовать модули аналогового ввода с тактовой частотой АЦП до 2 МГц для специальных применений. Промышленные Ethernet-интерфейсы обеспечивают детерминированную передачу данных с jitter менее 1 микросекунды.
Факторы, влияющие на время цикла
Время цикла зависит от нескольких ключевых факторов, которые важно понимать для правильного проектирования систем. Разрядность АЦП напрямую влияет на время преобразования: 12-битные АЦП работают за 50-500 микросекунд, 16-битные требуют 0.5-10 миллисекунд, а 24-битные сигма-дельта преобразователи могут работать от 10 до 200 миллисекунд в зависимости от настроек фильтрации.
Количество каналов и алгоритмы мультиплексирования также критически важны. Современные модули с индивидуальными АЦП на каждый канал обеспечивают одновременное преобразование, устраняя задержки коммутации. Цифровая фильтрация помех может увеличить время отклика, но существенно повышает точность измерений в промышленной среде.
Современные достижения в быстродействии
Дискретные модули нового поколения обеспечивают время отклика от 10 микросекунд до 1 миллисекунды в зависимости от настроек фильтрации. Быстродействующие модули для систем управления движением достигают частоты обновления до 100 кГц.
Аналоговые модули претерпели революционные изменения. Современные быстродействующие модули способны обеспечивать частоту выборки до 2 МГц для вибродиагностики и динамических измерений, в то время как высокоточные модули для температурных измерений работают с частотой 5-50 Гц, обеспечивая исключительную точность.
При времени преобразования 1 мс на канал и 8 каналах:
Общее время цикла = 8 × 1 мс = 8 мс
Максимальная частота = 1 / 0.008с = 125 Гц
Гальваническая развязка и защита
Гальваническая развязка (гальваноразвязка, гальваническая изоляция) – это название общего принципа электрической изоляции рассматриваемой электрической цепи относительно других цепей, присутствующих в данном устройстве. Она обеспечивает защиту оборудования и персонала от перенапряжений и помех.
Типы гальванической развязки
В удаленных модулях распределенных ПЛК может быть использована индивидуальная гальваническая изоляция интерфейса RS-485 каждого модуля или групповая изоляция интерфейсов нескольких модулей. Различают следующие типы развязки:
Оптическая развязка использует оптроны для передачи сигналов через световой поток, обеспечивая изоляцию до 5000В. Трансформаторная развязка применяет импульсные трансформаторы и обеспечивает высокую скорость передачи данных. Емкостная развязка основана на передаче сигналов через изолирующие конденсаторы.
Защитные функции
Входные цепи устройств ввода принято защищать от статического электричества, от повышенного напряжения, от изменения полярности. Современные модули включают множественные уровни защиты: от перенапряжения, переполюсовки, короткого замыкания и электромагнитных помех.
Критерии выбора и рекомендации
Выбор модулей ввода/вывода должен основываться на комплексном анализе требований системы автоматизации. Модули поддерживают все основные типы дискретных и аналоговых сигналов и имеют коммуникационный интерфейс RS-485.
Основные критерии выбора
При выборе модулей необходимо учитывать: тип и диапазон входных/выходных сигналов, требуемую точность измерения, быстродействие системы, условия эксплуатации, требования к изоляции и защите, совместимость с используемыми протоколами связи.
Для критически важных применений рекомендуется использовать модули с индивидуальной гальванической развязкой каналов и расширенной диагностикой. Современные модули ввода-вывода могут выполнять кроме функций ввода некоторую обработку вводимой информации и дополнительные функции: компенсацию температуры холодного спая термопар, линеаризацию нелинейных датчиков, диагностику обрыва датчика, автоматическую калибровку.
