Аналоговый вывод в микропроцессорных системах

Введение

Десятки лет программируемые логические контроллеры остаются неотъемлемой частью систем автоматизации предприятий и систем управ-ления технологическими процессами. Правильная реализация аналоговых входов и выходов является одной из приоритетных задач, лежащих в ос-нове применения ПЛК.

1 Общая характеристика аналогового вывода в микропроцессор-ных системах

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). Аналоговые выходы ПЛК, в свою очередь, служат для плавного управления устройствами. Разделение у аналоговых выходов такое же, как и у входов (по току и по напряжению). Примеры использования аналого-вых входов/выходов приведены на рис. 1.

Согласно ГОСТ IEC 61131-2-2012, аналоговый вход (analogue input) — это устройство, преобразующее непрерывный сигнал в дискретное мультибитовое двоичное число для работы в системе программируемых контроллеров.
Для аналоговых входов самыми распространенными являются стан-дартные диапазоны постоянного напряжения: –10…+10 и 0…+10 В. Для токовых входов диапазоны составляют 0–20 и 4–20 мА (табл. 1).
В общем случае измерительный тракт системы обработки аналого-вых сигналов состоит из нескольких звеньев (рис. 2): входной сигнал, по-лучаемый с датчика (или датчиков), поступает на усилитель через мульти-плексор или напрямую. Главная задача усилителя в данной схеме — нор-мирование/усиление сигнала до оптимального для АЦП уровня. В свою очередь, АЦП производит оцифровку сигнала в соответствии с уровнем напряжения источника опорного напряжения (ИОН), затем сигнал посту-пает на центральный процессор, где проходит цифровую обработку [1].

Рисунок 2 - Обобщенная структурная схема аналогового входа ПЛК

Однако в зависимости от конкретных задач возможны различные варианты реализации измерительного тракта:
 с независимыми предварительными усилителями и АЦП, одновре-менно конвертирующими входные сигналы в цифровое представление;
 с мультиплексором в качестве первой ступени, за которым в тракте перед АЦП стоит общий усилитель;
 с отдельными каналами, в каждом из которых стоит усилитель, а перед АЦП включен мультиплексор [2].
Мультиплексоры в тракте служат для выборки одного из нескольких входных каналов. Мультиплексор, соответствующий требованиям по за-щите от высоковольтных электростатических разрядов (вплоть до ±35 кВ) или защищенный от скачков напряжения на входах, способен устранить необходимость использования внешних схем, таких как делители напряже-ния и оптоэлектронные реле. При этом важно иметь низкие согласованные сопротивления открытого канала (RON), поскольку они позволяют обес-печить малые искажения сигналов, улучшив тем самым надежность систе-мы, а также низкие токи утечки, критичные для минимизации ошибок из-мерения напряжений. К мультиплексорам, применимым в подобных трак-тах, можно отнести MUX508, MUX36D04, MUX36D08 и MUX36S08 про-изводства Texas Instruments. Данные устройства способны работать с напряжениями 10–36 В (рис. 3).

2 Оценка модулей аналогового вывода в микропроцессорных
системах

Автоматизация технологических процессов – неотъемлемая часть любого предприятия или профессиональной сферы. Компьютер способен обрабатывать гигабайты информации за несколько секунд. Из-за этого со-кращается риск возникновения аварийных ситуаций, а также повышается объем выпускаемых товаров. Однако, важно правильно подобрать устройство и обращать внимание на каждый элемент.
Модуль ввода/вывода – центральный элемент, который соединяется с программируемым логическим контроллером. Главная задача прибора – обеспечить прочную связь между объектом исполнения (например, техно-логической машиной) и компьютером. Напряжение или ток является одним из входов в ПЛК. Они передают состояние устройства в режиме реального времени или предоставляют физические переменные, необходимые для корректной работы.
В модулях присутствуют дискретные и аналоговые вводы/выводы. Также имеются специальные разъемы, обеспечивающие безопасное под-ключение. Какой тип необходимо использовать – зависит от источника сигнала. В некоторых случаях, допускается применение только аналогово-го или дискретного устройства.
Цифровой (дискретный) ввод/вывод способен работать только с коммутирующими устройствами или электрическими двигателями и реле. Аналоговый, наоборот, включает в себя физические переменные, которые постоянно передаются в ПЛК, прием происходит в режиме реального вре-мени, что сводит задержки до минимума. Другими словами аналоговое устройство обеспечивает соединение датчиков (например, давления, тем-пературы, влажности и т.д.) с программируемым прибором. Поэтому па-мять здесь играет важную роль, особенно, когда подключается несколько устройств, иначе возможны серьезные задержки.
Стандартные диапазоны аналоговых сигналов – 4-20 мА, также встречаются устройства с 0-20 мА. При этом рекомендуемое напряжение – 0-10 В. Эти типичные диапазоны, которые встречаются в каждом про-мышленном стандарте. Поэтому искать прибор, следует исходя из этих показаний.
Устройство может быть полностью интегрировано в программируе-мый логический контролер, либо распределено. Часто интегрированные входы/выходы встречаются в стоечных системах, но также находятся в шасси ПЛК. Обратная ситуация в распределительных системах, устрой-ство устанавливается рядом с объектом исполнения, что положительно сказывается на качестве и скорости обработки сигналов.

Заключение

Таким образом, можно сделать следующие выводы.
В последнее время автоматизации уделяется большое количество времени. Производители выпускают различные устройства, которые вы-полняют сложную работу. Если у Вас есть опыт использования моделей, описанных в рейтинге, или других моделей, расскажите нам об этом в комментариях.