Podstawy automatyki – o sygnałach słów kilka

W jaki sposób sterownik PLC otrzymuje sygnały o przebiegu procesu? Jak odczytuje dane z zewnętrznych czujników? Czy każdy czujnik można podłączyć do dowolnego modułu wejść? Jak przetworzyć sygnał z termometru na coś użytecznego dla sterownika? Na te pytania postaram się odpowiedzieć w tym artykule.

Sygnały I/O

Podstawowy podział sygnałów wejściowych i wyjściowych sterownika to sygnały binarne (cyfrowe) i analogowe (ciągłe). Sygnał binarny to informacja 0–1, reprezentowana przez pojawienie się napięcia (stanu wysokiego) na odpowiednim wejściu lub wyjściu. Sygnał analogowy może być prądowy lub napięciowy. Jest sygnałem (prądem lub napięciem) o wartości z jakiegoś określonego zakresu.

Sygnały przekazują do sterownika informacje o przebiegu procesu. Sygnały binarne są wykorzystywane do sygnalizacji stanu pracy napędów, stanu czujników z wyjściem przekaźnikowym oraz do załączania napędów czy siłowników. Sygnały analogowe mogą przesyłać informację z pewnego zakresu i są używane do sterowania urządzeniami o regulowanych parametrach np. wypełnieniem sygnału PWM w przetwornicach częstotliwości, stopniem otwarcia zaworu lub zasuwy i przekazują sygnał zwrotny z tych urządzeń. Głównym ich obszarem zastosowania jest jednak transmisja danych z czujników np. termometrów, manometrów czy przepływomierzy.

Sygnały binarne

Jak już wspomniałem, sygnał binarny to stan wysoki lub niski na danym wejściu lub wyjściu sterownika. Poziomy napięć sterowniczych, reprezentujących stan wysoki, typowo stosowane w automatyce przemysłowej to 24 VDC i 230 VAC. Rzadziej spotykane są napięcia 24 VAC i 110 VDC i inne.

Najprostsze rozwiązanie modułu wejścia binarnego to zastosowanie transoptora, zapewniającego separację galwaniczną obwodu sterowniczego i obwodów przetwarzania danych w sterowniku. Dobrze zaprojektowany moduł wejść cyfrowych powinien mieć zabezpieczenia przed uszkodzeniem w przypadku podania zbyt wysokiego napięcia (moduły na napięcia niskie, rzędu 24 V) oraz odwrotną biegunowością (moduły z wejściami na napięcie stałe).

Moduły wyjść binarnych zazwyczaj są budowane jako wyjścia typu otwarty kolektor lub jako wyjścia przekaźnikowe. Wyjścia przekaźnikowe są zbudowane na bazie styku przekaźnika, którego cewka jest sterowana przez obwody wewnętrzne PLC. Wyjście typu otwarty kolektor bazujące na sterowaniu tranzystorem wymaga zazwyczaj dodatkowego przekaźnika, gdyż podłączenie do tego typu wyjścia dużego obciążenia, jak cewka stycznika mocy, może spowodować jego uszkodzenie. Wyjścia przekaźnikowe również ulegają uszkodzeniu, jednak dość często można łatwo przeprowadzić ich regenerację poprzez wymianę przekaźników.

Sygnały analogowe

Drugą grupą sygnałów w automatyce są sygnały analogowe – ciągłe. Sygnał taki może być prądem lub napięciem o wartości z pewnego przedziału. Typowe sygnały analogowe to sygnał prądowy 4–20 mA lub sygnał napięciowy 0–10 V. Sygnały prądowe są mniej podatne na zakłócenia niż sygnały napięciowe, które bardzo często zakłócane są wskutek nieprawidłowego wykonania instalacji elektrycznych i indukowania się napięcia od przewodów zasilających inne urządzenia, szczególnie przy zasilaniu przy pomocy energoelektroniki. Przewody sterownicze oraz zasilające powinny być układane na oddzielnych trasach oraz należy stosować przewody ekranowane .

Moduły analogowe mogą wymagać zewnętrznego zasilania toru sygnałowego lub same go zasilać z wbudowanych zasilaczy. Wymaga to odpowiedniej konfiguracji modułów wejść i przetworników, aby uniknąć sytuacji, gdy oba urządzenia jednocześnie zasilają tor sygnałowy – należy wówczas zastosować tzw. separator. Natomiast gdy żadne z nich nie zasila toru sygnałowego – konieczne jest dodatkowe źródło zasilania toru sygnałowego.

Dla sygnałów prądowych 4–20 mA zakresem roboczym jest prąd z przedziału 4–20 mA. Wartości spoza przedziału (typowo ok. 3,6 mA oraz ok. 21 mA) są wartościami sygnału błędnego, oznaczającego np. uszkodzenie czujnika i często mogą być przypisane przez użytkownika do konkretnej sytuacji – rysunek 1 (własny zrzut ekranu aplikacji do konfiguracji przetworników Inor).

Warto zwrócić uwagę na konsekwencje zastosowania takiej, a nie innej konwencji sygnałów błędu. Jeśli dany przetwornik odpowiada za pomiar temperatury łożyska, to bezpieczniejsze z punktu widzenia utrzymania produkcji zakładu będzie zastosowa­nie sygnałów błędu (dla przerwy i zwarcia czujnika) poniżej zakre­su roboczego (dla typowej sytuacji, gdy 4 mA to temperatura minimalna, a 20 mA – temperatura maksymalna). Niestety, w ten sposób utrudniamy diagnostykę usterki czujnika. Uszkodzenie termometru będzie sygnalizowane wówczas temperaturą bliską 0 stopni Celsjusza, co spowoduje reakcję operatora maszyny. Odwrotna konfiguracja prawdopodobnie spowoduje wyłączenie maszyny czy nawet całej linii z powodu przegrzania danego łożyska, którego to przegrzania w rzeczywistości nie ma, a jest tylko usterka czujnika. Inne wartości prądu, spoza zakresu roboczego, zazwyczaj oznaczają uszkodzenie wejścia, przetwornika lub przewodów w torze sygnałowym.

Moduły wejść analogowych mogą być łatwo skonfigurowane za pomocą zworek lub przełączników do pracy jako moduł wejść napięciowych albo prądowych. Dość często zdarzają się również wejścia dla termopary lub termorezystora (pomiarami temperatury zajmiemy się w oddzielnym artykule).

Moduły analogowe mogą być również modułami wyjściowymi i wystawiać analogowy sygnał sterujący, np. położeniem zasuwy regulującej przepływ medium, prędkością obrotową wentylatora czy wagą dozującą substraty do produkcji.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze majowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 5/2023). Pełna wersja czasopisma umieszczona jest pod tym linkiem. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 5/2023 znajduje się tutaj.

Mateusz Ostrycharz
elektryk.mo@gmail.com

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) stałymi Patronami ZE, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając kawę” (Cappuccino = 10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – CAPPUCINO (10 zł),
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery mamy wysłać na podany adres e-mailowy.