Рейтинг лучших модулей аналогового и дискретного ввода/вывода на 2022 год

Возможно, вам также будет интересно

Революционный контроллер Modicon M580 — первая в мире система, у которой все коммуникации между компонентами, включая внутреннюю шину шасси, полностью основаны на технологии Ethernet, что обеспечивает принципиально новый уровень прозрачности и гибкости процесса управления.
 27 ноября 2013 г. во Франкфурте компания Schneider Electric представила новый Modicon M580 — первый в своем классе инновационный контроллер для автоматизации непрерывных технологических процессов. Использование Ethernet-технологии, как базиса нового контроллера, дает специалистам промышленных предприятий и инжиниринговых …

EtherCAT — это промышленная шина, основанная на сети Ethernet. EtherCAT отличается от других промышленных шин, в том числе базирующихся на Ethernet, в первую очередь своей беспрецедентной производительностью. Благодаря гибкой топологии и простой конфигурации и минимальной стоимости аппаратных средств шина EtherCAT может быть реализована с очень высокой экономической эффективностью, она позволяе…

С помощью инструментального набора Mitsubishi Adroit Process Suite (MAPS) Mitsubishi Electric, совместно со своим партнером по альянсу e-F@ctory, компанией Adroit Technologies, удалось преодолеть недостатки традиционных средств интеграции ПЛК-SCADA.
Данный набор инструментальных средств автоматизированной разработки полного жизненного цикла проекта помогает разработчику на всех фазах реализации системы от проектирования до её интеграции на объекте. Он также повышает готовность поставляемого решения к эксплуатации и предоставляет заказчикам возможность использования стандартных расширений и …

TIDA-01434

TIDA-01434 — это полнофункциональный законченный модуль аналоговых входов ПЛК (рис. 7), который удовлетворяет современным требованиям эффективности и плотности каналов при небольших габаритах печатной платы, а также обладает низким энергопотреблением и широким диапазоном рабочих температур. Конструкция данного модуля использует конвертер DC/DC в режиме Charge Pump, а переход из одноканального режима в многоканальный легко осуществляется без изменения параметров питания.

Рис. 7. Внешний вид модуля TIDA-01434

Особенности модуля:

• Наличие изолированного источника питания и высокоточного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя;
• наличие биполярного аналогового источника питания с Inverting Charge Pump;
• отсутствие необходимости подключения дополнительных цепей обвязки;
• отсутствие катушек индуктивности на борту, благодаря чему высота модуля составляет всего 3,5 мм;
• возможность внешнего подключения.

Обобщенные характеристики модуля отображены в таблице 3.

Таблица 3. Характеристики модуля TIDA-01434

Параметр

Величина

Источник питания входного сигнала

Общая шина питания

Напряжение питания

3–5,5 В

Ток потребления

17 мА

Выходное напряжение

3,3 В; –2,5 В; 2,5 В

КПД

≈ 12%

Рабочая температура

–40…+124 °C

Размеры

35×35×3,65 мм

В конструкции современных модулей управления аналоговыми сигналами к АЦП, как правило, для повышения производительности добавляется LDO-регулятор. На модуле TIDA-01434 для этих целей предусмотрен специально выделенный LDO-регулятор LM27762 с высоким коэффициентом подавления нестабильности питания (PSRR). Также LM27762 осуществляет функцию формирования биполярного сигнала на АЦП.

При работе с модулем TIDA-01434 нет необходимости включения в цепь дополнительных компонентов, в частности не нужно добавлять фильтры типа RC или LC для фильтрации импульсов с источника питания; это стало возможным благодаря применению в схеме цифрового изолятора ISOW7841.

TIDA-01434 предназначен для работы в качестве одно- или много­канального аналогового входа с биполярными входными сигналами и применяется в большинстве случаев для построения решений на базе ПЛК, но не ограничивается только этим. Модуль подходит как для систем типа «канал-канал» (channel-to-channel), так и для входов с групповой изоляцией. В системе channel-to-channel каждый канал входного сигнала имеет собственную «землю» — такая топология позволяет работать с входными сигналами с большей разницей потенциалов. При использовании топологии групповой изоляции величины допустимых напряжений ограничены. В данном случае предпочтительно использовать топологию типа channel-to-channel.

Модуль TIDA-01434, помимо упомянутых ранее АЦП ADS124S08 и преобразователя LM27762 типа Charge Pump, имеет на борту линейный регулятор TPS7A87, источник опорного напряжения и тока REF6225, цифровой изолятор ISOW7841 и ISO7741, а также неинвертирующие буферы SN74AHC1G04 и SN74AHC1G125 (рис. 8).

Рис. 8. Блок-схема TIDA-01434

Для удобства отладки и оценки возможностей модуля можно использовать отладочную плату на базе контроллера MSP430FR5969 (рис. 9).

Рис. 9. Внешний вид отладочной платы MSPEXP430FR5969

Принцип работы ПЛК

ПЛК предназначены для автоматического управления дискретными и непрерывными технологическими процессами.

Основные принципы работы ПЛК:

• Цикличность
• Работа в реальном масштабе времени, обработка прерываний

Цикличность работы ПЛК

В одном цикле ПЛК последовательно выполняет следующие задачи:

1. Самодиагностика
2. Опрос датчиков, сбор данных о текущем состоянии технологического процесса
3. Обмен данными с другими ПЛК, промышленными компьютерами и системами человеко-машинного интерфейса (HMI)
4. Обработка полученных данных по заданной программе
5. Формирование сигналов управления исполнительными устройствами

Время цикла

Время выполнения одного цикла программы зависит от:

• размера программы
• количества удалённых входов-выходов
• скорости обмена данными с распределённой периферией
• быстродействия ЦПУ

Время цикла (время квантования) должно быть настолько маленьким, чтобы ПЛК успевал за скоростью изменения переменных процесса (см. теорию автоматического управления),
в противном случае процесс станет неуправляемым.

Watchdog

Строжевой таймер следит за тем, чтобы время цикла не превышало заданное.

Обработка прерываний

По прерываниям ПЛК запускает специальные программы обработки прерываний.

Типы прерываний:

• Циклические прерывания по времени (например, каждые 5 секунд)
• Прерывание по дискретному входу (например, по сработке концевика)
• Прерывания по программным и коммуникационным ошибкам, превышению времени цикла, неисправностям модулей, обрывам контуров

Модули ПЛК

1. Корзина для установки модулей
2. Стабилизированный блок питания AC/DC (~220В/=24В)
3. Центральное процессорное устройство (ЦПУ) с интерфейсом для подключения программатора,
   переключателем режимов работы, индикацией статуса, оперативной (рабочей) памятью, постоянной памятью для хранения программ и блоков данных
4. Интерфейсные модули для подключения корзин расширения локального ввода-вывода и распределённой периферии
5. Коммуникационные модули для обмена данными с другими контроллерами и промышленными компьютерами
6. Модули ввода-вывода
7. Прикладные модули (синхронизация, позиционирование, взвешивание и т.п.)

Функции устройств ввода

1. Электрическое подключение и питание технологических датчиков (дискретных и аналоговых)
2. Диагностика состояния (обрыв провода, контроль граничных значений, короткое замыкание и т.п.)
3. Формирование цифровых значений (машинных слов) технологических параметров
4. Передача этих данных в память ПЛК для дальнейшей обработки

Функции устройств вывода

1. Электрическое подключение исполнительных устройств
2. Диагностика состояния (обрыв провода, контроль граничных значений, короткое замыкание и т.п.)
3. Приём управляющих машинных слов из памяти ПЛК
4. Формирование управляющих сигналов (дискретных и аналоговых)

Типы устройств ввода-вывода

• Модули локального ввода-вывода располагаются:
  • в одной корзине с ЦПУ
  • в соседних корзинах в одном шкафу с ЦПУ
  • в корзинах в соседних шкафах в одном помещении с ЦПУ
• Модули распределённого ввода-вывода (децентрализованная периферия) располагаются удалённо (в другом здании или в поле по по месту управления)
  и связываются с ЦПУ по промышленной полевой шине. Станции удалённого ввода-вывода могут иметь взрывозащищённое исполнение или повышенный
  класс защиты корпуса (например, IP67) и устанавливаться без шкафа

Функции коммуникационных модулей

Коммуникационные модули предназначены для обмена данными:

• с удалёнными модулями ввода-вывода (Profibus, Modbus и др.)
• с программаторами, панелями оператора (HMI) и другими контроллерами
• с полевыми устройствами (HART, Foundation Fieldbus и др.)
• с сервоприводами (SERCOS)
• с промышленными компьютерами верхнего уровня (Industrial Ethernet и др.)
• по радиоканалам (GSM, GPRS)
• по телефонным линиям
• по Internet (встроенные web-серверы публикуют на своих страницах статусную информацию)

Другие решения Texas Instruments, используемые для реализации аналоговых входов и выходов

Компания Texas Instruments предоставляет разработчикам широкий перечень всевозможных решений для упрощения процесса реализации аналоговых входов и выходов (табл. 6).

Таблица 6. Решения от Texas Instruments для реализации аналоговых входов и выходов

Наименование

Описание

TIPD216

4-канальный драйвер выхода на базе цифро-аналогового преобразователя DAC8775

TIDA-03031

Оценочная плата на базе электронного предохранителя TPS2660 и 25-Вт резервного источника питания

TIDA-00233

Решение для защиты входов ПЛК (10 А, 24 В)

TIDA-00401

10-Вт изолированный источник питания с широким диапазоном входных напряжений (15–36 В)

TIDA-00118

Тестовая плата для 16-разрядного модуля аналогового выхода ПЛК

PMP10189

Преобразователь напряжения на базе микросхем LM5017, TPS62160, TLV62080 и TPS62160

TIDA-01438

Модуль защиты от электростатических импульсов, построенный на базе TVS-диодов

TIDA-00689

Низкопрофильный и малогабаритный изолированный источник питания

TIDA-00688

Изолированный источник питания. Имеет изолированные выходы ±15 В и 5 В в форм-факторе с высотой 2,2 мм

TIDA-00237

Изолированный источник питания мощностью 1 Вт с диапазоном входного напряжения 12–36 В

TIDA-00400

Изолированный источник питания с 3 выходами: ±15 В/30 мА и +5 В/40 мА

PMP8871

Обратноходовой преобразователь с выходным напряжением 5 В, 1 А

TIDEP-0086

Оценочный модуль для работы с Ethernet-интерфейсом

TIDEP0033

Оценочный модуль для работы с SPI-интерфейсом

TIDA-00204

Оценочный модуль для работы с гигабитным Ethernet

TIDA-00230

Модуль для настройки и логирования NFC (два порта FRAM: NFC<->FRAM<->Serial)

TIDA-00560

Проект 16-канального статусного LED-драйвера, предназначенный для индикации статуса нескольких аналоговых и цифровых входных и выходных каналов

TIDA-01333

8-канальный модуль аналогового ввода на базе АЦП ADS8681

TIDA-00550

Проект модуля с двумя изолированными универсальными аналоговыми входными каналами на базе АЦП ADS1262

TIDA-00164

8-канальный модуль аналогового ввода на базе 16-битного АЦП ADS8688

TIDA-00764

8-канальный модуль аналогового ввода на базе 16-битного АЦП ADS8681

TIPD195

Референс-дизайн 3-контактного ПЛК

TIPD169

16-битная система сбора данных (DAQ) с частотой выборки 1 MSPS и несбалансированным мультиплексированным входом

TIPD166

8-канальный модуль аналогового ввода на базе 16-битного АЦП ADS8688

TIPD164

Модуль аналогового ввода для промышленного оборудования и температурных датчиков

TIPD151

Базовый проект 16-битной 4-канальной мультиплексированной системы сбора данных с частотой выборок 400 KSPS, высоковольтными входами и низким уровнем искажений

TIDEP0032

Мулитипротокольный промышленный Ethernet-детектор W/PRU-ICSS

TIDEP0028

Платформа разработчика Ethernet PowerLink

TMDSICE3359

Отладочная платформа для индустриальных систем на базе процессора Sitara AM335x и с возможностью работы с PROFIBUS

TIDEP0029

Сертифицированное устройство для работы с Profinet IRT V2.3 с 1-ГГц процессором

TIDEP0010

Платформа разработки связи по Sercos III на базе AM335x

TIDEP0003

Решение является платформой для создания и разработки ETHERNET/IP-коммуникаций

TIDEP0079

Проект EtherCAT на базе Sitara AM57x и PRU-ICSS с передачей в определенных временных интервалах

TIDA-00231

Адаптивный источник питания для ПЛК с аналоговым защищенным выходом на базе DAC8760 и LM5017

TIPD155

2-канальный модуль с аналоговыми выходами по напряжению и току на базе АЦП DAC8563 и драйвера XTR300

Способ интеграции

Устройство может быть полностью интегрировано в программируемый логический контролер, либо распределено. Часто интегрированные входы/выходы встречаются в стоечных системах, но также находятся в шасси ПЛК. Обратная ситуация в распределительных системах, устройство устанавливается рядом с объектом исполнения, что положительно сказывается на качестве и скорости обработки сигналов.

Еще один важный момент при установке модуля – знание требований специальных программ. Они определяют: какой тип сигнала необходим и сколько точек потребуется системе для корректной работы на протяжении длительного периода.

Некоторые производители выпускают ПЛК с модулем расширения. Это дает возможность подключить большое количество различных сигналов к устройству. Преимущество такого исполнение – изменчивость в соответствии с требованиями приложения, а оператору потребуется меньше времени, чтобы создать необходимые условия для работы.

Пример применения ПЛК

На рис. 1 изображена упрощенная сигнальная цепочка ПЛК, используемого в системах промышленной автоматики и управления технологическими процессами. Как правило, ПЛК включает в себя модули ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов, центральный процессор (ЦП) и схему управления питанием.

Рис. 1. Типичная сигнальная цепочка ПЛК

В промышленности модули ввода аналоговых сигналов применяются для сбора сигналов и контроля состояния удаленных датчиков, работающих в жестких условиях: при экстремальном уровне температуры и влажности, вибрации и присутствии взрывоопасных химических веществ. ПЛК обычно работают с сигналами в виде несимметричных или дифференциальных напряжений, имеющих диапазон полной шкалы 5, 10, ±5 и ±10 В, либо при токе 0–20, 4–20 и ±20 мА. При использовании длинных кабелей в условиях с высоким уровнем электромагнитных помех часто применяют интерфейс токовой петли, что обусловлено его высокой устойчивостью к шумам.

Модули вывода аналоговых сигналов обычно приводят в действие различные элементы управления, такие как реле, соленоиды и клапаны, замыкая систему автоматизированного управления. Как правило, они обеспечивают выходные сигналы в виде напряжений с диапазоном полной шкалы 5, 10, ±5 и ±10 В, а также тока в диапазоне 4–20 мА.

Типичные модули ввода/вывода аналоговых сигналов имеют 2, 4, 8 или 16 каналов. Для соответствия жестким промышленным стандартам эти модули должны обладать защитой от перегрузки по напряжению и току и электромагнитных помех. Большинство ПЛК имеют средства цифровой гальванической развязки между АЦП и ЦП, а также между ЦП и ЦАП. ПЛК высокого класса могут также содержать средства межканальной гальванической развязки, которая требуется в соответствии со стандартами международной электротехнической комиссии (МЭК). Многие модули ввода/вывода обладают возможностью программного конфигурирования диапазона входного несимметричного или дифференциального сигнала, ширины полосы и частоты дискретизации в отдельно взятых каналах.

Современные ПЛК включают в себя ЦП, который автоматизирует выполнение многочисленных задач, связанных с управлением, обеспечивая доступ к информации в режиме реального времени для интеллектуального принятия решений. ЦП может иметь сложное программно-алгоритмическое обеспечение, а также функции подключения к сети для диагностической проверки на ошибки и выявления неисправностей. Наиболее распространенными интерфейсами связи в ПЛК являются RS‑232, RS‑485, промышленный Ethernet, SPI и UART.

Возможно, вам также будет интересно

Триггеры в ИС образуют большой класс элементов памяти (ЭП). В отечественных учебниках по микроэлектронике в основном представлены триггеры для биполярной технологии. В данной статье рассмотрены основные схемотехнические особенности построения КМОП-триггеров, широко используемые при проектировании современных ИС. Схемотехника однотактных КМОП-триггеров БИС Триггеры — это устройства, имеющие два устойчивых состояния, которые устанавливаются при подаче соответствующей

В предыдущих номерах журнала уже рассказывалось о микроконтроллерах таких известных производителей, как Atmel, AMD, NEC, Philips Semiconductors, Texas Instruments и др. Продолжая тему микроконтроллеров, в этом номере вниманию читателей предлагается обзор продукции еще одного из крупнейших мировых производителей полупроводниковых компонентов — фирмы Hitachi Semiconductor. Являясь одним из мировых лидеров в области производства цифровых микросхем, фирма

Новый коммутатор Toshiba со сверхнизким напряжением открытого канала

Для чего нужны такие приспособления

Чтобы подключить устройство удаленного доступа, которое применяется с целью аккумулирования огромного количества данных, применяется ряд вспомогательных механизмов (исполнительных). Как работает агрегат? Осуществляет замеры получаемых аналоговых и дискретных показателей, которые преобразовывают данные на контроллер, а также управляющее приспособление, сервер (облачный), ПК и оборудования другого типа.

Ключевые характеристики узлов ввода – вывода:

1. Цифровой интерфейс связи (CAN, Ethernet, RS – 485 и так далее).
2. Варианты поддерживаемых протоколов обмена информацией (ProFibus, ModBus и другие).

Рейтинг лучших дискретных устройств

ОВЕН МК210-301

Устройство предназначено для управления сигнала при помощи Ethernet. Входы могут функционировать в различных режимах до 100 кГц. Настройка прибора осуществляется благодаря специальному конфигуратору. Это дает возможность быстро получить доступ ко всем параметрам.

Подключение может проводиться при помощи разъема USB, что является удобным решением, так как не требуется наличие дополнительного питания. Кроме того, прибор поддерживает фирменный облачный сервис, это упрощает эксплуатацию.

Выпускается в прочном пластиковом корпусе, который обладает хорошей защитой от погодных явлений. Оборудование используется как при нормальных температурах, так и при отрицательных. Выходы способны функционировать в режиме генерации. Присутствует контроль обрыва нагрузок.

Средняя цена – 7 900 рублей.

ОВЕН МК210-301

Достоинства:

• Невысокая стоимость;
• Эффективность;
• Удобное конфигурирование;
• Присутствует USB-разъем;
• Поддержка Ethernet bypass;
• Расширенный температурный диапазон;
• Компактность;
• Автоматическая раздача IP;
• Простое подключение.

Недостатки:

MOXA ioLogik E2214

Дискретный прибор, который выпускается в пластиковом корпусе и способен выдерживать различные температуры. Присутствует разъем для подключения Ethernet. Размещается на DIN-рейке или стене. Количество каналов – 6.

Скорость передачи информации достигает 115 200 бит в секунду, что является хорошим результатом для такого устройства, погрешность при этом минимальная. Работает по протоколам Modbus. Для удобства имеется управление Click&Go Logic. Генератор импульсов способен проводить до 20 переключений в минуту.

Средняя стоимость – 38 000 рублей.

MOXA ioLogik E2214

Достоинства:

• Высокая скорость передачи информации;
• Удобное размещение;
• Производительность;
• Высокий срок службы;
• Разъем Ethernet;
• Защита от короткого замыкания;
• Ресурс реле – 100 000 срабатываний;
• Небольшое потребление тока.

Недостатки:

ОВЕН МК100-224.8ДН.4Р

Отличный модуль, предназначенный для управления подключенных исполнительных механизмов. Также продукт собирает всю информацию и передает в сеть. Встроенные разъемы ввода способны функционировать в режиме счетчика импульсов.

Для удобства присутствует диагностика обрыва линий и автоматическое определение протокола. Как и большая часть продукции ОВЕН, поддерживается фирменный облачный сервис, куда отправляется информация. Настройка оборудования осуществляется при помощи соответствующего конфигуратора, который подключается через специальные адаптеры.

Средняя стоимость – 6 600 рублей.

ОВЕН МК100-224.8ДН.4Р

Достоинства:

• Невысокая цена;
• Прочный корпус;
• Быстрая передача сигнала;
• Удобная настройка;
• Автоматическое определение протоколов;
• Подключение к облачному хранилищу;
• Встроенное ПО;
• Съемные клеммники.

Недостатки:

SIMATIC S7-200, EM 223

Качественный прибор, предназначенный для CPU222, 226XM, 224. Разделение внешних и внутренних участков осуществляется гальваническим способом. На корпусе присутствует 4 входа и 8 выходов. Номинальное значение постоянного тока – 24 В. Габариты модуля небольшие, что позволяет легко размещать его в стене. Максимальный ток на проводник – 3 А.

Средняя цена – 20 000 рублей.

SIMATIC S7-200, EM 223

Достоинства:

• Долговечность;
• Эффективность;
• Гальваническое разделение цепей;
• Простой монтаж;
• Цена;
• Скорость обработки информации;
• Точность.

Недостатки:

Какими бывают

Узлы ввода – вывода бывают:

Виды	Описание
Дискретные	Предусмотрен такой функционал: прием и преобразование полученных команд, в том числе и дискретных, которые после отправляются на общую сетку. Делается путем применения одного из включенных протоколов, который подключается сразу после поступления соответствующей команды.
Аналоговые	Осуществляет сбор и последующую обработку полученной информации аналогового типа. После осуществляется трансляция на главный сервер, который производит расшифровку согласно действующего протокола.

Стоит обратить внимание на то, что в каждом из рассматриваемых случаях, поступившая команда будет обозначена в пределах одного из диапазонов:

1. Дискретные – диапазон испускаемого сигнала от 10 В до 28 В, используемый как NPN/PNP транзисторный с коллектором открытого типа.
2. Аналоговые – диапазон испускаемого сигнала – от 0 мА до 20 мА, от 4 мА до 20 мА, допускается сигнал напряжения в диапазоне – от 0 В до 10 В, от 0 В до 5 В.

Модули дискретного типа предполагают наличие логической команды в определенном диапазоне, в то время как аналоговые согласовывают со своими электромагнитными показателями, сопоставимыми с исполнительными механизмами, которые управляются системой. На узлы ввода поступают сигналы общей шины посредством определенного протокола, после они передаются на выходные линии.

Применяемые узлы могут работать с одним из множества коммуникационных протоколов: Modbus, DeviceNet, RTU. Принцип обмена информационными протоколами между узлом и контроллером выглядит следующим образом: ведущий и ведомый, где модуль – ведомый. Процессор приспособления, запросив данные со всех каналов и зафиксировав их состояние, дожидается инициирующей команды от ПЛК по приему и передачи данной информации.

Существуют популярные модели, где команда обмена инициирует сам узел ввода, который принял информацию об изменении состояния канала. Происходит адресная передача данных от узла к ПЛК. Процессор в состоянии выполнять и дополнительные функции, такие как:

• калибровать и линеаризировать показания датчиков;
• контролировать напряжение питания;
• проводить диагностику.

Заключение

Модули ввода-вывода представляют собой интерфейс между реальным миром и процессором. Конечно же, идеальная картина выглядит следующим образом: в процессоре сосредоточены абсолютно все показатели измерительных сигналов в любой временной промежуток. Но этого достичь пока не представляется возможным, так как каналов ввода-вывода с некоторых устройствах может быть тысячи, а каналы измерительного плана ограничены в пропускной способности, поэтому измеренные значения доходят до процесса не тогда, когда нам захочется, а исключительно в дискретные моменты времени.

Разработаны и применяются несколько уровней и вариантов опросов канала ввода. Современная конструкция ввода обладает собственным микроконтроллером, благодаря которому происходит циклический опрос абсолютно всех каналов с последующим направлением полученной информации в буфер. Если автоматическая система предполагает использование только несколько модульных каналов, то незадействованные каналы можно временно исключить из процесса опроса (замаскировать). Это позволит системе работать более оперативно и эффективно.

В настоящее время пользуются большой популярностью дискретный модуль ввода/вывода, который может быть в двух состояниях: выключенном и включенном. У аналогового ввода/вывода в качестве сигнала используются термометры, термопары, универсальные сигналы тока и напряжения, термометры сопротивления RTD и так далее.