Устройства ввода-вывода микропроцессорных систем управления Устройства (модули) ввода-вывода являются интерфейсом между процессором ПЛК и реальным миром. - презентация

1 Устройства ввода-вывода микропроцессорных систем управления Устройства (модули) ввода-вывода являются интерфейсом между процессором ПЛК и реальным миром. Измеренные значения поступают в процессор в дискретные моменты времени. Современный модуль ввода имеет свой собственный микроконтроллер, который выполняет циклический опрос всех своих каналов и помещает полученные данные в буфер. Если используются только несколько каналов модуля, то неиспользуемые каналы можно замаскировать (исключить их из процедуры опроса). При поступлении в модуль команды считывания значений со входов собранные данные передаются из буфера модуля в ПЛК. В одномастерной промышленной сети передачи данных опрос модулей (полинг) может выполняться: циклически с одинаковой частотой для всех модулей. Недостаток – большая загрузка шины в. Пример – опрос аварийного датчика, который может сработать 1 раз в 10 лет; с разной частотой. В многомастерной сети используется режим подписки, при котором процессор модуля ввода, в котором произошло изменение состояния входа, является инициатором обмена данными. Иногда требуется выполнить одновременный опрос входов всех модулей ввода или вывести данные одновременно в каналы всех модулей вывода. Используют широковещательные команды, которые воспринимаются всеми модулями одновременно и они выполняют ввод или вывод данных в свои буферные регистры в одно и то же время. После этого обычным циклическим опросом данные по очереди вводятся в процессорный модуль.

2 Организация шин для связи ПЛК и модулей ввода-вывода Модули ввода-вывода соединяются с процессором последовательной или параллельной шиной. В контроллерах с распределенными (удаленными) модулями ввода-вывода наиболее распространены последовательные шины на основе интерфейсов RS-485 и САN. Преимуществом параллельной шины является высокая пропускная способность, позволяющая выполнять сканирование модулей ввода с высокой частотой и использовать модули аналогового ввода с тактовой частотой АЦП до 100 к Гц. Однако небольшая длина параллельной шины не позволяет подключить к одному контроллеру более 32 модулей. Большинство параллельных и последовательных шин контроллеров являются одномастерными, поскольку многомастерные шины существенно сложнее и дороже. Обмен данными с модулем выполняется по адресу, который обычно записывается в ПЗУ модуля. Иногда адресом является номер слота, в который вставляется модуль или положение микропереключателя.

3 Модульная измерительная система PXI/CompactPCI фирмы National Instruments Модульные измерительные системы, базирующиеся на открытом промышленном стандарте PXI (PCI eXtention for Instrumentation) обеспечивают высокую производительность и обладают невысокой ценой. Используя такие системы, вы получаете все преимущества технологии ПК, такие как низкая стоимость, простота использования и гибкость. PXI система представляет собой шасси на базе встроенной высокоскоростной шины PCI, в которое могут быть установлены модули ввода/вывода. Использование шины PCI обеспечивает значительно большую производительность по сравнению с другими архитектурами, Кроме того, PXI имеет дополнительные линии тактирования и синхронизации, что обеспечивает высокий уровень интеграции отдельных модулей, необходимый при создании измерительных и управляющих систем. Стандарт PXI был введён в 1997 году как открытый промышленный стандарт альянсом PXISA (PXI Systems Alliance), состоящим из 68 компаний, которые сейчас производят более 1150 различных PXI продуктов.

4 Программируемый контроллер управления технологическими процессами на базе ПЛИС NI CompactRIO фирмы National Instruments National Instruments CompactRIO представляет собой надежную промышленную компактную систему управления и сбора данных, возможности которой расширены, благодаря ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема) технологии реконфигурируемого ввода/вывода (reconfigurable input/output – RIO). Продукты линейки CompactRIO отличаются высокой производительностью и гибкостью настройки, а также позволяют создавать пользовательские контрольно-измерительные системы. NI CompactRIO сочетает в себе процессор реального времени и реконфигурируемую ПЛИС, позволяющие создавать автономные встраиваемые и распределенные приложения, а также промышленные модули ввода/вывода со встроенным согласованием сигналов, возможностью прямого подключения датчиков и поддержкой горячего подключения. Платформа CompactRIO представляет собой недорогую архитектуру с открытом доступом к низкоуровневым аппаратным ресурсам.

5 Дополнительные функции модулей ввода-вывода Цепи входов и выходов модулей ввода должны иметь гальваническую изоляцию. Гальваническая изоляция может быть поканальная, когда каждый канал изолирован от остальных, или групповая. Обычно используется групповая изоляция. В удаленных модулях распределенных ПЛК может быть использована индивидуальная гальваническая изоляция интерфейса RS-485 каждого модуля или групповая изоляция интерфейсов нескольких модулей с помощью одного модуля развязывающего повторителя интерфейсов. Для передачи напряжения питания в изолированную часть модуля используются DС-DС преобразователи, построенные с применением развязывающих миниатюрных трансформаторов. 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, ПИД-регулирование, управление движением. Перенос части функций контроллера в модули ввода-вывода является современной тенденцией, направленной на увеличение степени распараллеливания задач управления, обеспечение независимости локальных модулей (которые по своим функциям приближаются к ПЛК) и уменьшение потока информации между параллельно работающими процессорами в модулях ввода-вывода.

6 Модули ввода аналоговых сигналов Разнообразие физических явлений порождает разнообразие датчиков, для каждого из которых существует соответствующее устройство ввода. Для унификации (сокращения числа типов) модулей ввода используют устройства нормирования сигналов, которые преобразуют измеряемую физическую величи­ну в стандартный электрический сигнал, соответствующий ГОСТ и ГОСТ Р Фактически в промышленной автоматизации используют­ся следующие стандартные диапазоны аналоговых сигналов: В, 0...±10 В, В и мА, мА. ГОСТ Р не рекомендует применять диапазон мА в новых разработках. Входное сопротивление потенциаль­ных входов должно быть не менее 10 к Ом для диапазона В и 0... ±10 В, не менее 5 к Ом для диапазона В и не более 300 Ом для диапазона мА. Применение стандарта позволяет изготовить всего один тип универсального устройства ввода со стандартными диапазонами для всех типов датчиков со стандартными выходными сигналами. Однако для таких датчиков, как термопары, термопреобразователи сопротивления, тензорезисторы, в силу их широкой распространенности нормирующие преобразователи встраивают в сами модули ввода. Поэтому, кроме универсальных модулей ввода, получили распространение специализированные модули ввода сигналов термопар, термопреобразователей сопротивления и тензорезисторов.

7 Структура модулей ввода аналоговых сигналов

8 Основной частью модуля ввода является аналого-цифровой преобразова­тель (АЦП). Обычно используют один АЦП для ввода нескольких (обычно 8 или 16) аналоговых сигналов. Для подключения источников сигнала к АЦП используется аналоговый коммутатор на МОП-транзисторах. Ввод нескольких сигналов выполняется последовательно во времени. В случаях, когда необходим одновременный ввод, используют модули, в которых каждый канал имеет свой АЦП. В модулях ввода обычно используют дифференциальные входы, которые позволяют выполнить более помехозащищенный канал передачи аналогового сигнала по сравнению с одиночными (не дифференциальными) входами. Некоторые модули ввода позволяют программно задавать конфигура­цию входов: дифференциальные или одиночные. Входные цепи устройств ввода принято защищать от статического электричества, от повышенного напряжения, от изменения полярности. Для защиты используют специальные микросхемы защиты, в которых активным элементом является МОП-транзисторный ключ. При повышении напряжения выше допустимого ключ запирается, предохраняя входы от повышенного напряжения. Измерительные цепи строят таким образом, чтобы сопротивление открытого МОП ключа не вносило погрешность в результат измерения. Модули ввода могут иметь программно переключаемые диапазоны входных сигналов. Например, модуль ввода может иметь входные диапазоны ±15, ±50, ±100, ±500 мВ; ±1, ±2,5 В, ±20 мА. Диапазоны измерений обычно задаются для всех входов одинаковыми. Модули часто позволяют для каждого входа задавать свой диапазон измерений. Современная элементная база позволяет строить недорогие модули анало­ гового ввода с погрешностью измерений ±0,05 %, что еще 10 лет назад можно было реализовать только в стационарных и дорогих вольтметрах.

9 Структура модулей ввода аналоговых сигналов Для коммутации входных ключей модуля используется программа, исполняемая микроконтроллером. Микропроцессор типового модуля ввода выполняет следующие функции: реализует протокол обмена с ПЛК; исполняет команды, посылаемые ПЛК в модуль; реализует выполнение функций автоматической калибровки, диагностики обрыва или короткого замыкания в цепи датчика; преобразует форматы вводимых данных (инженерный формат в единицах измеряемой величины, шестнадцатеричный формат, проценты от диапазона измерений); устанавливает скорость обмена с ПЛК (для ПЛК с распределенными модулями ввода- вывода); выполняет цифровую фильтрацию входного сигнала. В постоянной памяти ЭППЗУ модуля хранятся калибровочные коэффици­енты, адрес модуля, программа, таблицы линеаризации нелинейных характе­ристик термопар и термопреобразователей сопротивления. Сторожевой таймер выполняет перезагрузку (сброс) микроконтроллера в случае его зависания. В модуле ввода могут присутствовать каналы вывода дискретных сигналов. Это позволяет реализовать на одном модуле ПИД-регулятор с широтно-импульсным (ШИМ) управлением исполнительным устройством. Питание внутренних узлов модуля выполняется от внутреннего стабилизатора напряжения, который позволяет подавать внешнее напряжение питания в широком диапазоне, обычно от 10 до 30 В. Большой диапазон напряжений питания очень полезен в распределенных системах, когда модули ввода могут находиться на значительном расстоянии друг от друга и поэтому падение напряжения на сопротивлении проводов питания достигает В. Цепи питания модулей защищаются от неправильной полярности напряжения питания и от превышения напряжения питания над допустимым значе­нием. Защита выполняется диодами, стабилитронами, позисторами и плавкими предохранителями. Для интерфейса RS-485 используется защита от статического электричества, от электромагнитных импульсов, от короткого замыкания и перегрева выходного каскада.

10 Потенциальные входы модулей ввода Потенциальные входы модулей ввода используются для измерения напряжений. Идеальный потенциальный вход имеет бесконечно большое сопротивление и нулевую емкость, поскольку при подключении к измеряемой цепи он не должен влиять на ее динамические или статические характеристики. В реальных условиях внутреннее сопротивление источника сигнала Ri1 и сопротивление открытого ключа Rk1 образуют дели­тель напряжения с входным сопротивлением R1 на постоянном токе и емко­стью С1 в динамическом режиме (рис. 6.5,а). Поэтому полное входное сопро­тивление модуля ввода вносит методическую мультипликативную погрешность в результат измерения, которую всегда нужно оценивать, исходя из паспортных данных модуля. Типовыми значениями входных параметров являются Rk1 200 Ом, R1 20 МОм, С1 1 нФ, поэтому для обеспечения методической погрешности величиной 0,01 % сопротивление источника сигнала должно быть не более 2 к Ом. Сопротивления и емкость, показанные на рис. 6.5,а, образуют фильтр низкой частоты первого порядка с постоянной времени примерно 1,2 мкс, который вносит также динамическую погрешность в результат измерения. Динамическая погрешность зависит от формы входного сигнала. В схеме с дифференциальным включением увеличение R1, R2 и снижение С1, С2 ведет к росту емкостной наводки, а также к увеличению синфазной помехи, вызванной входными токами операционного усилителя и атмосферным электричеством. Поэтому при работе с дифференциальными входами следует соблюдать прави­ла выполнения сигнального заземления. Вывод АGND на рис. 6.4 и 6.5 следует соединять с экраном кабеля источника сигнала или не соединять ни с чем.

11 Токовые входы модулей ввода Токовые входы модулей ввода используются для ввода величины тока, например стандартного сигнала мА. Преобразование тока в напряжение выполняется с помощью резистора Ro 125, 250 или 500 Ом, максимальное падение напряжения на котором составляет 2,5; 5 или 10 В соответственно. Для ввода в контроллер полученного напряжения используется модуль с дифференциальным или одиночным входом (рис. 6.6). Измеритель­ные резисторы Ro могут быть установлены снаружи модуля ввода (на его вход­ ных клеммах) или внутри. Измерительные резисторы могут быть прецизионными, тогда для получе­ния точных измерений достаточно откалибровать модуль только в режиме вво­да напряжений. При использовании резисторов низкой точности их погреш­ность можно скомпенсировать путем калибровки модуля совместно с измери­тельным резистором, в режиме измерения тока. Однако для этого необходимо выполнить калибровку каждого канала отдельно. Если модуль не позволяет выполнять индивидуальную калибровку каждого канала, то формулу для внесения поправок и ее коэффициенты можно сохранить в ОРС-сервере или флэш- памяти ПЛК.

12 Примеры модулей аналогового ввода – National Instruments CompactRIO Низкие и средние напряжения – NI 9205, 32 канала. 16-бит, программируемые диапазоны - ±200 мВ, ±1 В, ±5 В, ±10 В, 250 к Гц частота оцифровки, 32 SE (16 DI) каналов, изоляция, пружинные терминалы или 37-жильный D-sub. SE – режим с заземленным концом, DI – дифференциальное подключение. Ток ±20 мА – NI 9203, 8 каналов. 12-битный, 800 КГц, с общим проводом, изоляция, винтовые терминалы или 25-жильный D-sub

13 Модули вывода аналоговых сигналов Модули аналогового вывода предназначены для вывода из компьютера или контроллера информации в аналоговой форме. Аналоговые сигналы на выходе модулей вывода могут быть представлены в виде стандартных сигналов тока ( и мА) или напряжения (0...5, ±10 В). Модули аналогового вывода используются в основном для управления исполнительными устройствами с аналоговым управляющим входом, но могут быть использованы также в измерительных системах, для электрофизических исследований или построения испытательных стендов.

14 Структура модулей вывода аналоговых сигналов Информация в модуль вывода поступает из управляющего контроллера или компьютера обычно через интерфейс RS-485, в некоторых модулях выво­да используют другие последовательные или параллельные интерфейсы. Ти­пичным для средств промышленной автоматики является гальваническая изо­ляция аналоговой выходной части модуля от цифровой части, включающей микропроцессор. Модуль управляется командами, посылаемыми с помощью стандартного протокола Моdbus RTU или DСОN. Вывод напряжений осуществляется с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и операционного усилителя (ОУ). Благодаря глубокой обратной связи выходное сопротивление ОУ на постоянном токе составляет сотые доли Ом, что позволяет с высокой точностью считать его идеальным источником напряжения. Для защиты модуля от перегрузки по выходу используются ОУ с защитой, выполненной на том же полупроводниковом кристалле, что и сам ОУ. Для вывода аналогового сигнала в форме тока используются источники тока на основе ОУ с обратной связью (см. каскады с выходами Iout0,..., Iout3 на рис. 6.26). Принцип их действия основан на том, что ОУ с отрицательной обратной связью имеет нулевое напряжение между его входами благодаря высокому коэффициенту усиления. Поэтому все входное напряжение оказывается приложенным к сопротивлению r0 (рис. 6.26, верхний по схеме каскад) и выходной ток равен входному напряжению, деленному на r0. Для того чтобы ток, протекающий через r0, был точно равен выходному току, в качестве транзистора на рис используют полевый транзистор с изолированным затвором или пару из биполярного и МОП-транзистора. Недостатком приведенных каскадов является невозможность изменения направления тока на противоположное, что связано с применением транзисторов одного типа проводимости или с одним типом канала. Более сложные двуполярные схемы в модулях вывода для промышленной автоматики не применяются.

15 Погрешности модуля вывода Погрешность модуля вывода складывается из следующих основных составляющих: погрешности дискретности цифро-аналогового преобразователя; стабильности источника опорного напряжения; внутреннего шума модуля; ненулевого выходного сопротивления. Погрешность типового модуля ввода составляет 0.1 % от верхней границы диапазона (±10 В для потенциального выхода и мА для токового), разрядность 12 бит, дискретность изменения выходной величины 5 мВ для напряжения и 5 мкА для тока, т.е. 0,05 % от ширины диапазона.

16 Примеры модулей аналогового вывода – National Instruments CompactRIO Средние напряжения, ±10 В, NI 9263, 4 канала. 16-битный, 100 КГц на канал, одновременная оцифровка каналов, винтовые терминалы. Ток мА, NI 9265, 4 канала. 16-битный, 100 КГц на канал, одновременная оцифровка каналов, ±36 В защита, определение разрыва цепи, винтовые терминалы.

17 Модули ввода дискретных сигналов В системах автоматизации очень распространены двоичные сигналы, которые поступают от концевых выключателей, датчиков охранной или пожарной сигнализации, датчиков заполнения емкостей, датчиков сбегания ленты на конвейере, датчиков приближения и т.п. Такие сигналы не совсем правильно называются дискретными, но этот термин прочно вошел в практику. Модули ввода дискретных сигналов в промышленной автоматизации имеют несколько различных типов входов: вход типа «сухой контакт»; дискретный вход для логических сигналов в форме напряжения; вход дискретных сигналов В. «Сухим» контактом в системах автоматизации называют источник информации, не имеющий встроенного источника энергии, например контакты реле или дискретные выходы типа «отрытый коллектор». Для передачи информации о состоянии такого контакта необходим внешний источник тока или напряжения.

18 Структура модуля ввода дискретных сигналов Микроконтроллер модуля ввода выполняет периодическое сканирование входов или по запросу ПЛК. Микроконтроллер выполняет также устранение эффекта «дребезга» «сухих» контактов. Команды опроса входов, установления адреса, скорости обмена, формата данных и др. посылаются в модуль через последовательный интерфейс, обычно RS-485.

19 Входные каскады каналов дискретного ввода Дискретные входы гальванически развязаны от остальной части модуля ввода. Развязка выполняется, как правило, с помощью оптронов с двумя излучающими диодами, включенными встречно-параллельно. Это обеспечивает возможность подключения ко входам дискретных сигналов любой полярности. Конденсатор используется во входных каскадах модулей (рис. 6.29, 6.30) для фильтрации высокочастотных помех. Значение граничной частоты фильтра выбирается в результате компромисса между быстродействием модуля и возможностью ложного срабатывания при воздействии высокочастотных помех. Типовое значение граничной частоты и скорости опроса входов лежит в районе 1 к Гц. Для увеличения помехоустойчивости используют также триггеры Шмидта на выходе сигналов оптронов. Уровень логической единицы дискретных сигналов составляет обычно от 3 до 30 В, уровень логического нуля от 0 до 2 В. Для ввода сигналов от источников типа «сухой контакт» используют источник напряжения Еск, как показано на рис Аналогично подключают дискретные выходы типа «открытый коллектор». Источник может быть как встроенным в модуль дискретного ввода, так и внешним.

20 Ввод дискретных сигналов 220 В Ввод сигналов высокого (220 В) переменного напряжения осуществляется аналогично рассмотренному выше (рис. 6.31), однако вместо токозадающего резистора для включения оптрона используют конденсатор, чтобы снизить активную рассеиваемую мощность. Резистор сопротивлением 750 к Ом на рис служит для разряда конденсатора при отключенных входах, что является стандартным требованием электробезопасности. Резистор сопротивлением 1 к Ом ограничивает бросок тока во момент коммутации входа. Каскады для ввода высокого напряжения могут быть с общим проводом или независимые.

21 Модули вывода дискретных сигналов Вывод дискретных сигналов используется для управления состоянием включено/выключено исполнительных устройств. Устройства вывода отличаются большим многообразием. Знание структуры выходных каскадов необходимо для правильного их применения. Выходные каскады со стандартными ТТЛ или КМОП логическими уровнями в промышленной автоматизации используются редко. Это связано с тем, что нагрузкой дискретных выходов являются не логические входы электронных устройств, а чаще всего электромеханические реле, пускатели, шаговые двигатели и др. Дискретные выходы обычно строятся на основе мощных биполярных транзисторов с открытым коллектором или полевых транзисторов (обычно МОП) с открытым стоком. С точки зрения схемотехники применения эти каскады эквивалентны, поэтому мы будем их называть каскадами ОК. Каскады ОК обеспечивают большую гибкость, позволяя получить необходимые для нагрузки ток или напряжения с помощью внешнего источника питания. Кроме того, каскад ОК с помощью внешних резисторов и источников напряжения позволяет получить стандартные КМОП или ТТЛ-уровни. Наилучшим решением для построения дискретных выходов являются микросхемы интеллектуальных ключей, которые содержат в себе не только мощный транзистор с открытым стоком, но и цепи его защиты от перегрузки по току, напряжению, короткого замыкания, переполюсовки и перегрева, а также электростатических разрядов. При перегреве выходного каскада или превышении тока нагрузки интеллектуальный ключ выключается. Наиболее широко распространены выходные каскады ОК модулей вывода двух типов: для втекающего (рис. 6.34) и вытекающего (рис. 6.35) токов. Различие между ними состоит в том, какой вывод является общим для нескольких нагрузок: заземленный или соединенный с шиной питания.

22 Схемы дискретных выходов

23 Управление нагрузкой с большим током или напряжением Для управления нагрузками, питающимися большим током или от источника напряжения В используют выходные каскады с электромагнитными или твердотельными (полупроводниковыми) реле, тиристорами, симисторами. Основным достоинством электромагнитных реле является очень низкое падение напряжения на замкнутых контактах, что исключает необходимость их охлаждения. Недостатком является ограниченное количество срабатываний (порядка 10^5...10^6). Полупроводниковые реле имеют относительно большое сопротивление в открытом состоянии и требуют отвода тепла, но могут выполнить до 10^10 переключений. Кроме того, полупроводниковые реле обладают более высокой надежностью и не имеют эффекта «дребезга контактов». При использовании реле для коммутации индуктивной нагрузки возникает большая э.д.с. самоиндукции, которая вызывает пробой воздушного зазора при размыкании контактов и их искрение. Это приводит к быстрому износу контактов и появлению электромагнитных помех. Проблема решается с помощью диода, включенного параллельно катушке индуктивности при коммутации в цепи постоянного напряжения (рис. 6.36) и RС-цепочкой в цепи переменного напряжения (рис. 6.37). Контакты реле желательно защищать предохранителями. При использовании твердотельных реле или тиристоров в высоковольтных цепях с длинными кабельными линиями используют защиту на варисторах (рис. 6.38), ТVS-диодах и газовых разрядниках.

24 Схемы релейных и тиристорных выходов

25 Ввод частоты, периода и счет импульсов Функции счетчика, частотомера и измерителя периода следования импульсов обычно совмещаются в одном и том же модуле ввода. Такие модули могут быть использованы для решения следующих задач: измерение скорости вращения вала двигателя с целью ее стабилизации или изменения по заданному закону; подсчет количества продукции на конвейере; измерение частоты периодического сигнала; работа с датчиками, имеющими импульсный выход (например, с энкодерами датчиками угла поворота, электросчетчиками или анемометрами); автоматическое дозирование счетной продукции; подсчет количества продукции, выданной со склада. Датчик угла поворота, также называемый энкодер устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта (вала) в электрические сигналы, позволяющие определить угол его поворота. Датчики угла поворота широко применяются в промышленности, в частности в сервоприводах.сервоприводах Энкодеры подразделяются на инкрементальные и абсолютные, которые могут достигать очень высокого разрешения. Энкодеры могут быть оптические, резисторные и магнитные и могут работать через шинные интерфейсы или промышленную сеть.шинныеинтерфейсыпромышленную сеть Оптические энкодеры имеют жёстко закреплённый на валу стеклянный диск с оптическим растром. При вращении вала растр перемещается относительно неподвижного растра, при этом модулируется световой поток, принимаемый фотодатчиком. Абсолютные оптические энкодеры это датчики угла поворота, в которых каждому положению вала соответствует уникальный цифровой выходной код, который наряду с числом оборотов является основным рабочим параметром датчика. Абсолютные оптические энкодеры, так же как и инкрементальные энкодеры, считывают и фиксируют параметры вращения оптического диска. Магнитные энкодеры регистрируют прохождение магнитных полюсов вращающегося магнитного элемента непосредственно вблизи чувствительного элемента, преобразуя эти данные в соответствующий цифровой код.

26 Инкрементальные энкодеры Инкрементальные датчики вращения и датчики угла при вращении формируют импульсы, по которым принимающее устройство определяет текущее положение координаты путем подсчета числа импульсов счётчиком. Для привязки системы отсчета инкрементальные датчики имеют референтную метку («маркер»), одну на оборот, через которую нужно пройти после включения оборудования. Для определения расстояния и направления перемещения применяются два канала («синус» и «косинус», обозначаемые в документации как A и B), в которых идентичные последовательности импульсов (меандр) сдвинуты на 90° относительно друг друга, что позволяет определять направление перемещения у линейных и вращения у угловых датчиков и повышает точность в четыре раза, а также определять наличие помех или неисправность энкодера или проводных линий. Кроме каналов «синус» и «косинус» в современных энкодерах используется также сигнал «метка на оборот» (референтная метка, обозначаемая как Z), который с сочетании с менее точным концевиком, позволяет определить точное положение «нуля» координаты привода.меандр Многие специализированные микропроцессоры поддерживают эти три сигнала с помощью соответствующего Quadrature Encoder Interface

27 Структура модуля ввода «счетчик-частотомер» Модуль содержит два 32-разрядных счетчика-частотомера. Каждый счетчик имеет изолированные и неизолированные входы. Изолированные входы выполнены с помощью оптрона и являются пассивными со стороны источника сигнала. Неизолированные входы имеют программно регулируемые уровни логического нуля и единицы. Это позволяет уменьшить вероятность ошибочного срабатывания модуля в условиях помех. Для регулировки уровней использованы два 8-разрядных цифро-управляемых потенциометра. Для подавления помех служит также цифровой фильтр с перестраиваемыми параметрами, выполненный на микроконтроллере, входящем в состав модуля. Gate входы разрешения счета; In счетные входы с программируемыми логическими уровнями; Dout дискретные выходы; INIT вывод для выполнения начальных установок модуля; Data+, Data- - выводы интерфейса RS-485.

28 Модули управления движением В силу специфики задачи контроллеры для управления движением занимают отдельное место на рынке ПЛК, поскольку отличаются как параметрами модулей ввода-вывода, так и специализированным программным обеспечением. Основными отличиями от модулей общего применения являются повышенные требования к быстродействию и особый состав каналов ввода-вывода, оптимизированные для задач управления движением с целью минимизации стоимости. Типовой системой управления движением является электропривод, который является частным случаем системы автоматического регулирования с обратной или прямой связью. В состав электропривода входит электродвигатель, датчики положения исполнительного механизма, контроллер и сервоусилитель. В электроприводах используют асинхронные и синхронные двигатели переменного тока, постоянного тока, шаговые, линейные двигатели, а также гидро- и пневмоцилиндры с насосами. Электропривод строится обычно с двумя контурами обратной связи. Внутренний контур с сигналом от датчика скорости (тахометра или инкрементного энкодера) используется для управления скоростью двигателя и часто реализуется внутри сервоусилителя. Внешний контур с обратной связью от оси двигателя или от его нагрузки используется для управления позицией исполнительного механизма и вращающим моментом. Обратная связь от нагрузки позволяет повысить точность реализации траектории движения и использовать нежесткие механические связи, однако усложняет настройку замкнутой системы. Сигнал обратной связи внешнего контура поступает от датчиков положения, в качестве которых используют энкодеры, резольверы, потенциометры, датчики Холла и тахометры. Энкодеры делятся на абсолютные и инкрементные. Инкрементные энкодеры определяют изменение положения механизма, а абсолютные определяют его абсолютное положение. Резольверы выполняют ту же функцию, что и энкодеры, но имеют аналоговый выходной сигнал, поскольку построены на основе вращающегося трансформатора и выдают синусоидальный и косинусоидальный сигналы, которые позволяют вычислить положение вала двигателя. Недостатком резольвера является низкое быстродействие и необходимость использования АЦП. Сигналы обратной связи поступают в контроллер, который должен иметь модули для ввода сигналов от перечисленных выше датчиков. В контроллер поступают также сигналы от концевых датчиков, установленных в крайних положениях исполнительного механизма.

29 Модули управления движением Управляющее воздействие из контроллера поступает на двигатель через сервоусилитель. Усилители имеют мощные выходные каскады с радиаторами, поэтому изготавливаются отдельно от контроллера. На их входы могут поступать аналоговые сигналы ±10 В, цифровые или ШИМ-сигналы. Усилители делятся на усилители скорости, усилители момента, усилители с синусоидальным входным сигналом, усилители с импульсным входом, а также гидравлические. Обычно они имеют встроенную защиту от перенапряжения, низкого напряжения, перегрева, к.з., превышения тока, потери фазы. ПЛК могут иметь вход для джойстика или кнопок, которые позволяют управлять движением вручную. Основным параметром модулей ввода-вывода для управления движением является число одновременно управляемых осей координат. Ось координат в подавляющем большинстве случаев ассоциируется с одним двигателем. Однако несколько двигателей могут работать на общую нагрузку, например два двигателя могут вращать общий вал с двух его концов или совместно осуществлять плоскопараллельное перемещение одной балки. В этом случае несколько двигателей соответствуют одной оси координат. Модули ввода-вывода для управления движением оптимизированы для ввода сигналов энкодеров, резольверов, тахометров, потенциометров и концевых выключателей, а также для вывода сигналов управления сервоусилителями. Сигнал от инкрементного энкодера может поступать в некоторых случаях со скоростью до 20 Мбит/с, что требует быстродействующих счетчиков импульсов. В некоторых модулях используются процессоры цифровой обработки сигналов и специализированные микросхемы.

30 Модули управления движением В системах управления движением специализированными являются не только модули, но и программное обеспечение. Примеры некоторых встроенных функций, которые выполняются контроллерами для управления движением: плавный пуск; перемещение: непрерывное, абсолютное, относительное, синхронное, в контрольную точку (для калибровки и синхронизации); синхронизация координат в режиме контрольных точек; реализация заданной траектории движения в пространстве; интерполяция: линейная, круговая, сплайнами; возврат в начальное положение; ручной режим управления; управление зависимостью скорости от времени: трапецеидальная, S-образная (трапеция с закруглениями вместо углов); автонастройка контуров регулирования; отладка программы без реального привода; подавление резонансных явлений (вибраций); автоматическое распознавание двигателя; синхронизация работы нескольких приводов (в том числе при работе двигателей на общий вал); управление силой или давлением; защита (от непреднамеренного запуска, при сбоях в оборудовании, при срабатывании концевых выключателей); самодиагностика; мониторинг текущего состояния; аварийная сигнализация; аварийный останов.

31 Пример модуля управления движением Модуль ввода-вывода для National Instruments CompactRIO: Управление движением - NI Представляет собой H-мостовой привод для серводвигателя. 1 ось, 30В, 2 А постоянный ток до 70 °C, 8 А постоянный до 40 °C, 12 А пиковый, встроенные интерфейс энкодера и токовый датчик.