Что такое модуль ввода-вывода
Модуль ввода-вывода представляет собой промежуточное устройство между системой управления и полевым оборудованием. К входным каналам подключаются датчики, кнопки, контакты реле и измерительные преобразователи. Выходные каналы управляют реле, контакторами, электромагнитными клапанами, приводами, световой сигнализацией и другими исполнительными устройствами.
Модули входа преобразуют электрические сигналы в цифровые значения, доступные контроллеру. Модули выхода выполняют обратную функцию: получают команду по внутренней шине и формируют требуемый дискретный или аналоговый сигнал.
По функции такие устройства также называют модулями расширения ПЛК. Они позволяют увеличить количество входов и выходов, добавить новые типы сигналов или подключить специализированное оборудование без замены самого контроллера.
Модули ввода-вывода ПЛК также называют модулями расширения ввода-вывода. Они позволяют увеличить количество входных и выходных каналов контроллера, подключить дополнительные типы сигналов или добавить специализированные функции без замены самого ПЛК.
Каждый модуль расширения ввода-вывода подключается к совместимому промышленному контроллеру или сетевому адаптеру по внутренней шине. При выборе необходимо учитывать серию оборудования, тип сигнала, количество каналов, электрические характеристики и совместимость с головным устройством станции.
Модули удалённого ввода-вывода и модули распределённого ввода-вывода
Модули удалённого ввода-вывода устанавливаются не в шкафу центрального ПЛК, а непосредственно рядом с датчиками и исполнительными механизмами. Модули объединяются в отдельную станцию и подключаются по внутренней шине к сетевому адаптеру. Адаптер передаёт входные данные и выходные команды между станцией и промышленным контроллером по выбранному сетевому протоколу. Основная программа управления при такой архитектуре обычно выполняется в центральном ПЛК.
Модули распределённого ввода-вывода размещаются в нескольких станциях, установленных на разных участках технологического объекта. Каждая станция обслуживает свою группу датчиков и исполнительных устройств. Головным устройством станции может быть сетевой адаптер или локальный ПЛК, если на участке требуется самостоятельная обработка сигналов и выполнение алгоритмов управления.
Таким образом, удалённый ввод-вывод характеризует расположение отдельной станции относительно центрального контроллера, а распределённый ввод-вывод описывает архитектуру всей системы, состоящей из нескольких узлов I/O. Одна или несколько удалённых станций могут входить в состав распределённой системы ввода-вывода.
Размещение модулей рядом с оборудованием сокращает длину сигнальных кабелей, упрощает расширение системы и позволяет разделить ввод-вывод по отдельным установкам, производственным линиям или технологическим участкам.
Место модулей в системе CREVIS
Головное системы ввода-вывода это программируемый контроллер, также к нему может быть подключен сетевой адаптер. Контроллер выполняет пользовательскую программу и самостоятельно управляет оборудованием. Сетевой адаптер передаёт данные модулей внешнему ПЛК по выбранному промышленному протоколу.
Подключённые устройства обмениваются данными по внутренней шине. В серии G используется G-Bus, в серии M используется M-Bus. По внутренней шине передаются входные значения, выходные команды, диагностическая информация и данные о состоянии модулей.
Внешняя промышленная сеть и внутренняя шина выполняют разные задачи. Модуль дискретного или аналогового ввода не подключается напрямую к Modbus, EtherCAT или PROFINET. Поддерживаемый сетевой протокол определяется контроллером или сетевым адаптером, установленным в начале станции.
Какие модули ввода-вывода представлены в CREVIS
| Группа | Сигналы и функции | Что подключается |
|---|---|---|
| Модули дискретного ввода | Двухпозиционные сигналы постоянного и переменного тока, входы Sink/Source, контроль линии, NAMUR | Кнопки, концевые выключатели, контакты реле, датчики приближения, сигнализаторы уровня и другие дискретные устройства |
| Модули дискретного вывода | Транзисторные выходы Sink/Source, электромеханические и полупроводниковые релейные выходы | Реле, контакторы, электромагнитные клапаны, световая сигнализация и маломощные исполнительные устройства |
| Модули аналогового ввода | Токовые и потенциальные сигналы, термопары, термосопротивления, тензодатчики, HART и другие измерительные сигналы | Датчики температуры, давления, расхода, уровня, веса и измерительные преобразователи |
| Модули аналогового вывода | Управляющие сигналы тока и напряжения, включая 0-20 и 4-20 мА, 0-10 В и другие диапазоны | Частотные преобразователи, позиционеры, регуляторы мощности и устройства с аналоговым управляющим входом |
| Комбинированные и универсальные модули | Сочетают в одном корпусе несколько типов входных и выходных каналов | Локальные узлы оборудования, где требуется уменьшить количество отдельных модулей и занимаемых позиций |
| Интерфейсные и специальные модули | RS-232, RS-422, RS-485, SSI, IO-Link, счётчики, энкодеры, ШИМ, импульсные выходы и управление шаговыми двигателями | Счётчики, весовые терминалы, регуляторы, энкодеры, приводы, датчики с цифровым интерфейсом и другое специализированное оборудование |
| Модули питания | Ввод, расширение, распределение и фильтрация системного и полевого питания | Дополнительные группы модулей, полевые цепи, экраны кабелей и точки распределения потенциалов |
Модули питания не принимают измерительные сигналы и не формируют команды управления, но входят в состав модульной станции. Они используются, когда мощности встроенного источника головного устройства недостаточно или требуется разделить полевые цепи на отдельные группы.
Как выполняется обработка входных и выходных сигналов
При работе станции данные последовательно проходят несколько этапов:
- Датчик или измерительный преобразователь формирует электрический сигнал;
- Модуль ввода принимает сигнал и преобразует его в цифровое значение;
- Данные передаются по внутренней шине контроллеру или сетевому адаптеру;
- ПЛК обрабатывает полученное значение по пользовательской программе;
- Рассчитанная команда передаётся модулю вывода;
- Выходной канал формирует сигнал для исполнительного устройства.
Если головным устройством является сетевой адаптер, программа управления выполняется во внешнем ПЛК. Адаптер получает данные от модулей и передаёт их ведущему контроллеру по промышленной сети, а затем возвращает в станцию рассчитанные выходные значения.
Дискретные и аналоговые сигналы
| Тип сигнала | Как представляется | Примеры |
|---|---|---|
| Дискретный вход | Одно из двух состояний: 0 или 1 | Кнопка нажата, контакт замкнут, датчик сработал |
| Дискретный выход | Команда включения или выключения | Включение реле, клапана, лампы или контактора |
| Аналоговый вход | Числовое значение, соответствующее измеренному току, напряжению, сопротивлению или другому параметру | Температура, давление, расход, уровень или вес |
| Аналоговый выход | Непрерывный управляющий сигнал заданного тока или напряжения | Задание скорости привода, положения клапана или мощности регулятора |
При подборе недостаточно определить только направление сигнала. Необходимо проверить номинальное напряжение или диапазон измерения, схему Sink/Source, количество проводов, допустимый ток, разрешение преобразователя и электрическую совместимость с полевым устройством.
Серии модулей CREVIS
| Серия | Обозначение модулей | Внутренняя шина | Особенности |
|---|---|---|---|
| G | GT | G-Bus | Наиболее широкий выбор сигнальных, интерфейсных и специальных модулей. В зависимости от головного устройства в станцию можно установить до 63 модулей. Горячая замена не поддерживается |
| M | M | M-Bus | До 63 модулей в станции, горячая замена модулей ввода-вывода, унифицированные съёмные клеммные блоки и возможность построения систем с повышенными требованиями к обслуживанию |
| S | ST | Внутренняя шина серии S | Система предыдущего поколения. Серия снята с производства в 2024 году и используется главным образом при обслуживании ранее установленных станций |
Модули серий G, M и S различаются конструкцией, разъёмами и внутренней шиной. Их нельзя устанавливать в одну станцию или напрямую заменять модулем другой серии. При модернизации необходимо подбирать совместимую функциональную замену и проверять всю конфигурацию узла.
Системное и полевое питание
В модульной станции используются системное и полевое питание. Системное питание обеспечивает работу электроники головного устройства и подключённых модулей. Полевое питание используется в цепях датчиков и исполнительных устройств.
При расчёте станции проверяют потребление каждого модуля от внутренней шины и нагрузку полевых цепей. Если суммарное потребление превышает возможности встроенного источника, станцию разделяют на группы и устанавливают модуль расширения питания. Отдельное питание также применяют для разделения цепей с разными напряжениями и снижения влияния помех.
Горячая замена модулей
Горячая замена модулей ввода-вывода реализована в серии M. Она позволяет извлечь неисправный модуль и установить новый без полного отключения системного питания и остановки остальных устройств станции.
Горячая замена не означает, что любые работы с полевыми проводами допускается выполнять под напряжением. Порядок обслуживания зависит от типа модуля, подключённой нагрузки и требований электробезопасности. Для модулей серии G перед установкой или снятием требуется отключение питания в соответствии с документацией.
ООО «КРЕВИС» является официальным представителем CREVIS в России и странах СНГ. Специалисты компании помогут подобрать совместимые модули, проверить состав станции и рассчитать питание для новой системы или модернизации установленного оборудования.