Модули аналогового вывода

Назначение модулей аналогового вывода (AO)

Модули аналогового вывода преобразуют команды ПЛК в сигналы тока или напряжения для плавного управления приводами, клапанами, нагревателями и другим оборудованием. Команда от ПЛК или сетевого адаптера удаленного ввода/вывода передается модулю по внутренней шине G‑Bus или M‑Bus. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) переводит цифровой код в электрический сигнал, а выходная цепь поддерживает заданный ток или напряжение в пределах характеристик модуля. Например, при линейном масштабировании команда 50% соответствует 5 В в диапазоне 0–10 В или 12 мА в диапазоне 4–20 мА. Принимающее устройство интерпретирует этот сигнал в соответствии со своими настройками.

Аналоговый выход предназначен для передачи управляющего сигнала, а не для непосредственного питания силовой нагрузки. Электродвигателем управляют через частотный преобразователь, нагревателем — через регулятор мощности, а регулирующим клапаном — через позиционер или электропривод с совместимым аналоговым входом. Тип сигнала, диапазон, допустимая нагрузка и схема подключения должны соответствовать входу исполнительного устройства.

Как формируется аналоговый сигнал

Разрядность ЦАП определяет минимальный шаг изменения выходного сигнала. Модуль с 12-битным ЦАП делит рабочий диапазон на значительно меньшее число ступеней, чем 16-битный, поэтому 16-битное исполнение позволяет задавать более мелкие приращения. Однако разрядность не равна фактической точности: на результат также влияют основная погрешность, температурный дрейф, шум, время преобразования, параметры выходной цепи и характеристики принимающего оборудования.

После включения питания, потери связи или перехода ПЛК в останов модуль должен переводить выходы в состояние, предусмотренное проектом. Это может быть сохранение последнего значения, переход к заранее заданной уставке или отключение сигнала — конкретное поведение зависит от головного устройства, конфигурации станции и модели модуля. Для ответственных контуров безопасное состояние необходимо определить при проектировании и проверить во время пусконаладки.

Типы сигналов аналогового вывода CREVIS

• 0–10 В. Потенциальный сигнал часто используют для задания скорости частотному преобразователю, положения приводу или заслонке и мощности регулятору. Для восьми каналов доступны 12-битные GT-4428 с RTB 10 и M4428 с RTB 18. Если требуется более мелкий шаг задания, можно выбрать 16-битный восьмиканальный GT-4468. Для высокой плотности каналов предусмотрен 16-канальный GT-449F с 16-битным ЦАП и клеммником RTB 18. В линейке серии G также есть исполнения с выбираемыми диапазонами 0–10, 0–5 и 1–5 В.
• ±10 В. Двухполярный сигнал позволяет задавать не только величину, но и знак команды. Например, положительное и отрицательное напряжение могут соответствовать движению привода в разных направлениях, а 0 В — нейтральному положению. Четырехканальный GT-4564 формирует сигнал ±10 В с разрешением 16 бит и подключается через RTB 10. Перед применением необходимо убедиться, что вход оборудования действительно поддерживает двухполярный диапазон.
• 0–20 мА. Токовый сигнал применяют для передачи уставок на регуляторы, преобразователи и позиционеры с соответствующим входом. Для 12-битного преобразования подходят четырехканальный GT-4114 и восьмиканальный M4118. С разрешением 16 бит доступны четырехканальный GT-4154, восьмиканальный GT-4158 серии G и восьмиканальный M4158 серии M.
• 4–20 мА. Диапазон с «живым нулем» удобен для промышленных контуров управления: 4 мА соответствует нижней границе команды, а значения вне рабочего диапазона могут использоваться для диагностики, если это предусмотрено обоими устройствами и настройками системы. Для RTB 10 в серии G представлены 12-битный четырехканальный GT-4214, а также 16-битные GT-4254 на четыре и GT-4258 на восемь каналов. Восьмиканальный M4258 серии M имеет 16-битный ЦАП и RTB 18.
  
  Для четырехканальных модулей с RTB 18 отдельно выбирают допустимое сопротивление нагрузки. Двенадцатибитные GT-4314 и M4314 рассчитаны на нагрузку до 550 Ом, а GT-4334 — до 750 Ом. Среди 16-битных исполнений M4354 допускает нагрузку до 550 Ом, а GT-4374 — до 750 Ом.

Выходы напряжения обычно выбирают для сравнительно коротких линий и оборудования с достаточно высоким входным сопротивлением. При подключении учитывают общую сигнальную точку, падение напряжения в проводах, электромагнитные помехи и отсутствие или наличие гальванической развязки между каналами.

Токовый сигнал лучше сохраняет заданное значение при изменении сопротивления линии, но только в пределах нагрузочной способности выходной цепи. Сопротивление входа принимающего устройства, кабеля, промежуточных клемм и других последовательно включенных элементов суммируется. Если итоговая нагрузка превышает допустимую, модуль не сможет поддерживать требуемый ток во всем диапазоне.

Особенности серий G и M

Модули GT-4xxx относятся к серии G и обмениваются данными с головным устройством по G-Bus. Серия предлагает широкий выбор числа каналов, диапазонов, разрешения и разъемов, включая компактные исполнения с RTB 10 и многоканальные модули с RTB 18 или IDC. Горячая замена модулей расширения серии G не поддерживается.

Модули M4xxx устанавливаются в станции серии M и работают по внутренней шине M-Bus. Электронный модуль серии M можно заменить без отключения системного питания всей станции, сохранив работу остальных модулей. Горячая замена не отменяет требований электробезопасности: перед работой с клеммами и полевыми цепями необходимо выполнить процедуру из руководства и при необходимости снять полевое напряжение.

Серии G и M имеют разную конструкцию и внутреннюю шину и не являются взаимозаменяемыми. Подробнее это разобрано в материалах «Совместимость модулей серии G и M» и «Что такое горячая замена и резервирование?».

Сам модуль AO не подключается напрямую к Modbus, EtherCAT, PROFINET или другой внешней промышленной сети. Обмен с модулем по G-Bus или M-Bus обеспечивает совместимый ПЛК либо сетевой адаптер. Поэтому внешний протокол определяется выбранным головным устройством.

Сравнение модулей аналогового вывода серий G и M

Как выбрать модуль аналогового вывода

Подбор начинают с паспорта аналогового входа исполнительного устройства. Для каждого канала необходимо определить требуемый диапазон, электрическую схему, допустимую нагрузку, скорость изменения команды и безопасное состояние при неисправности.

• Тип и диапазон сигнала. Выход модуля должен соответствовать входу оборудования: 0–10 В, ±10 В, 0–20 мА, 4–20 мА или другому указанному диапазону. Совпадения только верхней границы недостаточно: вход 4–20 мА и выход 0–20 мА по-разному интерпретируют нижнюю часть шкалы.
• Количество каналов. Учитывают число исполнительных устройств, резерв на расширение и распределение общих контактов. Обозначение 8 AO означает восемь управляемых аналоговых выходов, но не гарантирует индивидуальную гальваническую развязку каждого канала.
• Разрешение и точность. Разрядность ЦАП выбирают по требуемому минимальному шагу команды. Для медленного позиционирования или точного задания уставки 16-битное исполнение может быть предпочтительнее 12-битного, но итоговую погрешность оценивают по полной спецификации модуля и принимающего устройства.
• Допустимая нагрузка. Для токового выхода суммируют сопротивление входа оборудования, кабеля и всех последовательно включенных элементов. Для выхода напряжения проверяют минимально допустимое сопротивление нагрузки. Требования 550 и 750 Ом относятся к конкретным токовым исполнениям и не распространяются на всю серию.
• Общие контакты и гальваническая развязка. Необходимо проверить, объединены ли каналы общей точкой AGND, есть ли развязка между полевой и логической частями и допустимо ли соединение общих проводов разных устройств. Ошибка в организации потенциалов земли может вызвать смещение сигнала, помехи или уравнительные токи.
• Время обновления. Для задания температуры или положения заслонки обычно допустима сравнительно медленная реакция, а для быстрого привода важны время преобразования модуля, цикл внутренней шины, период программы ПЛК и реакция исполнительного устройства.
• Поведение при отказе. Заранее определяют, что должно произойти при потере связи, останове контроллера, отключении полевого питания или извлечении модуля. Безопасное значение необходимо настроить, проверить и согласовать с логикой самого привода или позиционера.
• Разъем и монтаж. RTB удобен для подключения отдельных проводов непосредственно к модулю. IDC применяют при высокой плотности каналов и использовании кабельных сборок или промежуточных клеммных плат. Для аналоговых цепей соблюдают требования к экранированию, прокладке отдельно от силовых кабелей и заземлению экрана.
• Совместимость со станцией. Модуль GT выбирают для серии G, а модуль M — для серии M. Наряду с электрическими параметрами проверяют допустимую конфигурацию станции, бюджет питания, версию головного устройства и поддержку модуля в программном обеспечении.

Где применяются модули аналогового вывода

• Частотное регулирование. Выходной сигнал задает частоту или скорость частотному преобразователю, который управляет насосом, вентилятором, конвейером или другим электроприводом.
• Регулирующие клапаны и заслонки. Команда определяет положение позиционера, электропривода клапана или воздушной заслонки и позволяет плавно изменять расход жидкости, газа, пара или воздуха.
• Регулирование температуры. ПЛК передает уставку регулятору мощности, преобразователю или исполнительному устройству системы нагрева и охлаждения.
• Передача уставки. Аналоговый выход задает требуемые давление, расход, уровень, температуру, мощность или другой параметр автономному регулятору.
• Повторная передача измеренного значения. ПЛК может получить параметр через модуль аналогового ввода, выполнить обработку и сформировать пропорциональный выходной сигнал для самописца, индикатора, контроллера или другой системы.
• Замкнутый контур регулирования. Аналоговый вход передает контроллеру фактическое значение параметра, программа сравнивает его с заданием, а аналоговый выход изменяет команду исполнительному устройству. Так поддерживают давление, расход, уровень, температуру или скорость с требуемой точностью.

Пример формирования команды

Пусть ПЛК должен задать частотному преобразователю 50% скорости. Если вход преобразователя настроен на 0–10 В, модуль формирует 5 В. Если выбран диапазон 4–20 мА, середине шкалы соответствует 12 мА: 4 мА + 50% от рабочего интервала 16 мА. Такое соответствие будет верным только при одинаковом линейном масштабировании выхода ПЛК и входа принимающего устройства.