Модули ввода-вывода — чем отличаются исполнения по типу сигнала и развязке

Модуль ввода-вывода — плата расширения контроллера, через которую сигналы датчиков и исполнительных устройств попадают в программу. Исполнения различаются по типу сигнала, числу каналов, разрядности преобразования и схеме развязки, и подмена одного исполнения другим с тем же числом каналов приводит к переделке схемы шкафа.

Ниже разобрано, какие исполнения существуют, чем отличается групповая развязка от канальной и по каким параметрам модуль подбирается под задачу. Позиции собраны в разделе модули ввода-вывода, процессорные модули — в разделе контроллеры.

Типы сигнала и соответствующие исполнения

• Дискретный ввод (DI). Приём сигналов от концевиков, кнопок и бесконтактных датчиков. Типовое исполнение — 8 или 16 входов на 24 В постоянного тока, как у модуля UniMAT SM1221 8DI 24VDC.
• Дискретный вывод (DO). Управление пускателями, клапанами и лампами. Транзисторный выход на 24 В — модуль SM1222 8DO 24VDC, релейный выход — SM322 16DO Relay, где каждый канал коммутирует собственную нагрузку переменного тока.
• Смешанные исполнения. Модуль SM1223 16DI 24VDC/16DO 24VDC объединяет ввод и вывод в одном корпусе — это экономит место на рейке, но связывает каналы одним питанием и одной точкой отказа.
• Аналоговый ввод (AI). Приём унифицированных сигналов 4–20 мА или 0–10 В. Пример — Phoenix Contact AXL SE AI4 I 4-20 на четыре входа 4–20 мА с двухпроводным подключением и OMRON CS1W-AD041-V1 на четыре канала 0–10 В.
• Аналоговый вывод (AO). Задание уставок приводам и позиционерам: OMRON CS1W-DA041, AMSAMOTION PN3A-AQ0820 на восемь токовых выходов 0–20 мА.
• Температурные исполнения. Для термопар берутся модули прямого подключения — SM1231 8TC с преобразованием 16 бит; для термосопротивлений — исполнения вроде Emerson Ovation 5X00121G01 на восемь каналов с диапазоном −200…+800 °C и точностью ±0,1 %.

Сравнение исполнений по характеру задачи

Из таблицы видна закономерность: чем точнее измерение, тем меньше каналов в корпусе. Плотные модули на 16 и 32 канала существуют для дискретных сигналов, а аналоговый и температурный ввод набирается блоками по четыре-восемь каналов.

Развязка и почему она определяет схему

Гальваническая развязка отделяет цепи поля от внутренней шины контроллера. Разница между исполнениями — в том, сколько каналов относятся к одной развязанной группе.

• Развязка от шины без разделения каналов. Все входы модуля относятся к одной группе с общим минусом. Дешёвое исполнение, пригодно, когда все датчики питаются от одного источника в том же шкафу.
• Групповая развязка. Каналы разбиты на группы по четыре или восемь, у каждой свой общий провод. Берётся, когда в одном модуле собираются сигналы от разных щитов или разных источников питания.
• Канальная развязка. Каждый канал изолирован отдельно. Требуется при измерении на разнесённых по площадке точках, при разнице потенциалов между участками и в цепях, где недопустимо перекрёстное влияние.
• Релейный вывод как форма развязки. Контакт реле изолирует нагрузку полностью и допускает переменное напряжение, но имеет ограниченный механический ресурс и время срабатывания.

Отсутствие развязки там, где она нужна, проявляется не отказом, а плавающими показаниями и ложными срабатываниями. Поэтому схема развязки выбирается до закупки, вместе с блоками питания шкафа.

По каким параметрам ведётся подбор

• Число каналов по проекту плюс резерв. Запас принимается по месту на рейке и по лимиту модулей на стойку контроллера, а не произвольно.
• Тип и диапазон сигнала: 4–20 мА, 0–20 мА, 0–10 В, ±10 В, тип термопары или термосопротивления.
• Разрядность преобразования. Исполнения на 12, 13 и 16 бит различаются шагом измерения; выбор идёт от требуемой точности, а не от характеристики в описании.
• Схема подключения датчиков — двухпроводная, трёхпроводная или четырёхпроводная, и кто питает датчик.
• Тип дискретного выхода и ток на канал, а также суммарный ток группы.
• Логика входов и выходов NPN или PNP — параметр, из-за которого несовместимы внешне похожие модули.
• Исполнение по шине: модуль в стойку контроллера или удалённая станция с Profinet и другим промышленным протоколом. Для вторых подбираются модули связи и шлюзы.
• Требования к резервированию. Системы противоаварийной защиты комплектуются исполнениями с троированной архитектурой, и замена таких модулей обычными недопустима.
• Диапазон рабочих температур и наличие конформного покрытия для влажных и агрессивных помещений.

Частые вопросы

Можно ли заменить модуль на другой с тем же числом каналов? Только при совпадении типа сигнала, логики входов, схемы развязки и адресации в проекте. Замена дискретного вывода транзисторного типа релейным меняет и схему шкафа, и время срабатывания.

Когда выгоднее удалённая станция ввода-вывода? Когда датчики разнесены по площадке и стоимость прокладки аналоговых линий до шкафа выше стоимости станции с промышленной шиной. Решение считается по метражу кабеля и числу точек.

Чем отличаются 12 и 16 бит на аналоговом вводе? Шагом измерения в пределах диапазона. Для управления по уставке обычно достаточно 12 бит, для учёта и измерительных задач берут 16 бит и модуль с заявленной точностью, а не только с разрядностью.

Нужен ли отдельный модуль под термопары? Да, если термопара подключается напрямую. Исполнения для термопар содержат компенсацию холодного спая и линеаризацию. Альтернатива — внешний преобразователь в 4–20 мА и обычный аналоговый ввод.

Что прислать для подбора? Перечень сигналов с типами и диапазонами, схему питания датчиков, модель контроллера и состав существующей стойки, требования к развязке и условия в помещении.

Что мы делаем

По перечню сигналов считаем состав станции ввода-вывода, подбираем исполнения по типу сигнала, разрядности и развязке, проверяем совместимость с установленным контроллером и ограничения по числу модулей, собираем комплект с питанием и клеммами. Разделы — модули ввода-вывода, контроллеры, панели оператора HMI.

Пришлите перечень сигналов и модель контроллера на prom@tkasiatorg.ru — соберём состав станции ввода-вывода с развязкой под вашу схему и назовём сроки поставки.