Платы ввода-вывода и сбора данных — когда они закрывают задачу вместо станции

Плата ввода-вывода — это модуль, который ставится в разъём промышленного компьютера и даёт ему прямые входы и выходы: аналоговые каналы, дискретные линии, счётчики импульсов, выходы на управление. В отличие от станции распределённого ввода-вывода она не имеет своего процессора и не работает самостоятельно: сбором и обработкой занимается программа на компьютере.

Отсюда и граница применения. Там, где сигналы собираются рядом с компьютером и нужна высокая частота опроса, плата дешевле и быстрее станции. Там, где сигналы разнесены по участку и обработка должна продолжаться при отказе компьютера, ставится контроллер со станцией ввода-вывода. Ниже разобрано, какие бывают платы, по каким параметрам они подбираются и где заканчивается их область применения. Оборудование собрано в разделе платы ввода-вывода и сбора данных.

Какие бывают платы по назначению

• Платы аналогового ввода. Принимают сигналы датчиков в виде тока или напряжения и преобразуют их в числа. В каталоге это ряд Advantech PCI-1713 с большим числом каналов и развязкой, PCI-1716 и PCI-1742U как многофункциональные платы, PCI-1747U для задач с высокой частотой опроса.
• Платы аналогового вывода. Формируют задающий сигнал на привод, клапан или регулятор. Пример — Advantech PCI-1721 и PCI-6216V.
• Платы дискретного ввода-вывода. Читают состояние контактов и управляют нагрузками через реле. К этой группе относится клеммная плата Advantech PCLD-8762 с развязанными входами и релейными выходами.
• Счётчики и платы для энкодеров. Считают импульсы и обрабатывают квадратурные сигналы датчиков положения. Пример — Advantech PCI-1784U для задач с несколькими осями.
• Платы для измерительных задач. Ряд National Instruments, в каталоге это PCIe-6351 и UBX 160. Берутся, когда нужна отработанная измерительная программная среда, а не только драйвер.
• Сигнальные платы контроллера. Отдельная группа: не для компьютера, а для расширения самого контроллера на несколько каналов без добавления модуля. В каталоге это Siemens SB 1221 на четыре дискретных входа с высокой частотой счёта и 6ES7222-1BD30-0XB0 на дискретные выходы.
• Платы-компьютеры. PCM-3365EW и MIO-5850JX — не ввод-вывод, а сама вычислительная часть в форм-факторе платы, на которую ставятся платы расширения или к которой подключаются внешние модули.

По каким параметрам подбирается плата

• Тип и число каналов по каждому виду сигнала отдельно. Запас по каналам закладывается сразу: добавить канал позднее можно только второй платой, а свободных разъёмов в промышленном компьютере обычно немного.
• Диапазон входного сигнала. Для датчиков с токовым выходом и для датчиков с выходом по напряжению нужны разные настройки входа, часть плат переключается программно, часть — перемычками.
• Разрядность преобразования. От неё зависит, какое изменение измеряемой величины плата различает. Для контроля уровня и температуры хватает невысокой разрядности, для измерительных задач берут платы с большей.
• Частота опроса. Это главный довод в пользу платы: сигналы снимаются без обмена по промышленной сети, с задержкой на порядок меньше. Если частота опроса не критична, выигрыш пропадает и выгоднее станция ввода-вывода.
• Гальваническая развязка каналов. На участке с приводами и частотными преобразователями развязка обязательна: без неё помеха по общему проводу портит измерение и выводит плату из строя.
• Тип разъёма. PCI, PCI Express и форматы встраиваемых плат не взаимозаменяемы. Разъём проверяется по конкретному промышленному компьютеру — раздел промышленные компьютеры.
• Способ подключения проводов. У большинства плат сигналы выведены на разъём, и провода идут через клеммную плату с кабельной сборкой. Клеммная часть и сборка заказываются вместе с платой.
• Поддержка со стороны программы. Драйвер под установленную операционную систему и наличие библиотеки для среды разработки проверяются до заказа.

Плата или станция распределённого ввода-вывода

Где плата закрывает задачу

• Испытательный стенд и измерительный пост. Сигналы собираются в одном месте, нужна высокая частота и запись всей истории измерения.
• Контроль качества на выходе линии. Требуется быстро обработать сигнал датчика и выдать решение, при этом вся логика уже написана программой на компьютере.
• Задачи с энкодерами и несколькими осями, где считать импульсы нужно без потерь на обмен по сети.
• Дооснащение существующего промышленного компьютера, когда закупка контроллера и станции не оправдана объёмом сигналов.
• Расширение контроллера на два-четыре канала. Здесь берут не плату для компьютера, а сигнальную плату самого контроллера — она встаёт в корпус без добавления модуля. Контроллеры собраны в разделах контроллеры и программируемые логические контроллеры.

Где плату ставить не следует

• Сигналы разнесены по цеху. Тянуть к компьютеру каждый провод дороже, чем поставить станцию и один сетевой кабель — разделы модули ввода-вывода и модули связи и шлюзы.
• Процесс не должен останавливаться при перезагрузке компьютера. Операционная система общего назначения не даёт такой гарантии, обработку выносят в контроллер.
• Нужны функции безопасности машин. Платы в компьютере для этого не предназначены, контур безопасности строится на отдельных устройствах — раздел автоматика и системы защиты.
• Сигналы идут из взрывоопасной зоны. Между датчиком и входом ставится барьер — раздел барьеры искрозащиты.
• Сигнал датчика не совпадает со входом по виду или уровню. Согласование делается отдельным устройством, а не подбором платы — раздел измерительные преобразователи.

Что заказывается вместе с платой

• Клеммная плата и кабельная сборка под её разъём. Без них провода к плате не подключить.
• Кабель с экраном для аналоговых сигналов и отдельная прокладка от силовой части — раздел кабели и провода.
• Клеммы для разделки сигналов в шкафу — раздел клеммы и клеммные блоки.
• Датчики под выбранный вид сигнала — разделы датчики положения и приближения и датчики температуры.
• Панель оператора или монитор на рабочее место, если компьютер работает и как пульт — раздел панели оператора HMI.
• Сетевая часть, если данные с платы уходят в заводскую сеть — раздел промышленные коммутаторы.
• Корпус или шкаф под компьютер и клеммную часть — раздел шкафы и щиты.

Частые вопросы

Можно ли поставить плату PCI в современный промышленный компьютер? Зависит от модели. Часть промышленных компьютеров сохраняет разъёмы PCI именно ради такого оборудования, часть оставляет только PCI Express. Разъём и его количество проверяются по конкретной позиции до заказа платы.

Сколько каналов брать с запасом? Практический ориентир — на треть больше, чем нужно по проекту. Причина не в росте задачи, а в том, что часть каналов уходит на контроль самой схемы: опорный сигнал, проверка цепи, запас под повреждённый вход.

Обязательна ли развязка каналов? На участке с приводами и преобразователями частоты — да. Без развязки измерение искажается наводками по общему проводу, а при пробое силовой части повреждение переходит на плату и компьютер.

Чем сигнальная плата контроллера отличается от платы для компьютера? Местом установки и назначением. Сигнальная плата встаёт в сам контроллер и добавляет ему два-четыре канала без отдельного модуля. Плата для компьютера ставится в разъём вычислительной машины и работает только вместе с её программой.

Что прислать для подбора? Перечень сигналов с указанием вида и диапазона, требуемую частоту опроса, модель промышленного компьютера и свободные разъёмы в нём, операционную систему и среду, в которой пишется программа, наличие частотных преобразователей на участке и расстояние от датчиков до шкафа.

Что мы делаем

Разбираем перечень сигналов, подбираем плату по типу и числу каналов, проверяем разъём и драйвер под установленный компьютер, считаем клеммную часть и кабельные сборки и говорим прямо, когда задача дешевле решается станцией ввода-вывода. Разделы — платы ввода-вывода и сбора данных, промышленные компьютеры, модули ввода-вывода и промышленная автоматизация.

Пришлите перечень сигналов и модель компьютера на prom@tkasiatorg.ru — подберём плату и клеммную часть, проверим совместимость с разъёмом и программой и назовём сроки поставки.