Podręcznik

Przeznaczeniem modułu wejść cyfrowych DI jest przyjęcie grupy sygnałów cyfrowych (najczęściej w liczbie będącej wielokrotnością 1 Bajtu, czyli 8-miu bitów), pochodzących z kontrolowanego systemu mechatronicznego. Sygnały te doprowadzane są najczęściej bezpośrednio za pomocą przewodów elektrycznych o odpowiednim przekroju (np. linka LGY 1x1.5mm²) do zacisków wejściowych modułu.

Rozwój systemów mechatronicznych, a co za tym idzie i oczujnikowania pracujących maszyn i urządzeń takich jak siłowniki pneumatyczne i hydrauliczne, systemy linii produkujących różne wyroby, itp., doprowadził do występowania w układzie sterowania opartym na sterowniku PLC różnych standardów sygnałów elektrycznych, które musiały zostać wprowadzane do modułu wejść DI jako sygnały cyfrowe. To narzuciło na producentów sterowników PLC dostosowanie modułów wejść do istniejących lub pojawiających się stopniowo nowych standardów napięciowo/prądowych sygnałów. Obecnie najczęściej sygnał cyfrowy, dostarczony do modułu wejść „kryje” się pod postacią napięcia o wartościach DC 12V lub 24V, AC 110V lub 230V oraz prądu DC  4mA lub 20mA. 

Bezpośrednie wprowadzanie napięcia lub prądu o określonej postaci i wartości do poszczególnych zacisków modułu wejść niesie zawsze ryzyko uszkodzenia danego pojedynczego wejścia modułu wejść. Spowodowane jest to tym, że sygnał taki ma swoje źródło we fragmencie kontrolowanego systemu mechatronicznego i na skutek zazwyczaj przypadkowości może się zdarzyć, że taki sygnał wyjściowy w krótkiej chwili może nie odpowiadać standardowi sygnału, dla którego przewidziano moduł wejść sterownika PLC. Na przykład na skutek niezamierzonego uszkodzenia czujnika indukcyjnego, który wysyłał do „swojego” wejścia modułu wejść DI dla stanu „1” przewidziany sygnał cyfrowy o wartości DC 12V, dostarczył sygnał o wyższej wartości wynoszącej DC 24V, co było nieprawidłowe i niedopuszczalne. Gdyby to poszczególne wejście w module wejść nie było odpowiednio „skonstruowane” elektronicznie, nastąpiłoby definitywne uszkodzenie tzw. stopnia wejściowego tego pojedynczego wejścia i najprawdopodobniej konieczność wymiany całego modułu wejść sterownika typu modułowego lub nawet wymianę całego sterownika PLC typu kompaktowego.

Aby zminimalizować wpływ pojawienia się sygnału cyfrowego o niewłaściwych parametrach nawet na pojedynczym wejściu modułu wejść DI, poszczególne stopnie wejściowe każdego wejścia zostały odseparowane galwanicznie od dalszej części elektronicznej modułu wejść sterownika PLC.

 

 

W celu zapewnienia separacji galwanicznej między pojedynczym obwodem elektronicznym danego wejścia modułu wejść DI stosuje się układy optoelektroniczne - tzw. transoptory.

 

 

Wykorzystanie transoptora do separacji galwanicznej sygnału cyfrowego stałoprądowego (wprowadzonego do pojedynczego wejścia modułu wejść DI) od części elektronicznej, związanej z dalszą obróbką tego sygnału ilustruje schematycznie rysunek 23.

 

Rysunek 23: Wykorzystanie transoptora do separacji galwanicznej sygnału cyfrowego stałoprądowego

 

Po zamknięciu obwodu elektrycznego przy pomocy zestyku roboczego przycisku P (Przycisk P=ON), płynący prąd I spowoduje wysterowanie diody D transoptora T. Dioda ta pod wpływem płynącego prądu wyemituje promieniowanie elektromagnetyczne o odpowiedniej długości fali l, które dopłynie do bazy fototranzystora Ft polaryzując go w kierunku przewodzenia. Przechodzenie fototranzystora Ft ze stanu nieprzewodzenia do stanu przewodzenia na skutek odpowiednio niedziałania/działania diody D, wywołuje dwustanową zmianę wartości sygnału elektrycznego o dwóch poziomach napięć, ustalonych za pośrednictwem napięcia Vcc i rezystora R2. Sygnał ten, oczywiście umownie ze zbioru {0,1} dostarczany jest dalej do układu kształtującego, opartego najczęściej na bramce Schmitta, i w konsekwencji „wędruje” do rejestru związanego z modułem wejść cyfrowych, czyli do zespołu komórek pamięci, który odczytywany jest za każdym razem przez mikroprocesor modułu CPU w czasie realizacji tzw. pojedynczego cyklu programowego (ang. One scan cycle) sterownika PLC.

Pokazany na rysunku 23 przykład użycia transoptora T zasygnalizował konstrukcyjnie pierwszy i najczęściej spotykany typ stopnia wejściowego modułu wejść cyfrowych – stopień wejściowy typu ujście (ang. sink in). Stopień wejściowy typu ujście charakteryzuje się tym, że wszystkie katody transoptorów T (lub określona ich liczba z podziałem na grupy wejść cyfrowych) spolaryzowane są ujemnie (jak na rysunku 23), zaś do poszczególnych zacisków modułu, które określają pojedyncze wejścia cyfrowe (tzn. anody transoptorów T), doprowadzone są sygnały wyjściowe systemu mechatronicznego o polaryzacji dodatniej (również tak jak na rysunku 23).

Przeciwstawnym do stopnia wejściowego typu ujście jest stopień wejściowy typu źródło (ang. source in). W tym z kolei rozwiązaniu wszystkie anody transoptorów T (lub określona ich liczba podzielona na grupy wejść cyfrowych) spolaryzowane są dodatnio, zaś do poszczególnych zacisków modułu, które określają pojedyncze wejścia cyfrowe (tzn. katody transoptorów T), doprowadzone są sygnały wyjściowe systemu mechatronicznego o polaryzacji ujemnej. Rysunek 24 ilustruje schematyczne rozwiązanie stopnia wejściowego typu źródło.

 

Rysunek 24: schematyczne rozwiązanie stopnia wejściowego typu źródło w module wejść cyfrowych

 

 

Pokazane na rysunkach 23 i 24 schematyczne rozwiązania pojedynczych wejść cyfrowych modułu DI, aczkolwiek bardzo uproszczone, przeznaczone są odczytywania stanu sygnałów stałoprądowych, które generowane są przez system mechatroniczny. Widać to wyraźnie na podstawie charakteru źródła U zasilające, które dostarcza napięcia stałego do elementu typu przycisk P. (Na rysunku 23 biegun dodatni podłączony jest do pierwszego zacisku przycisku P, zaś biegun ujemny polaryzuje katodę diody D transoptora T).

Wiadomo, że prąd i napięcie ogólnie zmienne, posiada inny charakter niż prąd i napięcie stałe. Zatem układy elektroniczne w stopniach wejściowych modułów DI, zarówno typu ujście jak i typu źródło, do których dostarczane są sygnały rozumiane jako cyfrowe, ale zmiennoprądowe, muszą zawierać dodatkowe elementy elektroniczne, np. diody i kondensatory. Elementy te prostują oraz wygładzają przebiegi takich sygnałów, by dostosować parametry sygnałów zmiennoprądowych do parametrów, które mogą być akceptowalne przez pozostałą część układu elektronicznego stopnia wejściowego modułu DI. Schematyczne rozwiązanie stopnia wejściowego typu ujście dla sygnału zmiennoprądowego w module wejść cyfrowych ilustruje rysunek 25.

 

Rysunek 25: Stopień wejściowy typu ujście dla sygnału zmiennoprądowego: D2 – dioda prostownicza; C – kondensator elektrolityczny

 

Należy nadmienić, co jest oczywistym, że system mechatroniczny, w zależności od jego złożoności, czyli np. liczby użytych czujników, przycisków sterujących, krańcówek położenia, itp., może generować określoną liczbę sygnałów cyfrowych, które muszą być doprowadzone do modułów wejść DI sterownika PLC. Na takie liczbowe kryterium sygnałów cyfrowych musi odpowiadać konfiguracja sterownika PLC, czyli moduły DI sterownika.

Rozwój techniki wytwarzania sterowników PLC, zwłaszcza typu modułowego, doprowadził do istnienia na rynku tych urządzeń takich modułów DI, których konstrukcja pozwala na obsługę liczby sygnałów cyfrowych, będącej wielokrotnością 1Bajtu. (Wśród sterowników typu Compact PLC spotykana jest nawet liczba wejść cyfrowych mniejsza niż 8). Z jednej strony posiada to swoje (historyczne) uzasadnienie z racji tego, że główny moduł pierwszych sterowników cyfrowych, które były rozumiane jako sterowniki PLC, był oparty na układzie mikroprocesora 8-mio bitowego. Z drugiej strony, jeżeli mowa o sterowaniu z wykorzystaniem sterownika PLC, zwłaszcza typu modułowego, to rzadko może wystąpić sytuacja, gdzie kontrolowany system mechatroniczny generować powinien mniejszą od 8-miu liczbę sygnałów cyfrowych, które zostaną jak wiadomo doprowadzone do modułu DI sterownika PLC. Zatem przyjąć należy, że pojedynczy moduł wejść cyfrowych, zarówno typu ujście jak i źródło, zawiera w zależności od potrzeb systemu mechatronicznego 8,16 lub 32 zaciski wejściowe do podłączenia sygnałów cyfrowych. W przypadku sterowników typu wyłącznie kompaktowego, czyli bez możliwości dołączania dodatkowych modułów, powyższa elastyczność w doborze liczby sygnałów cyfrowych do ich obsługi przez moduł CPU nie może być zachowana. Projektant układu sterowania w oparciu o taki sterownik musi posługiwać się liczbą wejść cyfrowych, rozciągającą się od 6-ciu, i dalej poprzez 8, 12, 14, itd. Oczywiście, zwiększenie liczby wejść cyfrowych takiego sterownika pociąga za sobą wymianę sterownika na inny.

Rysunek 26 ilustruje przykład modułu wejść cyfrowych o oznaczeniu SM321 z rodziny sterowników SIMATIC S7 firmy Siemens, który zawiera 32 stopnie wejściowe typu ujście.

 

 

Rysunek 26: Modułu wejść cyfrowych SM321 z rodziny sterowników SIMATIC S7 firmy Siemens: a) schemat elektryczny modułu; b) widok panelu sygnalizacyjno-przyłączeniowego modułu

 

Rysunek 26a) instruuje sposób podłączenia zestyków roboczych elementów systemu mechatronicznego, które generują sygnał cyfrowy. Widać, że stopnie wejściowe oznaczone na rysunku jako 1 („w kółku”), w liczbie 32 pogrupowano w cztery grupy po osiem wejść o numerach: 2÷9, 12÷20, 22÷29 oraz 32÷40. Z każdym takim pojedynczym wejściem związany jest sygnalizator LED (o oznaczeniu 2 „w kółku”), który określa status sygnału cyfrowego: zapali się na zielono tylko wtedy, kiedy na poszczególnym wejściu pojawi się stabilny stan sygnału, określający zadziałanie danego czujnika, przycisku czy krańcówki kontrolowanego systemu mechatronicznego. Oczywiście powyższe jest możliwe tylko wtedy, gdy moduł SM321 zostanie prawidłowo zasilony napięciem DC 24V, podanym do właściwych zacisków modułu. Stany poszczególnych wejść cyfrowych modułu przekazywane są do magistrali 3 („w kółku”), która doprowadza sygnały do modułu CPU sterownika PLC. Rysunek 26b) ilustruje panel frontowy modułu SM321, w którym po odchyleniu na bok zewnętrznych pokryw uzyskuje się dostęp do zacisków przyłączeniowych wszystkich sygnałów, widocznych na rysunku 26a).

Tabela 5 zawiera wybrane parametry techniczne modułu SM321 w wersji wykonania jak na rysunku 26.

 

 

Tabela 5: Wybrane parametry techniczne modułu SM321 rodziny SIMATIC S7 firmy Siemens

Parametr	Wartość
Liczba wejść cyfrowych	32 (typu sink in)
Długość przewodów ekranowanych łączących wejście z obiektem Długość przewodów nieekranowanych łączących wejście z obiektem	1000m 600m
Napięcie zasilania modułu	24V DC
Izolacja galwaniczna wejść	TAK
Pobór mocy przez moduł	6,5W
Kontrola zadziałania wejścia	LED (zielony)
Przedział napięcie wejścia sygnału cyfrowego dla interpretacji „1”	13 do 30V DC
Przedział napięcie wejścia sygnału cyfrowego dla interpretacji „0”	-3 do 5V DC
Pobór prądu przez jedno wejście przy stanie sygnału dla „1”	7mA
Czas trwania impulsu na wejściu przy zmianie sygnału z „0” na „1” Czas trwania impulsu na wejściu przy zmianie sygnału z „1” na „0”	1,2 do 4,8 ms 1,2 do 4,8 ms
Charakterystyka wykonania modułu wg normy	IEC 1131 (EN 61131)
Wymiary: Szerokość x głębokość x wysokość [mm]	40 x 125 x 120
Waga [kg]	0,260

 

 

 

Określony asortyment dostępnych na runku automatyki modułów wejść cyfrowych jest ściśle związany z danym typem modułu CPU oraz określonym producentem sterownika PLC. O tym należy pamiętać dokonując wyboru katalogowego określonego modułu DI dla sygnałów cyfrowych, pochodzących z systemu mechatronicznego.

W sterownikach typu kompaktowego, w których jak wiadomo nie wyróżnia się jawnie jakichkolwiek modułów tego urządzenia, (gdyż są one wbudowane na stałe w obudowę urządzenia), tzw. rejestr wejść (tutaj rejestr dla wejść cyfrowych) jest zawsze widoczny przez mikroprocesor modułu CPU jako konkretna oraz niezmienna tzw. przestrzeń adresowa. Ustalone na stałe umiejscowienie w sterowniku kompaktowym zacisków do podłączenia sygnałów cyfrowych z systemu mechatronicznego skutkuje ustalonymi na stałe i odpowiednio oznaczonymi przez producenta takiego sterownika adresami w rejestrze dla tych wejść cyfrowych. Ilustruje to rysunek 27.

 

Rysunek 27: Ilustracja powiązania adresów fizycznych sterownika kompaktowego z adresami wirtualnymi w rejestrze wejść o oznaczeniu IB0

 

Na rysunku 27 z modułem 8-miu wejść cyfrowych o oznaczeniach od I0.0 do I0.7 powiązany jest 8-mio bitowy rejestr wejść IB0, do którego wpisywana jest informacja zero-jedynkowa, będąca rezultatem braku lub pojawieniu się sygnału cyfrowego na poszczególnym wejściu modułu. Wyjaśniając: niepobudzony przycisk „R” wpisał stan „1” do bitu (komórki) o oznaczeniu 0.1, ponieważ zestyk tego przycisku został zwarty i dzięki temu sygnał cyfrowy w postaci napięcia został doprowadzony do wejścia modułu o oznaczeniu I0.1. Pobudzenie zaś przycisku „R” spowoduje natychmiastową zmianę stanu komórki 0.1 na stan „0”, ponieważ nastąpi przerwanie obwodu elektrycznego poprzez przełączenie zestyku tego przycisku i wtedy brak dostarczania napięcia do wejścia I0.1. Z kolei brak pobudzenia innego przycisku - „P” (I0.6) poskutkowało wpisaniem stanu „0” do komórki o oznaczeniu 0.6 rejestru wejść. Taki stan będzie się utrzymywał do momentu pobudzenia przycisku „P”. Gdy to nastąpi będzie miało miejsce przełączenie zestyku tego przycisku, podanie napięcia do wejścia I0.6 i stan tej komórki 0.6 zmieni się na „1”. Stany pozostałych sześciu komórek rejestru IB0 wynoszą „0”, ponieważ do pozostałych sześciu wejść modułu nie są doprowadzone sygnały cyfrowe, czyli określony poziom napięcia. Jednak takiej sytuacji jak na rysunku 17, tj. braku podłączenia sygnałów, czyli wykorzystania wszystkich wejść modułu DI należy unikać. W praktyce do niewykorzystanych wejść modułu DI podaje się niski poziom napięcia.

Zaprezentowany na rysunku 27 sposób organizacji tzw. przestrzeni adresowej, który obowiązuje dla sterowników PLC typu kompaktowego, zazwyczaj przedstawia się nieco inaczej w przypadku sterowników typu modułowego. Jest to uwarunkowane tym, że w sterownikach tego typu określony moduł, np. DI może mieć indywidualne za każdym razem położenie fizyczne na magistrali połączeniowej. Czyli w przykładowej konfiguracji sterownika modułowego oznaczonej jako „A”, moduł DI umieszczony został jako drugi licząc od modułu CPU, zaś w innej przykładowej konfiguracji moduł DI umieszczony został jako trzeci licząc od modułu CPU.  (Rozmieszczanie na magistrali według indywidualnych uwarunkowań nie dotyczy modułów CPU, bowiem to do nich dokonfigurowywane są pozostałe moduły sterownika, nie zaś nie odwrotnie). Taka cecha konfiguracji, niezmienna, gdyż narzucona przez danego producenta modułów dla sterownika typu modułowego wymusza tzw. dynamiczne przydzielanie przez system operacyjny sterownika przestrzeni adresowej dla danego dołączonego modułu DI. Zatem może się zdarzyć, że identyczny program użytkownika, utworzony dla identycznego sterownika modułowego PLC będzie się różnił wykorzystaniem w programie użytkowym różnych przestrzeni adresowych dla realizacji działań układu sterowania. Oczywiście, pominięcie tego „szczegółu” poskutkuje brakiem realizacji właściwego sterowania systemem mechatronicznym. Dlatego też przy realizacji czynności naprawczych lub rekonfiguracyjnych sterownika PLC typu modułowego, należy w tych samych miejscach fizycznych umieścić podmienione moduły dla zachowania pierwotnej konfiguracji sterownika, pomimo że technicznie wszystkie moduły takiego sterownika można umieścić w dowolnych miejscach magistrali. Bez względu na rodzaj sterownika PLC, tzn. typu Compact PLC czy Module PLC rozmieszczenie rejestrów dla wejść cyfrowych modułu lub modułów DI w tzw. przestrzeni adresowej mikroprocesora modułu CPU jest zrealizowane na podobnej zasadzie.

 

 

Dla wyjaśnienia sposobu rozmieszczenia rejestrów dla wejść cyfrowych modułu DI można się posłużyć analogią do konstrukcji komody z ponumerowanymi szufladami, które z kolei posiadają ponumerowane przegródki. Liczba szuflad tej wirtualnej komody uzależniona jest od parametrów technicznych mikroprocesora, który został użyty jako serce modułu CPU, zaś liczba przegródek w każdej szufladzie jest wielokrotnością 1Bajtu, czyli liczby 8. Przy takiej organizacji wirtualnej komody, która zawiera i szuflady, i przegródki pojedynczy adres komórki rejestru tworzony jest przy użyciu numeracji, która odnosi się zarówno do szuflady jak i do przegródki. Organizację przestrzeni adresowej dla rejestrów związanych z modułami DI sterownika PLC ilustruje Tabela 6.

 

Tabela 6: Organizacja przestrzeni adresowej dla rejestrów związanych z modułami DI

Numer bitu w rejestrze IB dla wejść modułu DI
7	6	5	4	3	2	1	0
I0.7	I0.6	I0.5	I0.4	I0.3	I0.2	I0.1	I0.0	IB0	Numer rejestru dla wejść cyfrowych
I1.7	I1.6	I1.5	I1.4	I1.3	I1.2	I1.1	I1.0	IB1
I2.7	I2.6	I2.5	I2.4	I2.3	I2.2	I2.1	I2.0	IB2
…								…
In.7	In.6	In.5	In.4	In.3	In.2	In.1	In.0	IBn

 

 

 

Odnosząc powyższe do wskazanego na rysunku 16 modułu wejść cyfrowych, który umożliwia podłączenie liczby aż 32 sygnałów, które pochodzą od czujników, przycisków, krańcówek, itp. systemu mechatronicznego, oraz przyjmując, że moduł ten w konfiguracji sterownika modułowego wystąpił by „tuż” za modułem CPU, informacja o stanie tych 32 sygnałów wpisana by została do czterech kolejnych rejestrów dla wejść o organizacji bajtowej, czyli IB0, IB1, IB2 oraz IB3.