Podręcznik

Przeznaczeniem modułu wyjść cyfrowych DO jest dostarczanie do układów i urządzeń systemu mechatronicznego sygnału cyfrowego o odpowiednim poziomie napięcia lub prądu, niezbędnych do ich działania/niedziałania. Podobnie jak to miało miejsce w przypadku sygnałów cyfrowych dla modułów wejść DI, typowe sygnały wysyłane z modułu DO należą do grupy napięcia DC o wartości 12V lub 24V, dalej, napięcia przemiennego AC o wartości 110V lub 230V, jak również prądu DC o wartości 4mA lub 20mA.

Wytworzenie na poszczególnym pojedynczym wyjściu modułu DO sygnału cyfrowego jest możliwe dzięki wbudowanym w moduł DO odpowiednich łączników elektronicznych (półprzewodnikowych) bądź elektrycznych, które zamykają obwód elektryczny związany ze sterowaniem określonym układem lub urządzeniem systemu mechatronicznego. Najczęściej stosuje się następujące typy łączników:

• zestyki przekaźników lub styczników elektromagnetycznych;
• łącza półprzewodnikowe tranzystorów bipolarnych lub unipolarnych;
• łącza półprzewodnikowe tyrystorów lub triaków.

Rysunek 32 ilustruje schemat poglądowy sterowania zestykiem przekaźnika elektromagnetycznego.

 

Rysunek 32: Schemat poglądowy sterowania przekaźnikiem modułu DO

 

Sygnał z modułu CPU polaryzuje w kierunku przewodzenia diodę transoptora, która przechodzi w stan emisji promieniowania elektromagnetycznego w kierunku fototranzystora tego transoptora. Fototranzystor, tym samym spolaryzowany również w kierunku przewodzenia, powoduje przepływ prądu przez cewkę stycznika oraz diodę LED statusu, czyli sygnalizacji optycznej zadziałania tego przekaźnika. Działający przekaźnik powoduje załączenie swojego zestyku, co wywołuje zasilenie cewki stycznika roboczego, którego zestyki główne mogą być teraz wykorzystane do sterowania innych urządzeń czy układów systemu mechatronicznego.

Wykorzystanie łącznika w module wyjść DO do pośredniego sterowania innymi urządzeniami wykonawczymi, posiada znaczenie praktyczne oraz również ekonomiczne. Po pierwsze pozwala na sterowanie cyfrowe dużą liczbą układów i urządzeń systemu mechatronicznego o różnej mocy, które niejednokrotnie wymagają sygnału sterującego cyfrowego (do załączenia tychże) o parametrach elektrycznych przewyższających parametry sygnału cyfrowego, możliwe do uzyskania w module wyjść DO określonego producenta sterownika PLC. Na przykład do załączania silnika elektrycznego dużej mocy, który zasilany jest napięciem AC 3x380V, wymagany jest prąd o wartości 1kA. Nie istnieje taki moduł DO, który byłby wyposażony w łącznik przenoszący prąd o takiej wartości. Jedynym rozwiązaniem jest zastosowanie stycznika dużej mocy, którego cewka będzie zasilana sygnałem cyfrowym o napięciu dla stanu „1”, wynoszącym AC 1x230V przy prądzie AC 2A. Po drugie, wykorzystanie jako łączniki główne zestyków roboczych przekaźników, styczników, itp., czyli elementów łatwych i tanich w ewentualnej wymianie na nowe, eliminuje uszkodzenie łącznika w module DO, co gdyby nastąpiło, zmusiłoby personel techniczny do wymiany całego modułu DO, gdyż pojedynczych uszkodzonych wyjść nie naprawia się.

Należy podkreślić, że występuje zasadnicza różnica w użyciu łącznika półprzewodnikowego typu tranzystor czy tyrystor w dostarczaniu sygnału wejściowego dla systemu mechatronicznego w odniesieniu do łącznika elektrycznego typu zestyk przekaźnika elektromagnetycznego, pomimo faktu, że oba rodzaje łączników modułu DO przeznaczone są do tego samego celu. Powyższe wynika ze sposobu realizacji operacji zadziałania lub załączania ww. łączników. W przypadku tego pierwszego łącznika powiemy, że załączanie odbywa się bezstykowo na skutek polaryzacji złącza p-n lub n-p tranzystora stopnia wyjściowego modułu DO, zaś w tym drugim przypadku powiemy, że załączanie odbywa się za pomocą fizycznego przełączania zestyku elektrycznego z jednej pozycji („otwarte”) do drugiej („zamknięte”) przekaźnika wyjściowego modułu DO. Różne sposoby realizacji zadziałania lub załączania ww. łączników rodzą również i dalsze skutki lub cechy ich użycia. Po pierwsze, łączenie bezstykowe przy użyciu tranzystora czy triaka oznacza również łączenie pozbawione efektu dźwiękowego załączania zestyku, jak to ma miejsce przy łączeniu za pomocą zestyku przekaźnika. (Wśród automatyków znaleźć można porównanie pracy zestyków przekaźników czy styczników do tzw. „szycia”). Po drugie, przy wykorzystaniu łączników półprzewodnikowych można załączać układy i urządzenia systemu mechatronicznego z dużą większą częstością niż to można zrobić przy użyciu zestyku przekaźnika. (Typowa częstotliwość załączania takich zestyków wyrażana jest w milisekundach). Po trzecie i ta cecha jest na korzyść zestyku przekaźnika, prądy płynące przez taki zestyk mogą być większe niż prądy płynące przez łącze półprzewodnikowe. (W przeważającej większości przypadków łącze takie steruje pośrednio cewką innego elementu wzmacniającego ten sygnał cyfrowy, zaś przy zestykach przekaźnikowych spotyka się wiele aplikacji sterowania, gdzie zestyk taki steruje bezpośrednio układem lub urządzeniem systemu mechatronicznego). Po czwarte, parametry techniczne modułów DO, w których łącznikami są tranzystory czy tyrystory nie obejmują trwałości zestyków ze względu na prądy płynące przez łącznik. Przy zestyku przekaźnika w module DO obowiązuje projektanta systemu PLC wiedza na temat trwałości takich zestyków. Ilustruje to Tabela 8.        

 

Tabela 8: Możliwości przełączania i trwałość zestyków przekaźnika w typowym stopniu wyjściowym modułu DO

NAPIĘCIE	PRĄD	ILOŚĆ PRZEŁĄCZEŃ	NAPIĘCIE	PRĄD	ILOŚĆ PRZEŁĄCZEŃ
Obciążenie oporowe			Obciążenie indukcyjne
DC 24V	2,0A	0,1mln	DC 24V	2,0A	0,05mln
DC 24V	1,0A	0,2mln	DC 24V	1,0A	0,1mln
DC 24V	0,5A	1,0mln	DC 24V	0,5A	0,5mln
DC 6OV	0,5A	0,2mln	DC 6OV	0,5A	0,1mln
DC 120V	0,2A	0,6mln	DC 120V	0,2A	0,3mln
AC 48V	1,5A	1,5mln	AC 48V	1,5A	1,0mln
AC 60V	1,5A	1,5mln	AC 60V	1,5A	1,0mln
AC 120V	2,0A	1,0mln	AC 120V	2,0A	0,7mln
AC 120V	1,0A	1,5mln	AC 120V	1,0A	1,0mln
AC 120V	0,5A	2,0mln	AC 120V	0,5A	1,5mln

 

 

 

 

Jak pokazuje Tabela 8 możliwości łączeniowe typowego zestyku przekaźnikowego w module DO są ograniczone. Przy pierwszym oglądzie tych parametrów może się jednak wydawać, że nawet ograniczona ilość przełączeń takiego zestyku wyrażona w setkach tysięcy przełączeń a nawet i więcej, zagwarantuje wieloletnią używalność modułu DO opartego na takich łącznikach. Nic bardziej mylnego. Wystarczy wyobrazić sobie użycie takiego wyjścia modułu do załączania i wyłączania np. cewki elektrozaworu (DC 24V, 0.5A) siłownika pneumatycznego jednostronnego działania powrót sprężyną, który poprzez użycie swojego tłoczyska nanosi etykietę na przesuwającej się po taśmie produkcyjnej butelce z napojem. Przy dużej wydajności takiej linii technologicznej nanoszenie pojedynczej etykiety odbywać się ma co 1 sekundę (co nie jest wartością wygórowaną). Łatwo obliczyć, że w przeciągu jednej godziny taki siłownik „ostemplowałby” 3600 butelek, co przy cyklu dwuzmianowym bez przestoju dałoby liczbę 57600 przełączeń zestyku przekaźnika w module DO wynoszącą 3600 * 16 godzin = 57600. Na podstawie Tabeli 8 uzyskać można orientacyjną żywotność takiego zestyku wynoszącą 1mln /57600 » 17 dni dwuzmianowych. Zatem ekonomika wykorzystania do powyższego celu modułu wyjść cyfrowych DO, w którym zastosowanie miałby łącznik przekaźnika, nie cechowałaby się dużą ekonomiką takiego projektu. Zamiast modułu DO z takim łącznikiem należałby wykorzystać moduł z łącznikiem półprzewodnikowym.

Powyższe pokazuje, że dokonując wyboru modułu DO celem określonego wykorzystania go do sterowania układami i urządzenia systemu mechatronicznego, należy to uczynić nie tylko na podstawie dopasowania modułu pod kątem spełnianej funkcji, ale i parametrów łączników, użytych w module DO.

Rysunek 33 oraz Tabela 9 ilustrują odpowiednio schemat funkcjonalny oraz wybrane parametry techniczne modułu SM322 rodziny SIMATIC S7, który posiada 16 sztuk łączników półprzewodnikowych – triaków.

 

 

Rysunek 33: Schemat funkcjonalny modułu SM322 zawierającego triaki jako łączniki

 

 

Tabela 9: Wybrane parametry techniczne modułu SM322 z rysunku 23

 

Parametr	Wartość
Ilość wyjść cyfrowych (triak)	16
Długość kabla bez ekranu/w ekranie	Maks. 600m/1000m
Napięcie obciążenia	AC 120/230V
Maksymalny pobór prądu przez moduł	200mA
Strata mocy w module	8.6W
Wskaźnik statusu wyjścia	LED zielony
Funkcje diagnostyczne	LED czerwony
Prąd wyjściowy nominalny przy sygnale „1”	1A
Prąd spoczynkowy przy sygnale „0”	2mA
Częstotliwość przełączania: obciążenie rezystancyjne/indukcyjne	10Hz/0.5Hz
Wymiary	40x125x117 mm