PLC-AUTOMATIZACE - PERIFERIE - ANALOGOVÉ PERIFERIE - ANALOGOVÉ VÝSTUPY Provoz webu zajišťuje:

www.hapesoft.cz

Analogové výstupy

Analogové výstup převádí interní číselnou hodnotu PLC na elektrický spojitý analogový signál charakteru napětí (U) nebo proud (I), tj. základní elektrické veličiny, které je možno dále využít k řízení technologických procesů s použitím vhodných akčních (výkonových) prvků jako jsou regulační smyčky, řízení rychlosti motorů, výkon plynového hořáku, nastavení proporcionálního ventilu atd.

Velikost / rozsah analogového signálu

Standardní analogové signály pro řízení technologických procesů v regulačních obvodech jsou unipolární (pouze kladné hodnoty) nebo bipolární (kladné i záporné hodnoty) napětí, (0 ... 10V, -10V ... +10V) a proud (0 ... 20mA, 4 ...20mA, -20mA ... +20mA).

Čip (např. integrovaný monolitický obvod) výstupního analogového převodníku má fyzicky jeden napěťový nebo proudový výstup. Podle konfigurace modulu (je-li tato možná) je výstup digitálně - analogového převodníku upraven pro napěťový nebo proudový výstup, v každém případě je proudově posílen i u napěťových výstupů.

Varování
Dlouhodobé přetížení, zkrat vede k nevratnému poškození výstupních obvodů, které mohou úplně ztratit funkčnost nebo jsou dále ovlivněny chybou převodu signálu.

Modul analogových výstupů

Modul analogových výstupů obsahuje zpravidla (minimálně) jeden D/A převodník a požadovaný počet výstupních analogových signálů je řešen demultiplexerem, kdy je velikost analogové hodnoty postupně ukládána do analogových pamětí pro jednotlivé výstupy (kanály). Důvodem je cenová úspora za vlastní D/A převodník a úspora rozměrů. Blokové schéma modulu digitálně-analogového převodníku je uvedeno na obrátku 1.

Zápis hodnoty do D/A modulu

Velikost požadované analogové výstupní hodnoty je možno do periferie zapisovat tehdy, když dojde k její změně (je k dispozici nová aktualizovaná hodnota) nebo cyklicky (což je častější), v každém cyklu PLC. Ani pro jeden z uvedených příkladů není ale zaručeno, že právě v aktuálním cyklu PLC bude výstupní analogová hodnota aktualizována. Výstupní analogový modul provádí vlastní cyklus převodu číselné hodnoty na hodnotu analogovou. Jednotlivé přijaté hodnoty z PLC jsou ukládány do číselné mezipaměti jednotlivých kanálů a zpracovány v interním cyklu modulu. Multiplexer tyto číselné hodnoty, postupně vybírá a jsou zpracovány převodem na analogový signál. Výslednou analogovou hodnotu ukládá (zapisuje) do krátkodobé analogové paměti konkrétního kanálu. Vzhledem k zvyšování rychlosti taktu (frekvence) pro řízení mikročipů jsou analogové periferie dostatečně rychlé na to, aby bylo možno reálně pracovat i s takto získanými analogovými hodnotami, řízený proces je zpravidla mnohonásobně pomalejší. Taktéž bývá možno na (pro) periferii nastavit kolik analogových signálů (označovány jako kanály) má být obsluhováno vlastním cyklem periferie a tím interní cyklus převodu zkrátit. Každý aktivní kanál je potom aktualizován jednou za interní cyklus analogového modulu.

Legenda:
1 - adresová sběrnice, dekodér modulu
2 - vstupní data (sběrnice)
3 - paměť hodnot pro jednotlivé kanály
4 - multiplexer výběru hodnoty
5 - digitálně-analogový převodník
6 - demultiplexer analogové hodnoty
7 - analogová paměť a uzpůsobení výstupů
Obrázek 1.
Principielní schéma modulu D/A převodníku pro 8 kanálů.

CPU (podle programu) nastaví na datové sběrnici (2) hodnotu, která se má převést na analogovou a požadovanou adresu (1) analogového výstupu. Adresa se skládá z adresy modulu a z adresy kanálu (dolní 3 bity adresy pro 8 kanálový převodník). Hodnota je řídícím signálem zapsána do požadovaného modulu a požadovaného kanálu modulu. Vnitřní logika modulu potom cyklicky postupně vybírá přes multiplexer (4) digitální hodnoty jednotlivých kanálů a ty jsou převedeny na signál analogový v D/A převodníku (5). Analogová hodnota je demultiplexerem (6) zapsána do odpovídající analogové paměti (7), podle toho, pro který kanál se převod provádí. Takto se postupně zpracují hodnoty pro kanál 0-7 a cyklus se opakuje.

Převod analogového signálu

Převod číselně vyjádřené hodnoty z CPU na analogový signál probíhá v D/A převodníku, kdy každému bitu slova číselného vyjádření hodnoty odpovídá dílčí hodnota analogového signálu podle váhy konkrétního bitu. Výsledný analogový signál je pak součtem těchto dílčích (váhových) hodnot.

Převod digitálního signálu (hodnoty) na analogový signál se řeší proudovým nebo napěťovým převodníkem.

Proudový převodník

Proudový převodník, s využitím "n" proudových zdrojů podle obrázku 2 využívá žebříčkovou odporovou síť s odpory velikosti 2R a R.

Obrázek 2.
Principielní schéma proudového převodníku.

Princip převodu je takový, že podle aktivních bitů datového slova (digitální hodnoty) jsou nastaveny jednotlivé interní přepínače, které určují připojení daného bodu sítě ke svorce IO nebo /IO. Celková kombinace stavu jednotlivých bitů datového slova a tím i stav přepínačů potom určuje výsledný proud, který protéká body IO nebo /IO přes zatěžovací odpory RL1,2, případně ze vstupů (+) a (-) následujícího operačního zesilovače, na jehož výstupu je napěťová hodnota. Odstupňování váhy proudu dílčích proudů musí odpovídat váze jednotlivých bitů datového slova. Nejnižší bit datového slova 20 ovlivňuje výstupní hodnotu nejméně, má nejnižší významovou váhu, danou počtem bitů datového slova (1/2n) a naopak, nejvyšší bit 2n ovlivňuje výstupní analogovou hodnotu nejvíce (50% rozsahu). U bipolárních převodníků je bit 2n určujícím pro kladnou/zápornou hodnotu výstupního analogového signálu. Tento bit je ve vyjádření hodnoty pomocí čísla integer se znaménkem nejvyšším bitem slova. Principielní schéma na obrázku 1 je pro realizaci bipolárního převodníku nutno upravit doplněním odporu ROFFSET mezi UREF a sčítací bod (-), kterým se posune nulový bod.

Napěťový převodník

Převodník R-2R

Napěťový převodník s využitím "n" napěťových úrovní tvořených žebříčkovou odporovou sítí je uveden na obrázku 3. 

Obrázek 3.
Principielní schéma napěťového převodníku R-2R.

Princip převodníku je obdobný jako v předchozím případě, tedy kombinace váhových bitů datového slova určuje stav odpovídajících interních přepínačů a tím i napětí v součtovém bodě před výstupním operačním zesilovačem. Váha jednotlivých bitů datového slova má shodný význam, tedy bit 20 má nemenší váhu a nejméně ovlivňuje výstupní hodnotu, bit 2n má nejvyšší váhu a výstupní hodnotu ovlivňuje v 50% rozsahu. Na rozdíl od proudově řešeného převodníku musí být bity k žebříčkové síti přiřazeny obráceně. Bez zapojeného odporu ROFFSET pracuje převodník jako unipolární, s tímto odporem jako bipolární, kdy je posunut nulový bod převodníku.

Převodník s váhovými odpory

Napěťový převodník s váhovými odpory je uveden na obrázku 4.

Obrázek 4.
Principielní schéma napěťového převodníku s váhovými odpory.

Princip převodníku je velmi jednoduchý, jedná se o prostý odporový dělič s proměnným (řízeným) odporem, kdy je napětí závislé na kombinaci aktivních bitů datového slova a tím i stavu interních spínačů, které připojují váhové odpory k referenčnímu napětí. Váhové odpory musí hodnotově odpovídat váze jednotlivých bitů datového slova. Čím více bude aktivních bitů datového slova, tím více bude sepnuto spínačů a tím více odporů bude paralelně připojeno na UREF a proud odporem RΣ ve sčítacím bodě bude větší a tím bude i vyšší napětí v tomto bodě. Vzhledem k tomu, že má každý váhový bit přiřazen odpor o velikosti odpovídající váze konkrétního bitu, ovlivní výsledné napětí ve sčítacím bodě podle své významové váhy. Stejně jako v předchozích případech, je takto realizovaný převodník unipolární a je možno jej upravit na bipolární posunutím nulového bodu.

Vyjádření hodnoty analogového signálu

Hodnota analogového signálu se obvykle vyjadřuje číslem velikosti slova, tedy 16. bitů, charakteru integer. Nejvyšší bit je ve slově vyhrazen pro znaménko, u unipolárních signálů vždy =0, u bipolárních signálů =0 pro kladné hodnoty, =1 pro hodnoty záporné.

Přesnost převodníku

Uvážíme-li velikost obvyklého čísla integer v binární soustavě v rozsahu -32.768 ... +32.767 dostaneme limitní přesnost, s jakou je možno nastavit hodnotu výstupního analogového signálu, tj. rozsah 15 bitů + znaménko. V praxi se však málo využívá nejnižší bit slova (20), proto je maximální přesnost ještě poloviční.

Využitelný rozsah čísla integer ještě neznamená, že analogový signál generován s maximální možnou přesností, kterou je možno vyjádřit na zbylých 14 bitech. Z důvodu nižší ceny analogových modulů se vždy nevyužívá všech možných 14 bitů slova (+ znaménko + nejnižší bit = 16) ale pouze ty nejvyšší, tedy používají se i levnější převodníky, které mají aktivních pouze 12, 10, 8 bitů (čím méně bitů, tím nižší přesnost), přitom tyto bity jsou do výstupního slova vkládány od 15. bitu (214) směrem k nižším bitům, (16 bit je znaménko). Zbylé, nevyužité, bity až k 1. bitu (20) jsou v digitálně/analogovém převodníku ignorovány, tedy jako by byly nastaveny na hodnotu 0 (nula). Toto řešení je důležité z toho důvodu, že potom je stejná velikost analogového signálu vždy vyjádřena stejnou hodnotou na nejvyšších bitech slova a odchylka nastává až na nižších bitech podle počtu využitých bitů - přesnosti převodníku. V tabulkách dále je pracováno se šířkou slova 16 bitů včetně znaménka.

Číselný rozsah hodnoty výstupního analogového signálu

Aby byla situace ještě trochu komplikovanější, neodpovídá maximální hodnotě analogového signálu maximální číselné vyjádření. Aby bylo možno zpracovat signál o velikosti např. 10V, musí mít převodník rozsah větší, než je uváděn jako nominální. Tím je možno generovat výstupní analogovou hodnotu, která je větší než nominální. Pokud je překročení nominální hodnoty malé, je hodnota převodu stále správná a to ještě i s požadovanou přesností a linearitě. Při vyšším překročení rozsahu již nelze zaručit přesnost výstupu ale hodnota ještě mění svoji velikost podle změny vstupní číselné hodnoty. Pokud je vstupní číselná hodnota příliš velká, převodník již nemůže dále na výstupu sledovat číselnou hodnotu na vstupu a analogová výstupní hodnota dosáhne limitního stavu.

Standardně je nominální velikost analogového signálu vyjádřena číselnou hodnotou 0 ... +27.648 u unipolárního a -27.648 ... +27.648 u bipolárního analogového signálu slova integer se znaménkem proto, aby nedocházelo k limitaci výstupního analogového signálu přesně s dosažením nominální hodnoty. 

Přehled hodnot vyjádření analogového signálu je uveden v tabulce 1 pro bipolární signál a v tabulce 2 pro unipolární signál.

dekadická
hodnota
%
rozsahu
datové slovo (bit) rozsah
215 214 213 212 211 210 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20
>32511 >117,589000 0 1 1 1 1 1 1 1 x x x x x x x x přetečení
32511 117,589000 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 překročení
27649 100,004000 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
27648 100,000000 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 nominální
1 0,003617 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
0 0,000000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
-1 -0,003617 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
-27648 -100,000000 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
-27649 -100.004000 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 překročení
-32512 -117,583000 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0
<-32512 <117,583000 1 0 0 0 0 0 0 0 x x x x x x x x přetečení
Tabulka 1
Hodnoty pro bipolární signál.
 
dekadická
hodnota
%
rozsahu
datové slovo rozsah
215 214 213 212 211 210 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20
32767 >117,589000 0 1 1 1 1 1 1 1 x x x x x x x x přetečení
32511 117,589000 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 překročení
27649 100,004000 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
27648 100,000000 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 nominální
1 0,003617 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
0 0,000000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
<0 <0.000000 1 x x x x x x x x x x x x x x x přetečení
Tabulka 2
Hodnoty pro unipolární signál.

Reprezentace hodnot výstupního analogového signálu

Digitálně analogový převodník používá jeden univerzální výstup, vždy se stejným rozsahem 0 ...100% (unipolární) nebo -100% ... +100% (bipolární). Výstup je pak nutno upravit analogovým obvodem pro výstup napětí nebo proudu. Konkrétní reprezentaci hodnoty pro různé signály jsou uvedeny v tabulkách: 3 (bipolární signály), 4 (unipolární signály).

dekadická
hodnota
napětí proud rozsah
± 10V ± 5V ± 1V ± 20mA
>32511 11,759 5,879 1,175 23,52 přetečení
32511 11,759 5,879 1,175 23,52 překročení
27649        
27648 10,000 5,000 1,000 20,00 nominální
20736 7,500 3,750 0,750 15,00
1        
0 0,000 0,000 0,000 0,00
-1
-20736 -7,500 -3,750 -0,750 -15,00
-27648 -10,000 -5,000 -1,000 -20,00
-27649 překročení
-32512 -11,759 -5,879 -1,175 -23,52
-32512 -11,759 -5,879 -1,175 -23,52 přetečení
Tabulka 3
Reprezentace hodnot pro bipolární signály napětí a proud.
 
dekadická
hodnota
napětí proud rozsah
1-5V 0-10V 0-20mA 4-20mA
>32511 5,704 11,759 23,520 22,810 přetečení
32511 5,704 11,759 23,520 22,810 překročení
27649        
27648 5,000 10,000 20,000 20,000 nominální
20736 4,000 7,500 15,000 16,000
1        
0 1,000 0,000 0,000 4,000
-1 1,000 ne ne 4,000 překročení
<-1 0,000 0,000 0,000 0,000 přetečení
Tabulka 4
Reprezentace hodnot pro unipolární signály napětí a proud.

Přerušení

Podle typu analogové vstupní periferie je možno zadat podmínky, za jakých má periferie požádat o přerušení, zpravidla diagnostické (přerušení proudové smyčky, analogový signál je mimo povolený rozsah, výpadek napájení, interní chyba atd.).

Diagnostika

Některé vstupní i výstupní jednotky umožňují vnitřní diagnostiku jako je poškození nebo přetížení. Lze diagnostikovat externí závady jako je zkrat nebo přerušení vodičů signálů, výpadky napájení atd., záleží však na typu měřené veličiny.

Galvanické oddělení

Dřívější jednotky periferií byly vyráběny v provedení jako galvanicky vázané nebo galvanicky oddělené. Důvodem byla cena oddělovacích optoeletrických členů potřebných pro galvanické oddělení, v současné době je galvanické oddělení realizováno minimálně na úrovni oddělení interní sběrnice PLC od procesních signálů. Vyrábějí se i jednotky, které mají oddělení jednotlivých signálů, častěji se však jedná o oddělení skupin signálů.


PLC-AUTOMATIZACE - PERIFERIE - ANALOGOVÉ PERIFERIE - ANALOGOVÉ VÝSTUPY
 
Publikovaný obsah je určen pouze pro individuální studium.
Není povolena distribuce, prodej, přetisk a použití textu a/nebo vyobrazení (úplný, dílčí a/nebo částečný), použití ke školení a/nebo výuce (hromadné, skupinové nebo zadávané), veřejné a/nebo skupinové prezentace a ani jiné formy šíření v hmotné a/nebo nehmotné podobě.