Дискретные выходы
Выходы микроконтроллера, также как и входы, могут быть аналоговыми и дискретными.
В современных микроконтроллерах с целью уменьшения количества выводов на корпусе микросхемы и уменьшения размеров самой микросхемы, почти всегда выводы делают универсальными. То есть такой вывод может работать как вход, или как выход. Кроме того, обычно он может работать и как аналоговый, и как дискретный. В каком именно режиме работает отдельный вывод — устанавливается программно.
Но в этой статье мы будем говорить именно о дискретных выходах, то есть о том, что это такое, для чего они нужны и как используются (в общих чертах).
Новичкам советую сначала прочитать статьи о дискретных и аналоговых входах, где также рассказано о дискретных и аналоговых сигналах.
Так как входной сигнал от выходного отличается только направлением, то многое из того, что сказано в статье о дискретных входах, справедливо и для дискретных выходов.
Одним из наиболее простых, но в то же время наиболее важных и распространённых применений дискретных выходов микроконтроллера можно считать управление различными устройствами.
Дискретный выход может выполнить только одно из двух действий — либо включить устройство, либо выключить его. Точнее, эти действия выполняет программа микроконтроллера, а дискретный выход — это только аппаратная часть микроконтроллера, которая подчиняется процессору (структура микроконтроллера описана здесь).
Ниже на рисунке очень упрощённо показана схема дискретного выхода.
Как видите, есть два варианта включения. В первом варианте нагрузка включается подачей на выход логического нуля. А во втором — подачей логической единицы.
Более удобно включать нагрузку подачей логической единицы. Но тут есть одно замечание — почти все микроконтроллеры в таком варианте включения способны отдавать в нагрузку меньший ток, чем в первом случае.
Например, при включении по первой схеме вы можете подключить светодиод напрямую к выходу микроконтроллера. А по второй схеме этого сделать обычно нельзя (точнее, можно, но светодиод не будет светиться, так как сопротивление внутреннего резистора в микроконтроллере слишком велико).
Наибольшее значение токов, которые может выдавать дискретный выход микроконтроллера в том или ином режиме, можно узнать в технической документации на конкретный прибор.
Первая схема включения используется обычно для управления нагрузкой до нескольких десятков мА (например, светодиодами).
Вторая схема включения используется реже из-за того, что так можно управлять только очень маломощной нагрузкой. Например, если выход микроконтроллера подключен к входу другого микроконтроллера или какой-то микросхемы.
Увеличить мощность нагрузки можно, например, с помощью транзистора или реле (но об этом в других статьях).
И ещё одно очень важное замечание.
Например, к дискретному выходу микроконтроллеров серии AVR обычно можно подключать нагрузку до 20 мА. Но кроме ограничения по одному выходу, существует также общее ограничение по всем портам ввода-вывода.
Если, к примеру, это ограничение равно 100 мА, то получается, что вы можете подключить наибольшую нагрузку только к пяти дискретным выходам (100 / 20 = 5).
И если при этом у микроконтроллера остаются свободные выходы, то к ним вы уже не можете ничего подключить, потому что будет превышено значение наибольшей допустимой общей нагрузки на все выходы.
Поэтому, когда вы разрабатываете устройство на микроконтроллере, то следует подбирать такой микроконтроллер, который справится с вашей нагрузкой в полной мере. Либо продумывать, как уменьшить нагрузку на выходы (сделать это можно, как я уже говорил, с помощью транзистора или какой-либо специализированной микросхемы).
Типы дискретных выходов ПЛК
Современные интеллектуальные устройства (контроллеры, регуляторы, датчики) имеют дискретные выходы для передачи другим устройствам сигналов о возникающих событиях, а так же для управления исполнительными устройствами. Эти входы могут быть всего нескольких типов.
Промышленные контроллеры, как правило, используют только релейные и транзисторные выходы. В регуляторах иногда встречаются другие разновидности. Далее мы разберём каждый из типов и определим их принцип работы, достоинства и недостатки.
Релейный выход
Такой выход представляет собой обычное электромагнитное реле, управляемое внутренней логикой контроллера. С помощью такого выхода можно скоммутировать любую внешнюю силовую нагрузку: электрическую печь, клапан, насос, привод и т.д. При этом необходимо учитывать мощность коммутируемого устройства (чтобы максимально возможный ток, протекающий в цепи не превышал предельный ток указанный для этого выхода). В технических характеристиках обязательно указывают нагрузочную способность выхода. Может быть 1, 2…10А — это и есть основная характеристика релейного выхода.
Ещё релейные выходы различают по количеству контактов. Как у обычного реле, у релейного выхода могут быть нормально-открытый (НО) и нормально-закрытый (НЗ) контакты. Чаще всего на корпус устройства выводят только НО контакт, как наиболее часто применяемый, для экономии места.
Однако встречаются ПЛК и модули дискретного вывода, где релейный выход имеет перекидной ключ с одним общим контактом — такой ключ называют перекидным.
Схема подключения ОВЕН ПЛК150
Как видно на схеме, дискретные выходы DO1 и DO2 имеют перекидной контакт (3 вывода), а DO3 и DO4 только НО контакт.
Теперь рассмотрим преимущества и недостатки релейного выхода.
- выход уже готов к коммутации силовой (или слаботочной) нагрузки — нет необходимости в использовании внешних реле
- не нужно устанавливать внешний источник пропитки выходов
- релейные выходы независимы друг от друга и могут коммутировать разные по характеристикам цепи (например, один выход может включать лампу на 220В, а другой — капан на 12 В)
- не греются
- искрение контактов при коммутации индуктивной нагрузки
- меньший ресурс (по сравнению с выходом типа «транзисторный ключ»)
- возможно залипание контактов реле при перегрузке
- задержка при срабатывании относительно большая (опять же по сравнению с выходом типа «транзисторный ключ»)
Транзисторный выход (транзисторная оптопара)
Дискретный выход типа «транзисторный ключ» — это электронный ключ реализованный на полевом или биполярном транзисторе. Транзистор пропускает электрический ток, когда на его базу приходит управляющее напряжение.
Такое включение транзистора называют схемой с открытым коллектором.
Транзисторный ключ может коммутировать только цепи постоянного тока. В промышленном оборудовании как стандарт де-факто для дискретных сигналов (как и аналоговых) используется напряжение 24 В. Но ничего не мешает такому выводу коммутировать цепь с напряжением, например, 12 В.
Транзисторные выходы обычно объединяют в каскады.
Существует две разновидности транзисторных выходных каскадов: для втекающего и вытекающего тока.
Выходные каскады для втекающих (слева) и вытекающих (справа) токов. (рисунок с сайта www.bookasutp.ru)
Эти схемы отличаются только общим выводом для каскада. В схеме со втекающим током общим общим выводом является земля, а в противоположном случае общий вывод — питание.
Рассмотрим преимущества и недостатки выхода типа «транзисторный ключ».
- отсутствует искрение контактов и их залипание
- существенно больший ресурс работы
- малая задержка срабатывания
- возможна высокая частота коммутации
- для коммутации силовой нагрузки нужно использовать внешнее реле
- необходимо отдельно пропитывать выходной контакт. Часто для этого требуется отдельный внешний блок питания
- чаще всего выходы связаны в один каскад, поэтому могут коммутировать только устройства, находящиеся в одной цепи
- могут коммутировать только цепи постоянного тока
Симисторный выход (симисторая оптопара)
Этот тип выхода по принципу работы, подключению, достоинствам и недостаткам аналогичен транзисторному входу. Однако, симисторный выход может коммутировать цепи переменного тока.
Такой выход редко встречается в ПЛК. Чаще всего его имеют регуляторы. Например, ПИД-регулятор температуры, который управляет индуктивной нагрузкой (электрическая печь). В этом случае симисторный выход удобен тем, что он как и релейный может коммутировать силовую нагрузку, но исключает искрение контактов.
Входы и выходы контроллера (ПЛК), дискретные и аналоговые
Входы и выходы — базовое понятие любого контроллера. Это может быть промышленный контроллер (Beckhoff, Овен, Siemens, ABB), специальный контроллер для системы Умный Дом (Larnitech, Wiren Board, EasyHomePLC, Evika) или распределённая система KNX или HDL. В любой системе есть элементы типа «дискретный вход», «дискретный выход», «аналоговый вход», «аналоговый выход».
Поскольку для расчёта системы и вообще понимания того, откуда берётся её стоимость, очень важно знать разницу между входами и выходами, расскажу подробнее о них.
Входы контроллера
Вход — это клемма для подключения какого-либо источника сигнала, который передаёт информацию в контроллер. Какие могут быть источники сигнала?
Выключатель — это источник сигнала. Сигнал может быть либо «нажато» либо «не нажато». То есть, либо логический ноль, либо логическая единица.
Тут мы переходим к понятию того, что вход и выход может быть дискретным (бинарным или цифровым его могут называть) или аналоговым. Дискретный — значит, воспринимающий либо единицу, либо ноль. Выключатель подключается к дискретному входу, так как он либо нажат, либо не нажат, других вариантов нет.
Дискретный вход может либо ожидать появления какого-то напряжения, либо замыкания входа на землю. Например, контроллер ОВЕН ПЛК воспринимает как логическую единицу появление на входе напряжения от +15 до +30 вольт. А контроллер WirenBoard ожидает, что на входе появится земля (GND). В первом случае на выключатель надо подать +24В, чтобы при нажатии кнопки на вход контроллера пришли +24 вольта, во втором — на выключатель подаём общий минус (землю) с того же модуля входов, при нажатии она придёт на контроллер.
Датчик движения также подключается к дискретному входу контроллера. Датчик либо подаёт сигнал о том, что движение есть, либо о том, что движения нет. Вот схема подключения датчика Colt XS:
Два левых контакта — напряжение питания датчика, +12 вольт. Два средних контакта — тревожный контакт, он нормально-замкнут. То есть, если движения нет, то N и С замкнуты, если движение появляется, то N и С размыкаются. Так сделано для того, чтобы если злоумышленник перережет провод датчика или повредит датчик, то цепь разорвётся, что приведёт к сработке сигнализации. Если на датчик не подавать питание, то N и С также будут разомкнутыми.
В случае с контроллерами Овен, Beckhoff и большинством других контроллеров, нам надо подать на один из контактов датчика +24 вольта, а другой подключить ко входу контроллера. Если контроллер видит на входе +24В, то есть, логическую единицу, то всё в порядке, движения нет. Как только сигнал пропадает, значит, датчик сработал. В случае с контроллером, который детектирует не напряжение, а землю (как в Wirenboard), мы подключаем N к общему минусу контроллера, С так же к его входу.
Контакты Т датчика — это тампер, датчик вскрытия корпуса. Они также нормально замкнуты, размыкаются при вскрытии корпуса датчика. Такие контакты есть у многих элементов охранных систем. Для датчиков охранной сигнализации тампер можно подключить последовательно клеммам сработки, для датчиков на включение света можно вообще не подключать тампер.
Датчик протечки воды также подключается к дискретному входу. Принцип тот же — при отсутствии протечки с датчика приходит сигнал. Нужно по каждому датчику смотреть по инструкции, замкнут он в случае протечки или разомкнут.
Аналоговый вход контроллера видит не просто наличие или отсутствие сигнала, он видит величину сигнала. Универсальный аналоговый сигнал — это от 0 до 10 вольт постоянного тока, такой сигнал даёт множество разных датчиков. Либо от 1 до 10 вольт. Есть ещё токовый сигнал — от 4 до 20 миллиампер. Почему не от ноля, а от 1 вольта или 4 миллиампер? Чтобы понимать, работает ли вообще источник сигнала. Если датчик с выходным сигналом 1-10 вольт выдаёт 1 вольт, значит, это соответствует минимальному уровню измеряемой величины. Если 0 вольт — значит, он выключен или сломан, а может, провод оборван.
Датчики температуры могут выдавать от 0 до 10 вольт. Если по паспорту датчик измеряет температуру в диапазоне от 0 до +50 градусов, значит, сигнал 0 вольт соответствует 0 градусов, сигнал 5 вольт соответствует +25 градусов, сигнал 10 вольт соответствует +50 градусов. Если датчик измеряет температуру в диапазоне от -50 до +50 градусов, то 5 вольт от датчика соответствуют 0 градусов, а, скажем, 8 вольт от датчика соответствуют +30 градусам.
То же с датчиком влажности или освещённости. Смотрим диапазон измерения параметра, смотрим выходной сигнал и можем получить точную измеряемую величину.
То есть, аналоговый вход измеряет величину сигнала: ток или напряжение. Многие датчики выпускаются в разных модификациях: с выходом по току или по напряжению. Если нам для системы надо найти какой-то редкий датчик, например, уровня определённого газа в воздухе, то, скорее всего, у него будет выход либо 0-10В, либо 4-20мА. У более продвинутых — интерфейс RS485, о нём чуть позже.
Датчики угарного газа, природного газа (метана) и пропана обычно имеют дискретный выход, то есть, подключаются к дискретному входу контроллера и подают сигнал, когда значение измеряемой концентрации газа становится опасным. Датчики уровня углекислого газа или кислорода дают аналоговое значение, соответствующее уровню газа в воздухе, чтобы контроллер сам мог принимать решение о каком-то действии.
Выходы контроллера
Выходы — это клеммы, на которые сам контроллер может подать сигнал. Контроллер подаёт сигнал, чтобы чем-то управлять.
Дискретный выход — это выход, на который контроллер может подать либо логический ноль, либо логическую единицу. То есть, либо включить, либо выключить.
Свет без регулировки яркости подключается к дискретному выходу.
Электрический тёплый пол — тоже к дискретному выходу.
Клапан перекрывания воды, или электрическая розетка, или вентилятор вытяжки, или привод радиатора — они подключаются к дискретным выходам контроллера.
В зависимости от конкретного модуля дискретных выходов выход может быть либо транзисторным (открытый коллектор), то есть, требующим реле для управления каким-то мощным прибором, либо релейным, то есть, к нему сразу можно что-то подключить. Надо смотреть характеристики выхода — коммутируемое напряжение и ток. Важно понимать, что если написано, что выход коммутирует 230 вольт 5 ампер резистивной нагрузки, то это относится только к лампочке накаливания. Светодиодная лампа — надо делить ток на десять. Блоки питания и электромоторы тоже далеко не резистивная нагрузка.
Выход типа «открытый коллектор» не позволяет подключать на него нагрузку, только реле. Надо смотреть, чтобы коммутационные возможности выхода соответствовали току и напряжению катушки реле.
Аналоговый выход — клемма, на которую контроллер может подать сигнал не только включено-выключено, но определённое значение управления. Это те же 0-10 (или 1-10) вольт, либо 4-20 миллиампер. Далее на этот управляющий сигнал мы подключаем либо диммер освещения, либо регулятор скорости вращения вентилятора либо что-то ещё, имеющее соответствующий вход.
Управление освещением — это силовой диммер, который в зависимости от сигнала 0-10 вольт с контроллера даёт на выходе от 0 до 230 вольт переменного тока для питания ламп накаливания или диммируемых светодиодных ламп.
Для светодиодных лент используется ШИМ-диммер (или ШИМ-драйвер или блок питания с диммированием), он по сигналу 0-10 либо 1-10 вольт с контроллера подаёт на ленту широтно-импульсно модулированный сигнал для диммирования. Подробнее про ШИМ у меня написано здесь.
Для вентиляторов используется тиристорный регулятор, часто также со входом 0-10 вольт.
Интерфейсы контроллера
У любого контроллера есть разные интерфейсы связи, которые определяют, с какими устройствами он может общаться. Интерфейсы связи обычно двухсторонние, то есть, контроллер может передавать на них информацию и получать информацию о состоянии.
Интерфейс Ethernet — это подключение к компьютерной сети и интернету для управления с мобильного приложения или общения с другими контроллерами. Аналогично интерфейс Wi-Fi.
Интерфейс RS-485 Modbus — самый распространённый для связи с разной техникой. Это кондиционеры, вентмашины, различные датчики и исполнительные устройства, модули расширения и много чего ещё.
RS-232 это интерфейс с маленькой дальностью линии. Обычно это, например, GSM модемы.
KNX — интерфейс связи с шиной KNX, на которой может находиться очень много устройств всех видов.
Получаем такую сводную картинку по входам и выходам контроллера:
Пример
Возьмём для примера контроллер системы Умный Дом EasyHomePLC 5.2.
У него 32 дискретных входа. Напряжение на входе должно быть от +9 до +60 вольт, чтобы контролер считал его единицей.
Из этих 32 входов 16 могут быть аналоговыми. Сигнал на входе от 0 до 10 вольт.
18 дискретных выходов. Из них 9 релейные (коммутация 16 ампер 230 вольт), 9 открытых коллекторов для подключения внешних реле.
6 ШИМ выходов с током коммутации до 1.4 ампера и напряжением до 30 вольт на каждый выход. Это управление светодиодной лентой, либо сигнал 0-10 вольт, если на ШИМ выход подключить RC-цепочку (резистор и конденсатор будут сглаживать сигнал ШИМ).
Интерфейсов связи у него много: Ethernet, два RS-485, два RS-232, miniUSB (для прошивки).
Сухое, мокрое и дискретное — все о контактах
Дискретный вход (Цифровой вход) — это вход прибора или контроллера для подключения неких внешних устройств или датчиков, чей выход имеет конечное число устойчивых состояний. В системах мониторинга, сетевой автоматики, в охранно-пожарных системах и охранном телевидении, например, таких состояния 2: «замкнуто» и «разомкнуто». Примером дискретного входа может служить, например, шлейф многих охранных сигнализаций, срабатывающих на разрыв линии. Каждый вход для подключения охранных шлейфов в таких системах, по сути, является дискретым входом, который воспринимает только 2 состояния — или обрыв, или, наоборот, замыкание.
Аналоговый вход — более широкое понятие. В отличии от дискретных сигналов (когда имеется конечное число устойчивых состояний, например 2) аналоговые сигналы могут иметь сложную форму и зависимости. Например, изменяющийся уровнеь напряжения или тока в цепи — это аналоговый сигнал. Аналоговый вход контроллера представляет собой вход т. н. АЦП (аналого-цифрового преобразователя — специального устройства, преобразующего аналоговый сигнал в цифровую последовательность (код) для дальнейшей обработки внутри контроллера. Аналоговые входы можно использовать, например, для измерения уровня напряжения, величины сопротивления или протекающего тока и т. д. и т. п.
Дискретный выход (Цифровой выход) — это выход датчика или контрольного прибора, который имеет 2 устойчивых состояния, например, «замкнут» и «разомкнут». Это может быть дверной датчик охранной сигнализации (магнитоконтакт, «геркон»), концевой выключатель, кнопка или выход реле какого-либо прибора. На самом деле, даже транзисторный выход микроконтроллера (типа «открытый коллектор») так же является дискретным, т.к. тоже имеет 2 устойчивых состояния — включен или выключен (транзистор открыт или транзистор закрыт), но в современной автоматике чаще всего можно встретить дискретный выход именно в виде контактов реле, работающих на замыкание, размыкание, или с перекидной контактной круппой — выходы «нормально замкнут» (НЗ, NC), «нормально разомкнут» (НР, NO) и «общий» (C).
«Сухой контакт» — термин, означающий отсутствие гальванической связи между этим контактом и другими электрическими цепями прибора или с землей. То есть это контакт, который гальванически полностью отвязан от всех цепей управляющего устройства. Согласно другом определению «сухим контактом» называют контакт, между выводами которого в любом состоянии нет никакого подведенного напряжения (при отсутствии внешних цепей). Пример «сухого контакта» — выходы реле различных приборов, выключатели, кнопки и т. п.
В противоположность «сухому контакту» существует понятие «мокрый контакт». Это контакт, который в одном из своих положений имеет некое самостоятельно создаваемое напряжение между своими выводами и/или не имеет гальванической развязки с остальными цепями прибора и его источником питания. Пример такого контакта — аналоговый вход контроллера, оптической развязки или выход типа «открытый коллектор».