какое максимальное кол во входов выходов может иметь контроллер без модулей расширения
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.
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).
Подробнее про входы и выходы можно почитать здесь:
225,051 просмотров всего, 44 просмотров сегодня
Контроллеры Modicon M171/M172
2021-08-18 
Промышленное 
Комментариев нет
В данной обзорной статье рассмотрим контроллеры фирмы Schneider Electric серии Modicon M171/M172. Данная линейка позиционируется производителем, как контроллеры для HVAC систем, то есть их основное применение — это системы отопления, вентиляции и кондиционирования (Heating, Ventilation, & Air Conditioning), а также насосные установки.
В качестве аналогов данных ПЛК, довольно схожих по характеристикам и часто применяемых на реальных объектах, можно отметить ПЛК Segnetics, ОВЕН ПЛК63.
Контроллеры данной серии появились у Schneider Electric сравнительно недавно и призваны заменить линейку контроллеров Modicon М168, которые были сняты с производства в 2016 г. и ранее применялись для подобных задач.
Всего в состав серии входит несколько типов контроллеров — Modicon M171 Optimized, Modicon M171 Perfomance и M172 Optimized и Performance, которые в свою очередь подразделяются на различные модификации.
Конечно, M171 и M172 не могут сравниться по своей производительности с топовыми моделями контроллеров Schneider Electric, такими как Modicon M340 или Modicon M580, но это и не требуется. Для решения заявленных производителем задач, их возможностей вполне достаточно.
Аппаратная часть Modicon M171/M172
Помимо непосредственно самого модуля ПЛК, каждый контроллер может быть оснащен дополнительными модулями расширения входов и выходов, коммуникационными модулями связи.
В базовой комплектации, M171O оснащены 14/22 интегрированными дискретными и аналоговыми входами и выходами (I/O), количество которых можно увеличить в общей сложности до 44 за счет модулей. В качестве коммуникационных портов, имеется разъем для LAN и опционально для Modbus.
В зависимости от типа, они могут быть со встроенным дисплеем, либо без дисплея. В этом случае могут использоваться выносные графические терминалы, в частности TM171DLCD2U, которые подключаются к контроллеру по шине расширения LAN, которая также обеспечивает их питанием.
Также, наряду с терминалами, могут использоваться электронные термостаты TM171DWAL2U или TM171DWAL2L.
Стоит отметить, что как контроллеры, так и модули, причем это относится ко всей линейке, поставляются изначально без клеммных колодок, их придется заказывать отдельно, что на мой взгляд несколько неудобно. Также к минусам конкретно M171O я бы отнес необходимость в специальном кабеле для программирования типа TM171ADMI (Преобразователь USB TTL).
Что касается других контроллеров этой серии, то здесь в плане комплектации все интереснее, особенно это касается Modicon M172. В зависимости от модели, они могут иметь 7,18, 28 или 42 входа и выхода, при этом максимальное количество, при наличии модулей расширения, может достигать 238.
Так, M172P на 28 I/O, имеет на борту по 8 дискретных входов и выходов, 8 аналоговых входов и 4 аналоговых выхода. Для примера, у тех же Segnetics Pixel имеется 6 дискретных входов и 3 выхода, 6 аналоговых входов и 2 выхода.
Дискретные входы (DI)
Рабочее напряжение дискретных входов составляет 24В пост. тока, или 24В перем. тока, максимальная мощность 5 мА. Логика работы входов, в зависимости от модели, может быть только положительной (sink), или положительной и отрицательной (source).
Быстродействующие входы имеют такое же рабочее напряжение, максимальную измеряемую частоту 2 кГц и минимальную длину обнаружения импульса 0,15 мс. Логика работы — sink. Могут использоваться, как обычные дискретные входы.
Дискретные выходы (DO)
Дискретные выходы большинства модификаций контроллеров релейные электромеханические, за исключением моделей, которые имеют букву S на конце — TM172•••18S, TM172•••42S. У них имеется 2 выхода с твердотельными реле (SSR).
Максимальный ток нагрузки для выходов не должен превышать 3А.
Аналоговые входы (AI)
Аналоговые входы конфигурируются для работы с различными типами сигналов — NTC, PTC, Pt1000, 0-20 мА или 4-20 мА, 0-5 В или 0-10 В. Настраиваются попарно, то есть два входа должны принадлежать к одному типу — AI1-AI2 — первая пара, AI3-AI4 — вторая и так далее. Такова особенность схемотехники контроллера. Можно также использовать их, как дискретные входы, это также настраивается программно.
Ниже показаны различные схемы подключения аналоговых входов, в зависимости от типа сигнала:
Аналоговые выходы (AO)
ПЛК оснащены низковольтными аналоговыми выходами 0 — 10В DC, которые также, как и аналоговые входы, конфигурируются программно для работы с сигналами 0-10В, 4-20 мА, либо ШИМ (2кГц, 24 DC).
Также хотел отметить богатые коммуникационные возможности M172. Помимо 4 встроенных портов (2 RS-485, 1 CANopen, 1 Ethernet), есть разъем для подключения различных коммуникационных модулей. Имеется большой выбор вариантов предлагаемых модулей — CAN, Modbus TCP/RTU, Profibus, BACnet, LonWorks.
Помимо этого, все контроллеры Modicon M172P имеют 2 USB порта. Один порт mini-B для соединения с компьютером для программирования и отладки и порт типа A для флеш-накопителя. Помимо USB, для программирования может быть использован Ethernet порт. Также на передней панели есть гнездо для карты Micro SD, которую можно использовать для хранения данных Web-сервера, файлов журнала, либо для расширения внутренней памяти файловой системы.
Питание всех модификаций M172 осуществляется от 24В постоянного или переменного тока, в то время, как M171O могуть быть как от 24В, так и от 220В.
ПО для программирования и отладки
Все ПЛК Modicon M171/M172 являются свободно-программируемыми. В качестве среды разработки применяется EcoStruxure Machine Expert — HVAC (ранее SoMachine HVAC). Причем, данное ПО, предназначено исключительно для этой серии ПЛК, для программирования других контроллеров Schneider Electric требуются разные версии EcoStruxure.
Так, средой разработки для Modicon M221, является EcoStruxure Machine Expert Basic (бывший SoMachine Basic), для M238, M241, M251, M258 — EcoStruxure Machine Expert (SoMachine), для M340, M580, Quantum — EcoStruxure Control Expert (Unity Pro). Такой подход, на мой взгляд, вносит некоторую путаницу и недопонимание.
В отличии от других версий, за исключением по моему EcoStruxure Machine Expert Basic, EcoStruxure Machine Expert — HVAC является бесплатной, ее можно свободно скачать с официального сайта Schneider Electric. Из минусов, сразу же отмечу то, что документации, особенно на русском языке, в сети мало. По сравнению с CODESYS или TIA Portal. Но тем не менее, среда достаточно дружелюбная и освоить ее вполне реально.
Разработчику предоставляется возможность выбора одного из пяти стандартных языков программирования, имеются достаточно развитые средства отладки, библиотечные готовые блоки для работы с различными системами HVAC, частотными преобразователями Altivar.
Интерфейс программы
Изначально, EcoStruxure представлял собой 5 отдельных приложений для настройки контроллера, разработки, дисплея, интерфейсов, но в новых версиях все приложения объединены в единой среде разработки и расположены на четырех вкладках.
Вкладка Configuration служит для настройки конфигурации устройства, создания сетевых подключений и настройки протоколов передачи данных, добавления сетевых переменных, создания страниц веб-сайта и т.д.
Вкладка Programming содержит различные окна для разработки и тестирования непосредственно самой программы.
Вкладка Display предназначена для создания графических интерфейсов для встроенных и выносных дисплеев.
И наконец вкладка Commissioning служит для загрузки проекта в ПЛК, изменения параметров устройства, конфигурации типа сигналов, масштабирования аналоговых значений.
При запуске EcoStruxure Machine Expert — HVAC появляется окно создания нового проекта, в котором можно выбрать ПЛК, из списка поддерживаемых устройств, который будет использоваться. В этом же окне можно открыть уже существующий проект, либо импортировать старый проект, который был создан еще на SoMachine HVAC. Но надо учитывать, что не всегда это получится, возможны несовместимости между SoMachine HVAC и EcoStruxure Machine Expert — HVAC.
После создания проекта, открывается непосредственно главное окно программы, где уже можно перейти на интересующую нас вкладку.
Более подробно EcoStruxure Machine Expert — HVAC рассматривать не будем, так как данная тема требует отдельной статьи, но я надеюсь, что мы еще вернемся к этому вопросу.
Входы и выходы контроллера
Для расчёта системы Умный Дом в первую очередь требуется определиться с количеством входов и выходов контроллера, которые нам понадобятся. Также входы и выходы могут быть дискретными и аналоговыми, бывают также выходы ШИМ для управления светодиодными лентами. При настройке контроллеров понимание этих понятий также является необходимым.
Рассмотрим их по очереди, затем разберём пример расчёта нужного нам количества.
Входы и выходы контроллера
Вход контроллера позволяет ему получать информацию от какого-то элемента. Ко входам подключаются все датчики всех типов и выключатели. Выключатель или датчик даёт сигнал о нажатии или о срабатывании, контроллер его получает, значит, для контроллера это вход.
Контроллер не посылает на датчики и выключатели никаких сигналов, только получает сигналы от них.
Дискретные и аналоговые сигналы
Вход или выход может быть дискретным либо аналоговым.
Датчик движения либо видит движение, либо нет, промежуточных состояний у него нет. Поэтому он подключается к дискретному входу контроллера. То есть, контроллер получает от него либо сигнал «движение есть» либо сигнал «движения нет».
Аналогично, выключатель либо нажат, либо не нажат. На дискретный вход либо приходит напряжение, либо не приходит.
Аналоговый сигнал может принимать разные значения. Самые распространённые варианты сигналов это напряжение от 0 до 10 вольт и ток от 4 до 20 миллиампер. Иногда встречается напряжение от 1 до 10 вольт (чтобы при минимальном сигнале 1 вольт давал понять о том, что устройство подключено) или ток от 0 до 20 мА.
Аналоговый сигнал дают датчики различных переменных значений. Например, датчики температуры с выходным сигналом от 0 до 10 вольт. Если известно, что датчик измеряет температуру в диапазоне от 0 до +50 градусов Цельсия, то 0 вольт на выходе датчика соответствуют 0 градусов, 5 вольт соответствуют 25 градусам, 9 вольт соответствуют 45 градусам. Может использоваться датчик влажности воздуха, датчик уровня углекислого газа, датчик температуры пола или любых других параметров. Все эти датчики дают аналоговый сигнал, подключаются к аналоговому входу контроллера.
Аналоговый выход используется контроллером для передачи управляющего сигнала 0-10 вольт на какое-либо устройство. Например, на диммер освещения или регулятор скорости вентилятора.
Выход ШИМ
ШИМ расшифровывается как «широтно-импульсная модуляция». В наших задачах он используется для регулирования яркости светодиодных лент. На один цвет ленты нужен один выход ШИМ. Контроллер EasyHomePLC имеет на борту 6 выходов ШИМ с мощностью каждого до 1,4 ампер. Если подключаемая лента требует больший ток (скорее всего, это так), то надо использовать усилитель сигнала ШИМ для светодиодной ленты, они бывают в отдельном корпусе или на DIN рейку.
Контроллер Beckhoff не имеет собственных ШИМ выходов, для регулировки яркости ленты в нём используется аналоговый выход 0-10 вольт и отдельный диммер для светодиодных лент.
Порты RS485 и RS232
Через эти порты мы можем подключать различные дополнительные устройства к контроллеру.
По RS232 подключается только GSM модем, он используется для отправки тревожных сообщений и приёма управляющих сообщений, и приёмопередатчик беспроводной системы управления светом и климатом Noolite.
По RS485 подключается огромное множество устройств: многие кондиционеры, вентмашины, генераторы, модули входов и выходов контроллера разного типа, диммеры, конвекторы Varmann и даже приводы электроштор.
У контроллера EasyHomePLC на борту два порта 232 и два порта 485. У контроллера Beckhoff по одному порту, но мы можем ставить дополнительные модули расширения и увеличивать количество портов.
Расчёт количества входов и выходов
Для подсчёта необходимого количества модулей расширения контроллера надо подсчитать, сколько нам понадобится всего входов и выходов. Возьмём для примера 2-комнатную квартиру.
Два крана перекрывания подачи воды в квартиры. Они работают одновременно, так что можно считать 1 дискретный выход.
Три электрошторы. У каждой может быть сигнал открывания и закрывания, так что это 6 выходов.
3 электрических тёплых пола это 3 дискретных выхода.
Посчитаем также общее отключение розеток квартиры (1 выход) и вытяжку санузла (ещё 1 выход).
Нужно ли нам диммирование каких-то групп света? Если да, то считаем аналоговые выходы по количеству диммируемых групп.
Далее считаем входы:
12 выключателей освещения,
3 выключателя штор,
3 датчика движения,
1 датчика открывания входной двери,
3 датчика протечки воды.
Аналоговые входы: 3 датчика температуры воздуха и 3 датчика температуры тёплого пола.
Итого получаем: 25 дискретных выходов, 22 дискретных входа, 6 аналоговых входов.
Если хотим подключить к системе GSM модем, то нам нужен порт RS-232.
Если хотим подключить управление кондиционером, то нам нужен порт RS-485 для подключения ИК-передатчика.
Контроллер EasyHomePLC даёт нам 32 входа, 16 из которых могут быть использованы как дискретные, что полностью покрывает наши потребности по входам.
Также у контроллера есть порты RS232 и RS485.
У контроллера 9 встроенных реле (дискретных выводов), нам нужен дополнительно блок 16 дискретных выходов Овен. Итого, вся автоматика Умный Дом обойдётся в 40 000 рублей + 12 000 рублей, всего 52 тысячи. Добавляем к комплекту модем, реле, приводы радиаторов, ИК-передатчики для кондиционеров, получим стоимость всего комплекта в районе 100 тысяч рублей (зависит от точного количества элементов).
На контроллере Beckhoff такую систему реализовывать нецелесообразно, у центрального контроллера CX8080 нет собственных входов и выходов, придётся набирать их модулями расшинения. Но при желании можно, стоимость контроллера и модулей расширения составит порядка 135 тысяч рублей (без датчиков).