Digitální vstupy

Digitální vstupy převádí vnější dvoustavové signály technologie např. o stavu snímačů polohy (hovorově koncáky), dvoustavových snímačů hodnot, stav tlačítek nebo přepínačů a jiných na interní signály zpracovávané v PLC. Vstupní elektronika modulu je uzpůsobena pro připojení snímačů dvou i tří vodičových.

Vyhodnocení stavu digitálního vstupu

Velikost / rozsah digitálního signálu

Podle typu a provedení zpracovávají digitální vstupy vnější signály v rozsahu 0-5Vdc, 0-12Vdc, 0-24Vdc (standard), 0-48Vuc, 0-125Vuc, 0-230Vac. Volba velikosti vnějšího signálu závisí na prostředí ve kterém má periferie pracovat (např. v prostředí s nebezpečím výbuchu, konkrétního provedení stroje ...)

Hraniční hodnoty, kdy je signál v blízkosti horního nebo dolního rozsahu signálu se udává v technické specifikaci. Pokud se signál nachází mezi těmito hodnotami, není zaručeno, jakou jeho konkrétní velikost periferie vyhodnotí jako stav "zapnuto" nebo "vypnuto", tedy jedná se o nestabilní - hazardní stav, dále viz vyhodnocení stavu Log.1 / Log.0 . V technické specifikaci se taktéž udává reakční hodnota, která vyjadřuje minimální dobu setrvání signálu v jednom stavu, aby ji mohla periferie zaznamenat. V některých případech je možno tuto hodnotu konfiguračně nastavit a dosáhnout tak určité necitlivosti na rušení - zákmity vstupního signálu, tj. nastavení vstupního filtru.

Vstupy SINK/SOURCE

Z hlediska vyhodnocení stavu signálu se periferie rozdělují na periferie s pozitivní logikou (P) (standard), tj. signál je ve stavu "zapnuto" pokud je velikost vstupního napětí U_i v blízkosti horního povoleného rozsahu velikosti signálu, periferie pro tuto logiku jsou označovány jako periferie se vstupy SINK, kdy prou protéká ze snímače do vstupu modulu.

Druhým případem je periferie s negativní logikou (M), tj. kdy signál "zapnuto" je vyhodnocen tehdy, pokud je jeho velikost vstupního napětí U_i v blízkosti dolního rozsahu velikosti signálu, perigerie periferie pro tuto logiku jsou označovány jako SOURCE, kdy prou protéká z modulu do snímače. Schématické zobrazení rozdílu SINK/SOURCE je na obrázku 1.

Obrázek 1.
Principielní schéma modulů SINK/SOURCE.

Volba logiky P/M závisí na potřebě konkrétního stroje ale i na zemi, ve které má být zařízení používáno. Evropský standard používá pozitivní logiku s napětím 24Vdc, logicky toto odpovídá vyjádření: je pod napětím = je zapnuto. Podobná analogie je i digitálních výstupů.

Vyhodnocení stavu Log. 0 / Log. 1

V číslicové technice je principielně jedno, jestli Log. 0 vyjadřuje stav bez napětí a Log. 1 stav pod napětím nebo naopak, protože ani jeden stav nenese informaci o velikosti konkrétného napětí/signálu. V tomto případě záleží na použité logice (P/M) a na prahových hodnotách, kdy je napětí tak nízké, že je stav považován za vypnuto nebo je napětí tak vysoké, že je stav považován za zapnuto. Tyto prahové hodnoty jsou pro různé napěťové soustavy odlišné podle zvoleného normálního napětí a je-li napětí signálu v dané toleranci, přiřazuje se mu stav (logická) Log. 0 nebo Log. 1. Pokud se velikost signálu nachází mezi prahovými hodnotami pro Log. 0 a Log. 1 je tento stav označován jako hazardní, protože není možno správně zjistit jeho příslušnost ke stavu k Log. 0 nebo Log. 1. Příklad vyhodnocení prahových úrovní je uveden v tabulce 1.

Vstupní moduly PLC

Vstupní moduly jsou výrobci dodávány v různých provedení podle toho, jedná-li se o moduly do centrálních sestav PLC, integrovaných v kompaktních PLC, kompatibilních decentrálních periferií (typově stejné), decentrálních periferií jiného typu dále pak podle instalace modulu v rozvaděči nebo o moduly určené pro instalaci bez rozvaděče (IP67), případně moduly učené do výbušného prostředí (Ex) a moduly různého typu se zvýšenou teplotní odolností, odolností proti prostředí jak agresivní tak i odolnost proti vibracím.

Úprava vstupního digitálního signálu

Vstupní signál není možno na sběrnici PLC přivést přímo, jednak z důvodu různých napěťových úrovní a rozsahů ale i z důvodu definovaného vyhodnocení stavu signálu. K tomuto se používají různá zapojení podle velikosti a typu vstupního signálu.

Vstup pro stejnosměrný proud - dc (direct current)

Ukázka řešení vstupního obvodu pro stejnosměrné obvody typu "SINK" (proud protéká ze snímače do modulu) je na obrázku 2a.

Obrázek 2a.
Schéma vstupního obvodu SINK DC.

Odpor R1 slouží k základnmu omezení proudu procházecího vstupním obvodem ve dvou případech. Dioda D1 slouží jako ochrana proti přepólování signálu a záporným špičkám, kdy proud prochází přes odpor R₁ zpět do okruhu (1. případ). Zenerova dioda D₂ vytváří napěťový odstup od stavu vypmuto a to tak, aby se napětí v bodě A objevilo až v případě, že vstupní napětí U_i překročí hodnotu závěrného napětí diody D₂ a proud procházející zátěží R_Z. Zenerova dioda D₃ slouží jako ochrana před přetím v bodě A, v podstatě se jedná o jednoduchý stabilizátor ve spojení s odporem R₁. Kondenzátor C₁ slouží k potlačení vyšších složek signálu, resp. má funkci dolní propusti.

Střední část zapojení obsahuje indikační prvek, LED diodu D₄ s ochranným odporem R₄ a slouží pouze k orientační indikaci stavu signálu. Pokud není v modulu realizováno galvanické oddělení každého signálu, je možno napětí v bodě B upravit odporovým děličem R₂/R_X na potřebnou úroveň a přivést ke vstupu interní elektroniky modulu a odtud se stav signálu přenáší do CPU. V případech, kdy je realizováno galvanické oddělení každého signálu slouží odpor R₂ k omezení proudu LED diody pro optické oddělení O₁ (odpor R_X není potřeba), signál k interní elektronice modulu je přiveden z bodu C.

Vstup pro střídavý proud - ac (alternating current)

Ukázka řešení vstupního obvodu pro střídavý proud je na obrázku 2b.

Obrázek 2b.
Schéma vstupního AC obvodu.

Odpor R₁ slouží k základnímu omezení proudu procházecího vstupním obvodem, kondenzátor C₁ omezuje stejnosměrnou složku signálu, respektive pracuje jako horní propust. V bodě A je napětí vytvořené odporovým děliče, R₁ a R_Z, které se dále použije pro obvod indikace stavu LED diodou D₅. Vzhledem k střídavému proudu je použit usměrňovací můstek (Graetz bridge) z diod D_1-4 a proud diodou je omezen odporem R₃. Použití diodového můstku je zde vhodné k omezení problikávání LED diody, v případě použití jednocestného usměrnění. Z bodu A je dále odebírán proud přes odpor R₂ pro buzení optického oddělení v optočlenu O₁. Pro střídavý proud je nutno použít optočlen s antiparalelním zapojením LED diod, aby byl spínací tranzistor buzen v obou polaritách vstupního signálu. Do interní elektroniky modulu k dalšímu zpracování je pak přiváděn stav v bodu C.

Vstup pro stejnosměrný i střídavý proud - uc (universal current)

Ukázka řešení vstupního obvodu pro střídavý i stejnosměrný proud je na obrázku 2c.

Obrázek 2c.
Schéma vstupního UC obvodu.

Zapojení pro stejnosměrný i střídavý proud není příliš odlišné od předchozího na obrázku 2b. Podstatné je to, že nelze v sérii s odporem R₁ použít kondenzátor C₁, protože by došlo k zamezení průchodu stejnosměrného proudu a je použit pro omezení vlivu vyšších kmitočtů. V porovnání s obrázkem 2a je zřejmé, že do vstupního okruhu signálu je pouze vložen diodový usměrňovací můstek D_1-4 a indikace stavu (LED D₅) a optické oddělení (O₁) je opět stejné.

Filtrování vstupního digitálního signálu

V reálním provozu jsou signály přirozeně zatíženy šumem a parazitními kapacitami, které mohou ovlivnit jednoznačnost stavu signálu, zejména při jeho změně z jednoho stavu do druhého. V takovém případě může dojít při změně stavu k takzvaným zákmitům, a které (zejména u rychlých systémů) mohou vést k nečekanému chování, reakci na tento stav. Prakticky je možno této situaci předejít použitím filtru na bázi číslicového zpracování nebo použitím časovačů.

Číslicový filtr

Číslicový filtr sleduje stav signálu při jeho vzorkování a pokud jsou např. 3 po sobě jdoucí vzorky z 5 shodné, jeho výstup zaujme hodnotu, která odpovídá většinovému stavu. Pokud není dosaženo postupné většiny, výstupní hodnota filtru se nemění. Principielně je vyhodnocení zobrazeno na obrázku 3 pro případy 2 z 3, 3 z 5 a 4 z 7. Prakticky je nutno uvážit, rychlost vzorkování signálu PLC a podle toho zvolit vhodný poměr x z y. U dlouhé doby cyklu postačí nižší hodnoty, u krátkých dob cyklu je potřeba nastavit hodnoty vyšší.

Obrázek 3.
Princip vyhodnocení stavu signálu.

S nástupem jednoúčelových mikročipů a miniaturizaci může být toto filtrování již realizováno přímo v modulu a to podle výrobce a provedení modulu. Při konfiguraci modulu se pak určí, jestli má být filtr zapnut nebo jakou má poskytovat časovou prodlevu vyhodnocení změny signálu (typicky 0,0-20,0ms).

Filtr s časovači

Filtr s časovači pouze aplikuje časovou funkci dvou sériově zapojených časovačů s funkcí časového zpoždění. Jeden časovač přechází se zpožděním zapnutí do stavu Log. 1 po nastavené době, a druhý přechází se zpožděním vypnutí stavu Log. 0. Časové hodnoty pro oba časovače mohou být stejné nebo odlišné podle charakteru přechodového stavu při zapnutí/vypnutí.

Galvanické oddělení vstupních modulů

Galvanické oddělení vstupních signálů od interní elektroniky PLC (minimálně sběrnice) je zcela běžné. Vždy se oddělují signály vyšších napětí (nad 48V), kde je to požadováno i z důvodu bezpečnosti, tak i signály nízkých napětí (typicky 24Vdc). Důvodem je nejen bezpečnost ale i ochrana samotného řídícího systému před jeho poškozením v případě přepětí. Při vzniku takovéto události je modul sice nevratně poškozen ale událost se nešíří dále do systému a nejsou poškozeny další moduly nebo jen moduly sousední (v závislosti na velikosti, době trvání události, tepelné deformace a pod.). Funkčnost systému je sice narušena ale systém je poškozen jen lokálně, nikoliv celý.

Ve specielních případech, jako jsou například čítačové karty pro zpracování signálů enkodérů, typicky inkrementálních snímačů, se tyto vstupy galvanicky od čítací elektroniky neoddělují, galvanické oddělení je řešeno až na úrovni sběrnice. Inkrementální snímače jsou standardně napájeny z čítačového modulu (modul má externí napájení) a v tomto okruhu se nepředpokládá se závada, která by mohla poškodit jak snímač, tak elektroniku modulu. Problematické může pak být poškození signálového kabelu a nežádoucí propojení s jiným napětím. Proti použití optického oddělení hovoří i to, že je požadována vysoká rychlost zpracování signálu z inkrementálního snímače (až 800kHz při zpracování všech hran) a signály se nesmí vzájemně fázově posunout.

Principielně je možno galvanicky oddělit každý vstupní signál samostatně, což je vhodné pro omezení vlivu mezi signály (např. u vyšších napětí) nebo galvanické oddělení realizovat až úrovni sběrnice, tedy oddělení přenosu dat mezi modulem a systémem nebo provést oddělení skupin signálů. Konkrétní provedení závisí nejen na modulu a zpracovávaných signálech ale i na tom, jaký typ přenosové sběrnice je v systému použit (paralelní, sériová). Přesnější informace o způsobu oddělení signálů uvádí výrobce v katalogovém listu modulu. Následující obrázky 4, 5a-5d znázorňují různé možnosti (ne)oddělení digitálních signálů vstupních modulů.

	Legenda (obr. 4, 5a-d): 1 - vstupní elektronika 2 - elektronika skupiny 3 - interní sběrnice 4 - budič sběrnice / propojení 5 - galvanické oddělení dat / adresy 6 - galvanické oddělení signálu
Obrázek 4. Modul bez galvanického oddělení.
Obrázek 5a. Modul bez oddělení mezi signály s oddělením na úrovni sběrnice.	Obrázek 5b. Modul bez oddělení mezi mezi signály s oddělením skupin signálů.
Obrázek 5c. Modul s oddělením mezi signály ve společné skupině.	Obrázek 5d. Modul s úplným oddělením signálů.

Počet signálů vstupního modulu

Nejrozšířenější moduly jsou pro instalaci v rozvaděči, kde není nutno vyšší krytí (kryty pláštěm rozvaděče, skříně). Moduly podle vstupního napětí (stejnosměrné, střídavé) obsahují 8, 16, 32 i 64 vstupních signálů (bitů) v jednom modulu. 64 signálové moduly pak z hlediska velkého množství signálů vyžadují pomocné konektorové a kabelové propoje, zakončené svorkovnicí pro připojení procesních signálů.

U modulů, které poskytují možnost připojení signálu s větším rozsahem, například 48, 125, 230 Vuc (ac/dc) je počet připojitelných signálů nižší z toho důvodu, že se uvažuje vzájemné galvanické oddělení i mezi jednotlivými signály a v tomto případě není možno použít společný napěťový bod a tím narůstá počet svorek modulu.

Integrované funkce vstupních modulů

Podle provedení, respektive funkcí modulu jsou vstupy řešeny jako základní BA (Basic), tedy pouze přenášení stav signálů na sběrnici PLC (dále do CPU ke zpracování). Standardní moduly ST (Standard) pak poskytují další možnosti, jako je zdroj napájení pro snímače a zpětnou kontrolu (detekce přetížení, zkratu) viz obrázek 6.

Obrázek 6a.
Princip detekce napájení.

Jedná se o jednoduchý princip, kdy je přidán interní vstupu, který monitoruje napájecí napětí pro snímače. Při přetížení pojistky F dojde k rozepnutí napájecího okruhu a kontrolní interní kontrolní vstup je bez napětí, což indikuje závadu. Typicky se tohoto využívá u modulů decentrálních periferií, například s přípojnými signálovými konektory M8/M12.

Moduly s rozšířenými funkcemi HF (High Feature) dokáží diagnostikovat přerušení nebo zkrat vstupního signálového vodiče viz obrázek 6b. Princip detekce je takový, že i při rozepnutém stavu snímače protéká vstupem minimální proud I_W, daný odporem R_W (40-45kOhm pro 24Vdc). Modul pro každý vstup disponuje vyhodnocením tohoto (kontrolního) proudu a při jeho absenci generuje diagnostické přerušení.

Obrázek 6b.
Princip detekce přerušení vodiče.

Moduly s rychlou reakcí HS (High Speed) mohou generovat procesní přerušení pro zajištění rychlé reakce odezvy řídícího systému. Moduly vyšší kategorie samozřejmě poskytují i funkce jako moduly nižší kategorie.

Přerušení generované vstupními moduly

Mimo standardního čtení stavu vstupů (vzorkování) a cyklického zpracování v programu dovolují konkrétní vstupní periferie i generování požadavku na procesní přerušení pro zkrácení reakční doby PLC a diagnostické přerušení v případě závady modulu, napájení nebo zjištěného přerušení vodiče podle dispozice modulu.