Digitální výstupy

Digitální výstupy převádí interní signály PLC na signály směřující do technologie např. sepnutí stykače, relé, ventilu, indikace.

Generování stavu digitálního výstupu

Velikost / rozsah signálu

Výstupní signály bývají standardně pro Evropské země o velikosti 24Vdc, zpravidla se zatížením max. 0,5A. Pro potřeby spínání vyšší zátěže jsou k dispozici výkonové periferie s polovodičovými spínacími prvky 1-2 A a taktéž bezpotenciální výstupy řešené pomocí relé (některé i s přepínacími kontakty) až do 5A, případně periferie pro spínání vyššího napětí 24/48Vuc, 48-125Vdc, 120Vac, 230Vac. Definice rozsahu výstupního signálu ve stavu "zapnuto" a "vypnuto" (mezistav není povolen), povolené proudové zatížení, spínací frekvence a další jsou uváděny v technické specifikaci modulů od výrobce.

Výstupy SINK / SOURCE

Stejně jako u digitálních vstupů se u výstupů rozlišují výstupy typu SINK a SOURCE. Standardem pro Evropské země jsou výstupy v provedení SOURCE, kdy ve stavu "zapnuto" protéká proud přes spínací prvek z výstupu modulu do zátěže (relé, ventil, kontrolka). U provedení SINK, protéká proud ve stavu "zapnuto" přes zátěž do vstupu modulu. Oba případy jsou principielně zobrazeny na obrázku 1.

Obrázek 1.
Principielní schéma modulů SINK/SOURCE.

Výstupní moduly PLC

Výstupní 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.

Integrované spínací prvky výstupních modulů

Pro realizaci digitálních výstupů se používá několik málo typů spínacích prvků . Tranzistor - stejnosměrný proud, zatížení 0,5A / 1A / 2A. Triak - střídavý proud, zatížení 1A / 2A. Relé - stejnosměrný i střídavý proud, zatížení až 5A podle druhu zátěže (indukční nebo ohmická) a proudu (stejnosměrný nebo střídavý).

Výstup pro stejnosměrný proud, nízké zátěže - dc (direct current)

Zdrojový (SOURCE) výstupní obvod pro nízké zátěže a stejnosměrný proud bez galvanického oddělení je na obrázku 2a. Principielně se jedná o emitorový sledovač, typicky 24Vdc/0,5A.

Obrázek 2a.
DC výstup bez galvanického oddělení

Pro ochranu před případným přepětím na výstupu je obvod doplněn o ochrannou diodu D₁, která chrání spínací tranzistor T₂. Indikaci stavu výstupu zajišťuje indikační dioda LED D₂ s odporem R₃. Vstupní odporový dělič R₁/R₂ slouží pro přizpůsobení řídícího napětí z logiky modulu pro budící tranzistor T₁.

V případě potřeby galvanického oddělení mezi elektronikou modulu a vlastním výstupem lze použít zapojení podle obrázku 2b, kdy je budící tranzistor T₁ nahrazen optickým oddělením O₁. Princip zapojení a funkčnost je jinak shodná, jako v předchozím přépadě.

Obrázek 2b.
DC výstup bez galvanického oddělení

Výstup pro stejnosměrný proud, vyšší zátěže - dc (direct current)

Obrázek 3.
Výkonový DC výstup

Vyobrazené zapojení je odlišné ve výstupní části od výše uvedených na obrázku 2a, 2b v tom, že spínací tranzistor T₂ je výkonový a v obvodu je navíc doplněn pull down tranzistor T₃. Zapojení je možno dále upravit i pro galvanické oddělení záměnou tranzistoru T₁ za optické oddělení, stejně jako v předchozích případech.

Pull down tranzistor

Na obrázcích 2a, 2b je zapojení, které pouze "dodává" proud I_ON do zátěže v aktivním - sepnutém stavu. Stav, kdy je výstup vypnut není nijak dále ošetřen, výstup "plave". Pokud je zátěží relé nebo solenoid, tedy zátěž s relativně nízkým odporem, nemusí být tento stav na závadu. Pokud je však k výstupu připojeno další zařízení, které má velký vstupní odpor (např. elektronika regulátoru, měniče a pod.) může vlivem parazitní kapacity a indukce dojít na výstupním vedení k nežádoucím stavům, které mohou ovlivnit funkčnost připojeného zařízení. Pro zamezení, resp. omezení těchto stavů je do výstupního okruhu přidán tranzistor T₃ viz obrázek 3, který definuje stav výstupu ve stavu "vypnuto" a to tak, že výstup přizemní a tím dojde ke svodu parazitního napětí proudem I_OFF a napětí výstupu je pak blízké nule.

Stejnosměrný výstup, vyšší napětí - dc (direct current)

Pro specifické aplikace jsou k dispozici výstupy pro spínání vyššího napětí a vyšší zátěže s tranzistorem MOSFET, typicky 48-125Vdc/1,5A. V tomto případě je potřebné galvanické oddělení. Zapojení je uvedeno na obrázku 4.

Obrázek 4.
Výstupní obvod pro střídavý i stejnosměrný proud s vyšším napětím

Výstup pro střídavý proud - ac (alternating current)

Zapojení výstupu pro střídavý proud je uvedeno na obrázku 5. U výstupů pro spínání střídavého proudu se vždy z důvodu bezpečnosti vyžaduje galvanické oddělení, protože se předpokládá spínání napětí, které již není bezpečné, typicky 120-230Vac/1-2A.

Obrázek 5.
Výstupní obvod pro spínání střídavého proudu

Jako spínací prvek pro spínání střídavého proudu se používá triak (dva antiparalelně zapojené tyristory) doplněný RC obvody a optického oddělení O₁ pro aktivaci řídícího vstupu triaku. Vzhledem k tomu, že se jedná o spínání střídavého proudu nelze k ochraně spínacího prvku (triak) použít diodu (jako u stejnosměrného proudu) ale je nutno použít sériovou kombinaci R_S/C_S.

Univerzální výstup - uc (universal current)

Univerzální výstup dovoluje spínat okruhy se stejnosměrným i střídavým proudem, viz obrázek 6. Pro spínání je použit tranzistor JFET sloučený s galvanickým oddělením a jednoduchou ochranou varistorem, typicky 24-48Vuc/0,5A.

Obrázek 6.
Výstupní obvod pro střídavý i stejnosměrný proud

Reléový výstup

Reléový výstup je používán pro spínání stejnosměrného i střídavého proudu vyšších hodnot nebo v případech, kde je nutno vyloučit ovlivnění signálu polovodičovým spínacím prvkem (příklad přepínání/spínání analogových signálů). Zapojení reléového výstupu je uvedeno na obrázku 7, typicky 120-230Vac/2-5A.

Obrázek 7.
Výstupní obvod realizovaný reléovým kontaktem

Ačkoliv je obecně relé a reléový kontakt považován za dostatečné galvanické oddělení je potřeba zajistit i galvanické oddělení mezi pomocným napětím L+ pro napájení samotných relé. Pomocné napájení se používá z toho důvodu, že proudové zatížení samotnými relé může a zpravidla je vyšší, než by mohl poskytnout interní zdroj dodávající proud přes napájecí část sběrnice modulu.

Ochrana spínacích prvků

Na obrázcích 2-7 je zobrazena ochrana spínacího prvku vhodnými pasivními součástkami, podle spínaného proudu. Tyto součástky však poskytují pouze základní ochranu spínacího prvku, integrovanou v modulu periferie vhodnou pro ohmickou zátěž, případně pro indukované napětí na vodičích. Při spínání indukčních zátěží je nevýhodou to, že ochrana je navržena obecně podle předpokládaného zatížení a je umístěna u spínacího prvku, nikoliv u zdroje, tedy místa vzniku možného přepětí, což je indukční zátěž (cívka relé, stykače, solenoidu).

Za účelem ochrany spínacího prvku přímo u zdroje možného přepětí se dodávají ochranné moduly, které se připojují co nejblíže k indukci, tj. na svorky cívky. Při volbě ochrany je nutno zvolit správný typ podle stejnosměrného nebo střídavého proudu, procházející obvodem. Příklady ochran jsou zobrazeny na obrázku 8.

Obrázek 8.
Příklady ochrany spínacích prvků

Exituje několik typů pasivních ochran pro omezení přepětí indukovaného na cívce, a to podle proudu, kterým je cívka buzena ale i podle charakteristiky ochrany.

Případ a zobrazuje ochranu, která je realizována sériový zapojením RC členu. Ochrana je vhodná pro obvody se střídavým proudem (zejména spínaných triakem), ale je možno ji použít i pro obvody stejnosměrné. Výhodou je velmi malé ovlivnění prodloužení vypínacího času (typicky 1 ms), potlačení rušení, útlum závislý na velikosti signálu ale nemá definovanou mez přepětí, má velký spínací proud a je citlivý na harmonické složky.

Případ b zobrazuje ochranu, kde je jako ochranný prvek použit varistor. Výhodou je univerzálnost použití pro stejnosměrné i střídavé okruhy, nezatěžuje spínací prvek velkým proudem při zapnutí a má definovanou velikost přepětí. Ovlivnění doby vypínání je malé (typicky 2-5 ms). Nevýhodou je, že neomezuje strmost nárůstu napětí jako RC člen a reaguje až při napětí (U_VDR) a jsou méně vhodné pro obvody spínané triaky.

Případ c zobrazuje ochranu, kde je použita kombinace diod, zenerovy a nulové diody. Výhodou je omezení přepětí na velikost U_ZD. Nevýhodou je omezení pouze pro stejnosměrné obvody, delší doba vypínání (~30 ms) a mořné problémy s EMC.

Případ d zobrazuje ochranu, kde je použita pouze nulová dioda. Výhoda tohoto řešení je pouze ta, že je velmi jednoduchá. Nevýhodou je znační zpoždění při rozpínání (~45 ms), nestabilita a omezení použitelnosti pro cívky stykačů do 5,5kW.

Případy e a f jsou pouze úpravou a rozšířením předchozích ochran o indikační prvek stavu.

Galvanické oddělení výstupních modulů

Galvanické oddělení výstupních signálů ve skupinách nebo jednotlivě (viz příklady výše) je podobné jako u digitálních vstupů s tím rozdílem, že směr signálu a tok datových informací na sběrnici je obrácený.

Počet signálů výstupního modulu

Počet výstupních signálů integrovaných v jednom modulu bývá odlišný nejen podle fyzické velikosti modulu ale i podle toho, s jakým napětím a proudem výstupy pracují. Pro výstupní moduly určené do centrálních sestav PLC a decentrálních periferií stejného provedení pro napětí 24Vdc a zatížení 0,3A se vyrábějí moduly s 64 výstupy, pro 24Vdc/0,5A jsou vyráběny moduly s 32 výstupy standardního provedení nebo se 16 výstupy ale rozšířenými funkcemi modulu jako je diagnostika. Se zvyšujícím se výstupním napětím nebo proudem počet výstupů v modulu klesá. Důvodem je jednak nutnost zajištění oddělení signálových cest na plošném spoji (větší mezery) u vyšších napětí ale i potřebný průřez vodiče plošného spoje u vyšších proudů. Dalším faktorem limitujícím počet výstupů modulu je možné oteplení součástek za provozu, kdy se předpokládá pouze přirozené chlazení samovolnou cirkulací vzduchu. Standardně se předpokládá taková montáž, kdy jsou průduchy modulu nahoře a dole (modul osazen horizontálně), při montáži pootočené o 90 stupňů (což není zakázané, modul osazen vertikálně) udávají výrobci nižší povolenou provozní teplotu v rozvaděči nebo snížené proudové zatížení. Dalším limitujícím faktorem je i rozměr spínacích prvků v modulu, kdy pro vyšší napětí a proudy jsou tyto prvky robustnější (jak polovodičové, tak relé) a prostorově není možno do modulu umístit více součástek.

U decentrálních periferií, které bývají jiného provedení, je počet výstupů v modulu redukován na 16 (24Vdc/0,5A) a dále na 8, 4 i 2 výstupy podle spínaného napětí a proudu.

Počet výstupů v modulu je zpravidla sudý a je-li to možné, jsou výstupy seskupeny po 8, což odpovídá velikosti 1 Byte. Pokud je počet výstupů nižší, mohou být nevyužité bity jednoduše ignorovány (nepoužity) nebo je u některých systémů možno provést kompresi adres tak, aby bity sousedních modulů tvořily jeden Byte.

Skupiny výstupních signálů

S množstvím signálů výstupního modulu souvisí i jejich skupinování, tedy takové zapojení, kdy jedna skupina výstupů má společnou svorku pro přivedení řídícího napětí. U výstupních modulů pro nízké napětí a malé proudy (24Vdc/0,5A) se zpravidla volí skupina po 8 výstupních signálech, v případech, kdy se jedná o výstupní modul pro vyšší napětí nebo proud se volí menší skupiny výstupů. To umožňuje lepší flexibilitu využití výstupů pro různé okruhy ale je i logickým využitím prostoru signálového konektoru (patice), kdy by zůstalo mnoho přípojných bodů nevyužito.

S ohledem za teplotní charakteristiku součástek, oteplení a zatížení plošného spoje, může být maximální povolený proud skupiny (proud na společné svorce) nižší, než je součet povolených proudů jednotlivých výstupů.

Řešení bezpečnosti, jištění

Správné využití společných a oddělených svorek pomocného nebo výkonového napájení umožňuje rozčlenit ovládací okruhy do jednotlivých skupin - sekcí bezpečnostních a jistících okruhů a to tak, že řídící napětí jednotlivých sekcí je jištěno a ovládáno samostatně samostatnými okruhy bez toho, aby rizikový stav ovlivňoval jinou skupinu, příklad viz obrázek 9.

Obrázek 9.
Jištění a využití skupin výstupů pro standardní a bezpečné okruhy.

Na obrázku je zobrazena digitálná výstupní periferie DQ, která má dvě skupiny po 4 výstupech. Každá skupina má oddělené napájení, což umožňuje kombinovat funkčnost napájení i bezpečnosti. Skupiny výstupů mají samostatné jištění F₁, F₂. Okruhy napájení, které jsou odpínány při rizikovém stavu jsou vyznačeny žlutě.

Skupina 1 je určena pro obvody, které jsou trvale pod napětím při zapnutí a nereagují na obvod nouzového vypnutí. Obecně se jedná o okruhy indikace a části zařízení, na které nemají vliv rizikové stavy zařízení nebo naopak musí zůstat funkční za účelem dosažení bezpečného stavu zařízení.

Skupina 2 je bezpečnostní skupina, která má ovládací napětí přivedené přes bezpečnostní relé K₁, který zajišťuje odepnutí řídícího napětí v případě havarijní situace. Pokud není obvod bezpečnostního relé aktivní (zapnut), není do okruhů přivedeno žádné ovládací napětí (žlutě vyznačeno). Potom nemohou být aktivovány ani akční členy připojené na výstupy této skupiny a to bez ohledu na to, jaký je logický stav výstupů, řízených z programu. Nelze však tvrdit, že jednotlivé výstupy jsou bezpečně sepnuty/rozepnuty podle programu.

Integrované funkce výstupních modulů

Podle provedení, respektive funkcí modulu jsou výstupy řešeny jako základní BA (Basic), tedy pouze přenášení stav signálů ze sběrnice PLC (z CPU po zpracování). Standardní moduly ST (Standard) pak poskytují další možnosti, jako je kontrola napájení a zpětnou kontrolu (detekce přetížení, zkratu) viz obrázek 10.

	Legenda: 1 - galvanické oddělení 2 - výstupní elektronika se zpětnou vazbou 3 - elektronika modulu 4 - sběrnice PLC
Obrázek 10. Princip detekce závady výstupního modulu.

Jedná se o jednoduchý princip, kdy je přidány interní vstupy, které monitorují napájecí napětí a napětí za pojistkou. Při ztrátě napájení (+L) nebo přetížení pojistky (F) dojde k přerušení napájecího okruhu skupiny a kontrolní interní vstupy jsou bez napětí, což indikuje závadu. Typicky se tohoto využívá u modulů, kde je potřeba diagnostikovat chyby okruhů.

Moduly s rozšířenými funkcemi HF (High Feature) dokáží diagnostikovat přetížení nebo zkrat výstupního signálového vodiče. Princip detekce je obdobný jako při monitorování napětí přidáním pomocného kontrolního vstupu ke každému výstupu. Modul pro každý vstup disponuje vyhodnocením tohoto (kontrolního) stavu a při jeho absenci generuje diagnostické přerušení.

Moduly s rychlou reakcí HS (High Speed) mohou pracovat v isochtonním módu (doplnit link) pro zajištění rychlé reakce synchronizace s ostatními periferiemi řídícího systému. Moduly vyšší kategorie samozřejmě poskytují i funkce jako moduly nižší kategorie.

Pro správné vyhodnocení závady na modulu platí, že nejvyšší prioritu má informace o stavu napájení (L+) a pokud nastane tato závada, je diagnostika dalších závad potlačena. Střední prioritu má detekce přerušení pojistky, tato závada může být potlačena pouze chybou napájení (L+) a sama potlačuje závadu konkrétního jednotlivého výstupu. Nejnišší prioritu má detekce závady konkrétního jednoho výstupu a může být potlačena předchozími závadami.

Přerušení generované výstupními moduly

Mimo standardního zápisu stavu vstupů v cyklickém zpracování v programu dovolují konkrétní výstupní periferie i zpracování požadavku přímého přístupu pro zkrácení reakční doby PLC a diagnostické přerušení v případě závady modulu, napájení a zkratu podle dispozice modulu.