نگاهی دقیق به ورودی و خروجی‌های یک PLC می‌تواند به ما در بکار گیری درست آنها در شرایط و مکان‌های خاص کمک نماید. امروز به این مقوله مهم خواهیم پرداخت تا شما در دنیای مهارت به‌راحتی نوع ورودی و خروجی خود را تشخیص داده و در مرحله بعد ماژول مناسب آن را انتخاب نمایید.

آنچه که در این نوشتار خواهید خواند:

• تعریف انواع سیگنال‌های الکتریکی
• ورودی‌های PLC (Input)
• خروجی‌های PLC (Output)
• سؤالات متداول ورودی و خروجی‌های PLC
• منابع

برای شروع در ابتدا به تعریف انواع سیگنال‌های الکتریکی می‌پردازیم تا بدانیم با چه سیگنال‌هایی باید کار کنیم، سپس به‌صورت کامل و با جزئیات وارد بحث ورودی‌های (Input) PLC شده و به تشریح ورودی دیجیتال، ورودی آنالوگ و حتی سیم‌کشی دقیق و انواع آنها خواهیم پرداخت.

پس از اتمام بخش ورودی‌ها نوبت به خروجی‌های (Output) PLC و انواع آن می‌رسد این مبحث هم مانند همتای آن بسیار مهم بوده و موارد اضافی مانند مقیاس‌پذیری را نیز شامل می‌شود.

پیشنهاد ویژه

به شما پیشنهاد می کنیم حتما از آموزش ۰ تا ۱۰۰ PLC (جامع‌ترین آموزش PLC) دیدن نمایید.

آموزش صفر تا صد PLC

تعریف انواع سیگنال‌های الکتریکی

در دنیای سیگنال‌ها به‌صورت کلی با دو نوع سیگنال روبه‌رو هستیم: آنالوگ و دیجیتال. البته برخی مواقع به یکی از آنها ویژگی و صفات خاصی نسبت داده می‌شود و نوع سیگنال خاص نیز پدیدار می‌شود.

سیگنال آنالوگ

سیگنال آنالوگ، یک سیگنال پیوسته و غیر دوحالته می‌باشد و می‌تواند مقادیر مختلفی در بازه ۰ تا ۱۰۰% هر مقداری داشته باشد. مانند میزان جریان درون یک سیم موتور الکتریکی که می‌تواند از ۰ تا جریان نامی هر عددی (مثلاً ۳.۵ آمپر) را اختیار نماید.

این سیگنال از سنسورهایی برای اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیکی با ماهیت پیوسته (مانند دما، فشار، فلو، ارتفاع و …) استفاده می‌کند.

سیگنال دیجیتال

دیجیتال یک سیگنال گسسته بوده که تنها دو حالت یک یا صفر را می‌تواند اختیار کند. به زبان ساده‌تر این سیگنال یا ۰ منطقی است و یا ۱ منطقی، مانند کلاک پالس ۵ ولت که در لحظه یا مقدار آن ۰ ولت (معادل ۰ منطقی) است یا ۵ ولت (معادل ۱ منطقی)، این سیگنال می‌تواند ۰ یا ۱۰۰٪ مقدار ممکن را اختیار نماید.

سیگنال دیجیتال یک سیگنال گسسته است. این سیگنال از تجهیزاتی مانند کلیدها و پوش‌باتِن‌ها و انواع سنسورهای دیجیتال از قبیل لیمیت سوئیچ، سنسور نوری و … دریافت می‌گردد.

سیگنال خاص

سیگنال‌های خاص را نه می‌توان آنالوگ محسوب نمود و نه دقیقاً دیجیتال. این سیگنال‌ها عمدتاً با ایجاد تغییراتی بروی سیگنال‌های آنالوگ و یا دیجیتال پدیدآمده‌اند. برخی از این سیگنال‌ها ممکن است به‌صورت کدگذاری شده نیز مورداستفاده قرار گیرند

در این زمینه می‌توان به سیگنال انکودر، سیگنال شبکه و … اشاره کرد.

ورودی‌های PLC (Input)

در این بخش بدون درنظرگرفتن سیگنال‌های خاص به ورودی‌های دیجیتال و آنالوگ در PLC زیمنس خواهیم پرداخت.

ورودی دیجیتال PLC

ورودی‌های دیجیتال به‌صورت باینری (۰ یا ۱) هستند که در PLC نوشته می‌شوند. این نوع از ورودی در PLC در اکثر مواقع به‌صورت ولتاژ وارد می‌شود و معمولاً سطح منطقی ۱ آن، یک کمیت ولتاژی می‌باشد. به عبارت ساده، برای یک ورودی دیجیتال ۲۴ ولتی (24Vdc) مقدار ۰ ولت بیانگر ۰ منطقی (خاموش – OFF) و مقدار ۲۴ ولت بیانگر ۱ منطقی (روشن – ON) می‌باشد.

معادل انگلیسی ورودی دیجیتال – Digital input می‌باشد که عمدتاً در منابع آموزشی با دوکلمه Di نمایش داده می‌شود.

کارت ورودی دیجیتال

به واسطه‌ای که بروی خود PLC نصب می‌شود و درخواست‌های دیجیتالی را مدیریت می‌کند کارت ورودی دیجیتال (Digital input card) گفته می‌شود.

در داخل هر ماژول ورودی (معمولاً) مجموعه‌ای از دیودهای ساطع‌کننده نور (LED) وجود دارد که با روشن شدن دستگاه، حسگر مربوطه آن فعال می‌شود.

نور هر LED بر روی یک دستگاه حساس به عکس مانند ترانزیستور (photo-transistor) در داخل ماژول می‌درخشد، در نهایت PLC با دیدن این درخشش مقدار منطقی را در حافظه داخلی خود ۱ می‌کند.

این سازوکار (opto-coupled) در هر کانال ورودی دیجیتال یک PLC قرار گرفته است که سبب جداسازی و ایزوله کردن PLC از بیرون می‌شود. مزیت این روش ایجاد حفاظت برای PLC در مقابل ولتاژهای گذرا و قوس‌های الکتریکی می‌باشد.^[1]

ورودی آنالوگ PLC

سیگنال‌های ورودی آنالوگ بر خلاف نوع DISCRETE (دیجیتال) مقادیر پیوسته داشته و دو وضعیتی نیستند. پارامترهای فرایندی مانند دما، فشار، فلو، ارتفاع سطح که در یک بازه مشخص تغییر می‌کنند از جمله مهم‌ترین سیگنال‌های آنالوگ ورودی برای PLC محسوب می‌شوند.^[2]

پارامتر فرآیندی توسط سنسور یا TRANSDUCER به سیگنال الکتریکی تبدیل شده و سپس توسط ترانسمیتر (معمولاً ترانسدیوسر و ترانسمیتر در یک دستگاه عرضه می‌شوند) با تبدیل به سیگنال الکتریکی استاندارد به کارت ورودی آنالوگ ارسال می‌شود. سیگنال الکتریکی پس از تبدیل به دیتا (Data) در اختیار CPU قرارداده می‌شود.

در این کارت‌ها به‌منظور تبدیل سیگنال الکتریکی به دیتا، از واحدی به نام A/D استفاده می‌گردد. سیگنال ورودی به هر کانال کارت آنالوگ به A/D وارد شده و در آنجا به دیتا که یک عدد دیجیتالی ۱۶ بیتی است، تبدیل می‌گردد.

عمل تبدیل توسط A/D، برای هر کانال در کارت آنالوگ ورودی به طور جداگانه و به طور سیکلی انجام می‌پذیرد.

سیگنال‌های آنالوگ متداول سیگنال ۴ – ۲۰ میلی‌آمپر و سیگنال ۰ – ۱۰ ولت DC هستند. بسته به شرایط میدان، سیگنال ورودی می‌تواند بین 4 – 20mA یا 0 – 10Vdc متغیر باشد. به‌عنوان‌مثال؛ اگر فشار آب جاری را در لوله با استفاده از فرستنده فشار بین ۰ تا ۱۰ بار کنترل می‌کنید، فرستنده سیگنالی بین ۰ تا ۱۰ ولت متناسب با فشار لوله ارسال می‌کند.

رزولوشن سیگنال آنالوگ

تعداد بیت‌هایی که باید برای ذخیره مقدار آنالوگ داشته باشید در واقع رزولوشن نامیده می‌شود. مثل تلویزیون. تلویزیون فقط دارای مقدار مشخصی پیکسل برای نمایش تصویر است. در مورد تبدیل آنالوگ به دیجیتال نیز همین‌طور است.

همان‌طور که وقتی از کیفیت تصویر در تلویزیون صحبت می‌شود اسم پیکسل گفته می‌شود، در مورد سیگنال‌های آنالوگ نیز رزولوشن به کار می‌رود.

کیفیت در هنگام برخورد با سیگنال‌های آنالوگ در برنامه نویسی PLC بسیار مهم است. هنگام واردکردن کارت ورودی آنالوگ، سیگنال آنالوگ بر مقادیر ۰ تا ۳۲.۷۶۷ تقسیم می‌شود. اگر مقدار آنالوگ به ۳۶.۷۶۷ تقسیم شود هر بار که مقدار ما ۱ واحد افزایش می‌یابد، به این معنی است که سیگنال آنالوگ با ضریب x mA افزایش‌یافته است.

متاسفانه در حال حاضر و در این پست آموزشی امکان محاسبه mA نیست. چرا که در هر PLC بازه‌های مشخصی با عنوان؛ Rated Range، Overrange و Overflow مشخص شده است که باید با درنظرگرفتن آنها mA محاسبه گردد.

انواع کارت‌های AI

کارت‌های آنالوگ ورودی باتوجه‌به نوع و تعداد سیگنال‌های دریافتی و حد تفکیک کارت به انواع مختلفی تقسیم‌بندی می‌شوند.

به‌عنوان‌مثال کارت SM331 AI8x13Bit را در نظر بگیرید. این کارت از نوع آنالوگ ورودی بوده (AI)، دارای هشت کانال است و حد تفکیک A/D آن ۱۳ بیت می‌باشد.

کارت‌های آنالوگی که دارای حروف RTD بعد از شماره کارت هستند، مخصوص اتصال RTD و مقاومت و کارت‌های TC نیز مخصوص اتصال ترموکوپل طراحی شده‌اند.

سیگنال‌های کارت AI

نوع سیگنال‌های الکتریکی دریافتی توسط کارت AI به چهار گروه تقسیم می‌شود:

سیگنال دریافتی از RTD یا مقاومت

RTD‌ها مقاومت‌های متغیری هستند که برای اندازه‌گیری دما به کار می‌روند. تغییرات دما منجر به تغییرات مقاومت RTD شده و توسط کارت ورودی حس می‌گردد.

RTD‌ها و مقاومت‌ها را می‌توان به‌صورت دوسیمه، سه سیمه یا چهار سیمه به کارت آنالوگ متصل کرد.

سیگنال ولتاژی

این سیگنال از ترانسدیوسرها، ترانسمیترها و پتانسیومترها دریافت شده و دارای گستره استاندارد است. دامنه کارت‌های ساخته شده با سیگنال ولتاژی از ۲۵ میلی‌ولت تا ۱۰ ولت متغیر است.

سیگنال دریافتی از ترموکوپل

این سیگنال توسط میلی‌ولت از ترموکوپل دریافت می‌گردد. برخی از انواع آن عبارت‌اند از:

• نوع E
• نوع J
• نوع K
• نوع T
• نوع S
• نوع R

سیگنال جریانی

این سیگنال از ترانسمیترها و ترانسدیوسرها دریافت می‌گردد. دامنه کارت‌های ساخته شده با سیگنال جریانی از ۴ میلی‌آمپر تا ۲۰ میلی‌آمپر متغیر است.

سیم‌کشی کارت آنالوگ PLC

قبل از شروع سیم‌کشی ماژول آنالوگ PLC، توصیه می‌کنم نه‌تنها دفترچه راهنما را بخوانید، بلکه بدانید با چه نوع سیگنالی سروکار دارید. سیم‌کشی ورودی آنالوگ PLC بسته به نوع سیگنال کمی متفاوت است.

در این آموزش سیم‌کشی دو سیگنال مهم ورودی آنالوگ را پوشش می‌دهیم:

• ولتاژ
• جاری

دلایلی که من سیگنال‌های ورودی آنالوگ را در این دودسته تقسیم می‌کنم تنها به این دلیل نیست که آنها بیشتر مورداستفاده قرار می‌گیرند. به این دلیل است که سیم‌کشی آنها از هم متفاوت است. ازآنجایی‌که این دو نوع سیگنال آنالوگ به طرق بسیار متفاوتی کار می‌کنند، باید آنها را به‌صورت متفاوتی روی ماژول ورودی آنالوگ نیز سیم‌کشی کنید. بروز اشتباه در سیم‌کشی می‌تواند به طور بالقوه ماژول ورودی را خراب کند، بنابراین مراقب باشید!

هر دو نوع سیگنال‌های آنالوگ یک ویژگی مشترک دارند.

مقاومت.

مقاومت عنصری است که ولتاژ را تقسیم کرده یا جریان را محدود می‌کند. در حقیقت، از مقاومت برای اندازه‌گیری جریان استفاده می‌شود.

سیم‌کشی ورودی آنالوگ ولتاژی

استفاده از ولتاژ برای سیگنال‌های آنالوگ بسیار رایج است. سیم‌بندی آنها نیز بسیار آسان است، زیرا اغلب فقط به دو سیم نیاز دارید. اما این بدان معنا نیست که هنگام سیم‌کشی این نوع سیگنال آنالوگ نباید مراقب باشید. اگر به‌درستی سیم‌کشی را پیاده‌سازی نکنید، می‌توانید یک سیگنال آنالوگ معیوب یا حتی بدتر، یک ماژول ورودی آنالوگ خراب ایجاد نمایید.

اساساً همه ورودی‌های ولتاژ آنالوگ دارای دو پایانه هستند:

AGND: زمین یا مرجع ورودی‌های آنالوگ

AIN: ورودی آنالوگ

ولتاژ همیشه بین دو نقطه اندازه‌گیری می‌شود. شما نمی‌توانید یک نقطه را بگیرید و سپس بگویید: در این نقطه ولتاژ ۱۰ ولت است. برای این کار به یک نقطه مرجع دیگر نیاز دارید. درست مثل باتری. یک باتری ۹ ولت بین سر مثبت و منفی، ۹ ولت است.

این همان چیزی است که ما از AGND یا زمین آنالوگ برای آن استفاده می‌کنیم. اختلاف پتانسیل بین AGND و AIN است که PLC میزان ولت ورودی آنالوگ را اندازه‌گیری می‌کند.

وقتی منبع ولتاژ آنالوگ را وصل می‌کنید، AIN جایی است که طرف مثبت (+) آن را متصل می‌کنید. طرف منفی (-) باید به AGND متصل شود. وجود این دو سیم برای سیگنال آنالوگ الزامی است.

با تمام این صحبت‌ها اگر صرفاً این دو را وصل کنید، یک سیگنال بسیار آسیب‌پذیر خواهید داشت!

همان‌طور که در زیر مشاهده می‌کنید، این مسئله با محافظت از سیم‌ها و اتصال به زمین حل می‌شود. توجه داشته باشید که این زمین، زمین AGND نیست.

مسئله این است که همه زمینه‌ها یکسان نیستند. در جایی که AGND به‌عنوان مرجع سیگنال آنالوگ ما (۰ ولت) استفاده می‌شود، شیلد حفاظت باید به زمین متصل شود. چرا که این نویز فقط القاء جریان در سیم‌ها به دلیل میدان‌های مغناطیسی است. با استفاده از شیلد، جریان به‌جای سیم‌های سیگنال آنالوگ ما در شیلد القا می‌شود. این جریان باید دور شود و به همین دلیل است که ما شیلد را به زمین متصل می‌کنیم.

افت ولتاژ در سیم‌های ولتاژی

ازآنجایی‌که ما در اینجا با ولتاژ سروکار داریم، چیزی در مورد خود سیم‌کشی وجود دارد که می‌تواند مشکلاتی را ایجاد کند. همه سیم‌های الکتریکی (هادی) دارای مقاومت هستند و در نتیجه افت ولتاژ ایجاد می‌کنند. این مسئله می‌تواند به این معنی باشد که ولتاژ ورودی آنالوگ با ولتاژ فرستنده متفاوت است. البته این امر تنها در صورت داشتن فاصله زیاد در سیم‌کشی یا سیم‌های بسیار کوچک مشکل‌آفرین است.

سیم‌کشی ورودی آنالوگ جریانی

به‌جای ولتاژ می‌توانید از جریان به‌عنوان سیگنال آنالوگ استفاده کنید. سیم‌کشی آن ممکن است کمی پیچیده‌تر باشد، اما به‌طورکلی پایدارتر هستند. به‌خصوص یکی از آنها دارای یک ویژگی بسیار خوب است که در میان ورودی‌های آنالوگ بیشتر استفاده می‌شود (نوع ۴ سیمه).

جریان سیگنال‌های آنالوگ معمولاً بر حسب میلی‌آمپر (mA) اندازه‌گیری می‌شود. محدوده نرمال در اینجا بین ۰ تا ۲۰ میلی‌آمپر است. اندازه‌گیری مقداری کمتر از آن دشوار است و بیش از آن خطرناک می‌شود.

برای استفاده از سیگنال آنالوگ جریان شما نیاز به یک حلقه بسته دارید تا جریان جاری شود.

جریان، جریان الکترون‌ها از قطبی به قطب دیگر است. به همین دلیل است که شما همیشه برای اندازه‌گیری جریان به یک حلقه بسته نیاز دارید.

مقاومت شنت

در حقیقت، PLC حتی نمی‌تواند جریان را اندازه‌گیری کند! آنچه اتفاق می‌افتد این است که در داخل ماژول ورودی آنالوگ، یک مقاومت بین مثبت (AI) و منفی (AGND) قرار می‌گیرد. این مقاومت نه‌تنها حلقه بسته را تشکیل می‌دهد بلکه سیگنال فعلی ما را به سیگنال ولتاژ تبدیل می‌کند.

این مقاومت را مقاومت شنت می‌نامند و دارای مقاومت مشخصی است. در برخی از ماژول‌های ورودی آنالوگ زیمنس، ۲۵۰ اهم است و به دلیل قانون اهم، سیگنال جریان آنالوگ را می‌توان با محاسبات ساده به سیگنال ولتاژ تبدیل کرد.

ولتاژ = مقاومت x جریان

ازآنجاکه ما یک مقاومت مشخص (۲۵۰ اهم) داریم، می‌توان محاسبه کرد که ولتاژ اندازه‌گیری شده ما، مربوط به چند میلی‌آمپر می‌شود.

با درنظرگرفتن این پیش‌زمینه، بیایید نگاهی به سیم‌کشی ورودی‌های آنالوگ فعلی بیندازیم. به‌طورکلی می‌توان آنها را به سه نوع تقسیم کرد:

• ورودی آنالوگ ۲ سیم
• ورودی آنالوگ ۳ سیم
• ورودی آنالوگ ۴ سیم

وقتی در مورد سیم‌های ۲، ۳ و ۴ صحبت می‌کنیم در واقع از transmitter یا transducers استفاده کرده‌ایم. ترنسمیترهای کنونی را می‌توان به روش‌های مختلف و در نتیجه با تعداد مختلف سیم، سیم‌کشی کرد. تفاوت آنها در منبع تغذیه سیگنال است. گاهی ترنسمیتر خود، تغذیه مدار را تامین می‌کند و گاهی اوقات مجبورید از منبع خارجی استفاده کنید.

ورودی آنالوگ ۲ سیمه

اولین و ساده‌ترین راه برای اتصال ترنسمیتر، ۲ سیم اتصال به حلقه است. اساساً این بدان معناست که PLC، لوپ ما را تامین می‌کند و مشخصاً در اینجا فقط ۲ سیم موردنیاز است.

برای اینکه PLC جریان را تأمین کند، باید از ترمینال دیگری در ماژول ورودی آنالوگ استفاده کنیم:

A+: منبع ورودی آنالوگ

یک سیم از A+ از طریق ترنسمیتر عبور کرده و در انتهای سیم به AIN برمی‌گردد. در اینجا منبع تغذیه از A+ تامین می‌شود و ترنسمیتر، جریان جاری را کنترل می‌کند تا درنهایت سیگنال جریان آنالوگ به AIN برگردد.

یکی از معایب حلقه‌های جریان ۲ سیمه این است که شما فقط یک حلقه برای منبع تغذیه و سیگنال دارید. به این معنی است که ترنسمیتر باید کمتر از ۴ میلی‌آمپر جریان مصرف کند تا بتواند به‌درستی کار کند. برخی از سنسورها و ترنسمیترها بیشتر از ۴ میلی‌آمپر مصرف می‌کنند که ما را مجبور به استفاده از حلقه‌های ۳ و ۴ سیمه می‌کنند.

ورودی آنالوگ ۳ سیمه

در یک حلقه جریان ۳ سیمه فقط زمین بین منبع تغذیه و سیگنال تقسیم می‌شود. زمین به AGND و منبع تغذیه (-) متصل است. در این حالت ترنسمیتر دارای ۲ سیم مثبت (+) است. یکی به منبع تغذیه (+) می‌رود و دیگری به AIN می‌رود.

در این روش آنها زمین را به اشتراک می‌گذارند، پس یک ترنسمیتر ۳ سیمه، ۲ حلقه ایجاد می‌کند یکی برای سیگنال و دیگری برای منبع تغذیه. در این حالت سنسور یا ترنسمیتر می‌تواند به همان میزان که نیاز دارد جریان را بدون تداخل سیگنال آنالوگ مصرف کند.

ورودی آنالوگ ۴ سیمه

ترنسمیتر ۴ سیمه نیز بسیار مورداستفاده قرار می‌گیرد زیرا منبع تغذیه را از سیگنال جدا می‌کند. با دادن ۴ سیم به ترنسمیتر، می‌توانید ۲ سیم برای منبع تغذیه و ۲ سیم برای سیگنال داشته باشید. نگفته پیداست که ترنسمیتر ۴ سیم نیاز به منبع تغذیه خارجی دارد.

بدیهی است که بزرگ‌ترین مزیت استفاده از ترنسمیتر ۴ سیم، جداسازی کامل بین منبع و سیگنال است. آنها می‌توانند کاملاً ایزوله شوند، بنابراین اختلال در منبع تغذیه روی سیگنال تأثیر نمی‌گذارد.

کتابچه‌های راهنما را بخوانید

مهم‌ترین نکته در اینجا این است که شما بدانید چه ترنسمیتر یا سنسوری دارید. دفترچه راهنما را بخوانید و تصمیم بگیرید که چگونه می‌خواهید آن را متصل کنید. فراموش نکنید که دفترچه راهنمای ماژول ورودی آنالوگ را نیز بخوانید. سازندگان مختلف نام‌های متفاوتی را برای پایانه‌های ماژول انتخاب می‌کنند. حتی گاهی اوقات دستورالعمل‌های متفاوتی برای اتصال زمین و حفاظت از نویز ارائه می‌دهند.

در مجموع، برای جلوگیری از مشکلات سیم‌کشی؛ همیشه دستورالعمل‌های ارائه شده توسط سازنده را بخوانید و اجرا کنید.

تفاوت بین DI و AI

همان‌طور که در بالا توضیح داده شد، ورودی دیجیتال و ورودی آنالوگ داده‌هایی هستند که از سطح میدان اتوماسیون جمع‌آوری‌شده‌اند.

ورودی دیجیتال ماهیت دوتایی دارد، می‌تواند روشن یا خاموش باشد و بر اساس نوع ماژول IO (ورودی یا خروجی) مورداستفاده، می‌تواند ۰ ولت یا ۲۴ ولت باشد. کلیدها، سنسورها و غیره نمونه‌هایی از ورودی دیجیتال هستند.

سیگنال آنالوگ یک سیگنال متغیر در زمان است. بسته به نوع طراحی، می‌تواند بین ۰ تا ۱۰ ولت یا ۰ تا ۲۰ میلی‌آمپر متغیر باشد. مبدل‌ها نمونه‌هایی از دستگاه‌های ورودی آنالوگ هستند.

خروجی‌های PLC (Output)

هر زمان که شما بخواهید با استفاده از PLC تغییری در محیط بیرون به وجود بیاورید باید از ماژول‌های خروجی PLC استفاده کنید. خروجی دیجیتال در عمده موارد مسئول تریگر کردن بوده و از سوی دیگر خروجی آنالوگ برای تغییر کمیت یک مقدار پیوسته مانند درایو (کنترل‌کننده سرعت دور موتور) استفاده می‌گردد.

خروجی دیجیتال PLC

کارت خروجی دیجیتال یا DO (Digital Output) کارتی است که می‌تواند یک سیگنال دوحالته (دیجیتال) را به مصرف‌کننده‌های دیجیتال از قبیل لامپ، رله، کنتاکتور و … ارائه نماید.

خروجی‌های دیجیتال، خروجی‌های دو وضعیته (۰ یا ۱) هستند. از این نوع خروجی برای کنترل پردازش (خاموش یا روشن‌کردن) در سطح میدان (سایر تجهیزات متصل به PLC) استفاده می‌شود.

نوع سیگنال خروجی کارت DO می‌تواند AC یا DC و مقدار آن نیز متفاوت باشد، به همین دلیل انواع کارت‌های DO با قابلیت ارسال سیگنال‌های متفاوت در خروجی، ارائه شده‌اند. البته باید توجه داشت که متداول‌ترین سیگنال خروجی دیجیتال، سیگنال 24Vdc (۲۴ ولت دی‌سی) می‌باشد.

کارت‌های خروجی دیجیتال انواعی هم دارند که در ادامه به‌صورت مختصر به آنها می‌پردازیم.

کارت‌های DO رله‌ای

در این کارت‌ها از رله به‌منظور قطع و وصل سیگنال خروجی کارت استفاده می‌شود.

مزیت این کارت‌ها این است که هم برای سیگنال آنالوگ و هم برای سیگنال دیجیتال قابل‌استفاده هستند.

مزایای کارت‌های DO رله‌ای

• قابلیت جریان دهی بالا
• قابل‌استفاده برای ولتاژهای AC و DC
• ایزوله‌سازی مدار داخلی کارت

معایب کارت‌های DO رله‌ای

• سرعت قطع و وصل کم
• استهلاک زیاد
• ایجاد تاخیر در فرمان خروجی

کارت‌های DO ترانزیستوری

مدار داخلی این کارت‌ها به‌منظور انجام عمل قطع و وصل از ترانزیستور استفاده می‌شود.

این کارت‌ها صرفاً برای ولتاژهای DC قابل‌استفاده می‌باشند.

مزایای کارت‌های DO ترانزیستوری

• سرعت قطع و وصل زیاد
• عدم ایجاد تاخیر در خروجی
• استهلاک کم

معایب کارت‌های DO ترانزیستوری

• قابلیت جریان دهی کم
• فقط قابل‌استفاده در ولتاژ DC

خروجی آنالوگ PLC

در برخی از موارد نمی‌توانیم با دیتای داخلی CPU برگرفته شده از PLC خواسته مدنظر خود را پیاده‌سازی کنیم. به زبان ساده‌تر خروجی ما به‌گونه‌ای هست که صرفاً با مقادیر ۰ یا ۱ کار نمی‌کند بلکه باید یک رنج از اعداد را برای کاربردهای مختلف بپذیرد (سیگنال آنالوگ یا پیوسته)، در این شرایط با استفاده از یک مبدل دیجیتال به آنالوگ (D/A) این تبدیل را انجام داده و به‌واسطه کارت خروجی نصب شده بروی PLC سیگنال مربوطه را به تجهیز مدنظر انتقال می‌دهیم.^[3]

پس مشخصاً خروجی آنالوگ، خروجی از نوع پیوسته به سایر دستگاه‌های حاضر در میدان است. به‌عنوان‌مثال، اگر یک درایو کنترل‌کننده سرعت دارید و می‌خواهید یک سیگنال مرجع سرعت به آن بدهید، می‌توانید از خروجی آنالوگ استفاده کنید.

خروجی‌های آنالوگ شباهت‌های زیادی با ورودی‌های آنالوگ دارند. اما بااین‌حال در نحوه سیم‌کشی آنها و هم در نحوه استفاده از آنها در برنامه PLC تفاوت‌هایی وجود دارد. درست مانند ورودی آنالوگ، خروجی‌های آنالوگ را می‌توان به دو نوع تقسیم کرد:

• ولتاژ
• جاری

بیایید با هم به بررسی سیم‌کشی خروجی‌های آنالوگ بپردازیم.

سیم‌کشی خروجی‌های آنالوگ

مهم نیست که از کدام نوع خروجی آنالوگ استفاده می‌کنید، یک نکته را همیشه باید در نظر داشته باشید، بار – Load. زیرا در اصل شما یک‌بار را به خروجی متصل می‌کنید. این بار می‌تواند یک شیر کنترل‌کننده جریان، مبدل فرکانسی یا حتی ورودی آنالوگ در یک PLC دیگر باشد.

دستگاهی که به خروجی آنالوگ خود متصل می‌کنید، عاملی است که مشخص می‌کند از کدام نوع سیگنال آنالوگ باید استفاده کنید. اگر می‌خواهید یک شیر برقی را با سیگنال ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر کنترل کنید، خروجی آنالوگ شما نیز باید ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر باشد.

سیم‌کشی خروجی آنالوگ ولتاژی

خروجی آنالوگ ولتاژ ساده‌ترین نوع خروجی است. برای این کار فقط به ۲ سیم نیاز دارید. سر مثبت و منفی منبع ولتاژ که در این حالت خروجی ولتاژ آنالوگ ما می‌باشد. در اینجا نحوه سیم‌کشی یک خروجی ولتاژ آنالوگ ساده دوسیمه آمده است:

اما گاهی اوقات ۲ سیم کافی نیست. حتی برای خروجی‌های ولتاژ.

برخی از ماژول‌های زیمنس دارای دو پایانه اضافی در خروجی‌های آنالوگ خود هستند. اینها برای جبران چیزی به نام امپدانس خط (line impedance) یا مقاومت خط استفاده می‌شوند. بدون اشاره به جزئیات زیاد، «امپدانس مخالفتی است که یک مدار با تغییرات جریان یا ولتاژ نشان می‌دهد.» ازآنجایی‌که ما در اینجا با ولتاژ سروکار داریم، بنابراین هرگونه مقاومتی باعث افت ولتاژ می‌شود.

اگر سیگنال ولتاژ آنالوگ دارید که مقاومت بروی آن تاثیر زیادی دارد. آن دو سیم اضافی برای خنثی‌کردن این مقاومت تعبیه شده‌اند، به‌طوری‌که همواره سطح ولتاژ در خروجی آنالوگ همان سطح ولتاژ در مقصد باشد.

وقتی صحبت از مقاومت می‌شود مورد دیگری نیز هست که باید به آن دقت کنید: امپدانس بار.

برای جلوگیری از اتصال کوتاه خروجی آنالوگ (جلوگیری از آسیب‌دیدن PLC)، بار متصل به خروجی باید دارای حداقل امپدانس بار باشد. این میزان معمولاً بین ۵۰۰ تا ۱ کیلو اهم است. خاطرتان باشد همیشه باید از دفترچه راهنما برای ماژول خروجی آنالوگ و بار موردنظر برای اتصال به آن کمک بگیرید.

سیم‌کشی خروجی آنالوگ جریانی

اکثر خروجی‌های آنالوگ روی PLC بسیار شبیه ترنسمیتر ۳ سیمه که پیش‌تر توضیح داده شد عمل می‌کنند. شاید کمی عجیب باشد چرا که ما فقط ۲ سیم داشتیم. اما PLC دارای یک منبع تغذیه داخلی است که سیم سوم را به ما می‌دهد.

این بدان معناست که وقتی با خروجی‌های جریان کار می‌کنید، بیشتر اوقات فقط باید حلقه جریان سیگنال را سیم‌کشی کنید و سپس در صورت وجود، حلقه منبع تغذیه را نیز سیم‌کشی کنید.

یک تفاوت بزرگ بین خروجی جریان و ولتاژ، امپدانس بار است. ازآنجاکه خروجی‌های ولتاژ نیاز به حداقل امپدانس بار دارند، خروجی‌های جریان در واقع دارای بیشترین امپدانس بار هستند. به یاد داشته باشید، ما در اینجا در مورد حرکت جریان صحبت می‌کنیم و امپدانس (مقاومت) جریان را محدود می‌کند. اگر امپدانس بار خیلی بزرگ باشد، حلقه جریان ما عملاً از کار خواهد ایستاد.

یک خروجی آنالوگ جریانی PLC معمولی دارای حداکثر امپدانس بار ۳۰۰ تا ۵۰۰ اهم است.

Scaling و Unscaling کردن خروجی‌های آنالوگ

اگر در دوره آموزش PLC شرکت کرده باشید به‌راحتی می‌توانید خروجی‌های آنالوگ را مقیاس‌بندی نمایید. چرا که این مسئله یکی از ضروریات استفاده از سیگنال آنالوگ می‌باشد. منظور از مقدار مقیاس‌بندی نشده تبدیل مقدار اپراتوری به مقداری است که ماژول می‌تواند به خروجی تبدیل کند.

فرض کنید ما یک سیگنال خروجی آنالوگ ۰ تا ۱۰ ولت برای کنترل سرعت موتور داریم. برای اینکه موتور را با سرعت ۵۰٪ استارت کنیم، باید یک سیگنال آنالوگ ۵ ولت در خروجی تولید کنیم. برای انجام این کار، باید بدانیم چه مقدار (قابل‌فهم برای PLC) را به مبدل D/A ارسال کنیم. به‌عبارت‌دیگر، ما باید محدوده خود را بدانیم.

اگر از PLC‌های زیمنس استفاده کنیم، همان‌طور که به‌دفعات در آموزش PLC گفته شده، دامنه آنها بین ۰ تا ۲۷۶۴۸ است.

ازآنجاکه ما اکنون محدوده خود را می‌دانیم، می‌توانیم ۵۰٪ آن را محاسبه کنیم، یعنی برابر است با: ۱۳۸۲۴.

مشکل اینجاست که اپراتور نمی‌تواند عدد ۱۳۸۲۴ را در HMI به‌عنوان نقطه تنظیم وارد کند چرا که این عدد برای او بدون مفهوم است. او صرفاً می‌خواهد مقدار ۵۰٪ (مقدار اپراتوری) را در پنل ثبت کند. پس ما در حال حاضر یک مقدار اپراتوری داریم که باید مقدار متناظر آن را بیابیم و در PLC ثبت نماییم.

برای Unscaling کردن دو روش وجود دارد، استفاده از ریاضیات یا بلوک‌های آماده در خود PLC.

روش ریاضیاتی

استفاده از ریاضیات راه خوبی است برای درک آسان آنچه در پشت‌صحنه به وقوع می‌پیوندد و به همین دلیل این روش نیز در دوره گفته شده است.

در روش ریاضیاتی فقط از رابطه تشابه با مقیاس‌بندی استفاده کنید:

مقدار خام برای پی‌ال‌سی = (مقدار اپراتوری * ۲۷۶۴۸) تقسیم بر ۱۰۰

روش بلوکی

Unscaling کردن می‌تواند با بلوک‌های آماده نیز انجام شود. برخی از سازندگان PLC بلوک‌های آماده خاصی را برای Unscaling ارائه می‌دهند. برای مثال زیمنس را در نظر بگیرید. آنها بلوکی به نام UNSCALE دارند که برعکس بلوک SCALE عمل می‌کند.

با Unscaling مقدار در محدوده مشخص به مقدار ۰ تا ۲۷۶۴۸ تبدیل می‌شود و دیگر اپراتور به‌راحتی می‌تواند میزان مدنظر اپراتوری خود را در HMI وارد کند.

تفاوت DO و AO

یک خروجی دیجیتال ماهیت دوتایی دارد، می‌تواند روشن یا خاموش باشد. بر اساس نوع ماژول IO مورداستفاده، می‌تواند ۰ ولت یا ۲۴ ولت باشد. سیگنال آنالوگ یک سیگنال متغیر در زمان است. بسته به نوع طراحی، می‌تواند بین ۰ تا ۱۰ ولت یا ۰ تا ۲۰ میلی‌آمپر متغیر باشد.

سؤالات متداول ورودی و خروجی‌های PLC

منابع

1. “SIMATIC S7 S7-1200 Programmable controller“, Support industry siemens, Manual, Mar 2014 ↑

2. “SIMATIC S7-1500/ET 200MP Analog Input/Output Module AI 4xU/I/RTD/TC/ AQ 2xU/I ST” ,Support industry siemens, Manual, Nov 2016 ↑

3. “Analog modules“, Support industry siemens, Manual ↑

خوشحال خواهیم شد اگر شما نکته و یا تجربه‌ای در مورد انواع ورودی و خروجی در PLC داشته‌اید با ما در بخش نظرات در میان بگذارید.

راستی! برای دريافت مطالب جديد در پیج اینستاگرم PowreEn عضو شويد.