Jste zde

TEST - Univerzální převodník Modbus na analogový signál

Antonín Vojáček, 10. Duben 2014 - 21:37

Jak snadno získat standardní analogový signál (napěťový či proudový) z elektronického systému tvořeného PLC i průmyslovým počítačem? Stačí použít univerzální převodník sběrnice Modbus na analogový signál 0-10V/4-20 mA.

Není nutné vyvíjet specializované karty, ani pro daný programovatelný automat (PLC) kupovat příslušné a často velmi předražené rozšiřující moduly analogových výstupů. Je možné použít univerzální modul / převodník hodnoty zaslané prostřednictvím komunikační sběrnice na analogový signál. Takový modul lze univerzálně použít k téměř libovolnému PLC libovolného výrobce nebo i průmyslovému počítači opatřenému pouze komunikačními porty typu Ethernet či RS-232/RS-485.

Takové převodníky má nově v nabídce i společnost Papouch s.r.o. a to konkrétně na jedné straně s komunikačním rozhraním Modbus RTU nebo Modbus TCP a s dvojicí multirozsahových analogových výstupů napětí i proudu. Já osobně pak měl možnost vyzkoušet provedení se sériovým komunikačním rozhraním Modbus RTU.

Základní popis převodníků Papouch DA2xx

DA2RS a DA2ETH jsou univerzální převodníky s analogovým výstupem pro řízení a regulaci. U obou dva implementované nezávislé analogové výstupy mohou být buď napěťové nebo proudové. Konkrétně jsou k dispozici s následujícími rozsahy: 0 - 10 V, 0 - 5 V, ±10 V, ±5 V, 4 - 20 mA, 0 - 20 mA, 0 - 24 mA. Výstupní rozlišení realizované 12bitovým D/A převodníky lze buď využít tzv. RAW režimu rozsahu 12 bitů nebo využít rozdělení výstupního rozsahu na 10 000 dílků a hodnotu tak zadávat v číslech 0 až 10000. Toto je zvláště zajímavé u rozsahu 10 V, kdy tedy 1 dílek odpovídá celistvé hodnotě napětí 0,1 mV a snadno se tak hodnoty v řídicím systému přepočítávají. Každý výstup je samostatně galvanicky oddělený pro zajištění bezpečné funkce, omezení přenášení rušení a nežádoucího ovlivnění systémů kvůli propojení různých napěťových potenciálů přes společný zemní vodič. Napájení modulu je pak dnes již téměř obvykle 8 až 30 VDC.

Blokové schéma modulu DA2RS se sériovými rozhraními RS-232/RS-485 pro Modbus komunikace a dvěma analogovými výstupy.

Hodnoty pro analogové výstupy se do modulu z nadřazeného systému zasílají přes buď přes rozhraní RS232 nebo RS485 (typ DA2RS) nebo rozhraní Ethernet (typ DA2ETH). Sériové rozhraní podporuje komunikační protokol Modbus RTU či firemní SPINEL, zatímco ethernetové rozhraní podporuje komunikace: Modbus TCP, SNMP, XML, Http GET, TCP/UDP Spinel.

Analogové výstupy z DA2xx lze tak využít pro libovolnou regulaci a automatizaci procesů nebo řízení jednotek s analogovým ovládáním (elektronické termostaty, elektronické ventily, řízení otáček, stmívání osvětlení, simulace senzorů, ...).

Převodník Modbus / analogový signál Papouch je nabízen v provedení se sériovým rozhraním RS-232/RS-485 (DA2RS) nebo s ethernetem (DARETH).

TEST převodníku Papouch DA2RS

Já měl osobně zatím k dispozici levnější z dvojce nabízených převodníků, tedy provedení se sériovou linkou DA2RS. Mimochodem cenový rozdíl proti provedení s ethernetem je poměrně dost výrazné (cca 1500,- Kč bez DPH). Sice provedení DA2ETH podporuje mimo MODBUS i mnoho dalších komunikačních protokolů, ale pokud je cílem připojení k řídicí jednotce nějakého stroje se sběrnicí Modbus obsahující i sériové výstupy, tak výhody dalších protokolů se nevyužijí a finanční úspora se velmi vyplatí.

Z pohledu mechanického provedení jsou obě provedení zapouzdřena do kvalitního hliníkového pouzdra, které zároveň slouží i jako účinný chladič vnitřní elektroniky. Toto pouzdro lze pak doplnit i o držák na DIN lištu. Stejná u obou provedení je pak i pravá strana obsahující velký snímatelný konektor šesti šroubových svorek, realizující 2 analogová rozhraní vždy po 3 svorkách pro každé z nich. Jedna svorka je společná zem, druhá napěťový výstup a třetí příslušný proudový výstup. Nenechte se však zmást. Vždy je aktivní buď jen napěťový nebo jen proudový výstup, podle vnitřního nastavení registru převodníku (nastavitelný přes komunikační protokol Modbus i přes Spinel). Jeden vývod je tedy vždy "slepý". Alespoň, že lze provést zvlášť nastavení po každý ze dvou analogových výstupů. Tak tedy například na výstupu 1 lze mít napětí 0-10V a současně na druhém buď proud 4-20 mA nebo také napětí, ale klidně s jiným rozsahem (např. +/- 5V).

Na výstup se však vždy převádí stejné číslo, zapsaného prostřednictvím Modbus RTU buď v rozlišení 12bitového neznaménkového čísla (RAW formát) nebo v zanormovaném rozsahu 0 až 10 000. V prvém případě se však zadává číslo jako pro 16bitový formát (tedy long integer / word), ale neuplatňují se spodní 4 bity, což je pro zadávání dost nepřehledné (max. hodnota je tedy 65 535). V druhém případě pak je platný celý rozsah čísel 0 až 10 0000 a umožňuje snadnější realizaci výpočtů a přepočtů řídicích algoritmů či snadnější zadávání hodnot, protože se pracuje v pro nás přirozenějším celistvém desítkovém formátu.

Každý analogový výstup pak má pro obě formy zadání řídicího čísla svoje registry. Konkrétně "Holding" registry 16 (RAW hodnota) a 17 (10000 formát), v celém formátu to je 40017 a 40018, pro analogový výstup 1 a "Holding" registrech 18 (RAW hodnota) a 19 (10000 formát) pro analogový výstup 2. Když se uloží hodnota do RAW registru, přepočítá se automaticky hodnota v příslušném registru 10000 formátu a obráceně. V "Holding" registrech 20 a 21 (tj. 40021 a 40022) se pak nastavuje konstanta současně definující typ (napěťový/proudový) a rozsah výstup.

Zajímavá je pak funkce "Timeout výstupu", která umožňuje nastavit časovou konstantu, po kterou se od poslední změny hodnoty výstupu tato hodnota podrží a následně po vypršení času přejde na předefinovanou základní hodnotu. Samozřejmě funkci lze vypnout (nepoužívat) a pak se výstupní zadaná hodnota drží po celou dobu platnosti, tedy do zápisu další hodnoty či do vypnutí převodníku. Mimochodem, nastavené hodnoty výstupů nejsou zálohovány proti výpadku napájení a tedy po každém novém zapnutím převodníku je výstupní analogová úroveň vždy 0. Na druhou stranu uložený typ a rozsah výstupu si modul samozřejmě pamatuje.

Registry pro nastavení rychlosti a parametrů sériové komunikace jsou přítomny v "Holding Register" 1 až 5 (tj. 40002 až 40005) a jsou shodné s registry nastavení i u jiných modulů a převodníků Papouch se sériovým výstupem. Takže kdo má zkušenosti s jinými produkty Papouch, nemusí se v tomto směru nic nového učit.

Modbus Master terminál na PC ve spojení s Modbus RTU slave rozhraním převodníku Papouch DA2RS - dvě "1" v registrech 21 a 22 definují napěťový výstup 0-10 V (obr. vlevo), zatímco hodnoty 5 a 6 ve stejných registrech definují rozsah 0-20mA, resp. 4-20 mA. (obr. vpravo). Hodnoty v registrech 16/17 a 18/19 definují úroveň výstupu 1, resp. 2, daného nastaveného rozsahu.

Parametry zařízení DA2RS:

Analogové výstupy: 2 napěťové / proudové
- Rozlišení D/A převodníku:12 bit
- Nelinearita: max. ±0,032% z rozsahu
- Doba ustálení: 25 μs
- Dělení rozsahu: 10 000 dílků
- Napěťové rozsahy: 10 V, 5 V, ±10 V, ±5 V, přesnost typ. 0,05 % z rozsahu
- Proudové rozsahy: 4 – 20 mA, 0 – 20 mA, 0 – 24 mA, max. do 500 Ω, přesnost typ. 0,15 % z rozsahu
Komunikační rozhraní:
- RS-232 s 9pin. konektorem D-Sub
- RS-485 s násuvnou svorkovnicí
- Komunikační rychlost: nastavitelná 300 Bd až 230,4 kBd (výchozí: 9,6 kBd)
- Parametry komunikace: 8 bitů, bez parity, 1 stopbit
- Izolační pevnost galvanického oddělení: 500 V DC
- Komunikační protokol: Spinel a Modbus RTU (přepíná se softwarově)
- Minimální prodleva před odesláním odpovědi: 2 ms
Napájecí napětí: 8 až 30 V DC (s ochranou proti přepólování)
Proudový odběr: typicky 90 mA při 12 V
Provozní teplota:-20 °C až +70 °C
Rozměry včetně konektorů: 121 mm × 55 mm × 24 mm