Jste zde

TEST - Kompaktní PLC Omron CP1L – 2. díl - jednotka MAD11

Antonín Vojáček, 11. Únor 2012 - 20:52

V 1. díle jsme si stručně prakticky představili jednu ze základních jednotek z řady kompaktních PLC Omron řady CP1L. Dnes budu pokračovat praktickou ukázkou rozšíření této základní jednotky o další funkce prostřednictvím rozšiřujících modulů. V mém případě konkrétně o multifunkční kombinovaný modul analogových napěťových a proudových vstupů/výstupů s označením MAD11.

Popis rozšiřujícího modulu MAD11

Rozšiřující modul MAD11 představuje nejlepší analogový modul z nabídky rozšíření pro PLC základní jednotku CP1L (více o základní jednotce - viz 1. díl seriálu o PLC Omron řady CP1L). Obsahuje totiž jak 2 sdružené napěťové / proudové vstupy, tak i jeden sdružený napěťový / proudový výstup, což je velmi výhodné a modul se tím stává velmi univerzální. Termín „sdružený“ znamená, že každý vstup či výstup má svojí oddělenou napěťovou a proudovou svorku, ale softwarově se definuje, která z nich se použije.

Stejně tak se softwarově definuje i rozsah vstupu a výstupu. Sice je v modulu integrován 16bitový A/D a D/A převodník, u kterého se však nikdy nevyužívá pro převod celý 16bitový rozsah (0 až 65 536), ale vždy jen nějaká jeho část rozsahu, podle nastaveného měřicího rozsahu. Těch je hned několik, napěťové 0 / 1 až 5V, 0 až + 10 V, -10 až + 10 V, či proudové 0 / 4 až 20 mA. Takže v praxi budete v těchto rozsazích využívat vždy rozlišení na 6 000 dílků, což je sice na dnešní dobu již průměrná hodnota, ale na základní aplikace velmi dobře postačí. Pro potřeby velmi přesných měření vyžadujících kompletní 16-, 20- či dokonce 24bitový převod, by bylo nutné využít nějaký externí převodník, protože nic takového OMRON v nabídce rozšiřujících modulů nemá.

Blokové schéma analogových vstupů a výstupů rozšiřujícího modulu MAD11.

Na druhou stranu napěťové vstupy poskytují slušnou chybu měření jen +/- 0,3 % rozsahu při udržení zhruba konstantní teploty okolo modulu. Což například v nejmenším možném zvoleném rozsahu 0 až 5 V odpovídá nepřesnosti jen +/- 1,5 mV, což není příliš mnoho a jen to dokládá univerzálnost použití a možnosti nasazení i na měření menších napěťových signálů. Při kolísání teploty v rozsahu 0 až 55°C je nepřesnost převodu samozřejmě vyšší, ale stále se pohybujeme ve velmi slušné odchylce +/- 0,6 % zvoleného rozsahu. Pro přímé napojení zařízení generující jen malá napětí, jako například odporové či polovodičové senzory teploty a tlaku, pak slouží jiné specializované moduly, které jsou také v nabídce. Mezi další výhody patří i možnost měření nejen stejnosměrných signálů v rozsahu 0 až 10 V, ale i střídavých signálů v rozsahu –10 až 10 V a to stále s uvedenou přesností +/- 0,3 %, tedy zde +/ - 6 mV, což také není vůbec špatné. Dá se tedy klidně použít i pro měření netypizovaných signálů s menším rozkmitem. Jen se musí dát pozor na příliš velkou frekvenci připojovaných signálů, protože čas převodu je 2 ms na jeden vstup, celková perioda převodu je 6 ms (2x vstup + 1x výstup), což tedy měřitelnou frekvenci vstupujících signálů prakticky omezuje jen na cca 80 Hz. Tedy, podobně jako například u základních multimetrů, to je vhodné spíše jen pro pomalé signály ze snímačů.

Vnitřní provedení jednotky MAD11 se skládá ze dvou desek plošných spojů. Zatímco na dolní desce se nacházejí obvody pro zpracování a digitalizaci signálů, na horní desce se nachází speciální integrovaný obvod komunikace se základní jednotkou přímo od Omronu.

Přesnost proudových vstupů je pak o jednu desetinu procenta horší než u napěťových, tedy +/- 0,4 % rozsahu při udržení konstantní teploty okolo 25°C, nebo +/- při kolísání teploty v rozsahu 0 až 55°C. V praxi tedy spíše rozhodnou okolní podmínky rušení, zda je vhodnější použít na rušení náchylnější, ale přesnější napěťový vstup či na rušení odolnější proudový signál, ale s méně přesným převodem. Jinak rychlost převodu i rozlišení je z důvodu stejného A/D převodníku samozřejmě stejná.

U dvou analogových výstupů, jednoho napěťového a jednoho proudového je to pak podobné. Rychlost převodu je 2 ms/výstup, tedy celkem čas na jeden „oběh“ všech výstupů je 6 ms, což není zrovna rychlé. Na druhou stranu podobně jako vstupy i výstupy jsou multirozsahové, což umožňuje u napěťového výstupu generovat nejen stejnosměrné napěťové signály v rozsahu 1 až 5 V nebo 0 až 10 V, ale i střídavé signály –10 až +10 V, což lze velmi dobře využít jako například plynulé řízení rychlosti i směru stejnosměrných akčních členů, tak i řízení těch střídavých. Samozřejmě není možné jejich přímé napojení zařízení na napěťové výstupy, ale je nutné provést vhodné oddělení. Výstupy proto zde neposkytují žádné oddělení, takže je nutné použít externí oddělení (např. optočleny). Proudový výstup pak má standardní rozsahy 0 nebo 4 až 20 mA.

V obou případech je zde podobně jak u vstupů rozlišení na 6000 dílků, což tedy například u rozsahu 0 až 10 V přestavuje 1,7 mV nebo v případě proudového rozsahu 4 až 20 mA je to 2,7 mikroA. A to vše s přesností jen o desetinu procenta horší než u analogových vstupů. To není na základní D/A převodník pro PLC vůbec špatné.

Nakonec bych zmínil ještě jednu funkci, kterou je průměrování výstupního signálu prostřednictvím zapnutí vyhlazovacího filtru. To se provádí pro každý výstup zvlášť nahozením DIP přepínače nacházejícího se pod horním otvíracím průsvitným krytem.

Pod horním otevíracím krytem se nachází dvojce DIP přepínačů, které zapínají průměrování vstupního signálu z posledních 8 hodnot (obr. vlevo). Pod spodním otevíracím krytem se pak nachází masivní svorky vstupů i výstupů modulu.

Základní parametry modulu MAD11:

Vstupy:
- počet: 2x sdružený napěťový / proudový (nastavení softwarové)
- rozsah napětí: 0 / 1 až 5V, - 10 / 0 až + 10 V (nastavení softwarové)
- max. vstupní napětí: +/- 15 V
- rozsah proudu: 0 / 4 až 20 mA (nastavení softwarové)
- max. vstupní proud: +/- 30 mA
- A/D převod: 16 bitů
- rozlišení v rozsazích: 1/ 6000 rozsahu
- chyba měření: +/- 0,3 % rozsahu
- rychlost převodu: 2 ms/výstup
- celková perioda převodu: 6 ms
- impedance vstupů: napěťový = 1,5 MOhmů, proudový = 250 Ohmů
- možnost zapnutí průměrování 8 po sobě jdoucích hodnot pro každý vstup (DIP přepínačem)
Výstupy:
- počet: 1x sdružený napěťový / proudový (nastavení softwarové)
- napěťový rozsah: 1 až 5 V, - 10 / 0 až +10 V (nastavení softwarové)
- proudový rozsah: 0 / 4 až 20 mA
- zatížení výstupů: napěťový = min. 1 kOhmů, proudový = max. 600 Ohmů
- rozlišení: 1 / 6000 rozsahu
- chyba měření: +/- 0,4 % rozsahu
- rychlost převodu: 2 ms/výstup
- celková perioda převodu: 6 ms
- výstupy jsou bez oddělení (vhodné externí oddělení optočleny)
propojení se základní jednotkou: prostřednictvím komunikační sběrnice
napájení: ze základní CPU jednotky

Přehled vstupních charakteristik jednotlivých rozsahů:

Přehled výstupních charakteristik jednotlivých rozsahů:

Připojení k základní jednotce a využití v programu

Jak již bylo zmíněno v prvním díle, všechny na základní modul napojené rozšiřující moduly v případě PLC řady CP1L mají již předem definované adresy registrů jejich vstupů a výstupů, tedy paměťových míst, kde je možné přečíst stavy vstupů či naopak uložit hodnoty pro výstupy. Přesněji řečeno definují se pro každý modul dle speciálního klíče, podle toho, jak jsou jednotlivé rozšiřující moduly na sebe (za sebe) konkrétně napojeny do řetězce. V mém případě, kde modul MAD11 je jako jediný přímo připojený na základní CPU jednotku, budou adresy vstupů CIO 1 a CIO 2 a adresa společného výstupu CIO 101. Na těchto adresách vstupů se provádí čtení hodnoty převedeného napětí či proudu, resp. na adrese výstupů se provádí zápis hodnoty, která se má převést na napětí či proud. To se v programu provádí například blokem MOV. Dle rozsahu čte či zapisují hexa hodnoty F448 až 0BB8 (tedy - 3000 až 3000 hodnoty v dekadickém formátu) pro rozsah –10 až 10 V, nebo 0000 až 1770 hexa (tedy 0 až 6 000 hodnoty v dekadickém formátu) v ostatních napěťových i proudových rozsazích.

Obecný příklad "výpočtu" registrů vstupů a výstupů rozšiřujících jednotek postupně napojených na základní CPU jednotku. Zatímco pro základní jednotku jsou vyhrazena dvě slova pro vstupy (CIO 0 a 1) a výstupy (CIO 100 a 101). Následující rozšiřující modul se vstupy pak obsazuje registry CIO 2, 3 atd. a rozšiřující moduly s výstupy obsazují registry CIO 102, 103 atd. V mém případě se základní jednotkou pouze se 14 vývody, jsou všechny adresy o 1 menší.

Samotný rozsah vstupů a výstupů, tedy přiřazení konkrétních hodnot napětí a proudu výše uvedeným číselným hodnotám, se definuje a zasílá před samotným zahájením A/D a D/A převodu zasláním přesně definovaného kódu do analogového modulu. V rámci jednoho 32bitového slova (word) se před prvním použitím modulu MAD11 po zapnutí napájení PLC nastaví rozsahy všech vstupů a výstupů a ty pak nadále platí po celou dobu provozu PLC až do jeho opětovného vypnutí / zapnutí. Konkrétně v mém případě s připojením modulu přímo na základní CPU jednotku, se hodnota nastavení rozsahů zasílá do registru CIO 101, tedy toho, který následně slouží pro zasílání hodnot pro napěťový / proudový analogový výstup. Proto také nelze následně již rozsahy měnit bez onoho restartu PLC, protože všechny hodnoty uložené do registru CIO 101 jsou automaticky převáděny na výstupní napěťový a proudový signál.

Rozsahy vstupů a výstupů analogové jednotky MAD11 se nastavují softwarově prostřednictvím zápisu řídícího slova do registru výstupu před zahájením převodu. Dokud toto řídící slovo není zapsáno, analogový modul nespustí funkci A/D a D/A převodníků.

Zde je typický příklad programu obsluhy analogových vstupů a výstupů:

V prvním řádku se po detekci zapnutí napájení uloží do registru 101 (tj. CIO 101) prostřednictvím funkce MOV dekadická hodnota 8051, která nastaví první vstup na napěťový rozsah 0 až 10 V, druhý vstup na proudový rozsah 4 až 20 mA a výstup jako napěťový s rozsahem 0 až 10 V. A poté se již odečítají hodnoty vstupů. Nejdříve postupně po zpoždění 200 ms od definování rozsahů se přečtou obě hodnoty vstupů z registrů 1 a 2 a nakonec se zapíše hodnota v registru D10 do registru výstupu 101. V poslední řádce se pak kontroluje, zda u druhého proudového vstupu není rozpojena proudová smyčka.

Konkrétní realizace výše uvedeného programu v softwaru Omron CX-Programmer (vlevo) a jeho běh (vpravo) pro malou základní jednotku CP1L-L14DT1-D se 14 vývody .

Závěr 2. dílu

Rozšiřující modul analogových vstupů a výstupů představuje takovou univerzální jednotku pro široké spektrum aplikací vyžadující zpracování a generování analogových signálů. Podpora softwarového výběru z poměrně velkého množství různých vstupních i výstupních rozsahů umožňuje PLC přizpůsobit požadovanému rozkmitu signálů a tím maximalizovat přesnost nebo snadno realizovat chybové stavy v signálu (rozpojená smyčka, překročení rozsahu apod.).

V příštím díle se podíváme, co poskytuje a umožňuje modul LCD displeje s tlačítky, který se dá vložit do rozšiřujícího slotu v základní CPU jednotce a využít jako takové jednoduché HMI rozhraní.

Autor článku i fotografií: Antonín Vojáček