La domanda che viene posta a ogni ingegnere dell'automazione

Come scegliere il modulo I/O PLC giusto, digitale o analogico: questa domanda si trova in ogni forum sull'automazione, nelle FAQ di ogni distributore e nella casella di posta elettronica di ogni ingegnere applicativo che abbia mai alzato la cornetta del telefono. Chi pone la domanda di solito ha già scelto una piattaforma PLC (o pensa di averla scelta) e ora deve capire quali schede I/O inserire negli slot. Sa che c'è una differenza tra digitale e analogico. Ha sentito parlare di "sinking" e "sourcing", ma non riesce a tenere a mente entrambe le definizioni contemporaneamente. È preoccupato di ordinare il modulo sbagliato e che, una volta arrivato, non funzioni con il suo sistema.

Questa guida risolve il problema. Illustra nel dettaglio la funzione di un modulo I/O, poi analizza le differenze tra digitale e analogico, spiega i concetti di sinking e sourcing in modo semplice con esempi concreti, tratta il dimensionamento dei moduli e, infine, fornisce indicazioni specifiche per le piattaforme Siemens, Allen Bradley e ABB.

Che cosa fa concretamente un modulo I/O per PLC?

Un modulo I/O di un PLC funge da interfaccia tra il mondo fisico e il processore. Gli ingressi immettono segnali nel PLC: lo stato di un pulsante, la lettura di un trasmettitore di pressione, l'attivazione di un finecorsa. Le uscite inviano segnali al mondo fisico: l'eccitazione di un solenoide, l'attivazione della bobina di avviamento di un motore, il movimento di un attuatore di una valvola.

Il modulo I/O si occupa della conversione. Riceve un segnale a 24 V CC da un dispositivo di campo e lo converte in un segnale a livello logico leggibile dal processore PLC. Riceve un comando di uscita dal processore e lo converte nella tensione e nella corrente necessarie per azionare un attuatore di campo. Senza il modulo I/O corretto, il processore è inutilizzabile.

I moduli sono disponibili in formati standard che si inseriscono in un rack PLC. Il modulo specifico da scegliere dipende da tre fattori: il tipo di segnale (digitale o analogico), la direzione della corrente (assorbimento o erogazione) e il numero di punti necessari.

Digitale contro analogico: la divisione fondamentale

Moduli I/O digitali

I moduli digitali gestiscono i segnali di accensione/spegnimento. Il dispositivo di campo può essere alimentato o non alimentato, aperto o chiuso, presente o assente. Un ingresso digitale rileva la presenza di una tensione (tipicamente 24 V CC per applicazioni industriali). Un'uscita digitale comanda l'accensione o lo spegnimento di un carico.

Dispositivi di input digitali comuni:

· Pulsanti e selettori

· Interruttori di finecorsa

· Sensori di prossimità (PNP/NPN)

· Interruttori di pressione

· Contatti relè

Dispositivi di output digitale comuni:

· Elettrovalvole

· Bobine del contattore

· Spie luminose

· Clacson e fari

· Bobine di avviamento del motore

I moduli digitali sono specificati in base alla tensione (24 V CC, 120 V CA, 230 V CA sono comuni), al numero di punti (8, 16, 32 sono standard) e alla caratteristica sinking/sourcing.

Moduli I/O analogici

I moduli analogici gestiscono segnali continui, ovvero valori che variano all'interno di un intervallo anziché essere semplicemente accesi o spenti. Mentre un ingresso digitale indica se un serbatoio è pieno (un bit: pieno/non pieno), un ingresso analogico indica il livello del serbatoio in percentuale (più bit in un intervallo: 0-100% del range).

Segnali di ingresso analogici comuni:

· 4–20 mA (circuito di corrente - il più comune nella strumentazione industriale)

· 0–10 V CC (segnale di tensione — comune per alcuni trasmettitori e sensori di posizione)

· 0–5 V CC (strumentazione a bassa tensione)

· Resistenza (RTD) per la misurazione della temperatura

· Termocoppia (misura della temperatura con compensazione della giunzione fredda)

Segnali di uscita analogici comuni:

· 4–20 mA (il più comune: alimenta elementi di controllo finali come azionamenti a frequenza variabile e valvole di controllo)

· 0–10V CC (utilizzato per alcuni inverter e posizionatori)

I moduli analogici sono specificati in base al tipo di segnale (corrente o tensione), alla risoluzione (12 bit, 16 bit - maggiore è la precisione) e alla presenza o meno di più tipi di ingresso supportati dallo stesso modulo.

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Affondamento e approvvigionamento: cosa significano e perché sono importanti

Questa è la parte che mette in difficoltà la maggior parte degli acquirenti. Il termine "assorbimento" e "erogazione" descrivono la direzione del flusso di corrente in un circuito in corrente continua. Un'errata interpretazione significa che l'ingresso digitale non legge nulla oppure legge il contrario di ciò che dovrebbe.

Approvvigionamento

Un'uscita di sourcing fornisce corrente dal modulo al dispositivo di campo. Si può pensare al modulo come alla sorgente di elettroni. Quando l'uscita è attiva, collega il terminale positivo della sua alimentazione interna al terminale di uscita.

Un ingresso di tipo sourcing si aspetta che la corrente fluisca in esso da una sorgente esterna. Il circuito di ingresso si chiude quando il dispositivo sourcing (un sensore, un interruttore) fornisce corrente.

Affondamento

Un'uscita a assorbimento assorbe corrente dal dispositivo di campo. Quando è attiva, collega il terminale di uscita al lato negativo (massa) del circuito.

Un ingresso di tipo sinking prevede che la corrente fluisca verso massa. Il dispositivo esterno fornisce un percorso verso massa e l'ingresso rileva il flusso di corrente risultante.

La regola pratica

Il tipo di uscita del dispositivo di campo deve corrispondere al tipo di ingresso del modulo PLC, oppure è necessario un relè o un'interfaccia intermedia.

· Sensori PNP (sourcing) → collegarsi agli ingressi sinking o agli ingressi sourcing con polarità invertita

· Sensori NPN (sinking) → collegarsi agli ingressi sourcing o agli ingressi sinking con polarità invertita

Il modo più semplice per verificarlo è consultare lo schema elettrico del sensore. Se il filo di uscita del sensore si collega al terminale di ingresso del PLC e l'altro filo del sensore si collega a massa, il sensore è in modalità sink e l'ingresso deve essere in modalità sourcing. Se il filo di uscita del sensore si collega al terminale di ingresso del PLC e l'altro filo del sensore si collega al polo positivo, il sensore è in modalità sourcing e l'ingresso deve essere in modalità sink.

Miscelazione di input di assorbimento e di prelievo

Non è possibile collegare semplicemente un sensore di sorgente a un ingresso di sorgente e aspettarsi che funzioni: le due sorgenti si contrastano a vicenda. Tuttavia, è possibile utilizzare moduli di ingresso specificamente progettati come "universali" o dotati di canali isolati, che consentono di combinare diversi tipi di dispositivi con un cablaggio adeguato. Verificare sempre la scheda tecnica del modulo prima di ordinarlo.

Dimensionamento del modulo: di quanti punti hai effettivamente bisogno?

Conta i tuoi punti — poi aggiungi il 20%

Prima di scegliere un modulo, conta i dispositivi di campo effettivi presenti nel tuo progetto. Per una piccola macchina autonoma, potresti avere 8 ingressi digitali e 6 uscite digitali. Per una linea più complessa, potresti avere 32 ingressi digitali, 16 ingressi analogici e 8 uscite analogiche.

Regole per il dimensionamento dei moduli:

· Ingressi digitali: Ordina un modulo con almeno tanti punti quanti sono i tuoi ingressi. Un modulo a 16 punti funziona con 12 ingressi. Non puoi superare il numero di punti del modulo.

· Uscite digitali: vale la stessa regola. Se hai 10 uscite, un singolo modulo a 8 punti non è sufficiente: ti serve un modulo a 16 punti o due moduli.

· Ingressi analogici: Ogni canale di ingresso analogico è indipendente. Un modulo di ingresso analogico a 4 canali gestisce 4 dispositivi. Se si dispone di 7 trasmettitori analogici, sono necessari due moduli a 4 canali (oppure un singolo modulo a 8 canali, a seconda della piattaforma).

· Uscite analogiche: Stesse — ogni canale pilota un elemento di controllo finale. Un modulo a 2 canali pilota due valvole.

Aggiungete un 20% di capacità di riserva. I progetti cambiano. Aggiungere un nuovo interruttore o trasmettitore dopo che il quadro è stato costruito è complicato e costoso. Specificare un modulo con qualche canale in più non costa quasi nulla e consente di evitare notevoli rilavorazioni in seguito.

Dimensioni comuni dei moduli per piattaforma

Piattaforma | Dimensioni tipiche dei moduli digitali | Dimensioni tipiche dei moduli analogici

Siemens S7-1500| 16, 32, 64 punti | 4, 8, 16 canali

Allen Bradley ControlLogix | 8, 16, 32 punti | 4, 8 canali

ABB AC500 | 8, 16, 32 punti | 4, 8 canali

Compatibilità della piattaforma: quale modulo è compatibile con quale PLC?

Siemens S7-1500 e TIA Portal

Siemens utilizza i sistemi I/O distribuiti ET 200SP e ET 200MP insieme agli I/O integrati su alcune CPU. Il sistema S7-1500 utilizza moduli I/O montati sul sistema (moduli SM) che si agganciano alla CPU o ai rack di espansione.

Famiglie di moduli principali:

· SM 521 — Moduli di ingresso digitale (varianti 24 V CC, 120 V CA)

· SM 522 — Moduli di uscita digitale (relè a stato solido 24 V CC)

· SM 523 — Moduli combo di ingresso/uscita digitali

· SM 531 — Moduli di ingresso analogico (4–20mA, 0–10V, RTD, termocoppia)

· SM 532 — Moduli di uscita analogica (4–20 mA, 0–10 V)

La configurazione in TIA Portal richiede la selezione del tipo di modulo corretto e l'impostazione della partizione dell'immagine di processo e degli interrupt hardware. I moduli Siemens sono codificati a colori in base al tipo (blu per i moduli digitali, verde per quelli analogici), il che semplifica l'identificazione fisica in officina.

Allen Bradley ControlLogix e Studio 5000

Allen Bradley ControlLogix utilizza moduli I/O della serie 1756 in uno chassis. La piattaforma è altamente modulare: è possibile combinare moduli digitali e analogici in qualsiasi slot.

Famiglie di moduli principali:

· 1756-IB16 — Ingresso digitale a 16 punti 24 V CC (a corrente continua)

· 1756-OB16 — Uscita digitale a 16 punti a 24 V CC (sourcing)

· 1756-IF8 — Ingresso analogico a 8 canali (diversi tipi di segnale)

· 1756-OF8 — Uscita analogica a 8 canali (4–20 mA, 0–10 V)

Allen Bradley utilizza i termini "sinking" e "sourcing" in modo coerente. Il 1756-IB16 è un ingresso sinking. Il 1756-OB16 è un'uscita sourcing. Verificare la polarità prima del collegamento: i moduli della serie Allen Bradley 1756 presentano un'etichettatura chiara sul pannello frontale e nella scheda tecnica.

Per i moduli CompactLogix (famiglie 5380 e 5480), le caratteristiche sono simili ma le dimensioni fisiche sono ridotte (formato 1769). I moduli 1769-IF8 per l'ingresso analogico e 1769-OF4 per l'uscita analogica sono scelte comuni.

ABB AC500 e Automation Builder

ABB AC500 utilizza moduli I/O S500 sul rack della CPU e I/O distribuiti (S500 eCo, S500) su reti fieldbus.

Famiglie di moduli principali:

· DI524 — Ingresso digitale a 16 punti da 24 V CC

· DO524 — Uscita digitale a 16 punti da 24 V CC

· AI523 — Ingresso analogico a 4 canali (4–20mA, 0–10V, RTD)

· AO523 — Uscita analogica a 4 canali (4–20mA, 0–10V)

I moduli ABB vengono configurati in Automation Builder (l'ambiente di programmazione ABB basato su CODESYS). Lo strumento di configurazione rileva automaticamente molti moduli quando la CPU è online. La scalatura dei canali per i moduli analogici viene eseguita nella configurazione hardware: verificare sempre che le unità di misura ingegneristiche (PSI, °C, GPM) corrispondano alla portata dei dispositivi di campo.

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FAQ

D: Posso combinare ingressi sinking e sourcing nello stesso modulo?

A: Alcuni moduli con ingresso universale consentono di configurare i singoli canali sia in modalità sinking che sourcing, ma i moduli standard in genere richiedono che tutti i canali condividano la stessa configurazione. Consultare la scheda tecnica. Se è necessario utilizzare dispositivi di diverso tipo, valutare l'utilizzo di un relè di interfaccia o di un modulo con ingresso isolato.

D: Cosa succede se utilizzo il tipo di I/O sbagliato, ad esempio collegando un'uscita di tipo sourcing a un ingresso di tipo sourcing?

A: Non funziona nulla, o peggio, sembra funzionare ma si comporta nella direzione opposta. Se colleghi un'uscita di tipo sourcing direttamente a un ingresso di tipo sourcing, le due sorgenti di tensione si contrastano a vicenda. L'ingresso potrebbe risultare permanentemente acceso o permanentemente spento, a seconda del circuito interno. La combinazione corretta è un'uscita di tipo sourcing collegata a un ingresso di tipo sinking (o viceversa) in modo che la corrente scorra in una sola direzione.

D: Di quanti punti di I/O ho bisogno per un piccolo progetto?

A: Una piccola macchina autonoma in genere necessita di 8-16 ingressi digitali, 6-12 uscite digitali, 2-4 ingressi analogici e 1-2 uscite analogiche. Iniziate contando i vostri dispositivi di campo discreti e l'elenco degli strumenti, quindi aggiungete un 20% di capacità di riserva. In caso di dubbi, un ingegnere applicativo del distributore può esaminare il vostro elenco di strumenti e consigliarvi una configurazione del modulo.

D: Il mio ingresso analogico legge un valore anche quando non è collegato alcun sensore. Il modulo è guasto?

R: No, i canali di ingresso analogici non collegati possono leggere rumore casuale (in genere un piccolo valore diverso da zero). Questo è normale. Il canale diventa significativo solo quando il sensore (trasmettitore) è collegato e il loop è alimentato (per dispositivi da 4 a 20 mA). Verificare sempre che l'alimentazione a 24 V CC del loop sia presente sul terminale del canale prima di eseguire la risoluzione dei problemi di lettura.

D: Posso sostituire un modulo di uscita digitale a 24 V CC con un modulo a 120 V CA nello stesso sistema?

R: Solo se anche i dispositivi di campo sono dimensionati per la nuova tensione. Non è possibile alimentare un solenoide a 24 V CC con un modulo di uscita a 120 V CA. Il cambio di classe di tensione richiede la sostituzione dei dispositivi di campo, del cablaggio e potenzialmente del modulo. Assicurarsi sempre che la tensione del modulo corrisponda alla tensione del dispositivo.

D: Cos'è l'isolamento dei canali e perché è importante?

A: I canali isolati presentano un isolamento circuitale individuale tra ciascun canale di ingresso o di uscita. I moduli non isolati condividono una massa comune su tutti i canali. L'isolamento è importante quando si utilizzano dispositivi di campo alimentati da diverse sorgenti di tensione o quando è necessario proteggere il sistema da anelli di massa e picchi di tensione sui singoli canali. Per le misurazioni analogiche critiche (trasmettitori di portata, trasmettitori di pressione), i moduli isolati forniscono segnali più puliti e una maggiore precisione.

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