Моя статья про входы и выходы ПЛК — одна из самых читаемых на блоге! Надеюсь, она много кому помогла разобраться с этой темой, базовой для всех систем умный дом и для автоматики вообще.

Кстати, я недавно просматривал объявления о продаже мониторов, не менее, чем в трети объявлений фигурирует выражение «Выход HDMI». А ведь у монитора это не выход, это вход!

Так что напишу на эту тему ещё раз чуть более подробно, так как тема актуальная.

Входные и выходные сигналы — одно из основных понятий в оборудовании систем Умного Дома. Основными характеристиками любого модуля расширения любой системы автоматики является то, какие он содержит входы, выходы и интерфейсы. У контроллера также помимо интерфейсов может быть какое-то количество входов и выходов разного типа.

Для расчёта стоимости системы Умный Дом (и любой автоматики, даже промышленной) важно сначала посчитать необходимое количество входов и выходов.

Входы

Входы — это порты подключения датчиков или кнопок. Например, датчик движения подаёт информацию на систему. Датчик температуры также подаёт информацию на систему. А система на эти устройства подаёт электропитание. То есть, у датчика движения есть вход электропитания и выход информации, а у системы Умного Дома есть выход питания и вход информации от датчика. Если датчик температуры также сообщает о влажности воздуха, то это два выходных сигнала, нам нужны два входа системы, чтобы их принимать.

Выключатель подаёт информацию на систему, а питания не требует (если это обычный кнопочный выключатель, а не панель с интерфейсом KNX), у него только выход.

В некоторых датчиках газа есть два выхода — предтревога и тревога, с разными порогами количества газа в воздухе. Они требуют двух входов системы.

Вход может быть дискретным или аналоговым.

Дискретный (он же бинарный) вход воспринимает подаваемые на него сигналы как логический ноль или логическую единицу. Логический ноль — значит, нет сигнала. Единица — есть сигнал. На выключатель можно либо нажать, либо не нажать. Нажали — вход системы должен получить логическую единицу. Не нажали — он должен получить ноль.

У контроллера системы Умного Дома EasyHomePLC напряжение логического ноля от 0 до 5 вольт. А логической единицы — от 7 до 60 вольт. То есть, если на него подать 3 вольта — он не среагирует. Если подать 6 вольт — тоже не среагирует, но лучше такое напряжение не подавать, так как входные элементы могут случайно воспринять его как единицу. А вот если подать 12, 24 или 48 вольт — контроллер знает, что что-то произошло: кнопка выключателя нажата или датчик сработал. При этом не важно, сколько именно вольт, 12, 24, 48 или 60. Если подать напряжение выше максимально допустимого, вход контроллера может сгореть.

Контроллер ОВЕН ПЛК110 воспринимает как логическую единицу появление на дискретном входе напряжения от +15 до +30 вольт. Можно использовать блок питания 24 вольта, его подавать на выключатель, при нажатии клавиши выключателя напряжение будет приходить на вход контроллера.

А модуль дискретных входов Wirenboard ожидает, что на входе появится земля (gnd), для удобства подключения клемма с землёй есть на самом модуле. То есть, дискретный вход не всегда в качестве логической единицы ожидает какое-то напряжение, может ожидать замыкание на землю (то есть, это интерфейс «сухой контакт»).

Есть модули дискретных входов, предназначенные для обнаружения переменного напряжения 230 вольт. Например, у модуля детекции наличия сетевого напряжения Wirenboard WBIO-DI-HVD-16 16 дискретных входов, логической единице у них соответствует напряжение от 50 до 250 вольт переменного напряжения. В системе Умного Дома такой модуль удобно использовать для отслеживания наличия фаз питания от города, от генератора, наличие подачи питания на важные приборы. Если, например, пропало питание на котёл, септик или слаботочный шкаф, но не пропало на вводе в дом, значит, надо идти к щиту и проверять, не сработал ли автомат или УЗО нужной линии.

Аналоговый вход видит не только 0 или 1, а промежуточные значения. Например, аналоговые входы EasyHomePLC или Beckhoff KL1408 воспринимают сигнал от 0 до 10 вольт. Причем с дискретизацией 12 бит, то есть, они различают 4096 значений напряжения от 0 до 10 вольт. Есть подать на 2.5 милливольта (1 милливольт = 0.001 вольт) больше — вход уже это увидит и передаст в систему. Если на вход поступает информация с датчика температуры, диапазон измерения которого от 0 до +50 градусов, то эти 2.5 милливольта соответствуют примерно 0.12 градуса. Если подать на аналоговый вход с диапазоном измерения от 0 до 10 вольт напряжение 12 вольт — он будет видеть 10 вольт, то есть, +50 градусов.

Если датчик измеряет температуру в диапазоне от -50 до +50 градусов, то 5 вольт от датчика соответствуют 0 градусов, а, скажем, 8 вольт от датчика соответствуют +30 градусам. Разумеется, в том случае, если сигнал от датчика линейный, то есть, напряжение на выходе меняется прямо пропорционально измеряемой температуре.

Универсальный аналоговый сигнал — это от 0 до 10 вольт постоянного тока, такой сигнал даёт множество разных промышленных датчиков разных величин. Либо от 1 до 10 вольт. Может быть токовый сигнал — от 4 до 20 миллиампер.

Почему не от ноля, а от 1 вольта или 4 миллиампер? Чтобы понимать, работает ли вообще источник сигнала. Если датчик с выходным сигналом 1-10 вольт выдаёт 1 вольт, значит, это соответствует минимальному уровню измеряемой величины. Если 0 вольт — значит, он выключен или сломан, а может, провод оборван.

Если требуется подключить к системе какой-то проводной датчик, который должен сообщать простой аналоговый параметр, то стоит искать как раз датчик с интерфейсом 0..10 (1..10) вольт или 4..20 миллиампер. Если параметров может быть несколько, то имеет смысл поискать датчик с интерфейсом modbus.

Датчики угарного газа, природного газа (метана) или пропана обычно имеют дискретный выход, то есть, подключаются к дискретному входу контроллера и подают сигнал, когда значение измеряемой концентрации газа становится опасным. Датчики уровня углекислого газа или кислорода дают аналоговое значение, соответствующее уровню газа в воздухе, чтобы контроллер сам мог принимать решение о каком-то действии.

Диапазоны измерения с амплитудой больше 10 вольт в автоматике обычно не используются.

Распространены также настенные панели с поворотным регулятором, которые на выходе дают сигнал 0..10 либо 1..10 вольта. Такие панели используются обычно для задания необходимого уровня освещённости, они подают задающий сигнал на контроллер, а он уже управляет диммером регулировки освещения. Подробнее управление диммерами освещения будет рассмотрено в главе «Управление освещением».

Выходы

Выходы — это клеммы на устройстве, которые подают информацию из системы. Для управления лампочкой (или группой лампочек, работающих синхронно) нужен один выход. Для управления вытяжкой санузла или розеткой также нужен один выход. Для управления шторой или электроприводом любого типа обычно нужно два выхода: на открывание и на закрывание. Управление воротами — либо один, либо два, в зависимости от того, будут ворота закрываться сами через какое-то время или на них нужно подать сигнал для закрывания.

Дискретный (или бинарный) выход может принимать значение логического ноля либо единицы. То есть, он либо включен, либо выключен. Дискретные выходы в контроллерах и модулях расширения Умного Дома могут быть двух типов: реле или транзистор.

Реле, как мы рассматривали ранее, коммутирует нагрузку. Реле подаёт напряжение на что-либо, если оно включено, или не подаёт, если оно выключено. Реле характеризуется в первую очередь напряжением и током, которые могут через него течь. Помимо этого у реле есть такие параметры как количество циклов включения-выключения, которое оно может проработать (это называется прочность, она есть механическая и электрическая, первая обычно меньше) и максимальный пусковой ток.

При проектировании электрощита линии питания реле стоит защищать автоматическим выключателем или предохранителем соответствующего им номинала, чтобы при перегрузке отключился автомат, а не сгорело (или «залипло») реле. Но от больших пусковых токов защита автоматом не всегда спасает, так как они очень кратковременны: автомат не успевает среагировать, а контакты реле могут успеть спаяться.

Реле при работе всегда щёлкают, кроме твердотельных реле, которые не используются внутри корпусов модулей расширения и контроллеров из-за сильного нагрева.

В модулях расширения и контроллерах Умного Дома и автоматики обычно указывается назначение установленных в них реле. Например, в модулях управления освещением номинальный ток коммутации не менее 10 ампер и возможны большие пусковые токи. А в модулях управления приводами отопления номинальные токи реле могут не превышать 1 ампер, без пусковых токов. В модулях управления розетками ток коммутации не менее 16 ампер.

В модулях, предназначенных для управления электрокарнизами стоят обычно два реле: одно (перекидное) отвечает за направления движения, второе за подачу питания. Это позволяет сделать невозможным подачу питания одновременно на два направления движения, что привело бы к поломке электропривода.

Транзисторный выход также позволяет коммутировать ток, но делает это бесшумно и без механического замыкания и размыкания контактов. Если у модуля дискретного вывода или контроллера выход не релейного типа, то это транзистор, при включении на нём может появляться либо напряжение, либо земля.

Обычно выходы такого типа предназначены либо для подключения к ним реле, которое уже подбирается под конкретную задачу, либо для передачи каких-то сигналов.

У транзисторных выходов, как и у реле, есть максимальное напряжение и ток, при подключении к ним реле надо смотреть, чтобы эти параметры не превышали ток катушки (первичной обмотки) реле.

У модуля дискретных выводов Beckhoff KL2408 при включении выходов на них появляется 24 вольта, возможная нагрузка до 0.5 ампера. Можно подключить к выходу, например, привод отопления Oventrop на 24 вольта (у него максимальный ток 0.25 ампер) или сирену 24 вольта, либо подключаем отдельное реле с катушкой 24 вольта, которое будет уже коммутировать столько ампер, сколько нам надо.

Открытый коллектор — это выход, который либо подключен к земле, либо отключен от чего бы то ни было (то есть, «висит в воздухе»).

Если подключить к такому выходу первичную обмотку реле, которая уже запитана от источника питания с напряжением, соответствующим номинальному напряжению первичной обмотки, то при включении выхода через обмотку в открытый коллектор потечёт ток, и реле включится. С точки зрения системы в целом открытый коллектор представляет собой выход, так как это способ контроллера управлять чем-то, независимо от того, что ток течёт в него при его включении.

На самом деле, если внутри корпуса контроллера или модуля ввода-вывода находится реле, то оно внутри устройства уже подключено к управляющему им транзистору, просто для удобства подключения реле уже впаяно в корпус. В промышленной автоматике чаще встречается отдельно установленное реле, так как это увеличивает надёжность системы: реле можно подобрать точнее под задачу, реле не находится в корпусе вместе с другими реле (они не нагревают друг друга), реле легко заменить. В системах, предназначенных для задач Умного Дома, реле обычно уже внутри корпуса, чтобы не усложнять схему подключения.

Транзисторные выходы обычно коммутируют слабые токи, 24 вольта 0.5 ампера в модулях Beckhoff KL2408 — это уже сравнительно много. Но транзисторы могут быть достаточно мощными: когда мы будем в главе «Управление освещением» рассматривать ШИМ-регулирование яркости светодиодных лент, мы увидим транзисторные выходы с током коммутации и 10, и 20 ампер. Почему не размещают в корпусах контроллеров и модулей ввода-вывода сразу бесшумные и долговечные транзисторные выходы вместо реле? Причины те же, что и для твердотельных реле (которые и являются мощными транзисторами, только вынесенными в отдельный корпус) — сильный нагрев при работе и наличие тока утечки, то есть, при отключении они не разрывают цепь полностью, как это делают реле.

Реле, конечно, тоже подвержены нагреву во включенном состоянии, так как через них протекает ток. В модулях релейных выводов часто помимо номинального тока каждого реле присутствует характеристика «Максимальный ток всех реле». Например, 6 реле по 10 ампер каждое, но в сумме должно быть не больше 20 ампер (что вполне допустимо при управлении освещением). Это обсуловлено как раз возможностью перегрева блока.

Ещё одно важное отличие между релейными и транзисторными выходами — скорость работы. Реле не могут щёлкать часто, потому что, во-первых, они механически не могут этого делать, во-вторых, у них есть определённый ресурс включений-выключений. А транзисторы могут работать очень быстро. Диммируя светодиодную ленту способом ШИМ транзистор включается и выключается тысячи раз в секунду (одна тысяча включений и выключений за секунду соответствует скорости работы 1 килогерц, а скорость работы может достигать десятков килогерц).

Аналоговый выход умеет подать определённое напряжение. Например, уже рассмотренные нами от 0 до 10 вольт для управления регулятором скорости вращения вентилятора или диммера освещения. Или 4..20 миллиампер.

В системах Умного Дома помимо регулятора скорости вращения вентилятора или диммера освещения аналоговый выход контроллера также может использоваться для регулировки угла открывания воздушной заслонки (от 0 до 10 вольт соответствует углу открывания от 0 до 90 градусов) или для регулировки уровня открытия привода на трубу отопления (управление радиатором или водяным тёплым полом).

Важно понимать, что любой контроллер автоматики оперирует логическими сигналами. Цифрами, то есть. Видео и звук с камер, домофония (если это не дискретный сигнал «вызов» или «открыть дверь», телевидение, мультирум — на контроллер не заходят вообще, он никак не обрабатывает аудио и видео данные. Он может подавать сигналы управления на соответствующие устройства, работающие со звуком и видео, например, на усилители, ресиверы, медиаплееры, HDMI матрицы, проекторы и так далее. Можно с контроллера открывать дверь, калитку, ворота — на это есть дискретные выходы. Можно в приложении для управления умным домом видеть картинку с видеокамер, это делает само приложение на смартфоне или планшете, контроллер тут вообще ни при чём. Контроллеры Умного Дома не имеют возможностей видеоаналитики, эти функции осуществляются видеокамерами, видеосервером, панелью вызова домофона.

Интерфейсы

Такие протоколы связи как Ethernet, RS232, Modbus, DALI и прочие — это уже не входы или выходы, это интерфейсы. Информация по ним поступает в обе стороны, в отличие от входов и выходов. В них могут быть такие полезные вещи как контроль правильности получения информации и обратная связь.

Модули ввода-вывода подключаются к контроллеру по какому-то протоколу (обычно CAN, Modbus или Ethernet), а с простыми дискретными и аналоговыми датчиками односторонняя связь. Вместо простого датчика всегда можно взять датчик с интерфейсом и получить больше информации с контролем правильности получения.

Понятие входов и выходов используется не только в автоматике, но и касательно вообще любых сигналов. Например, у телевизора есть порты HDMI – это входы. А у медиаплеера HDMI порт — это выход. Если на телевизоре и ресивере порт HDMI помечен как ARC (то есть, audio return channel), то по подключенному в них кабелю аудиосигнал может идти «в обратную сторону» — от телевизора к ресиверу, это используется, чтобы смотреть что-то средствами телевизора, а звук шёл из подключенной к ресиверу аудиосистемы. Во всех случаях работы с аудио и видеосигналами важно понимать, где вход, а где выход.

Но ещё более важно понимать это при работе с электропитанием. На любых устройствах может быть вход для подачи питания на само это устройство и выход питания от источника в устройстве на какое-то другое оборудование. Например, USB порты на компьютере или ноутбуке — это выходы питания. Если в них подключить USB кабель, включенный в зарядное устройство, результат зависит только от того, насколько такой вариант был предусмотрен разработчиком порта, если никак не предусмотрен, то порт скорее всего сгорит.

Cловарь терминов

Приведём общеупотребительные термины, обозначающие понятия из этой главы, которые используются в англоязычной, а иногда и русскоязычной, документации:

Дискретный вход — discrete input, binary input, DI

Дискретный выход — discrete output, DO

Реле — relay

Открытый коллектор — open collector

Сухой контакт — dry contact

Аналоговый вход — analog input, AI

Аналоговый выход — analog output, AO

Широтно-импульсная модуляция, ШИМ — PWM

Шлюз — gateway