Skip to main content

Wejścia cyfrowe na pierwszy rzut oka są prostym tematem. PLC odczytuje za ich pomocą stan stan sygnału – zero (FALSE) lub jeden (TRUE). Jak programista PLC lub projektant systemu autoamtyki musisz posiadać szczegółową wiedzę na ten temat.

Jest kilka zagadnień na które warto zwrócić uwagę:

  • Poziomy napięć modułu wejść cyfrowych (12 V, 24 V, 230 V itp.)
  • Konfiguracja karty wejść jako sink lub source
  • Czas reakcji i drgania styków
  • Szybkie wejścia cyfrowe – HSC

Wejścia w układzie sterowania PLC S7-1200

Urządzenia, takie jak Siemens S7-1200, realizują zadania automatyzacji poprzez cykl działania składający się z trzech kluczowych etapów:

Odczyt wejść – PLC odczytuje stany wejść dyskretnych i analogowych z czujników, przełączników oraz innych urządzeń. W Siemens S7-1200 możemy obsługiwać zarówno standardowe sygnały dyskretne 24V, jak i sygnały analogowe (np. 4-20 mA, 0-10 V, RTD).

Przetworzenie programu – Po odczycie danych urządzenie przetwarza zapisany w nim program. Program, najczęściej napisany w języku Ladder Logic (LAD), Funkcyjnych Schematów Blokowych (FBD) lub Structured Text (ST), analizuje stany wejść i podejmuje decyzje, które sterują odpowiednimi wyjściami.

Ustawienie wyjść – Na podstawie logiki programu, PLC wysyła odpowiednie sygnały na wyjścia. W Siemens S7-1200 obsługiwane są zarówno wyjścia dyskretne, jak i analogowe, co pozwala na sterowanie różnymi urządzeniami, od siłowników pneumatycznych po falowniki i serwonapędy.

W tym artykule skoncentrujemy się na dyskretnych sygnałach wejściowych, ponieważ to one są fundamentem do prawidłowego działania systemu sterowania.

Do wejść można przyłączyć różne rodzaje urządzeń sensorycznych oraz inne elementy, które dostarczają informacji o stanie procesu lub maszyny.

Oto lista takich urządzeń:

Typ czujnikaOpisPrzykładowy produkt
Czujniki zbliżenioweStosowane do wykrywania obecności obiektów bez konieczności fizycznego kontaktuCzujnik zbliżeniowy Sick Quasi-Flush IMB18-08BNOVC0S
Czujniki fotoelektryczneUżywane do wykrywania obiektów na podstawie zmian w świetle odbitym lub przerywanym przez obiektBariera świetlna Sick M40E-025023RB0
Czujniki temperaturyTakie jak termopary lub czujniki RTD, które mierzą temperaturęTermometr – czujnik rezystancyjny Pt100 Endress+Hauser
Czujniki ciśnieniaMonitorują ciśnienie w systemach pneumatycznych lub hydraulicznychCzujnik ciśnienia WIKA A-1200 IO-Link
EnkoderyUrządzenia służące do pomiaru kąta obrotu lub położenia liniowegoEnkoder inkrementalny Turck RE-10S6C
Przełączniki krańcoweMechaniczne urządzenia przełączające, które aktywują się przy osiągnięciu przez element maszyny określonej pozycjiWyłącznik krańcowy Eaton LS-S11/RLA
Czujniki poziomuSłużą do wykrywania poziomu cieczy lub materiałów sypkichSonda pływakowa poziomu cieczy PZP F&F
MikroprzełącznikiMałe przełączniki aktywowane przez niewielką siłę fizycznąMikroprzełącznik hermetyczny CANAL MPH1512L17P
Przyciski i przełączniki ręczneUmożliwiają operatorom manualne wprowadzanie poleceńPrzycisk sterowniczy NO SP22-KLZ-11-230-BA9S

Wejścia  PLC na schemacie elektrycznym – jak podłączyć

Wejścia sterownika PLC na schemacie elektrycznym możemy przedstawić na kilka sposobów.

Zestawienie modułów sterownika – wykorzystujemy je do tego aby przekazać informacje monterowi, w jakiej kolejności i jakie moduły należy ze sobą połączyć.

Zestawienie modułów

Połączenie sterownika – ta reprezentacja tworzona jest równoległe z poprzednią, pozbawiona jest jedynie zbędnych elementów, a zostały dodane połączenia.

Zasilanie sterownika
Wejścia sterownika

Przedstawienie sterownika w oddzielnych blokach – poprzednia reprezentacja w przypadku dużej ilości połączeń staje się mało czytelna i zbyt obszerna dlatego stosuje się podział sterownika na mniejsze moduły.

Podział na bloki

Podział na kanały – zajmuje dużo miejsca, ale jest to najbardziej czytelny i najczęściej stosowany sposób prezentacji połączeń sterownika PLC.

Podział na kanały

Zestawienie połączeń – na końcu opisu połączeń zawsze powinno znajdować się zazwyczaj automatycznie generowane zestawienie wszystkich przyłączy. Ułatwi to monterowi np. oznaczanie przewodów.

Jak sterownik PLC Siemens S7-1200 „widzi” sygnały cyfrowe?

Wejścia dyskretne, takie jak te w modelu Siemens S7-1200, działają na zasadzie detekcji dwóch stanów napięciowych, które odpowiadają poziomom „1” (stan wysoki) i „0” (stan niski). Sterownik interpretuje te sygnały na podstawie napięcia przyłożonego do jego wejścia.

Sterownik przetwarza te sygnały w ramach swojego cyklu pracy, odczytując stany wejść w każdym cyklu skanowania (scan cycle). Odczytane wartości są zapisywane w pamięci urządzenia (w tzw. mapie pamięci wejść) i wykorzystywane do dalszego przetwarzania przez program sterujący.

Na przykład, jeśli na wejściu pojawi się napięcie 24V, to sterownik zapisze w swojej pamięci wartość „1” dla tego wejścia. Jeśli sygnał spadnie do 0V, wartośc zapisywana jest jako „0”. W praktyce oznacza to, że  w czasie rzeczywistym udczytywane jest, które urządzenia są włączone (np. czujniki, przyciski), a które wyłączone, i na tej podstawie steruje dalszymi działaniami, zgodnie z zapisanym programem.

Stan niski (Low) – Kiedy napięcie na wejściu spadnie poniżej określonej wartości (często poniżej 5V lub 0V), odczytywane jest to jako  „0”. Oznacza to, że sygnał wejściowy jest nieaktywny lub wyłączony. W praktyce, jeśli czujnik lub przełącznik na linii wejściowej nie dostarcza napięcia lub sygnał jest zerowy, interpretowane jest to jako brak sygnału.

Stan wysoki (High) – Gdy na wejściu dyskretnym pojawia się napięcie odpowiadające zdefiniowanemu poziomowi „1” logicznemu (najczęściej jest to napięcie zasilania VCC, na przykład 24V DC w systemach przemysłowych), rozpoznawane jest, że wejście jest aktywne. Dla Siemens S7-1200, napięcie powyżej pewnego progu (np. 15V) jest zazwyczaj interpretowane jako „1”.

Wycinek dokumentacji technicznej sterownika S7-1200 1211C DC/DC/DC

Wejścia cyfrowe w PLC S7-1200 – izolacja galwaniczna

Na załączonym zdjęciu widać fragment płytki Siemens S7-1200, w szczególności sekcję odpowiadającą za dyskretne wejścia. Na górnej części płytki znajduje się rząd zacisków śrubowych, które są wykorzystywane do przyłączenia przewodów sygnałowych, odpowiedzialnych za wprowadzanie sygnałów dyskretnych. To właśnie te złącza umożliwiają przyłączenie czujników, przełączników oraz innych urządzeń peryferyjnych, które generują sygnały dyskretne.

Izolacja galwaniczna między sekcją wejść a jednostką centralną (CPU) w PLC jest kluczowym elementem zapewniającym bezpieczną i niezawodną pracę całego układu sterowania. Realizowana jest ona poprzez zastosowanie optoizolatorów, które pełnią funkcję bariery elektrycznej pomiędzy obwodami sygnałowymi wejść a obwodami logicznymi CPU.

Optoizolatory, znane również jako transoptory, składają się z dwóch głównych elementów:

  • Dioda LED (po stronie wejścia),
  • Fototranzystor (po stronie wyjścia).

Gdy na wejściu pojawia się sygnał, prąd przepływający przez diodę LED powoduje jej świecenie. To światło jest odbierane przez fototranzystor po stronie wyjścia, który reaguje na ten sygnał i przekazuje go dalej do CPU. Kluczowe jest to, że między diodą LED a fototranzystorem nie ma bezpośredniego połączenia elektrycznego – przekazywanie sygnału odbywa się wyłącznie na drodze optycznej. Dzięki temu nie ma możliwości przepływu prądu elektrycznego między sekcją wejściową a CPU, co zabezpiecza jednostkę centralną przed przepięciami, zakłóceniami lub uszkodzeniami pochodzącymi z zewnętrznych źródeł sygnałów.

Wejścia cyfrowe – czas reakcji i drgania styków

W PLC Siemens, czas reakcji na zmianę stanu wejścia dyskretnego ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania systemu. Jednym z problemów, z którym często się spotykamy, są drgania styków (ang. contact bounce) – krótkotrwałe, przypadkowe zmiany sygnału, które mogą wystąpić przy mechanicznych przełącznikach (np. przekaźnikach) czy przyciskach.

Drgania te powodują, że sygnał zmienia się kilkukrotnie w krótkim czasie, zanim się ustabilizuje, co może prowadzić do niepoprawnych odczytów.

W Siemens S7-1200 mamy możliwość zastosowania filtrów wejściowych, które eliminują te niepożądane zjawiska. Dzięki regulacji czasu filtracji, np. ustawiając go na kilka milisekund, urządzenie ignoruje krótkotrwałe zakłócenia i reaguje jedynie na sygnały, które utrzymują się przez określony czas. Na wykresie widać, jak drgania styków wpływają na sygnał, a odpowiednie ustawienie filtra pozwala na stabilny odczyt bez fałszywych zmian stanu. Optymalizacja tego parametru znacząco poprawia niezawodność systemu sterowania.

Wejścia w sterowniku PLC Siemens S7-1200 typu sink/source

Rozróżniamy dwa typy wejść, mogą to być wejścia typu „sink” lub „source”, w zależności od konfiguracji jaką przyjmiemy i typu czujników sotosowanych w projekcie.

W Europie najczęściej stosuje się czujniki typu PNP i karty wejść typu sink. Natomiast w Azji króluje podejście odwrotne, tzn. czujniki są typu NPN a karty wejść typu source.

Wejścia typu „sink”

W tym przypadku czujnik dostarcza potencjał 24V VCC do sterownika (np. na DI a.0), a obwód wejścia cyfrowego jest zamykany przez podłączenie zacisku 1M do masy (GND).

Wejścia typu „source”

Tutaj obwód jest zamykany przez podłączenie zacisku 1M do zasilania (VCC). Kanał jest aktywowany, gdy czujnik zwiera wejście np. na DI a.0 do potencjału 0V (GND).

Przyłącznie przycisków do wejść sink/source

Przeanalizuj poniższy opis podłączeń Siemens S7-1200 CPU 1211C DC/DC/DC. Zwróć uwagę, że możesz ustawić wejścia dyskretne zarówno w trybie sink, jak i source, w zależności od sposobu podłączenia.

Jeśli chcesz używać wejść w konfiguracji sink, należy przyłączyć przewód ujemny („-” 0V) do zacisku „M”. Natomiast w konfiguracji source należy przyłączyć przewód dodatni („+” 24V) do zacisku „M”. Taka elastyczność pozwala na dopasowanie konfiguracji do potrzeb instalacji oraz rodzaju urządzeń peryferyjnych, które mogą wymagać różnych sposobów detekcji sygnałów.

Wejścia/wyjścia sterownika S7-1200 1211C DC/DC/DC

Poniżej przedstawione zostały dwa sposoby przyłączenia czujników. Pierwszy to czujnik typu source z wejściem typu sink, a drugi analogicznie na odwrót, czyli czujnik typu sink z wejściem jako source. UWAGA! Czujnik source podłączony do sterownika source nie mają prawa działać!

Sposoby podłączenia czujników 3-przewodowych

Szybkie wejścia HSC

W sterowniku Siemens S7-1200 szybkie wejścia cyfrowe (HSC – High-Speed Counters) są przeznaczone do obsługi sygnałów o wysokiej częstotliwości, które standardowe wejścia cyfrowe nie są w stanie poprawnie odczytać z powodu ograniczeń czasowych.

Szybkie wejścia HSC są szczególnie przydatne w aplikacjach takich jak pomiar prędkości, zliczanie impulsów, odczyt pozycji z enkoderów czy sterowanie precyzyjnymi procesami wymagającymi szybkich reakcji.

Zastosowania szybkich wejść HSC PLC S7-1200

  • Enkodery HTL: Używane do pomiaru prędkości lub położenia silników i innych urządzeń.
  • Czujniki zbliżeniowe: Do szybkiego wykrywania obiektów w aplikacjach związanych z obróbką czy pakowaniem.

W sterowniku Siemens S7-1200 dostępne są dwa typy kanałów HSC (High-Speed Counters), które różnią się maksymalną częstotliwością odczytu sygnałów:

  1. Kanał HSC o wysokiej częstotliwości – obsługuje sygnały do 100 kHz. Jest to główny kanał, przeznaczony do aplikacji wymagających wysokiej precyzji, takich jak zliczanie impulsów z enkoderów lub czujników o dużej szybkości działania.
  2. Kanał HSC o niższej częstotliwości – obsługuje sygnały do 30 kHz. Ten kanał jest stosowany w mniej wymagających aplikacjach, gdzie sygnały o niższej częstotliwości są wystarczające.
Odczyt danych z enkodera

Moduły wejść cyfrowych

Sterownik S7-1200 oferuje wbudowane wejścia cyfrowe oraz możliwość rozszerzenia systemu o dodatkowe moduły. Dostępne są następujące moduły wejść cyfrowych:

  • SM 1221 (8 wejść): Moduł z 8 wejściami cyfrowymi, napięcie robocze 24VDC,
  • SM 1222 (16 wejść): Moduł z 16 wejściami cyfrowymi, napięcie robocze 24VDC,

Te moduły można łączyć w kaskadę, zwiększając liczbę dostępnych wejść cyfrowych w systemie.

Dowiedz się jak sterowniki Simatic S7-1200 działają w praktyce?

Podsumowanie

Przy projektowaniu systemu z wykorzystaniem sterownika PLC Siemens S7-1200, kluczowe jest zwrócenie uwagi na kilka istotnych aspektów dotyczących wejść dyskretnych. Programowanie Siemens S7-1200 wymaga odpowiedniego doboru poziomu napięcia wejść dyskretnych (12 V, 24 V, 230 V), jak również konfiguracji wejść jako sink lub source, co wpływa na sposób połączenia z czujnikami. Ważnym elementem jest także optymalizacja czasu reakcji wejść oraz eliminacja drgań styków, aby zapewnić dokładne odczyty. Dla aplikacji wymagających szybkiego przetwarzania sygnałów warto zastosować szybkie wejścia cyfrowe (HSC). Te czynniki mają bezpośredni wpływ na niezawodność systemu sterowania opartego na PLC Siemens S7-1200. Sprawdź kolejny artykuł na temat wyjść cyfrowych.

O autorze

Kamil Biedulski

Author Kamil Biedulski

Automatyk i programista, CTO w ControlByte

Więcej postów tego autora Kamil Biedulski