Yeni Kutuda SIEMENS 6ES7331-7KF02-0AB0 PLC 6ES7 3317KF020AB0 6ES7331-7KFO2-OABO

Siemens 6ES7331-7KF02-0AB0 | SIMATIC S7-300 SM 331 Analog Giriş Modülü — 8 İzole Kanal, 9/12/14-Bit Seçilebilir, Voltaj / Akım / Termokupl / RTD, Tanılama, 20-Pin

Genel Bakış

Siemens 6ES7331-7KF02-0AB0 SIMATIC S7-300 portföyündeki en çok yönlü ve yaygın kullanılan analog giriş modüllerinden biridir.

SM 331 AI 8×12Bit, piyasadaki çoğu analog giriş modülünün yapmadığı bir şeyi yapar: aynı modül üzerinde dört tamamen farklı sinyal kategorisini — voltaj, akım, termokupl ve direnç/RTD — işler ve her kanal grubu STEP 7 parametreleri aracılığıyla bağımsız olarak yapılandırılabilir. 

S7-300 rack'teki tek bir 40 mm genişliğindeki modül, aynı anda 1 ve 2 numaralı kanallarda 4–20mA basınç vericilerini, 3 numaralı kanalda 0–10V akış ölçeri, 5–6 numaralı kanallarda termokupl sıcaklık sensörlerini ve 7–8 numaralı kanallarda Pt100 RTD sıcaklık elemanlarını okuyabilir. Ek donanım adaptörü, ayrı özel modül veya karmaşık kablolama düzenlemesi gerekmez — sadece alan cihazı türlerine uyacak şekilde kanal grubu parametrelerini yapılandırmak yeterlidir.

Bu çoklu tip yeteneği, modülün entegre ADC mimarisinin programlanabilir ön uç sinyal koşullandırması ile birleşmesinin doğrudan bir sonucudur.

Her giriş kanalının ölçüm türü yazılımda (STEP 7 donanım yapılandırması) tanımlanır ve modül buna göre dahili giriş empedansını, ölçeklendirmesini ve dönüştürme algoritmasını ayarlar.

Termokupl kanalları, milivolt sinyalini mühendislik sıcaklık birimine dönüştürmek için uygun doğrusal olmayan doğrusallaştırma eğrisini (Seebeck katsayısı düzeltmesi) uygular; RTD kanalları, Pt100 doğrusallaştırması için Callendar-Van Dusen denklemini veya Ni100 için uygun polinomu uygular ve doğrusal olmayan direnç-sıcaklık ilişkisini otomatik olarak hesaba katar.

Programcı, kullanıcı programında herhangi bir sinyal işleme uygulamadan, modülün işlem görüntüsünden — zaten Santigrat dereceye veya yapılandırılmış mühendislik birimine ölçeklenmiş — standart 16-bit tamsayılar okur.

Anahtar Özellikler

Çözünürlük ve Dönüşüm Hızı — 9/12/14-Bit Takası

SM 331'in çözünürlüğü sabit bir özellik değildir — her kanal çifti için dönüşüm hızını belirleyen programlanabilir bir parametredir.

ADC'nin entegrasyon prensibi, daha uzun entegrasyon sürelerinin daha doğru (daha yüksek çözünürlüklü) dönüşümler ürettiği, daha kısa entegrasyon sürelerinin ise daha hızlı güncellemeler için çözünürlükten ödün verdiği anlamına gelir. Bu takası anlamak, modülü doğru yapılandırmak için esastır:

9-bit (2.5ms entegrasyon): En hızlı ayar — işlem dinamiklerinin hızlı olduğu ve ölçüm doğruluğunun ikincil olduğu durumlarda kullanışlıdır.

9-bit çözünürlük (tam giriş aralığında 512 adım), ±5V giriş üzerinde yaklaşık 20mV çözünürlük sağlar, bu da proses kontrol standartlarına göre kaba bir değerdir.

Bu ayar için uygulamalar, sabit durum proses ölçümünde nadirdir ancak kaba bir analog değerin hızlı güncellendiği hızlı döngülü makine kontrol senaryolarında geçerli olabilir.

12-bit (16.67ms veya 20ms entegrasyon): Çoğu proses kontrol uygulaması için standart ayar, sırasıyla 50Hz ve 60Hz gürültü reddiyle ilişkilidir.

12-bit çözünürlük (4096 adım), ±5V giriş üzerinde yaklaşık 2.5mV çözünürlük sağlar — 4–20mA akım döngülerinin ve endüstriyel vericilerin tipik ±0.5% doğruluğu için fazlasıyla yeterlidir. 

50Hz veya 60Hz entegrasyonundaki gürültü reddi kritiktir: bu frekanslar, alan cihazı kablolarına giren AC şebeke parazitleridir ve tam olarak bir şebeke döngüsü boyunca entegre etmek, ADC sonucundaki AC bileşenini iptal eder.

14-bit (100ms entegrasyon): En yüksek çözünürlük, 10Hz gürültü reddiyle ilişkilidir.

14-bit mod (16384 adım, ±5V üzerinde yaklaşık 0.6mV çözünürlük), sinyal seviyelerinin milivolt olduğu ve termal sürüklenme ölçüm hassasiyetinin güncelleme hızından daha önemli olduğu termokupl ve RTD ölçümleri için kullanılır. 

Sıcaklık prosesleri yeterince yavaş değişir ki 100ms dönüşüm süresi tamamen kabul edilebilirdir.

Optik İzolasyon — Endüstriyel Ortamlarda Neden Önemlidir

SM 331'in alan devreleri ile S7-300 arka paneli arasındaki optik izolasyon bir pazarlama özelliği değildir — birçok kurulum ortamında mühendislik gerekliliğidir. İzolasyon olmadan, her alan cihazının sinyal dönüşü (0V referansı), modülün giriş kabloları aracılığıyla PLC'nin arka paneli toprağına bağlanır.

Tesis zemininde geniş bir alana yayılmış alan cihazlarının bulunduğu büyük bir kurulumda, farklı topraklama noktaları, alan cihazı şasi toprakları, kablo kalkanları ve bina yapısal çeliğinin birleşimiyle oluşan akım yolları olan toprak döngüleri nedeniyle farklı potansiyellerde olabilir. 

Bu toprak potansiyeli farkları, analog modülün diferansiyel girişi boyunca ortak mod voltajları olarak görünür ve ölçümü bozar.

Optik izolasyon bu ortak mod voltaj yolunu keser: alan sinyali, iletken bir bağlantı olmadan, bir ışık bariyeri aracılığıyla alan kablolarından dijital elektroniğe geçer.

Alan devresi ile PLC arka paneli arasındaki izolasyon derecesine (250V AC) kadar olan ortak mod voltajları optik bariyer tarafından engellenir ve ölçümü etkilemez. 

Değişken frekanslı sürücüler, motor başlatıcılar ve paylaşılan kablo altyapısındaki transformatör kuplajlı alan cihazlarının bulunduğu kurulumlarda, optik izolasyon kararlı, doğru ölçümler ile açıklanamayan analog değer sürüklenmesi ve gürültüsü arasındaki farktır.

Termokupl Girişi — Doğrusallaştırma ve Soğuk Eklem Kompanzasyonu

Termokupl ölçümü, SM 331'in dahili olarak işlediği iki zorluk getirir. Birincisi, bir termokupl tarafından üretilen Seebeck voltajı doğrusal değildir — bir Tip K termokupl 1000°C'de 41.269mV üretirken, 500°C'de yalnızca 20.644mV üretir, saf doğrusal bir modelin öngöreceği 20.635mV değil.

SM 331, her yapılandırılmış termokupl tipi (E, J, K, L, N) için uygun ITS-90 doğrusallaştırma tablosunu uygular ve ham milivolt okumasını doğrudan sıcaklığa dönüştürür, S7-300 kullanıcı kodunda herhangi bir programlama gerektirmez.

İkincisi, termokupl ölçümleri soğuk eklem kompanzasyonu gerektirir: Seebeck voltajı, sıcak eklem (proses ölçüm noktasındaki) ile soğuk eklem (termokupl telinin cihaza bağlandığı yer) arasındaki sıcaklık farkına karşılık gelir.

SM 331, kendi terminallerindeki (soğuk eklem) sıcaklığı dahili bir sıcaklık sensörü kullanarak ölçer ve sıcak eklemin mutlak sıcaklığını üretmek için bu kompanzasyonu ölçülen Seebeck voltajına ekler.

SM 331, homojen, bilinen bir sıcaklıkta olduğunda bu dahili kompanzasyon doğrudur — iyi yönetilen bir kontrol kabininde 20–40°C ortam sıcaklığında, dahili kompanzasyon çoğu proses kontrol gereksinimleri için yeterlidir.

Laboratuvar sınıfı doğruluk için, harici bir soğuk eklem kompanzasyon kutusu, tel sonlandırma noktasında referans eklem sıcaklığı ölçümü sağlar.

Kablo Kopması İzleme ve Tanılama Yetenekleri

SM 331, yapılandırılmış kanallarda aktif kablo kopması izlemesi sağlar. 4–20mA akım döngüleri için, 3.6mA'nın altındaki bir sinyal (normal 4mA canlı sıfır taban çizgisinin altında) kırık bir kabloyu, arızalı bir vericiyi veya güçsüz bir sensörü gösterir — modül bu koşulu algılar ve bir tanılama kesmesi oluşturur.

Termokupl girişleri için, modül küçük bir sapma akımı uygular ve giriş empedansını izler — açık devre bir termokupl (kırık kablo veya arızalı eklem) algılanır ve raporlanır.

Voltaj girişleri için, kablo kopması tespiti anlamlı değildir (yüzen açık devre voltaj girişi belirli bir hata göstergesi yerine belirsiz bir değer okur).

Bu tanılama bilgileri S7-300 tanılama kesme mekanizması aracılığıyla iletilir: bir kablo kopması algılandığında, SM 331, S7-300 CPU programındaki OB82'yi etkinleştiren bir kesme tetikler.

OB82 organizasyon bloğu, kanal numarası ve hata türü dahil olmak üzere tanılama bilgilerini alır ve programcı, bir alarm oluşturmak, olayı kaydetmek veya kontrol programındaki arızalı kanal için güvenli bir yedek değer ikame etmek üzere OB82'yi yazabilir.

Bu otomatik hata bildirimi, her kanalı aralık dışı değerler için yoklamaktan çok daha sağlamdır — CPU tarama döngüsünden bağımsız olarak anında bildirim sağlar ve yüksek CPU yükü dönemlerinde bile hiçbir hata olayının fark edilmemesini sağlar.

SSS

S1: Aynı anda kaç kanal aktif olabilir ve aynı modülde farklı kanal çiftleri farklı ölçüm türleri kullanabilir mi?

Sekiz kanalın tamamı aynı anda aktif olabilir — SM 331, seçilebilir bir şekilde tek tek değil, etkinleştirilen tüm kanalları döngüsel olarak dönüştürür. Ancak, kanallar çiftler halinde gruplandırılır (kanallar 0–1, 2–3, 4–5, 6–7) ve bir çift içindeki tüm kanallar aynı ölçüm türü ve çözünürlük ile yapılandırılmalıdır.

Bu, şunlara sahip olabileceğiniz anlamına gelir: kanallar 0–1, 4–20mA akım (12-bit) için yapılandırılmış, kanallar 2–3, ±10V voltaj (12-bit) için, kanallar 4–5, Tip K termokupl (14-bit) için ve kanallar 6–7, Pt100 RTD (14-bit) için — hepsi aynı modülde aynı anda çalışır. 

Tek kısıtlama çift gruplamasıdır — bir çiftteki her iki kanal da aynı yapılandırmayı paylaşır. Bu dört çiftli, bağımsız olarak yapılandırılabilir mimari, SM 331'i bu kadar çok yönlü yapan şeydir: tek bir modül, bir proses tesisinin tipik olarak sunduğu sinyal çeşitliliğinin çoğunu işler.

S2: Entegre dönüşüm prensibi parazit bastırmayı nasıl sağlar ve 50Hz güç sistemleri ve 60Hz sistemler için hangi entegrasyon süresi seçilmelidir?

Entegre (çift eğimli) ADC, bir kapasitörü sabit bir zaman aralığı (entegrasyon süresi) boyunca giriş sinyaliyle şarj ederek, ardından kapasitörü bir referans hızında boşaltmanın ne kadar sürdüğünü ölçerek çalışır.

Entegrasyon süresi boyunca tam bir tam sayı döngüsü tamamlayan herhangi bir AC parazit sinyali, kapasitöre sıfır net yük katkısı yapar — pozitif yarım döngüleri negatif yarım döngüleri tarafından iptal edilir. 

Buna senkron parazit bastırma denir. 50Hz AC şebekeler (Avrupa, Asya, Avustralya'da yaygın) için, 20ms entegrasyon süresi seçmek, tam olarak bir adet 50Hz döngüsünün entegre edilmesini sağlar ve şebeke frekansı parazitini iptal eder.

60Hz AC şebekeler (Kuzey Amerika, Asya ve Güney Amerika'nın bazı bölgeleri) için, 16.67ms seçmek tam olarak bir adet 60Hz döngüsünün entegre edilmesini sağlar.

Yerel şebeke frekansı için yanlış entegrasyon süresini seçmek, önemli ölçüde bozulmuş gürültü reddine yol açar — parazit artık senkron olarak iptal edilmez.

50Hz ayarı küresel olarak en yaygındır; 60Hz, Kuzey Amerika kurulumları için açıkça belirtilmelidir.

400Hz ayarı (2.5ms) anlamlı bir şebeke bastırması sağlamaz ve sabit durum proses değişkenleri için değil, yüksek hızlı dinamik ölçümler için tasarlanmıştır.

S3: SM 331'e termokupl ve 4–20mA bağlantıları için maksimum kablo uzunluğu nedir ve hangi kablo tipi önerilir?

Termokupl bağlantıları için kablo, termokupl uzatma kablosu veya kompanzasyon kablosudur — termokuplun kendisiyle aynı alaşımdan (veya termoelektrik olarak eşdeğer alaşımdan) yapılmış iletkenlere sahip özel kablo.

Standart bakır kablo, termokupl devresindeki herhangi bir bakır bağlantısı ölçüm hatası oluşturan ek bir termoelektrik bağlantı oluşturduğu için termokupl bağlantıları için kullanılamaz. 

Termokupl uzatma kablosu, elektromanyetik paraziti reddetmek için kalkanlı olmalı ve toprak döngüleri oluşturmaktan kaçınmak için kalkan yalnızca bir uçta (tipik olarak SM 331 ucunda) topraklanmalıdır.

Termokupl bağlantıları için maksimum kablo uzunluğu tipik olarak kablonun direncine bağlıdır — SM 331, önemli doğruluk bozulması olmadan birkaç kilohm'a kadar kaynak dirençlerini kabul eder. 

4–20mA akım döngüleri için, döngü, döngünün uyumluluk voltaj limiti dahilinde akım büyüklüğünün kablo direncinden bağımsız olması prensibiyle çalışır. Standart kalkanlı bükümlü çift enstrüman kablosu (Belden 8760 veya eşdeğeri) 18–22 AWG tipiktir. 

Döngü, toplam döngü direncinin vericinin uyumluluk voltaj spesifikasyonu dahilinde olması koşuluyla, sinyal bozulması olmadan yüzlerce metre kablo üzerinden çalışabilir.

S4: SM 331 STEP 7'de nasıl yapılandırılır ve bu modülde limit ihlali için donanım kesmeleri mevcut mu?

SM 331, donanım kataloğundan modül seçilerek ve parametre iletişim kutusu açılarak STEP 7'nin HW Config (Donanım Yapılandırması) aracında yapılandırılır.

Yapılandırma parametreleri şunları içerir: her kanal için kanal etkinleştirme/devre dışı bırakma, kanal çifti başına ölçüm türü (voltaj, akım, termokupl tipi, RTD tipi), kanal çifti başına entegrasyon süresi/çözünürlüğü, tanılama kesmesi etkinleştirme (kablo kopması izleme) ve her kanal için yapılandırılabilir üst ve alt limit değerleriyle işlem kesmesi etkinleştirme. 

İşlem kesmeleri etkinleştirildiğinde ve ölçülen bir değer yapılandırılmış bir limiti aştığında, SM 331 bir donanım kesmesi oluşturur ve bu kesme CPU'daki OB40'ı tetikler. OB40, kanal numarasını ve taşma/alt taşma durumunu alır, bu da programcının yoklama yapmadan işlem limit olaylarına anında yanıt vermesini sağlar.

Hem tanılama kesmesi (OB82, kablo kopması ve donanım hatası için) hem de işlem kesmesi (OB40, limit ihlali için) S7-300 uygulamasında programlanmalıdır — eğer OB40 veya OB82 programda yoksa, SM 331'den bir kesme oluştuğunda CPU STOP durumuna geçer, çünkü işlenmemiş kesmeler S7-300 sisteminde ölümcül hatalar olarak kabul edilir.

S5: SM 331 7KF02-0AB0 ile daha basit SM 331 1KF00-0AB0 arasındaki fark nedir ve bir mühendis bunları nasıl seçmelidir?

İki modül aynı kanal sayısını (8) ve aynı fiziksel form faktörünü (20-pin, standart S7-300 rack yuvası) paylaşır, ancak yetenek ve maliyet açısından önemli ölçüde farklılık gösterir.

6ES7331-1KF00-0AB0, izole edilmemiş, daha düşük maliyetli 8 kanallı analog giriş modülüdür — alan devreleri ile arka panel arasında optik izolasyon sağlamaz, bu da kullanımını tüm alan cihazlarının PLC ile ortak bir toprak referansını paylaştığı ve toprak döngüsü sorunlarının endişe kaynağı olmadığı kurulumlarla sınırlar.

Voltaj ve akım ölçümünü destekler ancak yerel olarak termokupl veya RTD girişlerini desteklemez. 

6ES7331-7KF02-0AB0 (bu modül), tam optik izolasyon, seçilebilir çözünürlük (9/12/14-bit) ve voltaj, akım, termokupl (E, J, K, L, N, donanım doğrusallaştırmalı) ve RTD girişlerinin (Pt100, Ni100, doğrusallaştırmalı) tam kapsamını sağlar. Ek yetenek daha yüksek maliyetle gelir — 7KF02, normal piyasa koşullarında 1KF00'ün yaklaşık iki katı fiyattadır.

Seçim prensibi şöyledir: maliyet duyarlı uygulamalar için 1KF00'ü kullanın, burada tüm sinyaller voltaj veya akımdır, kurulum ortamı elektriksel olarak temizdir ve toprak döngüsü izolasyonu gerekmez.

Termokupl veya RTD girişleri olduğunda, kurulum değişken frekanslı sürücüler, büyük motorlar veya diğer EMI kaynaklarını içerdiğinde, alan cihazları farklı topraklama noktalarına sahip tesis geneline yayıldığında veya ölçüm uygulaması 14-bit çözünürlüğün sağladığı en yüksek doğruluğu gerektirdiğinde 7KF02'yi kullanın.