Аналоговый, дискретный, цифровой - что все это значит?

Погружаясь в тему автоматизации и прикладного программирования мы сталкиваемся с теми или иными понятиями. Так, при подборе оборудования мы часто слышим слова «дискретный» или «аналоговый» применительно к сигналам, датчикам и входам/выходам ПЛК.

В связи с этим, у начинающих возникает вопрос:
А что это вообще значит и зачем все это?

Если вам тоже интересно, читайте статью!

Сигналы

Чтобы ответить на поставленный вопрос, нужно разобраться в том, как вообще хранится и передается информация. На самом деле здесь все просто и можно провести аналогию с алфавитом: вы знаете буквы и можете прочитать эту статью, а следовательно получить информацию. Информация передаётся вам в закодированном виде с помощью сигналов.

Согласно определению, сигнал — это изменение свойств носителя, которое используется для передачи информации. Например, это может быть изменение силы тока, напряжения, освещённости со временем или очередность чтения букв и их очертания в нашем примере с текстом и алфавитом.

Изначально все сигналы, которые человек воспринимает через органы чувств – аналоговые. Это свет, звуковые волны, вкус, запах и т. п. Поэтому раньше большинство технических устройств для работы с информацией (телефоны, магнитофоны, фотоаппараты) тоже были аналоговыми.

Элементы электронных устройств, как правило, обмениваются данными с помощью электрических сигналов; для получения информации приёмник должен измерить этот сигнал (чаще всего — напряжение на контактах или силу тока). В таких устройствах, как радиоприёмник и микрофон, изменение электрического сигнала может произойти в любой момент и быть любым (в пределах допустимого диапазона).

Таким образом, аналоговый сигнал — это сигнал, который в любой момент времени может принимать любые значения в заданном диапазоне.

Но в любой компьютерной системе очень важно обеспечить надёжный обмен данными в условиях, когда на сигнал воздействуют помехи. Поэтому желательно выбрать такой способ кодирования информации, который позволяет лучше всего решить эту задачу.

Дело в том, что при передаче аналогового сигнала всегда есть помехи, которые искажают его значения. В большинстве случаев эти искажения — случайные ошибки, не поддающиеся учёту. Фактически приёмник получает не исходный сигнал, посланный источником (сплошная линия), а искажённый (штриховая линия).

«Очистить» такой сигнал от помех в общем случае нельзя, потому что невозможно понять, искажён он или на самом деле имеет такое значение. Кроме того, дополнительные ошибки (погрешности) вносятся при измерении сигнала.

Если использовать аналоговые компьютеры, мы будем при каждом расчёте с одинаковыми исходными данными получать несколько отличающиеся результаты. Кроме того, при копировании аналоговая информация искажается (так, при каждом копировании звукозаписи на магнитной ленте качество копии ухудшается).

Эта ситуация не устраивала инженеров, разрабатывающих компьютеры, и они нашли решение: если не удаётся всегда точно измерить сигнал, нужно вообще отказаться от его непрерывного измерения. Достаточно определять уровень сигнала через равные промежутки времени. А можно пойти другим путем: в любой промежуток времени измерения сигнала регистрировать только его превышение определенного уровня. Тогда мы получаем огромное преимущество: при небольших помехах искажение сигнала не влияет на передачу данных: если напряжение выше некоторого порога U1, то считается, что сигнал равен 1, а все сигналы, меньшие другого порога U0, считаются равными нулю, или наоборот.

Дискретный сигнал — это сигнал, изменяющийся дискретно по времени или по уровню.
В первом случае он может принимать в одинаковые дискретные моменты времени любые значения, называемые выборками, или отсчетами.
Но чаще всего в автоматизации под дискретным сигналом понимают именно второй случай, когда значения сигнала существуют в любой момент времени, однако они могут принимать ограниченный ряд значений уровня. И обычно этот уровень может быть равен либо 0, либо 1.

А процесс устранение непрерывности (пространственной или по времени) волновых информационных сигналов называется дискретизация.

Пример дискретного сигнала - сигнал, который отправляет концевой выключатель, стоящий на задвижке. Если задвижка закрыта - он шлет сигнал «закрыто», если открыта - «открыто», других вариантов быть не может.

Однако для качественной обработки информации этого было недостаточно. Инженеры пошли дальше. Они решили разбить аналоговый сигнал одновременно и по времени, и по уровню.

Процесс преобразования диапазона всех возможных значений входного (аналогового) сигнала в конечное число выходных элементов называется квантование.

В результате получается сигнал, который состоит из последовательности выборок, которые могут принимать только ограниченное число значений, поэтому его можно представить последовательностью целых чисел, например двоичных. Поэтому такие сигналы называют цифровыми.

Датчики

Теперь давайте перейдем к датчикам.
Датчиком называется преобразователь контролируемой или регулируемой величины в выходной сигнал, удобный для дистанционной передачи и дальнейшего использования.

По структуре датчики состоят из одного или нескольких элементарных преобразователей, соединенных в единую систему. Важнейшим из них является первый преобразователь, воспринимающий контролируемую величину.

В датчиках различают входную величину, действующую на датчик, и выходную величину, которая является информацией для всех следующих за датчиком элементов системы.
Для термометра сопротивления входной величиной будет температура, а выходной — сопротивление. Для манометрической пружины входной величиной будет давление, а выходной — деформация.
В зависимости от выходной величины и типа выходного сигнала датчики делятся на аналоговые, дискретные и цифровые.

Дискретные датчики использовались с момента изобретения автоматических систем релейной логики, задолго до распространения программируемых логических контроллеров (ПЛК).
Каждый дискретный датчик передает сигнал ноль-единица (отключено - включено), что позволяет блоку ПЛК игнорировать уровни аналогового срабатывания, мертвые зоны сигнала, время обнаружения и другие параметры, препятствующие измерению.
Этот сигнал может означать «я вижу объект», «давление в машине превышает 5 бар», «привод достиг своего положения», «нагреватель достиг заданной температуры» или иметь множество дискретных значений.

Аналоговые датчики генерируют выходной сигнал в виде непрерывно изменяющегося напряжения или тока.
Например, аналоговый звуковой датчик может иметь выходной аналоговый сигнал в виде изменяющегося напряжения в диапазоне от 0 до 5 вольт (вольт).
Когда датчик не обнаруживает звука, его выходной сигнал равен 0 В, а когда он обнаруживает самый громкий звук, выходное напряжение составляет 5 В. Такой звуковой датчик может обнаруживать звуковые волны любой интенсивности в пределах своего рабочего диапазона.
Аналоговые датчики более точны, поскольку непреобразованный сигнал имеет более высокое разрешение. Но к сожалению, аналоговый сигнал, как мы уже выяснили, более подвержен помехам. Кроме того, аналоговый сигнал, перед обработкой в автоматизации всегда преобразуется в цифровой, что неизменно влечет за собой потерю данных.

Цифровые датчики генерируют сигналы, состоящие из отдельных битов. Биты могут быть объединены в строки для формирования байтов, состоящих из n битов, передаваемых параллельно.
Примером цифрового датчика является оптический инкрементальный энкодер, встроенный в двигатель. Выход этого датчика определяет изменения положения вала двигателя.
Еще одним примером цифрового датчика является цифровой компас. Он определяет направление, в котором он возвращается, отправляя 9-битное чтение в диапазоне от 0 до 359 (сигнал может принимать 360 возможных значений).
Некоторые цифровые датчики на самом деле являются аналоговыми датчиками со встроенными аналого-цифровыми преобразователями. Настоящие цифровые датчики генерируют цифровой сигнал напрямую.

Входы и выходы ПЛК

Теперь мы знаем немного больше о формате обработки информации и типах сигналов и датчиков. Пришло время разобраться с входами/выходами ПЛК. Они также в общем случае могут быть дискретными или аналоговыми.

Один дискретный вход (DI, digital input) ПЛК способен принимать один электрический сигнал, описываемый двумя состояниями – включен или выключен. Все дискретные входы (общего исполнения) контроллеров обычно рассчитаны на прием стандартных сигналов с уровнем 24 В постоянного тока. Типовое значение тока одного дискретного входа (при входном напряжении 24 В) составляет около 10 мА.

Их количество должно быть не меньше (а лучше сделать запас) количества дискретных датчиков, включая внешние физические кнопки.

Также можно встретить так называемые «быстрые» дискретные входы или счётные входы (Fast DI). Они незаменимы при работе с инкрементальными энкодерами, счетчиками импульсов, счётчиками оборотов и т.д. Они хранят накопленный результат в отдельной памяти, а раз в цикл передают данные в программу ПЛК.

Аналоговые входы (AI, analog input) способны принимать аналоговый (непрерывный) электрический сигнал отражающий уровень напряжения или тока и соответствующий некоторой физической величине, в каждый момент времени. Это может быть температура, давление, вес, положение, скорость, частота и т. д.

Для этих входов обязательно нужно смотреть описание производителя. Такие входы всегда подразумевают сигналы 4-20 мА и 0-10 В, но не всегда они могут измерять сопротивление. А без измерения сопротивления они не работают датчиками термосопротивления. В таких системах, как правило, есть специальные входы для температурных датчиков - это отдельный тип входа - TI (temperature input, температурный вход). Они часто имеет более высокую точность и хорошую фильтрацию сигнала, в отличии от универсального AI. Также зачастую TI работают не только с датчиками термосопротивления, но и с термопарами.

Поскольку ПЛК является цифровой вычислительной машиной, аналоговые входные сигналы обязательно подвергаются аналого-цифровому преобразованию (АЦП или ЦАП) – дискретизации и квантованию. В результате, образуется дискретная переменная определенной разрядности. Как правило, в ПЛК применяются 8 - 12 разрядные преобразователи, что в большинстве случаев, исходя из современных требований по точности управления технологическими процессами, является достаточным.

Дискретный выход (DO, digital output, DQ) в ПЛК применяется для включения подсоединенных к нему устройств: клапанов, магнитных пускателей промежуточных реле. Фактически дискретный выход — это переключатель, который замыкается по команде программируемого логического контроллера. Дискретный выход может иметь два состояния: разомкнутое (FALSE, 0) и замкнутое (TRUE, 1). При замкнутом состоянии подсоединенное устройство будет включено, при разомкнутом — отключено.

Дискретные выходы бывают транзисторные и релейные.

Транзисторные DO коммутируют только низковольтные сигналы до 24…30 В постоянного тока. С их помощью включают низковольтное оборудование, например лампы индикации. У транзисторных выходов большая скорость переключения, поэтому их также используют для широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM), PID-регулирования и т. д.

Если ПЛК имеет только транзисторные выходы, а нужно коммутировать переменный ток, то устанавливается промежуточное реле.

Релейные выходы коммутируют не только постоянный, но и переменный ток. Максимальная допустимая нагрузка релейных DO зависит от модели ПЛК. Недостаток релейных выходов — низкая скорость переключения, что не позволяет их использовать для ШИМ и PID. Также реле имеют механический ресурс на количество переключений. Обычно это 100 000…300 000 переключений.

Аналоговый выход (analog output, AO, AQ) используется в ПЛК для управления устройствами и механизмами, имеющими аналоговое управление: направляющими аппаратами, регулирующими клапанами, частотными преобразователями и т. д. Аналоговое управление применяется там, где объект может иметь более двух состояний. Эти выходы самые дорогие, а сфера их применения достаточно узкая, ведь сейчас даже самые дешевые ПЧ имеют управление по ModBUS.

Аналоговый выход ПЛК и объект управления должны быть настроены на один и тот же тип аналогового сигнала. В большинстве случаев у современных ПЛК аналоговые выходы универсальные и их можно программно настроить на различные типы сигналов. Но все же нужно внимательно посмотреть описание производителя. Если поддерживает 4-20 мА и 0-10 В, то хорошо. Если только 0-10 В, то плохо, не везде подойдёт, т.к. есть множество устройств с одним типом управляющего сигнала - 4-20 мА.

Таким образом, чтобы просто включить или отключить вентилятор, нажав на кнопку, достаточно дискретного управления. А если нужно во время работы вентилятора изменять скорость вращения его лопастей, в зависимости от температуры окружающей среды, то придется использовать аналоговое управление.

На этом все! Ну что, удалось вам разобраться в нюансах передачи данных?

Если информация понравилась – поставьте лайк и напишите в комментарии, что вам было полезно и интересно узнать из этой статьи!