Trang chủ
>
các sản phẩm
>
Bộ điều khiển logic khả trình PLC
>
|
| Nguồn gốc | nước Đức |
| Hàng hiệu | SIMENS |
| Chứng nhận | CE RoHS |
| Số mô hình | 6ES7331-7KF02-0AB0 |
Mô-đun Siemens 6ES7331-7KF02-0AB0 là một trong những mô-đun đầu vào tương tự linh hoạt và được sử dụng rộng rãi nhất trong dòng SIMATIC S7-300.
SM 331 AI 8×12Bit thực hiện một chức năng mà hầu hết các mô-đun đầu vào tương tự trên thị trường không có: nó xử lý bốn loại tín hiệu hoàn toàn khác nhau — điện áp, dòng điện, cặp nhiệt điện và điện trở/RTD — trên cùng một mô-đun, với mỗi nhóm kênh có thể cấu hình độc lập thông qua các tham số STEP 7.
Một mô-đun rộng 40mm duy nhất trong khung S7-300 có thể đồng thời đọc các bộ truyền áp suất ở 4–20mA trên các kênh 1 và 2, một lưu lượng kế ở 0–10V trên kênh 3, các cảm biến nhiệt độ cặp nhiệt điện trên các kênh 5–6, và các bộ tử nhiệt độ RTD Pt100 trên các kênh 7–8. Không cần bộ chuyển đổi phần cứng bổ sung, không cần mô-đun chuyên dụng riêng biệt, không cần bố trí dây điện phức tạp — chỉ cần cấu hình các tham số nhóm kênh để phù hợp với loại thiết bị trường.
Khả năng đa loại này là hệ quả trực tiếp của kiến trúc ADC tích hợp của mô-đun kết hợp với điều kiện tín hiệu đầu vào có thể lập trình.
Loại đo lường của mỗi kênh đầu vào được xác định trong phần mềm (cấu hình phần cứng STEP 7), và mô-đun sẽ điều chỉnh trở kháng đầu vào, tỷ lệ và thuật toán chuyển đổi nội bộ tương ứng.
Các kênh cặp nhiệt điện áp dụng đường cong tuyến tính hóa phi tuyến phù hợp (hiệu chỉnh hệ số Seebeck) để chuyển đổi tín hiệu millivolt thành đơn vị nhiệt độ kỹ thuật; các kênh RTD áp dụng phương trình Callendar-Van Dusen để tuyến tính hóa Pt100 hoặc đa thức phù hợp cho Ni100, tự động tính toán mối quan hệ điện trở-nhiệt độ phi tuyến.
Lập trình viên đọc các số nguyên 16-bit tiêu chuẩn từ vùng ảnh quy trình của mô-đun — đã được tỷ lệ hóa thành độ C hoặc đơn vị kỹ thuật đã cấu hình — mà không cần triển khai bất kỳ xử lý tín hiệu nào trong chương trình người dùng.
| Tham số | Giá trị |
|---|---|
| Kênh | 8 (cách ly) |
| Độ phân giải | Có thể chọn 9/12/14-bit |
| Nguyên lý đo | Tích hợp |
| Dải điện áp | ±80mV đến ±10V (8 dải) |
| Dải dòng điện | ±3.2mA đến 0/4–20mA |
| Loại cặp nhiệt điện | E, N, J, K, L |
| Loại RTD | Pt100, Ni100 |
| Điện áp cung cấp | 24VDC |
| Cách ly | Quang học (cách ly hoàn toàn) |
| Đầu nối phía trước | 20 chân, có thể thay nóng |
| Chẩn đoán | Đứt dây, cảnh báo giới hạn |
Độ phân giải của SM 331 không phải là một thông số cố định — đó là một tham số có thể lập trình xác định tốc độ chuyển đổi cho mỗi cặp kênh.
Nguyên lý tích hợp của ADC có nghĩa là thời gian tích hợp dài hơn cho kết quả chuyển đổi chính xác hơn (độ phân giải cao hơn), trong khi thời gian tích hợp ngắn hơn hy sinh độ phân giải để cập nhật nhanh hơn. Hiểu rõ sự đánh đổi này là điều cần thiết để cấu hình mô-đun một cách chính xác:
9-bit (tích hợp 2.5ms): Cài đặt nhanh nhất — hữu ích khi động lực quy trình nhanh và độ chính xác đo lường là thứ yếu.
Độ phân giải 9-bit (512 bước trên toàn bộ dải đầu vào) cho độ phân giải khoảng 20mV trên đầu vào ±5V, điều này là thô theo tiêu chuẩn điều khiển quy trình.
Các ứng dụng cho cài đặt này không phổ biến trong đo lường quy trình ổn định nhưng có thể áp dụng cho các kịch bản điều khiển máy chu kỳ nhanh, nơi giá trị tương tự thô được cập nhật nhanh chóng.
12-bit (tích hợp 16.67ms hoặc 20ms): Cài đặt tiêu chuẩn cho hầu hết các ứng dụng điều khiển quy trình, tương ứng với khả năng loại bỏ nhiễu 50Hz và 60Hz.
Độ phân giải 12-bit (4096 bước) cho độ phân giải khoảng 2.5mV trên đầu vào ±5V — đủ hơn cho độ chính xác ±0.5% điển hình của vòng lặp dòng điện 4–20mA và bộ truyền công nghiệp.
Khả năng loại bỏ nhiễu ở tích hợp 50Hz hoặc 60Hz là rất quan trọng: các tần số này chính xác là nhiễu lưới điện AC xâm nhập vào dây dẫn thiết bị trường, và tích hợp trong đúng một chu kỳ lưới điện sẽ loại bỏ thành phần AC trong kết quả ADC.
14-bit (tích hợp 100ms): Độ phân giải cao nhất, tương ứng với khả năng loại bỏ nhiễu 10Hz.
Chế độ 14-bit (16384 bước, độ phân giải khoảng 0.6mV trên ±5V) được sử dụng cho các phép đo cặp nhiệt điện và RTD, nơi mức tín hiệu là millivolt và độ chính xác đo lường độ trôi nhiệt quan trọng hơn tốc độ cập nhật.
Các quy trình nhiệt độ thay đổi đủ chậm để thời gian chuyển đổi 100ms hoàn toàn chấp nhận được.
Cách ly quang học của SM 331 giữa các mạch trường và mặt phẳng sau của S7-300 không phải là một tính năng tiếp thị — đó là một sự cần thiết về kỹ thuật trong nhiều môi trường lắp đặt. Nếu không có cách ly, mỗi đường trả tín hiệu (tham chiếu 0V) của thiết bị trường sẽ được kết nối với đất mặt phẳng sau của PLC thông qua dây dẫn đầu vào của mô-đun.
Trong một hệ thống lắp đặt lớn, nơi các thiết bị trường được phân bố trên sàn nhà máy, các điểm nối đất khác nhau có thể có các điện thế khác nhau do vòng lặp nối đất — các đường dẫn dòng điện hình thành thông qua sự kết hợp của đất khung thiết bị trường, vỏ cáp và kết cấu thép của tòa nhà.
Sự khác biệt về điện thế nối đất này xuất hiện dưới dạng điện áp chế độ chung trên đầu vào vi sai của mô-đun tương tự và làm sai lệch phép đo.
Cách ly quang học phá vỡ đường dẫn điện áp chế độ chung này: tín hiệu trường đi từ dây dẫn trường đến điện tử kỹ thuật số thông qua một rào cản ánh sáng, không có kết nối dẫn điện.
Điện áp chế độ chung lên đến định mức cách ly (250V AC) giữa mạch trường và mặt phẳng sau PLC bị chặn bởi rào cản quang học và không ảnh hưởng đến phép đo.
Trong các hệ thống lắp đặt có biến tần, bộ khởi động động cơ và thiết bị trường ghép nối biến áp trên cơ sở hạ tầng cáp dùng chung, cách ly quang học là sự khác biệt giữa các phép đo ổn định, chính xác và sự trôi dạt và nhiễu giá trị tương tự không giải thích được.
Đo lường cặp nhiệt điện đặt ra hai thách thức mà SM 331 xử lý nội bộ. Thứ nhất, điện áp Seebeck do cặp nhiệt điện tạo ra là phi tuyến — một cặp nhiệt điện loại K tạo ra 41.269mV ở 1000°C nhưng chỉ 20.644mV ở 500°C, không phải 20.635mV như mô hình tuyến tính thuần túy dự đoán.
SM 331 áp dụng bảng tuyến tính hóa ITS-90 phù hợp cho mỗi loại cặp nhiệt điện được cấu hình (E, J, K, L, N), chuyển đổi giá trị millivolt thô trực tiếp thành nhiệt độ mà không cần bất kỳ lập trình nào trong mã người dùng S7-300.
Thứ hai, phép đo cặp nhiệt điện yêu cầu bù nhiệt độ mối nối lạnh: điện áp Seebeck tương ứng với sự khác biệt nhiệt độ giữa mối nối nóng (tại điểm đo quy trình) và mối nối lạnh (nơi dây cặp nhiệt điện kết nối với thiết bị).
SM 331 đo nhiệt độ tại các đầu cuối của nó (mối nối lạnh) bằng cảm biến nhiệt độ bên trong, và cộng sự bù này vào điện áp Seebeck đã đo để tạo ra nhiệt độ tuyệt đối của mối nối nóng.
Sự bù trừ nội bộ này chính xác khi SM 331 ở nhiệt độ đồng nhất, đã biết — trong tủ điều khiển được quản lý tốt ở nhiệt độ môi trường 20–40°C, sự bù trừ nội bộ là đủ cho hầu hết các yêu cầu điều khiển quy trình.
Để có độ chính xác cấp phòng thí nghiệm, một hộp bù nhiệt độ mối nối lạnh bên ngoài cung cấp phép đo nhiệt độ mối nối tham chiếu tại điểm nối dây.
SM 331 cung cấp giám sát đứt dây chủ động trên các kênh được cấu hình. Đối với vòng lặp dòng điện 4–20mA, tín hiệu dưới 3.6mA (dưới mức cơ bản 4mA bình thường) cho biết dây bị đứt, bộ truyền lỗi hoặc cảm biến không có nguồn — mô-đun phát hiện tình trạng này và tạo ra ngắt chẩn đoán.
Đối với đầu vào cặp nhiệt điện, mô-đun áp dụng một dòng điện thiên vị nhỏ và giám sát trở kháng đầu vào — một cặp nhiệt điện hở mạch (dây bị đứt hoặc mối nối bị lỗi) được phát hiện và báo cáo.
Đối với đầu vào điện áp, việc phát hiện đứt dây không có ý nghĩa (đầu vào điện áp hở mạch nổi đọc một giá trị không xác định, không phải là chỉ báo lỗi cụ thể).
Các chẩn đoán này được truyền đạt thông qua cơ chế ngắt chẩn đoán của S7-300: khi phát hiện đứt dây, SM 331 kích hoạt một ngắt kích hoạt OB82 trong chương trình CPU S7-300.
Khối tổ chức OB82 nhận thông tin chẩn đoán bao gồm số kênh và loại lỗi, và lập trình viên có thể viết OB82 để tạo báo thức, ghi lại sự kiện hoặc thay thế một giá trị an toàn dự phòng cho kênh bị lỗi trong chương trình điều khiển.
Thông báo lỗi tự động này mạnh mẽ hơn nhiều so với việc thăm dò từng kênh để tìm các giá trị ngoài dải — nó cung cấp thông báo ngay lập tức bất kể chu kỳ quét của CPU và đảm bảo không có sự kiện lỗi nào bị bỏ sót ngay cả trong thời gian tải CPU cao.
Q1: Có bao nhiêu kênh có thể hoạt động đồng thời và các cặp kênh khác nhau có thể sử dụng các loại đo lường khác nhau trên cùng một mô-đun không?
Tất cả tám kênh có thể hoạt động đồng thời — SM 331 chuyển đổi tất cả các kênh được kích hoạt theo chu kỳ, không phải từng cái một theo cách có thể chọn. Tuy nhiên, các kênh được nhóm theo cặp (kênh 0–1, 2–3, 4–5, 6–7), và tất cả các kênh trong một cặp phải được cấu hình với cùng loại đo lường và độ phân giải.
Điều này có nghĩa là bạn có thể có: kênh 0–1 được cấu hình cho dòng điện 4–20mA (12-bit), kênh 2–3 cho điện áp ±10V (12-bit), kênh 4–5 cho cặp nhiệt điện loại K (14-bit), và kênh 6–7 cho RTD Pt100 (14-bit) — tất cả hoạt động đồng thời trên cùng một mô-đun.
Ràng buộc duy nhất là nhóm cặp — cả hai kênh trong một cặp chia sẻ cùng một cấu hình. Kiến trúc bốn cặp, có thể cấu hình độc lập này là điều làm cho SM 331 trở nên linh hoạt như vậy: một mô-đun duy nhất xử lý hầu hết sự đa dạng tín hiệu mà một hệ thống lắp đặt nhà máy quy trình thường gặp phải.
Q2: Nguyên lý chuyển đổi tích hợp đạt được khả năng triệt nhiễu như thế nào và nên chọn thời gian tích hợp nào cho hệ thống điện 50Hz so với hệ thống 60Hz?
ADC tích hợp (hai dốc) hoạt động bằng cách sạc một tụ điện bằng tín hiệu đầu vào trong một khoảng thời gian cố định (thời gian tích hợp), sau đó đo thời gian cần thiết để xả tụ điện ở tốc độ tham chiếu.
Bất kỳ tín hiệu nhiễu AC nào hoàn thành chính xác một số nguyên chu kỳ trong thời gian tích hợp sẽ đóng góp bằng không vào điện tích của tụ điện — các nửa chu kỳ dương của nó sẽ bị triệt tiêu bởi các nửa chu kỳ âm của nó.
Điều này được gọi là triệt nhiễu đồng bộ. Đối với lưới điện AC 50Hz (phổ biến ở Châu Âu, Châu Á, Úc), việc chọn thời gian tích hợp 20ms đảm bảo tích hợp chính xác một chu kỳ 50Hz hoàn chỉnh, triệt tiêu nhiễu tần số lưới điện.
Đối với lưới điện AC 60Hz (Bắc Mỹ, một số khu vực ở Châu Á và Nam Mỹ), việc chọn 16.67ms đảm bảo tích hợp chính xác một chu kỳ 60Hz hoàn chỉnh.
Chọn sai thời gian tích hợp cho tần số lưới điện địa phương sẽ dẫn đến khả năng loại bỏ nhiễu bị suy giảm đáng kể — nhiễu không còn được triệt tiêu đồng bộ.
Cài đặt 50Hz là phổ biến nhất trên toàn cầu; 60Hz nên được chỉ định rõ ràng cho các hệ thống lắp đặt ở Bắc Mỹ.
Cài đặt 400Hz (2.5ms) không cung cấp khả năng triệt nhiễu lưới điện có ý nghĩa và dành cho các phép đo động tốc độ cao, không phải các biến quy trình ổn định.
Q3: Chiều dài cáp tối đa cho kết nối cặp nhiệt điện và 4–20mA với SM 331 là bao nhiêu và loại cáp nào được khuyến nghị?
Đối với kết nối cặp nhiệt điện, cáp là dây nối dài cặp nhiệt điện hoặc cáp bù — cáp đặc biệt có dây dẫn làm bằng hợp kim tương tự (hoặc hợp kim tương đương nhiệt điện) như chính cặp nhiệt điện.
Cáp đồng tiêu chuẩn không thể được sử dụng cho kết nối cặp nhiệt điện vì bất kỳ mối nối đồng nào trong mạch cặp nhiệt điện sẽ tạo ra một mối nối nhiệt điện bổ sung gây ra lỗi đo lường.
Cáp nối dài cặp nhiệt điện nên được che chắn để chống nhiễu điện từ, và lớp che chắn chỉ nên được nối đất ở một đầu (thường là ở đầu SM 331) để tránh tạo vòng lặp nối đất.
Chiều dài cáp tối đa cho kết nối cặp nhiệt điện thường bị giới hạn bởi điện trở của cáp — SM 331 chấp nhận điện trở nguồn lên đến vài kilohm mà không làm giảm độ chính xác đáng kể.
Đối với vòng lặp dòng điện 4–20mA, vòng lặp hoạt động dựa trên nguyên tắc là độ lớn dòng điện không phụ thuộc vào điện trở cáp cho đến giới hạn điện áp tuân thủ của vòng lặp. Cáp nhạc cụ xoắn đôi được che chắn tiêu chuẩn (Belden 8760 hoặc tương đương) ở kích thước 18–22 AWG là điển hình.
Vòng lặp có thể hoạt động trên hàng trăm mét cáp mà không bị suy giảm tín hiệu, tùy thuộc vào tổng điện trở vòng lặp nằm trong thông số kỹ thuật điện áp tuân thủ của bộ truyền.
Q4: SM 331 được cấu hình trong STEP 7 như thế nào và có sẵn ngắt phần cứng cho vi phạm giới hạn trên mô-đun này không?
SM 331 được cấu hình trong công cụ HW Config (Cấu hình Phần cứng) của STEP 7 bằng cách chọn mô-đun từ danh mục phần cứng và mở hộp thoại tham số của nó.
Các tham số cấu hình bao gồm: kích hoạt/hủy kích hoạt kênh cho mỗi kênh, loại đo lường (điện áp, dòng điện, loại cặp nhiệt điện, loại RTD) cho mỗi cặp kênh, thời gian tích hợp/độ phân giải cho mỗi cặp kênh, bật ngắt chẩn đoán (giám sát đứt dây) và bật ngắt quy trình với các giá trị giới hạn trên và dưới có thể cấu hình cho mỗi kênh.
Khi ngắt quy trình được bật và giá trị đo được vượt qua giới hạn đã cấu hình, SM 331 sẽ tạo ra một ngắt phần cứng kích hoạt OB40 trong CPU. OB40 nhận số kênh và trạng thái tràn/dưới tràn, cho phép lập trình viên phản ứng ngay lập tức với các sự kiện giới hạn quy trình mà không cần thăm dò.
Cả ngắt chẩn đoán (OB82, cho đứt dây và lỗi phần cứng) và ngắt quy trình (OB40, cho vi phạm giới hạn) đều phải được lập trình trong ứng dụng S7-300 — nếu OB40 hoặc OB82 không có trong chương trình, CPU sẽ chuyển sang STOP khi xảy ra ngắt từ SM 331, vì các ngắt chưa được xử lý được coi là lỗi nghiêm trọng trong hệ thống S7-300.
Q5: Sự khác biệt giữa SM 331 7KF02-0AB0 và SM 331 1KF00-0AB0 đơn giản hơn là gì và kỹ sư nên chọn giữa chúng như thế nào?
Hai mô-đun có cùng số kênh (8) và cùng dạng vật lý (20 chân, khe cắm khung S7-300 tiêu chuẩn), nhưng khác biệt đáng kể về khả năng và chi phí.
6ES7331-1KF00-0AB0 là mô-đun đầu vào tương tự 8 kênh, không cách ly, chi phí thấp hơn — nó không cung cấp cách ly quang học giữa các mạch trường và mặt phẳng sau, hạn chế việc sử dụng nó trong các hệ thống lắp đặt mà tất cả các thiết bị trường chia sẻ một tham chiếu nối đất chung với PLC và nơi các vấn đề vòng lặp nối đất không phải là mối quan tâm.
Nó hỗ trợ đo lường điện áp và dòng điện nhưng không hỗ trợ đầu vào cặp nhiệt điện hoặc RTD gốc.
6ES7331-7KF02-0AB0 (mô-đun này) cung cấp cách ly quang học hoàn toàn, độ phân giải có thể chọn (9/12/14-bit), và phạm vi bao phủ hoàn toàn các đầu vào điện áp, dòng điện, cặp nhiệt điện (E, J, K, L, N với tuyến tính hóa phần cứng) và RTD (Pt100, Ni100 với tuyến tính hóa). Khả năng bổ sung đi kèm với chi phí cao hơn — 7KF02 có giá gấp khoảng hai lần 1KF00 trong điều kiện thị trường bình thường.
Nguyên tắc lựa chọn là: sử dụng 1KF00 cho các ứng dụng nhạy cảm về chi phí, nơi tất cả các tín hiệu là điện áp hoặc dòng điện, môi trường lắp đặt sạch về điện và không yêu cầu cách ly vòng lặp nối đất.
Sử dụng 7KF02 khi có đầu vào cặp nhiệt điện hoặc RTD, khi hệ thống lắp đặt bao gồm biến tần, động cơ lớn hoặc các nguồn EMI khác, khi các thiết bị trường được phân bố trên toàn nhà máy với các điểm nối đất khác nhau, hoặc khi ứng dụng đo lường yêu cầu độ chính xác cao nhất mà độ phân giải 14-bit cung cấp.
LIÊN HỆ VỚI CHÚNG TÔI BẤT CỨ LÚC NÀO
