Уже во время первых опытов с электричеством у учёных возникла необходимость включения и отключения потребителей от источников электроэнергии. Так появились простейшие механические ключи или выключатели. Позже были созданы более сложные коммутационные изделия — электромагнитные реле. Именно о них мы и поговорим. Предлагаемая статья посвящена современным программируемым коммутационным устройствам: реле разных типов и исполнений.
Время чтения: 18 минут
Общие сведения
Программируемые реле — базовый элемент любой современной системы автоматизации. Эти приборы выполняет две основных функции:
- обеспечивают гальваническую развязку цепей управления и коммутируемых схем;
- управляют работой приёмников энергии путём подачи на реле сигналов малой мощности.
Основу этих элементов коммутации составлял электромагнит, управляющий состоянием одного или нескольких контактов. При обесточенной обмотке магнита контакты могли быть нормально замкнутыми, нормально разомкнутыми или выполнять переключение источника сигнала между двумя цепями.
На базе реле создавались системы управления и сигнализации: например, простейшие вычислительные машины, представлявшие собой целые релейные шкафы. На основе более сложных многопозиционных коммутаторов, называемых шаговыми искателями, были построены первые аналоговые автоматические телефонные станции.
Логические реле состоят из микропроцессора и узла коммутации, который реализован на традиционных реле, биполярных или полевых транзисторах. Микропроцессоры программируются инженерами-разработчиками для решения конкретных задач автоматизации процессов в разных областях человеческой деятельности. Для упрощения процедуры создания программ существуют специальные языки для быстрого программирования.
Главные отличия реле от программируемых логических контроллеров:
- малое число цифровых и аналоговых входов (выходов);
- небольшая цена;
- простота программирования пользователями, не имеющими высокой квалификации в области вычислительной техники;
- малое число интерфейсов связи с внешними устройствами (обычно это RS-485 и microUSB, реже Ethernet).
Сегодня используются пять языков программирования, прописанных в стандарте IEC 61131-3. К ним относятся:
- LD (Digital Logic — цифровая или релейная логика).
- ST (Structured Text — структурированный текст).
- SFS (Sequential Functional Scheme — последовательная функциональная схема).
- FBD (функциональная блок-схема).
- IL (List of Instructions — список инструкций).
При выборе языка программирования разработчики учитывают как архитектуру прибора, так и назначение, а также личное удобство.
Интеллектуальные коммутаторы
Устройства классифицируют по нескольким признакам.
- По назначению. Для применения в системах поддержания микроклимата, канализации и водоснабжения, на производстве и др.
- По способу реализации цепи коммутации. Это устройства на основе классических электромагнитные реле, биполярных или полевых транзисторах. Часто в одном блоке реализовано одновременно несколько вариантов.
- По типам поддерживаемых датчиков. Наиболее распространены дискретные (например, концевые выключатели, кнопки, герконы, оптоэлектронные пожарные извещатели) или аналоговые. К последним относятся терморезисторы, датчики уровня, светочувствительные элементы, такие как фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы и т. д.
- По способу конфигурирования. Эта процедура возможна с помощью органов управления на передней панели устройства (при их наличии) или через имеющиеся интерфейсы связи.
По способам монтажа рассматриваемые управляющие устройства могут быть с креплением на DIN-рейку, для монтажа в релейном шкафу или в щитовом исполнении.
Принцип работы программируемых реле
В состав интеллектуальных реле для автоматизации процессов входят следующие основные узлы, обозначенные на рисунке ниже цифрами:
- Входные порты DI (Digital Input — цифровой вход).
- То же.
- То же.
- Входной порт AI (Analog Input — аналоговый вход).
- Шинные формирователи.
- То же.
- То же.
- Аналогово-цифровой преобразователь.
- Микроконтроллер — преобразователь интерфейсов (например, STM 32 F070).
- Выходной порт DO (Digital Output — цифровой выход).
- То же.
- Выходной порт AO (Analog Output — аналоговый выход).
- То же.
- Энергонезависимые часы реального времени.
- Интерфейсы связи с внешними устройствами (RS-485 2 шт., microUSB, Ethernet).
- То же.
- То же.
- То же.
- Органы управления и индикации.
Ещё есть вторичный источник питания и батарея для питания часов реального времени и памяти, но на рисунке они не показаны.
Микроконтроллер состоит из CPU (Central Processor Unit — модуль центрального процессора), RAM (Random Access Memory — оперативное запоминающее устройство), ROM (Read-Only Memory — постоянное запоминающее устройство), Retain (данные, сохранённые энергонезависимой памяти).
Микроконтроллер непрерывно отслеживает состояние входов интеллектуального реле, выполняет соответствующие логические действия, определяемые заложенной в него программой, и управляет состоянием выходов. Наиболее часто встречаются операции логического И, ИЛИ, НЕ и их комбинации, а также цифровые таймеры и счётчики.
Ключевые технические характеристики
Программируемые коммутационные устройства представляют собой сложные изделия. Для их характеристики применяется множество параметров. Остановимся на наиболее значимых из них. Рассмотрим управляющее устройство ПР205.
Поддерживаемый функционал
Прибором поддерживается:
- обработка входных сигналов, поступающих от внешних датчиков;
- управление исполнительными устройствами;
- отображение информации и мнемонических схем на встроенном жидкокристаллическом индикаторе;
- ввод и корректировка информации с помощью клавиш на передней панели;
- работа в локальных вычислительных сетях, в том числе с сервисом OwenCloud.
Количество входов (выходов) и их типы
Для подключения датчиков к коммутатору применяются следующие входы: дискретные — 8шт и аналоговые 4 шт. Поддерживаются 3 типа входов: дискретный (длительность импульса более 5 мс) и быстрый дискретный (длительность импульса более 5 мкс) для сигналов 24 В, а также универсальный аналоговый вход.
Имеются дискретные выходы типов «сухой контакт», «транзистор n-p-n» и универсальный аналоговый выход. В зависимости от модификации, интеллектуальный переключатель содержит суммарно 8 разнотипных дискретных и 3 аналоговых выхода.
К выходу «сухой контакт» подключается нагрузка с потребляемой мощностью до 150Вт при напряжении до 30В постоянного тока или до 1000Вт при напряжении до 250В переменного тока.
Требования к соединительным линиям и подключаемым устройствам
Длина двухпроводных линий, соединяющих датчики с аппаратом, не более 100 м при сопротивлении до 5 Ом.
Поддерживаемые интерфейсы и протоколы связи
Устройство работает в сетях RS-485 и Ethernet. В первом случае применяется протокол Modbus RTU/Modbus ASCII и обеспечивается до двух стыков. Во втором — Modbus TCP и задействован один интерфейс.
Диапазоны рабочих напряжений и токов
Прибор работоспособен в широком диапазоне питающих напряжений переменного тока от 90 до 264В 50 Гц. Потребляемый ток не более 200 мА.
При питании от источника постоянного напряжения 24В аналогичные параметры составят 20–36В при токе потребления до 100 мА.
Условия эксплуатации
Диапазон рабочих температур от -20 до +55 °C и относительной влажности воздуха не более 80%.
Особенности программируемых коммутационных приборов
К преимуществам таких аппаратов относятся:
- лёгкость настройки и достаточность настраиваемых параметров;
- простота интеграции в различные технологические процессы;
- дешевизна внедрения по сравнению с программируемыми логическими контроллерами;
- удобство конфигурирования с помощью программируемых панелей оператора (кнопочных или сенсорных) или дистанционно через Ethernet;
- гибкость программирования для реализации самых разнообразных задач;
- простота программ по сравнению с программируемыми логическими контроллерами.
Важно, что программное обеспечение для реле создаётся инженерами, непосредственно занятыми их монтажом и запуском в эксплуатацию, с учётом специфики объекта управления в удобной языковой среде.
К недостаткам можно отнести следующие:
- Небольшой набор поддерживаемых функций по сравнению с полноценными программируемыми логическими контроллерами.
- Невозможность переключения высокочастотных сигналов по причине больших потерь энергии в элементах коммутации.
- Ограниченное количество входов и выходов.
Последнее замечание относится скорее к особенностям, чем к недостаткам, поскольку разработчики рассматриваемых приборов позаботились о решении проблемы масштабирования с помощью модулей расширения для программируемых реле Овен ПРМ-220.1 и Овен ПРМ-24.1.
Практика применения программируемых реле
Применение умных коммутаторов в системах управления освещением в условиях крупных производств, логистических центров, складских комплексов и т. д. позволяет существенно улучшить энергоэффективность этих объектов. Ещё больший экономический эффект достигается при внедрении автоматики в управление микроклиматом различных объектов сельского хозяйства от теплиц и животноводческих комплексов до крупных хранилищ готовой продукции.
В промышленных системах автоматизации производства программируемая коммутационная аппаратура приходит на смену устаревшей технике, в которой использованы традиционные электромагнитные переключатели. Она позволяет быстро адаптировать алгоритм работы автоматики к изменяющимся технологиям производства. Это относится и к отдельным станкам, и к целым технологическим цепочкам.
Монтаж и эксплуатация коммутационных приборов производится с соблюдением следующих правил:
- Программирование интеллектуальных переключателей происходит с использованием комплектов ПР-КП10 или ПР-КП20.
- Коммутаторы с выходами на базе биполярных транзисторов, которые управляют нагрузками с большой индуктивностью, должны содержать встроенные диоды, защищающие транзисторы от пробоя при перенапряжениях, возникающих в процессе переключений. В противном случае разработчику придётся предусмотреть внешние защитные диоды.
- Модули управления чувствительны к помехам по цепям питания и радиопомехам, наводимым в длинных соединительных проводниках, которыми датчики соединены с интеллектуальными коммутаторами. Эти радиопомехи подавляются программно настраиваемыми входными фильтрами.
- Для борьбы с радиопомехами важна правильная организация заземления цифровых устройств управления и оконечного оборудования. С этой целью заземление строят по схеме «звезда», что исключает образование замкнутых контуров, работающих как приёмные антенны.
- Для соединения элементов системы управления используют экранированные кабели, которые подключаются к клемме заземления шкафа с интеллектуальным реле. Внутри этого шкафа не должно монтироваться силовое оборудование.
- Выбирать место для монтажа базового блока нужно так, чтобы протяжённость линий, соединяющей датчики с программируемым реле, не должна превышать 100 метров.
Если прибор долго эксплуатируется, необходимо периодически выполнять юстировку входных цепей устройства. Её проводят и в случаях, когда появляются сомнения в корректности функционирования контрольного оборудования. Процедура подробно описана в руководстве по эксплуатации на аппарат.
Выбор интеллектуальных реле
При выборе рассматриваемых изделий используют следующие критерии:
В промышленных системах автоматизации производства программируемая коммутационная аппаратура приходит на смену устаревшей технике, в которой использованы традиционные электромагнитные переключатели. Она позволяет быстро адаптировать алгоритм работы автоматики к изменяющимся технологиям производства. Это относится и к отдельным станкам, и к целым технологическим цепочкам.
Монтаж и эксплуатация коммутационных приборов производится с соблюдением следующих правил:
- функциональное назначение;
- количество входов (выходов) и их тип;
- напряжение питания;
- условия эксплуатации;
- количество интерфейсов и их тип;
- способ монтажа;
- виды поддерживаемых датчиков (дискретные или аналоговые);
- наличие дисплея и его тип;
- возможность применения модулей расширения;
- особенности объекта управления (электродвигатели, нагреватели, приборы обеспечения микроклимата, электромагнитные клапаны, системы активного автоматического пожаротушения, осветительное и другое оборудование).
В последнем случае это влияет на требования к встроенным коммутационным элементам программируемых реле. Если эти элементы не обеспечивают переключение необходимой мощности, придётся применять внешние коммутирующие устройства, рассчитанные на работу с большими токами: например, контакторы.
Электронагреватели и осветительные приборы относятся к активным нагрузкам, для которых реактивная составляющая импеданса стремится к нулю. Электродвигатели, кондиционеры, электромагнитные клапаны характеризуются индуктивным импедансом. Такие потребители, в момент отключения питающего напряжения, вызывают электродвижущую силу (ЭДС) самоиндукции. Её величина в разы превосходит напряжение питания устройства. Под воздействием этой ЭДС происходит электрический разряд между контактами коммутатора, который разрушает контакты или пробивает электронный ключ. Для предотвращения этого явления используют схемотехнические способы защиты.
Большой ёмкостной составляющей импеданса отличаются мощные импульсные блоки питания, которые в момент подачи питающего напряжения потребляют мгновенные токи, в десятки раз превышающие рабочие значения. Это учитывается при выборе устройства с максимальным током коммутации.
Если объекты управления и интеллектуальные реле соединяются длинными кабелями, то к импедансу нагрузки добавляется ёмкость соединительного кабеля.
Наличие реактивной составляющей импеданса учитывается при расчёте мощности, потребляемой нагрузкой от сети переменного тока. Для этого используется формула:
где U — напряжение питания (В), I — потребляемый ток (А), Cos Ψ — параметр, характеризующий реактивность нагрузки, который приводится в её технических характеристиках.
Применяемый коммутатор должен обеспечивать управление такой мощностью.
Электромеханические переключатели обеспечивают меньшее число срабатываний, чем электронные. Кроме того, их скорость переключения примерно на 4 порядка меньше по отношению к бесконтактным ключам. Но для большинства индустриальных автоматических устройств быстродействия традиционных релейных схем вполне достаточно.
Информация, приведённая в таблице 1, позволит сравнить функциональные возможности различных реле.
| Наименование | Семейство | Особенности | Области применения |
| Программируемое реле | Овен ПР205 | Цветной графический дисплей, интерфейсы Ethernet и RS-485, дистанционный контроль статуса с помощью облачного сервиса OwenCloud. | Системы вентиляции, отопления, кондиционирования. |
| Программируемое управляющее устройство | Овен ПР200 | Монохромный жидкокристаллический буквенно-цифровой дисплей, интерфейс miniUSB. | Контроль качества воды, её температуры и уровня. |
| Логическое управляющее устройство* | Овен ПР102 | Отсутствие дисплея, множество входов и выходов, подключение модулей расширения по внутренней шине, два интерфейса RS-485 и один microUSB. | Системы вентиляции, отопления, управления насосным оборудованием. |
| Программируемое устройство | Овен ПР103 | Отсутствие дисплея, множество входов и выходов, подключение модулей расширения по внутренней шине, до двух интерфейсов RS-485, microUSB, Ethernet. Дистанционное управление оборудованием через сервис OwenCloud. | Системы вентиляции, отопления, горячего водоснабжения, управления насосными группами. |
| Малогабаритное универсальное программируемое устройство** | Овен ПР100 | Нет дисплея. Много портов подключения. Поддерживаются интерфейсы RS-485, microUSB. | Системы автоматизации управления подъёмниками, производственным оборудованием, освещением, инженерными и противопожарными системами зданий. Функция контроля температуры и давления. Работа в системах поддержания микроклимата. |
Примечания:
*Для визуализации статуса изделия необходима панель оператора.
**Загрузка программного обеспечения и конфигурирование аппарата происходит через интерфейс microUSB.
Для подготовки к работе этих устройств применяется среда Owen Logic и язык программирования FBD. Это визуализированный графический язык стандарта МЭК 61131-3, ориентированный на работу непрофессиональных пользователей с программируемыми логическими контроллерами.
Интеллектуальные реле рассчитаны на применение в автоматизированных системах управления бытового и промышленного назначения. Оперативное программирование пользователем делает их удобным средством для решения самого широкого круга задач.
Купить программируемое реле удобно на сайте магазина Суперайс. Здесь покупатель найдёт информацию о 100 образцах этих товаров и сможет получить квалифицированную консультацию технического специалиста в любом удобном виде.
