Дискретные и аналоговые сигналы: особенности обработки в промышленных контроллерах

Дискретные и аналоговые сигналы - это два базовых «языка», на которых датчики и исполнительные механизмы общаются с программируемым логическим контроллером (ПЛК): первые передают чёткие состояния «0/1», вторые - непрерывно изменяющуюся величину (напряжение/ток), которую контроллер затем оцифровывает и обрабатывает в программе.

На практике различие между ними влияет не только на выбор модулей ввода-вывода, но и на логику обработки: для дискретных важны фронты, подавление дребезга и защита от ложных срабатываний, а для аналоговых - АЦП, разрешение, масштабирование и фильтрация.

В этой статье разберёмся, чем дискретные и аналоговые сигналы отличаются с точки зрения ПЛК и почему «просто прочитать вход» часто недостаточно.

Любая промышленная система управления в конечном счёте сводится к одному фундаментальному действию: принять информацию о состоянии объекта, осмыслить её и выдать управляющее воздействие. Именно на этом стыке физического мира и логики контроллера возникает ключевое разграничение - сигнал либо дискретный, либо аналоговый, и это различие определяет всю дальнейшую архитектуру обработки.

Физическая природа двух миров

Дискретный сигнал существует в режиме жёсткой бинарности: он либо есть, либо его нет. Концевой выключатель, кнопка пуска, датчик уровня с релейным выходом - все они сообщают программируемому логическому контроллеру (ПЛК) одно из двух состояний, логический ноль или единицу.

В промышленных цепях постоянного тока это, как правило, 0–5 В для нуля и 12–24 В для единицы, хотя конкретные пороги определяются стандартами входных цепей контроллера и типом выхода датчика - PNP или NPN. Кажущаяся простота дискретного сигнала обманчива: именно его мгновенные перепады делают его особенно уязвимым к электромагнитным помехам и механическим артефактам.

Аналоговый сигнал живёт по совершенно иным законам. Он непрерывен, плавен и несёт в себе количественную меру физической величины - температуры, давления, расхода или положения.

Промышленность выработала несколько стандартных диапазонов: токовый 4–20 мА остаётся наиболее распространённым, поскольку ток нечувствителен к падению напряжения на длинных кабельных линиях, а живой ноль в 4 мА позволяет отличить штатный ноль измеряемого параметра от обрыва линии.

Диапазоны 0–10 В применяются на коротких расстояниях, а термопары и резистивные датчики температуры (RTD) требуют специализированных входных модулей с собственными схемами компенсации.

Дребезг и помехи: главные враги входных цепей

Самая характерная проблема дискретных входов - дребезг контактов. При замыкании или размыкании механического контакта упругая металлическая пластина несколько раз отскакивает, порождая серию ложных переключений за несколько миллисекунд.

Для контроллера, сканирующего входы с высокой частотой, каждый такой всплеск выглядит как отдельное событие, что может привести к ложному подсчёту импульсов, многократному срабатыванию команды пуска или некорректной работе счётчиков.

Бороться с дребезгом можно аппаратно и программно, причём оба подхода нередко применяются совместно. Аппаратный путь - RC-цепочка на входе или триггер Шмитта - физически сглаживает фронт сигнала, не давая контроллеру «увидеть» промежуточные состояния.

Программный дебаунсинг работает иначе: ПЛК фиксирует смену уровня и только через заданный интервал времени - типично 20–500 мс - проверяет, стабилизировался ли сигнал; если да, состояние принимается как достоверное.

В более сложных реализациях применяют обнаружение фронта (edge detection), когда контроллер реагирует именно на момент перехода 0->1 или 1->0, а не на устойчивый уровень - это особенно актуально для кнопок и счётных входов.

Аналоговые цепи страдают от другого рода помех. Длинные сигнальные кабели работают как антенны, улавливая наводки от силовых линий, частотных преобразователей и другого оборудования. Для борьбы с этим применяют экранирование кабелей, витую пару, дифференциальные входы в модулях ввода и гальваническую развязку между измерительным входом и процессорной частью ПЛК.

От физического сигнала к инженерной единице

Путь аналогового сигнала внутри ПЛК - это многоступенчатое преобразование. Сначала входной усилитель подводит сигнал к рабочему диапазону АЦП, затем аналого-цифровой преобразователь оцифровывает напряжение или ток, получая целочисленное значение с разрядностью 12–16 бит.

Двенадцатибитный АЦП даёт 4096 градаций шкалы, шестнадцатибитный - уже 65 536, и это различие принципиально для высокоточных измерений в аналитических или дозирующих системах.

Полученное «сырое» число само по себе ничего не говорит технологу - его необходимо масштабировать в реальные инженерные единицы.

Если датчик давления выдаёт 4–20 мА, что соответствует диапазону 0–10 бар, а АЦП возвращает числа от 0 до 27648 (как в ПЛК Siemens S7), то формула линейного пересчёта превращает условное число в бары. При нелинейных датчиках - например, термопарах типа K или J - используются таблицы аппроксимации или полиномиальные функции, компенсирующие нелинейность термоЭДС.

Перед масштабированием почти всегда стоит цифровой фильтр. Простейший вариант - скользящее среднее по нескольким последним отсчётам - хорошо подавляет случайный шум, хотя и вносит запаздывание.

Более изощрённый инструмент - фильтр Калмана - позволяет оценивать «истинное» значение сигнала с учётом модели процесса и уровня шума измерения, что критично при управлении быстродинамичными объектами.

ПИД-регулятор как венец аналоговой обработки

Если конечная цель дискретного сигнала - принять логическое решение («включить насос», «открыть клапан»), то аналоговый сигнал чаще всего становится входом замкнутого контура регулирования.

Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор - де-факто стандарт промышленного управления - вычисляет управляющее воздействие на основе отклонения текущего значения от заданного.

Практическая реализация ПИД в ПЛК предполагает масштабирование входной переменной (PV) и уставки (SP) в условные единицы, вычисление ошибки, антинасыщение интегральной составляющей и обратное масштабирование выходного сигнала в инженерные единицы управляющего устройства - например, в проценты открытия клапана.

Комбинированные задачи и реальная практика

На практике большинство промышленных систем одновременно работают с обоими типами сигналов, и их грамотное взаимодействие составляет суть проектирования АСУ ТП.

Мониторинг вибраций электродвигателя может включать и аналоговый виброускоритель, и дискретный датчик температуры подшипника - первый даёт тренд, второй срабатывает при достижении аварийного порога. Система управления компрессором использует аналоговый датчик давления для ПИД-регулирования производительности и дискретные сигналы концевых выключателей для блокировок безопасности.

Протоколы промышленной связи - Modbus, Profibus, PROFINET - обеспечивают передачу как дискретных, так и аналоговых данных в унифицированном цифровом формате, что позволяет SCADA-системам собирать полную картину состояния объекта в режиме реального времени.

Именно это слияние двух типов сигналов в единой информационной среде и делает современные промышленные контроллеры столь универсальным инструментом - от простейшей автоматики защиты до сложных многоконтурных систем регулирования.

Андрей Повный