새로운 상자 시멘스 6ES7331-7KF02-0AB0 PLC 6ES7 3317KF020AB0 6ES7331-7KFO2-OABO

Siemens 6ES7331-7KF02-0AB0 | SIMATIC S7-300 SM 331 아날로그 입력 모듈 — 8개 절연 채널, 9/12/14비트 선택 가능, 전압/전류/열전대/RTD, 진단, 20핀

개요

Siemens 6ES7331-7KF02-0AB0은 SIMATIC S7-300 포트폴리오에서 가장 다재다능하고 널리 사용되는 아날로그 입력 모듈 중 하나입니다.

SM 331 AI 8×12비트는 시중의 대부분의 아날로그 입력 모듈과 달리 네 가지 완전히 다른 신호 범주(전압, 전류, 열전대 및 저항/RTD)를 동일한 모듈에서 처리하며, 각 채널 그룹은 STEP 7 매개변수를 통해 독립적으로 구성할 수 있습니다. 

S7-300 랙의 40mm 폭 모듈 하나로 채널 1 및 2에서 4–20mA 압력 송신기, 채널 3에서 0–10V 유량계, 채널 5–6에서 열전대 온도 센서, 채널 7–8에서 Pt100 RTD 온도 요소를 동시에 읽을 수 있습니다. 추가 하드웨어 어댑터, 별도의 특수 모듈, 복잡한 배선 구성 없이 필드 장치 유형에 맞게 채널 그룹 매개변수를 구성하기만 하면 됩니다.

이러한 다중 유형 기능은 모듈의 통합 ADC 아키텍처와 프로그래밍 가능한 프런트엔드 신호 컨디셔닝의 직접적인 결과입니다.

각 입력 채널의 측정 유형은 소프트웨어(STEP 7 하드웨어 구성)에서 정의되며, 모듈은 이에 따라 내부 입력 임피던스, 스케일링 및 변환 알고리즘을 조정합니다.

열전대 채널은 적절한 비선형 선형화 곡선(제베크 계수 보정)을 적용하여 밀리볼트 신호를 엔지니어링 온도 단위로 변환합니다. RTD 채널은 Pt100 선형화를 위해 Callendar-Van Dusen 방정식을 적용하거나 Ni100에 적절한 다항식을 적용하여 비선형 저항-온도 관계를 자동으로 고려합니다.

프로그래머는 모듈의 프로세스 이미지에서 표준 16비트 정수를 읽습니다. 이 값은 이미 섭씨 또는 구성된 엔지니어링 단위로 스케일링되어 있으며, 사용자 프로그램에서 신호 처리를 구현할 필요가 없습니다.

주요 사양

해상도 대 변환 속도 — 9/12/14비트 절충

SM 331의 해상도는 고정 사양이 아니라 각 채널 쌍의 변환 속도를 결정하는 프로그래밍 가능한 매개변수입니다.

ADC의 통합 원리는 더 긴 통합 시간이 더 정확한(더 높은 해상도의) 변환을 생성하는 반면, 더 짧은 통합 시간은 더 빠른 업데이트를 위해 해상도를 희생한다는 것을 의미합니다. 이 절충을 이해하는 것은 모듈을 올바르게 구성하는 데 필수적입니다:

9비트(2.5ms 통합): 가장 빠른 설정 — 프로세스 동적 특성이 빠르고 측정 정확도가 덜 중요할 때 유용합니다.

9비트 해상도(전체 입력 범위에 걸쳐 512단계)는 ±5V 입력에서 약 20mV의 해상도를 제공하며, 이는 공정 제어 표준에서 거칩니다.

이 설정의 응용 프로그램은 정상 상태 공정 측정에서는 드물지만, 거친 아날로그 값이 빠르게 업데이트되는 빠른 사이클 기계 제어 시나리오에 적용될 수 있습니다.

12비트(16.67ms 또는 20ms 통합): 대부분의 공정 제어 응용 프로그램에 대한 표준 설정으로, 각각 50Hz 및 60Hz 노이즈 제거에 해당합니다.

12비트 해상도(4096단계)는 ±5V 입력에서 약 2.5mV의 해상도를 제공하며, 이는 4–20mA 전류 루프 및 산업용 송신기의 일반적인 ±0.5% 정확도에 충분합니다. 

50Hz 또는 60Hz 통합에서의 노이즈 제거는 중요합니다. 이 주파수는 필드 계기 배선에 결합되는 AC 주 전원 간섭이며, 정확히 한 번의 주 전원 주기에 대해 통합하면 ADC 결과의 AC 구성 요소가 취소됩니다.

14비트(100ms 통합): 10Hz 노이즈 제거에 해당하는 가장 높은 해상도입니다.

14비트 모드(16384단계, ±5V에서 약 0.6mV 해상도)는 신호 레벨이 밀리볼트이고 열 드리프트 측정 정밀도가 업데이트 속도보다 중요할 때 열전대 및 RTD 측정에 사용됩니다. 

온도 프로세스는 100ms 변환 시간이 완전히 허용될 정도로 느리게 변경됩니다.

광학 절연 — 산업 환경에서 중요한 이유

SM 331의 필드 회로와 S7-300 백플레인 간의 광학 절연은 마케팅 기능이 아니라 많은 설치 환경에서 엔지니어링 필수 사항입니다. 절연이 없으면 각 필드 계기의 신호 리턴(0V 참조)은 모듈의 입력 배선을 통해 PLC 백플레인 접지에 연결됩니다.

플랜트 전체에 필드 계기가 분산된 대규모 설치에서 서로 다른 접지 지점은 접지 루프(필드 장치 섀시 접지, 케이블 차폐 및 건물 구조 강철의 조합을 통해 형성된 전류 경로)로 인해 다른 전위차를 가질 수 있습니다. 

이러한 접지 전위차는 아날로그 모듈의 차동 입력에 공통 모드 전압으로 나타나 측정을 손상시킵니다.

광학 절연은 이 공통 모드 전압 경로를 차단합니다. 필드 신호는 전도성 연결 없이 광학 장벽을 통해 필드 배선에서 디지털 전자 장치로 교차합니다.

절연 등급(250V AC)까지 필드 회로와 PLC 백플레인 간의 공통 모드 전압은 광학 장벽에 의해 차단되며 측정에 영향을 미치지 않습니다. 

가변 주파수 드라이브, 모터 스타터 및 공유 케이블 인프라의 변압기 결합 필드 장치가 있는 설치에서 광학 절연은 안정적이고 정확한 측정과 설명할 수 없는 아날로그 값 드리프트 및 노이즈의 차이를 만듭니다.

열전대 입력 — 선형화 및 냉접점 보상

열전대 측정은 SM 331이 내부적으로 처리하는 두 가지 문제를 야기합니다. 첫째, 열전대에 의해 생성되는 제베크 전압은 비선형입니다. Type K 열전대는 1000°C에서 41.269mV를 생성하지만 500°C에서는 20.644mV를 생성하며, 순수 선형 모델이 예측하는 20.635mV가 아닙니다.

SM 331은 구성된 각 열전대 유형(E, J, K, L, N)에 대해 적절한 ITS-90 선형화 테이블을 적용하여 S7-300 사용자 코드에서 프로그래밍할 필요 없이 원시 밀리볼트 판독값을 직접 온도로 변환합니다.

둘째, 열전대 측정에는 냉접점 보상이 필요합니다. 제베크 전압은 열전대 와이어가 장치에 연결되는 지점(냉접점)과 측정 지점(열접점) 사이의 온도 차이에 해당합니다.

SM 331은 내부 온도 센서를 사용하여 자체 단자(냉접점)의 온도를 측정하고 이 보상을 측정된 제베크 전압에 더하여 열접점의 절대 온도를 생성합니다.

이 내부 보상은 SM 331이 균일하고 알려진 온도에 있을 때 정확합니다. 잘 관리된 제어 캐비닛에서 20–40°C 주변 온도에서 내부 보상은 대부분의 공정 제어 요구 사항에 충분합니다.

실험실 등급의 정확도를 위해 외부 냉접점 보상 상자는 와이어 단자 지점에서 기준 접점 온도 측정을 제공합니다.

와이어 끊김 모니터링 및 진단 기능

SM 331은 구성된 채널에 대해 능동적인 와이어 끊김 모니터링을 제공합니다. 4–20mA 전류 루프의 경우 3.6mA 미만의 신호(정상 4mA 라이브 제로 기준선 미만)는 와이어 끊김, 송신기 고장 또는 전원 미공급 센서를 나타냅니다. 모듈은 이 조건을 감지하고 진단 인터럽트를 생성합니다.

열전대 입력의 경우 모듈은 작은 바이어스 전류를 적용하고 입력 임피던스를 모니터링합니다. 개방 회로 열전대(와이어 끊김 또는 접점 고장)가 감지되어 보고됩니다.

전압 입력의 경우 와이어 끊김 감지는 의미가 없습니다(플로팅 개방 회로 전압 입력은 특정 오류 표시기가 아닌 불확실한 값을 읽습니다).

이러한 진단은 S7-300 진단 인터럽트 메커니즘을 통해 통신됩니다. 와이어 끊김이 감지되면 SM 331은 S7-300 CPU 프로그램에서 OB82를 활성화하는 인터럽트를 트리거합니다.

OB82 조직 블록은 채널 번호와 오류 유형을 포함한 진단 정보를 수신하며, 프로그래머는 OB82를 작성하여 경보를 생성하거나 이벤트를 기록하거나 제어 프로그램에서 고장난 채널에 대한 안전한 대체 값을 대체할 수 있습니다.

이러한 자동 오류 알림은 범위를 벗어난 값에 대해 각 채널을 폴링하는 것보다 훨씬 강력합니다. CPU 스캔 주기에 관계없이 즉시 알림을 제공하며 CPU 부하가 높은 기간에도 오류 이벤트가 간과되지 않도록 합니다.

FAQ

Q1: 동시에 활성화할 수 있는 채널 수는 몇 개이며, 동일한 모듈에서 다른 채널 쌍이 다른 측정 유형을 사용할 수 있습니까?

모든 8개 채널을 동시에 활성화할 수 있습니다. SM 331은 선택 가능한 방식으로 한 번에 하나씩이 아니라 모든 활성화된 채널을 주기적으로 변환합니다. 그러나 채널은 쌍으로 그룹화되며(채널 0–1, 2–3, 4–5, 6–7), 쌍 내의 모든 채널은 동일한 측정 유형 및 해상도로 구성해야 합니다.

이는 다음과 같은 구성을 가질 수 있음을 의미합니다. 채널 0–1은 4–20mA 전류(12비트)로 구성되고, 채널 2–3은 ±10V 전압(12비트)으로 구성되고, 채널 4–5는 Type K 열전대(14비트)로 구성되고, 채널 6–7은 Pt100 RTD(14비트)로 구성되며, 모두 동일한 모듈에서 동시에 작동합니다. 

유일한 제약은 쌍 그룹화입니다. 쌍의 두 채널은 동일한 구성을 공유합니다. 이러한 4쌍의 독립적으로 구성 가능한 아키텍처는 SM 331을 매우 다재다능하게 만듭니다. 단일 모듈로 공정 플랜트 설치에서 일반적으로 발생하는 대부분의 신호 다양성을 처리할 수 있습니다.

Q2: 통합 변환 원리가 간섭 억제를 달성하는 방법은 무엇이며, 50Hz 전력 시스템 대 60Hz 시스템에 대해 어떤 통합 시간을 선택해야 합니까?

통합(듀얼 슬로프) ADC는 고정된 시간 간격(통합 시간) 동안 입력 신호로 커패시터를 충전한 다음, 기준 속도로 커패시터를 방전하는 데 걸리는 시간을 측정하는 방식으로 작동합니다.

통합 시간 동안 정확히 정수 주기의 AC 간섭 신호는 커패시터에 순 제로 전하를 기여합니다. 양수 반주기는 음수 반주기에 의해 상쇄됩니다. 

이를 동기식 간섭 억제라고 합니다. 50Hz AC 주 전원(유럽, 아시아, 호주에서 보편적)의 경우 20ms 통합 시간을 선택하면 정확히 하나의 완전한 50Hz 주기가 통합되어 주파수 간섭이 취소됩니다.

60Hz AC 주 전원(북미, 아시아 및 남미 일부 지역)의 경우 16.67ms를 선택하면 정확히 하나의 완전한 60Hz 주기가 통합됩니다.

로컬 주 전원 주파수에 대해 잘못된 통합 시간을 선택하면 노이즈 제거 성능이 크게 저하됩니다. 간섭이 더 이상 동기식으로 취소되지 않습니다.

50Hz 설정이 전 세계적으로 가장 일반적입니다. 북미 설치의 경우 60Hz를 명시적으로 지정해야 합니다.

400Hz 설정(2.5ms)은 의미 있는 주 전원 억제를 제공하지 않으며 고속 동적 측정용이며 정상 상태 공정 변수용이 아닙니다.

Q3: SM 331에 대한 열전대 및 4–20mA 연결의 최대 케이블 길이는 얼마이며, 어떤 케이블 유형이 권장됩니까?

열전대 연결의 경우 케이블은 열전대 연장선 또는 보상 케이블입니다. 도체가 열전대 자체와 동일한 합금(또는 열적으로 동등한 합금)으로 만들어진 특수 케이블입니다.

표준 구리 케이블은 열전대 회로의 구리 접점이 측정 오류를 유발하는 추가 열전기 접점을 생성하기 때문에 열전대 연결에 사용할 수 없습니다. 

열전대 연장 케이블은 전자기 간섭을 거부하기 위해 차폐되어야 하며, 접지 루프를 생성하지 않도록 차폐는 한쪽 끝(일반적으로 SM 331 끝)에서만 접지해야 합니다.

열전대 연결의 최대 케이블 길이는 일반적으로 케이블의 저항에 의해 제한됩니다. SM 331은 상당한 정확도 저하 없이 수 킬로옴까지의 소스 저항을 허용합니다. 

4–20mA 전류 루프의 경우 루프는 루프의 컴플라이언스 전압 한계까지 전류 크기가 케이블 저항과 독립적인 원리로 작동합니다. 표준 차폐 연선 계장 케이블(Belden 8760 또는 동급) 18–22 AWG가 일반적입니다. 

총 루프 저항이 송신기의 컴플라이언스 전압 사양 내에 있는 경우 루프는 수백 미터의 케이블을 통해 신호 저하 없이 작동할 수 있습니다.

Q4: STEP 7에서 SM 331은 어떻게 구성되며, 이 모듈에서 한계 위반에 대한 하드웨어 인터럽트를 사용할 수 있습니까?

SM 331은 하드웨어 카탈로그에서 모듈을 선택하고 매개변수 대화 상자를 열어 STEP 7의 HW Config(하드웨어 구성) 도구에서 구성됩니다.

구성 매개변수에는 다음이 포함됩니다. 각 채널의 채널 활성화/비활성화, 채널 쌍당 측정 유형(전압, 전류, 열전대 유형, RTD 유형), 채널 쌍당 통합 시간/해상도, 진단 인터럽트 활성화(와이어 끊김 모니터링) 및 구성 가능한 상한 및 하한 값으로 프로세스 인터럽트 활성화. 

프로세스 인터럽트가 활성화되고 측정된 값이 구성된 한계를 넘으면 SM 331은 하드웨어 인터럽트를 생성하여 CPU의 OB40을 트리거합니다. OB40은 채널 번호와 오버플로우/언더플로우 상태를 수신하여 프로그래머가 폴링 없이 프로세스 한계 이벤트에 즉시 응답할 수 있도록 합니다.

진단 인터럽트(OB82, 와이어 끊김 및 하드웨어 오류용)와 프로세스 인터럽트(OB40, 한계 위반용) 모두 S7-300 애플리케이션에서 프로그래밍해야 합니다. OB40 또는 OB82가 프로그램에 없으면 SM 331에서 인터럽트가 발생할 때 CPU가 STOP 상태로 전환됩니다. S7-300 시스템에서는 처리되지 않은 인터럽트가 치명적인 오류로 간주되기 때문입니다.

Q5: SM 331 7KF02-0AB0과 더 간단한 SM 331 1KF00-0AB0의 차이점은 무엇이며, 엔지니어는 둘 중 어떻게 선택해야 합니까?

두 모듈은 동일한 채널 수(8개)와 동일한 물리적 폼 팩터(20핀, 표준 S7-300 랙 슬롯)를 공유하지만, 기능과 비용 면에서 상당한 차이가 있습니다.

6ES7331-1KF00-0AB0은 비절연, 저가형 8채널 아날로그 입력 모듈입니다. 필드 회로와 백플레인 사이에 광학 절연을 제공하지 않아 모든 필드 계기가 PLC와 공통 접지 참조를 공유하고 접지 루프 문제가 없는 설치에 사용이 제한됩니다.

전압 및 전류 측정을 지원하지만 열전대 또는 RTD 입력은 기본적으로 지원하지 않습니다. 

6ES7331-7KF02-0AB0(이 모듈)은 완전한 광학 절연, 선택 가능한 해상도(9/12/14비트) 및 전압, 전류, 열전대(E, J, K, L, N, 하드웨어 선형화 포함), RTD 입력(Pt100, Ni100, 선형화 포함)을 완벽하게 지원합니다. 추가 기능은 더 높은 비용을 수반합니다. 7KF02는 일반적인 시장 상황에서 1KF00보다 약 두 배 비쌉니다.

선택 원칙은 다음과 같습니다. 모든 신호가 전압 또는 전류이고, 설치 환경이 전기적으로 깨끗하며, 접지 루프 절연이 필요하지 않은 비용 민감형 애플리케이션에는 1KF00을 사용합니다.

열전대 또는 RTD 입력이 있거나, 설치에 가변 주파수 드라이브, 대형 모터 또는 기타 EMI 소스가 포함되어 있거나, 필드 계기가 서로 다른 접지 지점을 가진 플랜트 전체에 분산되어 있거나, 측정 애플리케이션이 14비트 해상도가 제공하는 가장 높은 정확도를 요구하는 경우 7KF02를 사용합니다.