I/O-opas: digitaaliset ja analogiset tulot ja lähdöt

Rakennusautomaatiojärjestelmä kommunikoi antureiden, toimilaitteiden ja muiden kenttälaitteiden kanssa tulojen ja lähtöjen, eli I/O-pisteiden, avulla.

Tulon kautta tieto kulkee kentältä automaatio-ohjaimelle.

Lähdön kautta ohjauskäsky kulkee automaatio-ohjaimelta kenttälaitteelle.

Mikä on I/O-moduuli?

I/O-moduuli yhdistää automaatio-ohjaimen antureihin, koskettimiin, lähettimiin ja toimilaitteisiin. I/O tarkoittaa tuloja ja lähtöjä eli Input/Output liityntöjä.

DI ja AI tuovat tietoa kentältä automaatio-ohjaimelle. DO ja AO lähettävät ohjauskäskyjä automaatio-ohjaimelta kenttälaitteille.

Neljä tavallisinta I/O-tyyppiä ovat:

Alla oleva interaktiivinen harjoitus havainnollistaa neljä yleistä esimerkkiä:

• DI, normaalisti avoin kosketin
• DO, pumpun ohjaus
• AI, NTC10k-lämpötila-anturi
• AO, 0–10 V venttiilitoimilaite

Tässä oppaassa mennään huomattavasti neljää perusluokkaa pidemmälle.

Todellisissa rakennusautomaatiojärjestelmissä vastaan tulee termejä kuten potentiaalivapaa kosketin, NO, NC, COM, relelähtö, 0–10 V, 2–10 V, 4–20 mA, PNP, NPN, virtaa syöttävä, virtaa nielävä, silmukkasyötetty lähetin, galvaaninen erotus, 3-pisteohjaus ja turva-asento.

Kun nämä käsitteet ymmärtää, sähkökaavioiden, automaatiosuunnitelmien, ohjainkorttien dokumentaation ja kenttälaitteiden datalehtien lukeminen muuttuu huomattavasti helpommaksi.

Tarkista aina käytettävän automaatio-ohjaimen, I/O-moduulin ja kenttälaitteen valmistajan dokumentaatio ennen kytkentää. Liitinten toiminta, sallitut jännitteet, yhteiset navat ja tuetut signaalityypit vaihtelevat laitteittain.

1. Mitä tulot ja lähdöt tarkoittavat?

Automaatio-ohjain toimii antureiden ja ohjattavien laitteiden välissä.

Yksinkertainen säätöketju voi näyttää tältä:

Anturi kertoo ohjaimelle, mitä järjestelmässä tapahtuu.

Ohjain suorittaa ohjelmoidun säätölogiikan.

Lähtö kertoo toimilaitteelle, mitä sen pitää tehdä.

Esimerkiksi:

Digitaaliset signaalit toimivat samalla periaatteella, mutta niillä on tavallisesti vain kaksi tilaa.

2. I/O-tyyppi ja sähköinen signaali ovat eri asioita

Yksi tärkeimmistä I/O-tekniikan periaatteista on ymmärtää ero loogisen I/O-tyypin ja sähköisen liityntätavan välillä.

Digitaalituloon voidaan esimerkiksi tuoda tieto monella eri tavalla:

• Potentiaalivapaalla koskettimella
• 24 VDC jännitesignaalilla
• Transistorilähdöllä
• Relekoskettimella
• PNP-anturilla
• NPN-anturilla

Ohjelman näkökulmasta ne voivat kaikki olla digitaalituloja.

Sähköisesti niiden kytkentä voi kuitenkin olla täysin erilainen.

I/O-pistettä kannattaa ajatella kolmella tasolla.

Taso 1: Mitä signaali tekee?

DI
DO
AI
AO

Taso 2: Miten tieto siirretään sähköisesti?

Avoin / suljettu kosketin
24 VDC
24 VAC
0–10 V
2–10 V
0–20 mA
4–20 mA
Resistanssi

Taso 3: Millaisella elektroniikalla signaali toteutetaan?

Rele
Transistori
Triac
PNP
NPN
Silmukkasyötetty lähetin
Galvaanisesti erotettu tulo
Yhteinen COM-liitin

Kun nämä kolme asiaa erotetaan toisistaan, myös monimutkaisempien I/O-kytkentöjen ymmärtäminen helpottuu.

3. Digitaalitulot eli DI

Digitaalitulo, eli DI, kertoo automaatio-ohjaimelle kahden tilan välisen tiedon.

Tyypillisiä digitaalituloja ovat:

• Puhaltimen käyntitieto
• Pumpun käyntitieto
• Puhallinhälytys
• Pumppuhälytys
• Suodatinhälytys
• Palohälytys
• Jäätymisvaarahälytys
• Oven rajakytkin
• Ikkunakosketin
• Läsnäolotieto
• Painekytkin
• Virtauskytkin
• Turvalukitus

Ohjelmistossa digitaalitulo näkyy yleensä esimerkiksi näin:

tai:

Se, millainen sähköinen kytkentä tämän tilan tuottaa, riippuu laitteistosta.

4. Potentiaalivapaa kosketin

Potentiaalivapaa kosketin on yksi rakennusautomaation yleisimmistä käsitteistä.

Englanniksi siitä käytetään tavallisesti termejä:

• Dry contact
• Potential-free contact
• Volt-free contact

Suomessa käytetään yleensä termiä potentiaalivapaa kosketin. Joskus kuulee myös suoran käännöksen kuivakosketin, mutta potentiaalivapaa kosketin kuvaa toimintaa paremmin.

Potentiaalivapaa kosketin toimii käytännössä tavallisen kytkimen tavoin.

Kosketin ei itsessään syötä kytkettävään piiriin jännitettä. Se ainoastaan avaa tai sulkee sähköisen virtapiirin.

Koskettimen tilan tunnistamiseen tarvittava jännite tulee yleensä automaatio-ohjaimelta tai erillisestä ulkoisesta virtapiiristä.

Esimerkki: paine-erokytkin

Ilmanvaihtokoneen suodattimen paine-erokytkin voi sisältää vain mekaanisen vaihtokoskettimen.

Automaatio-ohjain muodostaa varsinaisen sähköisen mittauspiirin.

Paine-erokytkimen ei tarvitse muodostaa 24 V signaalia.

Se ainoastaan avaa tai sulkee koskettimen.

Tyypillisiä potentiaalivapaita koskettimia

Potentiaalivapaita koskettimia käytetään paljon esimerkiksi seuraavissa laitteissa:

• Painekytkimet
• Paine-erokytkimet
• Virtauskytkimet
• Termostaatit
• Palohälytysjärjestelmien relelähdöt
• Pumppujen hälytysreleet
• Puhaltimien käyntireleet
• Taajuusmuuttajien relelähdöt
• Kattiloiden yhteishälytykset
• Jäähdytyskoneiden hälytykset
• Kulunvalvonnan rajapinnat
• Turvareleet
• Kontaktorien apukoskettimet

5. Potentiaalivapaa kosketin ei ole oma I/O-tyyppinsä

Tämä on tärkeä ero.

Potentiaalivapaa kosketin ei tarkoita digitaalituloa.

Se kertoo sähköisestä liityntätavasta.

Kenttälaitteen potentiaalivapaa kosketin voidaan kytkeä digitaalituloon:

Myös automaatio-ohjain voi tarjota potentiaalivapaan koskettimen digitaalilähtönä:

Ohjaimen teknisissä tiedoissa voidaan esimerkiksi ilmoittaa:

Nuo kuusi relelähtöä voivat olla potentiaalivapaita vaihtokoskettimia.

6. Jännitteellinen digitaalinen signaali

Potentiaalivapaan koskettimen vastakohtana puhutaan joskus englanniksi wet contact signaalista.

Suomenkielisessä teknisessä tekstissä on yleensä selkeämpää puhua jännitteellisestä digitaalisignaalista.

Tällöin kenttälaite syöttää digitaalitulolle sähköisen jännitteen.

Esimerkiksi:

Ohjain voi tulkita esimerkiksi:

Todelliset kytkentärajat riippuvat aina I/O-moduulista.

Potentiaalivapaa ja jännitteellinen signaali

Potentiaalivapaa kosketin

Kenttälaite toimii kytkimenä.

Kosketin ei itse syötä signaalijännitettä.

Jännitteellinen signaali

Kenttälaite syöttää digitaalitulolle sähköisen jännitteen.

Esimerkiksi:

0 V = ei aktiivinen
24 V = aktiivinen

Termin wet contact käyttö vaihtelee valmistajien välillä, joten käytännössä kannattaa aina tarkistaa, millainen sähköinen signaali liittimestä oikeasti tulee.

7. NO ja NC koskettimet

Releissä, rajakytkimissä ja muissa koskettimissa käytetään tavallisesti merkintöjä:

• NO, Normally Open
• NC, Normally Closed

Suomeksi:

• NO, normaalisti avoin
• NC, normaalisti suljettu

Sana normaalisti tarkoittaa koskettimen tilaa silloin, kun laite on normaalissa lepotilassaan eikä esimerkiksi relekela ole vetäneenä.

Normaalisti avoin eli NO

Normaalisti avoin kosketin on lepotilassa auki.

Esimerkki:

Puhaltimen käyntirele voi sulkeutua, kun puhallin käynnistyy.

Normaalisti suljettu eli NC

Normaalisti suljettu kosketin on lepotilassa kiinni.

Esimerkki:

Puhaltimen käyntirele voi avautua, kun puhallin käynnistyy.

Normaalisti suljettua kosketinta voidaan käyttää turvallisuuteen liittyvässä valvonnassa, koska katkennut johdin voi joissakin tapauksissa aiheuttaa saman sähköisen tilan kuin hälytys.

Se, onko tämä haluttu toiminta, riippuu sovelluksesta ja järjestelmän ohjausperiaatteista.

8. NO ja NC eivät kerro ohjelmallista merkitystä

Suljettu kosketin ei automaattisesti tarkoita TRUE, KÄY tai HÄLYTYS.

Ohjelmointi määrittää, mitä sähköinen tila tarkoittaa.

Yhdessä järjestelmässä voidaan käyttää:

Toisessa järjestelmässä:

Tulo voidaan myös kääntää ohjelmallisesti.

Siksi käyttöönotossa on tarkistettava kaksi asiaa:

1. Muuttuuko sähköinen kosketintila oikein?
2. Tulkitaanko tila ohjelmassa oikein?

9. COM ja yhteiset liittimet

I/O-moduuleissa näkyy usein liittimiä, joiden merkintä on esimerkiksi:

COM
C
Common
GND
0V
M
G0

Nämä merkinnät eivät aina tarkoita täysin samaa asiaa.

Yhteinen liitin toimii yhden tai useamman I/O-kanavan sähköisenä referenssinä tai yhteisenä johtimena.

Yksinkertainen digitaalitulokytkentä voisi olla:

Useampi tulo voi käyttää samaa yhteistä liitintä:

Tarkka sisäinen kytkentä riippuu ohjaimesta.

Joissakin laitteissa yhteiset navat on yhdistetty sisäisesti.

Joissakin ne on jaettu ryhmiin.

Joissakin ryhmät ovat galvaanisesti erotettuja toisistaan.

Joissakin COM on yhteydessä 0 V johtimeen.

Toisissa kytkentä voi olla päinvastainen.

Liitinkaavio on aina tarkistettava ennen kytkentää.

10. Jaetut yhteiset navat

Ohjaimessa voi esimerkiksi olla tällainen I/O-ryhmä:

Kaikki neljä tuloa voivat käyttää samaa sisäistä referenssiä.

Tämä vaikuttaa siihen, miten ulkoiset laitteet voidaan kytkeä.

Jaetut yhteiset navat on huomioitava erityisesti silloin, kun järjestelmään liitetään:

• Useita virtalähteitä
• Eri keskuksia
• Eri jännitereferenssejä
• Maadoitettuja signaalilähtöjä
• Galvaanisesti erotettuja laitteita

Kahden eri sähköjärjestelmän yhdistäminen yhteisen COM-liitännän kautta voi muodostaa odottamattomia virtareittejä.

11. Digitaalilähdöt eli DO

Digitaalilähtö, eli DO, antaa automaatio-ohjaimelle mahdollisuuden ohjata kaksitilaista toimintoa.

Tyypillisiä digitaalilähtöjä ovat:

• Pumpun käynnistys
• Puhaltimen käynnistys
• Kattilan käyntilupa
• Jäähdytyskoneen käyntilupa
• Valaistuksen ohjaus
• Hälytyssummeri
• Magneettiventtiili
• Relekela
• Kontaktorin kela
• Sähkölämmityksen tehoporras
• Pellin avauskäsky
• Pellin sulkukäsky

Ohjelmiston näkökulmasta lähtö voi olla:

Sähköinen toteutus riippuu lähtötyypistä.

Kolme tavallista digitaalilähtötyyppiä ovat:

• Relelähtö
• Transistorilähtö
• Triac-lähtö

12. Relelähdöt

Relelähtö sisältää sähköisesti ohjatun mekaanisen koskettimen.

Tyypillisessä vaihtokoskettimessa on kolme liitintä:

COM
NO
NC

Missä:

Kun rele ei ole vetäneenä:

COM on yhteydessä NC-liittimeen
COM ei ole yhteydessä NO-liittimeen

Kun rele vetää:

COM on yhteydessä NO-liittimeen
COM ei ole yhteydessä NC-liittimeen

Relelähtö voi olla potentiaalivapaa

Tällöin automaatio-ohjain ohjaa releen koskettimia, mutta ei syötä itse kytkettävää jännitettä.

Esimerkiksi:

Ohjaimen rele toimii tällöin vain ulkoisen virtapiirin kytkimenä.

13. Digitaalilähtö ei yleensä syötä varsinaista kuormaa

Automaatio-ohjaimen lähtö, jonka nimi on esimerkiksi Pumpun käynnistys, ei tarkoita sitä, että lähtö syöttäisi sähkötehon pumpun moottorille.

Todellinen ohjausketju voi olla:

Suuremmissa laitteissa DO antaa usein vain käyntiluvan:

• Taajuusmuuttajalle
• Moottorikäynnistimelle
• Laitevalmistajan omalle ohjauskeskukselle
• Kattilaohjaimelle
• Jäähdytyskoneelle

Varsinainen tehon kytkentä tapahtuu muualla.

14. Relekoskettimen sähköiset arvot

Relelähdöllä on aina sähköiset rajansa.

Tärkeitä arvoja ovat esimerkiksi:

• Suurin sallittu jännite
• Suurin sallittu virta
• AC-kuormitus
• DC-kuormitus
• Resistiivisen kuorman mitoitus
• Induktiivisen kuorman mitoitus
• Pienin luotettavasti kytkettävä virta
• Mekaaninen käyttöikä
• Sähköinen käyttöikä

Rele voi esimerkiksi kestää resistiivisellä kuormalla suuremman virran kuin induktiivisella kuormalla.

Induktiivisia kuormia ovat esimerkiksi:

• Relekelat
• Kontaktorikelat
• Solenoidit
• Moottorit

Tarkista aina valmistajan ilmoittamat kuormitusarvot.

15. Välirele

Välirele on automaatio-ohjaimen ja ohjattavan laitteen väliin asennettava rele.

Esimerkiksi:

Välireleellä voidaan saavuttaa esimerkiksi:

• Sähköinen erotus
• Eri jännitetasojen kytkentä
• Suurempi kosketinkuormitettavuus
• Helppo vaihdettavuus
• Lisää koskettimia
• Selkeä rajapinta automaatiojärjestelmän ja ulkoisen laitteen välille

Välireleet ovat erittäin yleisiä automaatiokeskuksissa.

16. Transistorilähdöt

Transistorilähtö kytkee DC-virtapiiriä elektronisesti.

Toisin kuin releessä, transistorissa ei ole liikkuvia koskettimia.

Tyypillisiä ominaisuuksia ovat:

• Nopea kytkentä
• Pitkä käyttöikä
• DC-käyttö
• Määritelty napaisuus
• Rajallinen lähtövirta

Transistorilähdöistä käytetään usein termejä:

• PNP
• NPN
• Sourcing
• Sinking
• Open collector
• Open drain

Terminologia riippuu käytetystä elektroniikasta.

17. PNP ja NPN

PNP- ja NPN-signaalit ovat yleisiä teollisuusautomaatiossa, antureissa ja PLC-järjestelmissä.

Yksinkertaistettuna niitä voidaan ajatella näin.

PNP

PNP-lähtö kytkee tavallisesti positiivisen jännitteen tulolle.

Kun anturi aktivoituu, sen lähtöön tulee tyypillisesti noin +24 V.

PNP-lähdöstä käytetään usein myös nimitystä virtaa syöttävä lähtö, englanniksi sourcing output.

Suomessa puhutaan myös plus-kytkevästä lähdöstä.

NPN

NPN-lähtö kytkee signaalin tavallisesti kohti 0 V tasoa.

Kun anturi aktivoituu, se muodostaa virtareitin kohti 0 V johtoa.

NPN-lähdöstä käytetään usein nimitystä virtaa nielävä lähtö, englanniksi sinking output.

Suomessa voidaan puhua myös miinus-kytkevästä lähdöstä.

18. Sourcing ja sinking

Englanninkielisissä dokumentaatioissa vastaan tulevat usein termit:

Sourcing
Sinking

Niillä kuvataan, kumpi laite syöttää virtapiiriin virtaa ja kumpi tarjoaa virralle paluureitin.

Yksinkertaistettuna:

Sourcing tarkoittaa, että laite syöttää virtaa.

Sinking tarkoittaa, että laite ottaa vastaan eli “nielee” virran ja muodostaa sille paluureitin.

Toimivassa virtapiirissä nämä kaksi puolta täydentävät toisiaan.

Esimerkiksi:

Tai:

PLC:n syöttävä lähtö
        │
        ▼
Virtaa vastaanottava kuorma

Tästä syystä mitä tahansa PNP-anturia ei voida automaattisesti kytkeä mihin tahansa digitaalituloon.

Tulopiirin pitää olla sähköisesti yhteensopiva anturin lähdön kanssa.

19. Triac-lähdöt

Triac-lähtö on puolijohteella toteutettu lähtö, jota käytetään vaihtojännitekuormien ohjaamiseen.

Triac-lähtöjä käytetään paljon LVI-automaatiossa, koska monet toimilaitteet toimivat 24 VAC käyttöjännitteellä.

Tyypillisiä käyttökohteita ovat:

• 24 VAC venttiilitoimilaitteet
• 24 VAC peltitoimilaitteet
• Relekelat
• Pienet LVI-ohjauskuormat

Triacissa ei ole mekaanisia koskettimia.

Huomioitavia ominaisuuksia voivat olla:

• AC-käyttö
• Vuotovirta lähtötilassa OFF
• Pienin sallittu kuorma
• Suurin sallittu virta
• Jaettu yhteinen liitin

Triac-lähtöä ei pidä käsitellä samalla tavalla kuin potentiaalivapaata relekosketinta.

20. Digitaalitulon suodatus ja kosketinvärähtely

Mekaaninen kosketin ei aina vaihda tilaansa täysin puhtaasti.

Kun kosketin sulkeutuu, se voi värähdellä hyvin lyhyen ajan.

Sähköinen tila voi hetkellisesti näyttää tältä:

yhden puhtaan muutoksen sijasta.

Ohjain voi käyttää kosketinsuodatusta tai debounce-toimintoa, jolloin signaalin pitää pysyä samassa tilassa tietyn ajan ennen kuin tila hyväksytään.

Samaa periaatetta voidaan hyödyntää myös epävakaiden kenttätietojen käsittelyssä.

Esimerkiksi:

Suodatinhälytyksen pitää olla aktiivinen 5 sekuntia
ennen hälytyksen muodostamista.

21. Analogiatulot eli AI

Analogiatulo, eli AI, mittaa jatkuvasti muuttuvaa suuretta.

Tyypillisiä mittauksia rakennusautomaatiossa ovat:

• Lämpötila
• Paine
• Paine-ero
• Suhteellinen kosteus
• CO₂-pitoisuus
• Ilmanlaatu
• Vesivirta
• Ilmavirta
• Valaistusvoimakkuus
• Säiliön pinnankorkeus
• Venttiilin asentopalaute
• Pellin asentopalaute
• Sähkötehon mittaus

Yleisiä sähköisiä signaaleja ovat:

• Resistanssi
• 0–10 V
• 2–10 V
• 0–20 mA
• 4–20 mA

22. Resistanssimittaukset

Monet lämpötila-anturit muuttavat sähköistä resistanssiaan lämpötilan mukana.

Yleisiä anturityyppejä ovat:

• NTC10k
• NTC20k
• PT100
• PT1000
• Ni1000

Ohjain mittaa anturin resistanssin ja muuntaa sen lämpötilaksi.

23. NTC-lämpötila-anturit

NTC tulee sanoista:

Negative Temperature Coefficient

NTC-anturin resistanssi pienenee lämpötilan noustessa.

NTC10k-anturin nimellisresistanssi on tyypillisesti noin 10 kΩ anturin määritellyssä vertailulämpötilassa, joka on usein 25 °C.

Periaate on:

NTC-anturin resistanssin ja lämpötilan välinen riippuvuus ei ole lineaarinen.

Tämän vuoksi esimerkiksi:

5 kΩ

ei tarkoita puolta siitä lämpötilasta, jota:

10 kΩ

vastaisi.

Ohjaimen pitää tuntea oikea NTC-anturin ominaiskäyrä.

NTC-käyrällä on merkitystä

Kaksi anturia voi molemmat olla nimeltään NTC10k, vaikka niiden resistanssikäyrä olisi erilainen.

Tarkista aina:

• Nimellisresistanssi
• Vertailulämpötila
• Beta-arvo tai anturikäyrä
• Ohjaimen valittu anturityyppi

Väärän NTC-käyrän käyttäminen voi tuottaa lämpötila-arvon, joka näyttää järkevältä mutta on silti väärä.

Yrittäessäsi tunnistaa tuntematonta passiivista lämpötila-anturia resistanssimittauksen perusteella, käytä lämpötila-anturin tunnistus- ja resistanssimuunnintyökalua.

24. PT100 ja PT1000

PT100 ja PT1000 ovat platinaisia vastuslämpötila-antureita eli RTD-antureita.

Niiden nimellisresistanssit 0 °C lämpötilassa ovat noin:

Toisin kuin NTC-anturilla, platina-anturin resistanssi kasvaa lämpötilan noustessa.

PT1000 on yleinen LVI-automaatiossa, koska sen suurempi resistanssi pienentää kaapeliresistanssin suhteellista vaikutusta verrattuna PT100-anturiin.

25. 2-, 3- ja 4-johdinmittaus

Resistanssianturi voidaan mitata eri johdinmäärillä.

2-johdinmittaus

Mitatuksi resistanssiksi muodostuu käytännössä:

Monissa LVI-sovelluksissa tämä on riittävän tarkka menetelmä.

3-johdinmittaus

Kolmannen johtimen avulla mittauselektroniikka voi kompensoida kaapeleiden resistanssia, kun johtimien resistanssit oletetaan keskenään lähes samanlaisiksi.

4-johdinmittaus

Nelijohdinmittauksessa virransyöttö ja jännitteen mittaus erotetaan toisistaan.

Tällä voidaan saavuttaa erittäin tarkka resistanssimittaus.

Nelijohdinmittausta käytetään erityisesti tarkkuutta vaativassa instrumentoinnissa.

26. 0–10 V jännitetulot

Yksi rakennusautomaation yleisimmistä analogiasignaaleista on:

0–10 V

Paineanturi voidaan esimerkiksi määritellä näin:

Tällöin:

Tätä jännitesignaalin muuttamista fyysiseksi mittausarvoksi kutsutaan skaalaukseksi.

27. Analogiasignaalin skaalaus

Yleinen lineaarisen skaalauksen kaava on:

Teknisen arvon skaalaus voidaan laskea kaavalla:

$$ \begin{aligned} \text{Tekninen arvo} &= \text{Tekninen minimi} \ &\quad + \frac{ \text{Tuloarvo} - \text{Tulon minimi} }{ \text{Tulon maksimi} - \text{Tulon minimi} } \ &\quad \times \left( \text{Tekninen maksimi} - \text{Tekninen minimi} \right) \end{aligned} $$

Jos 0–10 V paineanturin mittausalue on 0–1000 Pa:

Kun mitattu jännite on 6,37 V:

$$ \begin{aligned} \text{Tekninen arvo} &= 0 + \frac{6{,}37 - 0}{10 - 0} \times (1000 - 0) \ &= \frac{6{,}37}{10} \times 1000 \ &= 637\ \text{Pa} \end{aligned} $$

Eli:

$$ 6{,}37\ \text{V} = 637\ \text{Pa} $$

28. 2–10 V signaalit

Osa kenttälaitteista käyttää signaalia:

2–10 V

signaalin:

0–10 V

sijasta.

Jos alue vastaa 0–100 % ohjausta:

Kahden voltin lähtötaso mahdollistaa joissakin järjestelmissä paremman vikavalvonnan.

Selvästi alle 2 V oleva signaali voidaan joissakin laitteissa tulkita johdinviaksi tai muuksi häiriöksi.

Tarkka toiminta riippuu laitteesta.

29. 0–10 V signaalin referenssi

0–10 V jännitesignaali mitataan aina suhteessa johonkin referenssiin.

Tyypillinen kytkentä on:

Ohjain mittaa käytännössä AI-liittimen ja COM-liittimen välisen jännitteen. Siksi signaalin referenssillä on suuri merkitys.

Anturi voi esimerkiksi tuottaa 7 V oman 0 V referenssinsä suhteen, mutta ohjain voi mitata eri arvon, jos laitteiden referenssipotentiaalit poikkeavat toisistaan.

0–10 V järjestelmissä on siksi kiinnitettävä huomiota esimerkiksi:

• Signaalin yhteiseen johtimeen
• Virtalähteen 0 V johtimeen
• Maadoitukseen
• Galvaaniseen erotukseen
• Kaapelointiin

30. Virtaviestitulot

Toinen hyvin yleinen analogiasignaali on:

4–20 mA

Virtaviestiä käytetään paljon teollisuudessa ja rakennusautomaatiossa.

Esimerkiksi paineanturin skaalaus voi olla:

Tällöin:

12 mA = 500 Pa

koska 12 mA on täsmälleen 4 ja 20 mA välisen alueen puolivälissä.

31. Miksi 4–20 mA alkaa neljästä milliampeerista?

4 mA lähtötasosta käytetään termiä live zero, suomeksi voidaan puhua esimerkiksi elävästä nollasta.

Normaali mittausalue on:

4 mA ... 20 mA

Tämän ansiosta mittausalueen alapuolelle jää tilaa vikojen tunnistamista varten.

Esimerkiksi:

Tarkat vikatasot riippuvat lähettimestä ja I/O-moduulista.

32. 4–20 mA signaalin skaalaus

Oletetaan paineanturi, jonka alue on 0–1000 Pa:

4 mA  = 0 Pa
20 mA = 1000 Pa

Hyödyllisen virtaviestialueen leveys on:

20 - 4 = 16 mA

Kun mitattu virta on 12 mA:

12 - 4 = 8 mA

8 mA on puolet 16 mA mittausalueesta.

Siksi:

12 mA = 500 Pa

Toinen esimerkki:

Mittaus = 16 mA

Ensin selvitetään sijainti virtaviestialueella:

(16 - 4) / 16 = 0,75

Tämän jälkeen arvo skaalataan tekniseen yksikköön:

0,75 × 1000 Pa = 750 Pa

33. 4–20 mA virtasilmukka

Virtaviestipiirin pitää muodostaa suljettu sähköinen virtapiiri.

Sama virta kulkee kaikkien sarjaan kytkettyjen komponenttien läpi.

Tämä eroaa olennaisesti jännitesignaalista.

34. 2-johdinlähetin ja silmukkasyöttö

2-johdinlähetin käyttää usein samoja kahta johdinta sekä:

• Laitteen käyttöjännitteeseen
• Mittaussignaalin siirtämiseen

Tätä kutsutaan silmukkasyötöksi, englanniksi loop powered.

Lähetin säätää virtasilmukan virtaa mitatun suureen perusteella.

Esimerkiksi:

35. 3-johdinlähetin

3-johdinlähettimessä on usein erilliset liitännät:

Syöttö +
Syöttö -
Signaali

Esimerkiksi:

Myös signaalille pitää olla oikea sähköinen referenssi.

36. 4-johdinlähetin

4-johdinlähettimessä käyttöjännite ja mittaussignaali voivat olla erillisiä.

Tämä mahdollistaa mittauspiirin erottamisen käyttöjännitepiiristä.

Tarkka kytkentä riippuu aina lähettimestä.

37. Aktiivinen ja passiivinen virtaviesti

Analogisista virtaviesteistä puhuttaessa käytetään usein termejä:

• Aktiivinen
• Passiivinen

Valmistajien terminologia ei kuitenkaan ole täysin yhtenäinen.

Käytännössä tärkein kysymys on:

Mikä laite syöttää virtasilmukan käyttöjännitteen?

Mahdollisia vaihtoehtoja ovat esimerkiksi:

Automaatio-ohjain syöttää silmukan

tai:

Erillinen virtalähde syöttää silmukan

tai:

Lähettimellä on oma käyttöjännite

Ennen 4–20 mA kytkentää pitää selvittää:

• Kuka syöttää jännitteen?
• Kuka mittaa virran?
• Mikä on napaisuus?
• Mikä on suurin sallittu silmukkajännite?
• Mikä on tulon resistanssi?
• Onko tulo aktiivinen vai passiivinen valmistajan määritelmän mukaan?

38. Analogialähdöt eli AO

Analogialähtö, eli AO, lähettää automaatio-ohjaimelta jatkuvasti muuttuvan ohjaussignaalin kenttälaitteelle.

Tyypillisiä käyttökohteita ovat:

• Lämmitysventtiilin asento
• Jäähdytysventtiilin asento
• Pellin asento
• Taajuusmuuttajan nopeusohje
• Puhaltimen nopeus
• Pumpun nopeus
• Sähkölämmityksen teho
• Kostuttimen teho
• Paineasetus
• Ulkoisen laitteen asetusarvo

Kiinteistöautomaatiossa yleisin analogialähtösignaali on:

0–10 V

39. 0–10 V ohjaus

Venttiilitoimilaite voi esimerkiksi käyttää seuraavaa skaalausta:

0 V  = 0 %
5 V  = 50 %
10 V = 100 %

Jos ohjain laskee lämmitystarpeeksi:

72 %

analogialähtö voi antaa noin:

7,2 V

toimilaitteelle.

40. Suora ja käänteinen toimintasuunnat

Signaalin ja toimilaitteen fyysisen asennon suhde voidaan toteuttaa eri tavoin.

Suora toiminta

0 V  = kiinni
10 V = auki

Käänteinen toiminta

0 V  = auki
10 V = kiinni

Sama periaate voi koskea:

• Venttiileitä
• Peltejä
• Taajuusmuuttajia
• Lämmityssäätimiä

Käyttöönotossa pitää aina tarkistaa todellinen fyysinen toiminta.

Ohjelmassa näkyvä 100 % ei automaattisesti tarkoita, että venttiili on fyysisesti täysin auki.

41. 2–10 V analogialähtö

Osa toimilaitteista käyttää ohjaussignaalia:

2–10 V

Esimerkiksi:

2 V  = 0 %
6 V  = 50 %
10 V = 100 %

Tämän avulla voidaan joissakin tapauksissa erottaa minimiohjaus kokonaan puuttuvasta signaalista.

Toimilaitteen käyttäytyminen alle 2 V jännitteellä riippuu laitteesta ja sen asetuksista.

42. 4–20 mA analogialähtö

Osa automaatio-ohjaimista pystyy muodostamaan myös virtaviestilähdön.

Esimerkiksi:

4 mA  = 0 %
12 mA = 50 %
20 mA = 100 %

Virtaviestilähtöä voidaan käyttää esimerkiksi pitkissä kaapeloinneissa tai ympäristöissä, joissa on paljon sähköisiä häiriöitä.

Sekä lähtömoduulin että vastaanottavan laitteen pitää tukea samaa signaalityyppiä.

43. Analogialähdön asentopalaute

Ohjaussignaali ei vielä todista, että toimilaite on saavuttanut pyydetyn asennon.

Esimerkiksi:

Venttiilin AO-ohjaus = 80 %

mutta venttiili voi silti olla:

• Jumissa
• Ilman käyttöjännitettä
• Käsiohjauksella
• Mekaanisesti irti
• Väärin kytketty

Osa toimilaitteista tarjoaa erillisen asentopalautteen.

Esimerkiksi:

AO1 = venttiilin asentokäsky
AI3 = venttiilin asentopalaute

Ohjain voi tällöin verrata:

Pyydetty asento
ja
Todellinen asento

Tämä mahdollistaa paremman vikavalvonnan.

44. 3-pisteohjaus

Kaikki toimilaitteet eivät käytä analogista 0–10 V ohjausta.

Osa venttiili- ja peltitoimilaitteista käyttää kahta digitaalista ohjausta:

AVAA
SULJE

Tätä kutsutaan esimerkiksi:

• 3-pisteohjaukseksi
• Kolmipisteohjaukseksi
• Floating control -ohjaukseksi

Ohjaimen toiminta on esimerkiksi:

Toimilaitteen fyysinen asento on jatkuva suure, vaikka sen ohjaamiseen käytetään kahta digitaalilähtöä.

45. PWM-ohjaus

PWM tarkoittaa pulssinleveysmodulaatiota, englanniksi Pulse Width Modulation.

Jatkuvan analogisen jännitteen sijasta lähtöä kytketään vuorotellen päälle ja pois.

Ohjausarvo määräytyy sen perusteella, kuinka suuren osan ajasta lähtö on päällä.

Esimerkiksi:

25 % ohjaus

voi tarkoittaa:

PWM-ohjausta käytetään esimerkiksi:

• Termisissä venttiilitoimilaitteissa
• Lämmityssäätimissä
• Puolijohdereleiden ohjauksessa
• Joissakin puhallinohjauksissa

PWM-ohjausta saa käyttää vain laitteelle, joka on suunniteltu kyseiselle ohjaustavalle.

46. Tuloimpedanssi ja lähtöjen kuormitus

Analogiset jännitepiirit muodostavat sähköisen kuorman.

Analogiatulolla on tuloimpedanssi.

Analogialähdöllä puolestaan on rajallinen kyky syöttää virtaa.

Jos yksi 0–10 V lähtö kytketään usealle laitteelle:

jokainen vastaanottava laite kuormittaa lähtöä.

Jos kokonaiskuormitus kasvaa liian suureksi, lähtöjännite voi muuttua epätarkaksi tai lähtö voi ylikuormittua.

Tämän vuoksi dokumentaatiossa ilmoitetaan arvoja kuten:

Pienin sallittu kuormaresistanssi
Suurin lähtövirta
Tuloimpedanssi

47. Pull-up ja pull-down vastukset

Digitaalisissa elektroniikkapiireissä käytetään joskus pull-up ja pull-down vastuksia määrittämään signaalille tunnettu tila silloin, kun ulkoinen laite ei aktiivisesti ohjaa sitä.

Pull-up-vastus vetää signaalin kohti positiivista jännitettä.

Kun kytkin on auki, vastus pitää tulon korkeassa tilassa.

Kun kytkin suljetaan, tulo vedetään kohti 0 V tasoa.

Pull-down toimii päinvastaisella periaatteella.

Kiinteistöautomaatioasentajan ei yleensä tarvitse suunnitella näitä piirejä, mutta periaatteen ymmärtäminen helpottaa esimerkiksi open collector -lähtöjen ja laitteiden sisäisten kytkentöjen ymmärtämistä.

48. Galvaaninen erotus

Galvaaninen erotus tarkoittaa sitä, että kaksi sähköpiiriä voi välittää tietoa toisilleen ilman suoraa johtavaa sähköistä yhteyttä.

Erotus voidaan toteuttaa esimerkiksi:

• Optoerottimella
• Muuntajalla
• Erotusvahvistimella
• Releellä

Galvaanisesta erotuksesta voi olla hyötyä esimerkiksi:

• Maapotentiaalierojen hallinnassa
• Sähköisten häiriöiden vähentämisessä
• Laitteiden suojaamisessa
• Eri järjestelmien erottamisessa
• Tahattomien virtareittien estämisessä

Dokumentaatiossa voi esimerkiksi lukea:

Galvanically isolated inputs

tai:

Channel to bus isolation

On kuitenkin tärkeää ymmärtää, mikä osa piiristä on erotettu mistäkin.

Esimerkiksi yksittäiset kanavat voivat olla erotettuja ohjaimen prosessorista, mutta kanavat voivat silti käyttää yhteistä COM-liitintä keskenään.

49. Maasilmukat

Maasilmukka voi syntyä, kun kaksi laitetta on yhdistetty sähköisesti useampaa kuin yhtä referenssi- tai maadoitusreittiä pitkin.

Esimerkiksi:

Jos kahden maadoituspisteen välillä on pieni potentiaaliero, johtimia pitkin voi kulkea ei-toivottua virtaa.

Tämä voi häiritä analogiamittauksia.

Mahdollisia oireita ovat:

• Lämpötilan mittaus muuttuu moottorin käynnistyessä
• Paineviesti heiluu
• 0–10 V mittaus näyttää väärää arvoa
• Signaalissa on jatkuvaa häiriötä
• Arvo muuttuu sen mukaan, mitkä laitteet ovat päällä

Hyvä järjestelmäsuunnittelu huomioi samanaikaisesti:

• Maadoituksen
• Signaalireferenssit
• Galvaanisen erotuksen
• Kaapelisuojat
• Kaapelireitit

50. Kaapelien suojaus

Analogiasignaalit voivat häiriintyä sähkömagneettisista häiriöistä.

Tyypillisiä häiriölähteitä ovat:

• Taajuusmuuttajat
• Moottorit
• Kontaktorit
• Suurvirtakaapelit
• Hakkuriteholähteet
• Radiolaitteet

Herkissä analogiasignaaleissa voidaan käyttää suojattua kaapelia.

Kaapelisuojan maadoitustapa riippuu järjestelmästä ja suunnitteluperiaatteesta.

Suojaa ei pidä automaattisesti kytkeä molemmista päistä maahan ilman, että järjestelmän maadoitusratkaisu tunnetaan.

Noudata aina automaatiosuunnitelmia sekä ohjaimen ja kenttälaitteen valmistajan ohjeita.

51. AC- ja DC-ohjausjännitteet

Kiinteistöautomaatiossa käytetään yleisesti esimerkiksi:

24 VAC
24 VDC
230 VAC
0–10 VDC
4–20 mA

Näitä ei voi käyttää keskenään vapaasti ristiin.

Esimerkiksi toimilaitteen 24 VAC käyttöjännite ei tarkoita, että sen 0–10 V ohjaustuloon syötettäisiin vaihtojännitettä.

Sama toimilaite voi käyttää yhtä aikaa:

24 VAC käyttöjännite
0–10 VDC ohjaussignaali

Jokaisen liittimen tehtävä on selvitettävä erikseen.

52. G, G0, 24 V, 0 V ja COM

LVI-laitteissa näkyy usein liitinmerkintöjä kuten:

G
G0
24V
0V
COM
M
GND

Yksi yleinen merkintätapa on:

G  = käyttöjännite
G0 = käyttöjännitteen yhteinen johdin

mutta valmistajien käytännöt vaihtelevat.

24 VAC toimilaitteessa G ja G0 voivat tarkoittaa vaihtojännitesyöttöä.

Toisessa laitteessa 24 V ja 0 V voivat tarkoittaa tasajännitesyöttöä.

Liittimen merkitystä ei pidä päätellä pelkän nimen perusteella.

53. Ohjaimen raakaarvot

Automaatio-ohjain muuntaa analogisen sähköisen signaalin sisäiseksi numeroarvoksi.

Esimerkiksi 0–10 V tulo voi jossakin I/O-moduulissa näkyä sisäisesti näin:

0      = 0 V
32767  = 10 V

Tällöin:

16384 ≈ 5 V

Ohjelma voi skaalata tämän edelleen:

Tarkka raakaarvoalue riippuu I/O-laitteesta.

Mahdollisia alueita ovat esimerkiksi:

Alue:
0–1000
0–4095
0–10000
0–27648
0–32767

Periaate on kaikissa sama:

I/O-moduulin raakaarvo
       │
       ▼
Sähköinen suure
       │
       ▼
Fyysinen mittausarvo

54. Analogiamittauksen resoluutio

Analogiamuunnoksella on rajallinen resoluutio.

I/O-moduuli ei pysty esittämään ääretöntä määrää eri jännitearvoja, vaan mittausalue jaetaan tiettyyn määrään askelia.

Suurempi resoluutio mahdollistaa pienempien muutosten esittämisen.

Tavallisissa LVI-mittauksissa kokonaisuuden tarkkuuteen vaikuttavat kuitenkin myös:

• Anturin tarkkuus
• Lähettimen tarkkuus
• Kaapelointi
• Asennuspaikka
• Kalibrointi
• Sähköiset häiriöt
• I/O-moduulin tarkkuus

Pelkkä suuri bittimäärä ei siis tee mittauksesta automaattisesti tarkkaa.

55. Analogiasignaalin suodatus

Todelliset mittausarvot vaihtelevat lähes aina hieman.

Paineanturi voi esimerkiksi näyttää:

498 Pa
503 Pa
496 Pa
507 Pa
501 Pa

Ohjaimessa voidaan käyttää suodatusta mittausarvon rauhoittamiseen.

Esimerkiksi:

Suodatus voi tehdä säädöstä vakaamman.

Liian voimakas suodatus tekee mittauksesta hitaan.

Sopiva suodatuksen määrä riippuu prosessista.

56. Anturivian tunnistaminen

Hyvä automaatio-ohjelma huomioi myös tilanteen, jossa mittaus ei enää ole luotettava.

Mahdollisia vikoja ovat:

• Johdinkatkos
• Oikosulku
• Anturin käyttöjännitteen puuttuminen
• Väärä signaalityyppi
• Mittausalueen ylitys
• Mittausalueen alitus
• Mittaus jää paikalleen
• Epäuskottava mittaustulos

Huonelämpötila-anturi voidaan esimerkiksi tulkita vialliseksi, jos se ilmoittaa:

-80 °C

tai:

180 °C

vaikka I/O-moduuli pystyisikin muodostamaan arvosta jonkin numeerisen tuloksen.

57. Johdinkatkoksen vaikutus eri signaaleihin

Eri signaalityypit käyttäytyvät eri tavalla johtimen katketessa.

Potentiaalivapaa kosketin

Johdinkatkos näyttää yleensä samalta kuin avoin kosketin. Avonainen kosketin ja poikennut johdinvoivat siis tuottaa täysin saman DI-tilan. Tämä on yksi syy siihen, miksi joissakin hälytyspiireissä käytetään normaalisti suljettua kosketinta.

Resistanssianturi

Anturijohdon katkeaminen aiheuttaa tavallisesti erittäin suuren mitatun resistanssin.

Ohjain voi tällöin ilmoittaa esimerkiksi:

Johdinkatkos
Anturivika
Mittausalueen ulkopuolella

0–10 V

Signaalijohtimen katketessa tulon käyttäytyminen riippuu I/O-moduulin elektroniikasta.

Mittaus voi:

• Pudota lähelle 0 V tasoa
• Jäädä kellumaan
• Muuttua epävakaaksi

4–20 mA

Virtasilmukan katketessa virta putoaa tavallisesti selvästi normaalin 4–20 mA alueen alapuolelle.

Tämän ansiosta johdinkatkos voidaan usein tunnistaa luotettavasti.

58. Oikosulun vaikutus

Myös oikosulun vaikutus riippuu signaalityypistä.

Resistanssianturissa hyvin pieni resistanssi:

Lähes 0 Ω

voi viitata oikosulkuun.

0–10 V signaalissa signaalijohdon oikosulku yhteiseen johtimeen voi tuottaa:

Noin 0 V

Jännitteellisessä digitaalipiirissä oikosulku voi puolestaan aiheuttaa:

• Sulakkeen palamisen
• Virtalähteen suojauksen laukeamisen
• Lähtökanavan suojauksen aktivoitumisen
• Laiterikon, jos suojaus on puutteellinen

59. Turvallinen toiminta vikatilanteessa

Automaatiossa käytetään usein englanninkielistä termiä fail safe.

Sillä tarkoitetaan sitä, että järjestelmälle on määritelty turvallinen tila esimerkiksi:

• Käyttöjännitteen kadotessa
• Ohjaussignaalin kadotessa
• Tiedonsiirron katketessa
• Ohjaimen vikaantuessa

Esimerkkejä turva-asennosta:

• Lämmitysventtiili sulkeutuu
• Jäähdytysventtiili sulkeutuu
• Ulkoilmapelti sulkeutuu
• Savunhallintapelti siirtyy määriteltyyn turva-asentoon
• Pumppu pysähtyy
• Hälytysrele vaihtaa tilaansa

Toimilaitteen turvatoiminto voidaan toteuttaa esimerkiksi:

• Jousipalautuksella
• Varastoidulla energialla
• Mekaanisella normaaliasennolla
• Ohjelmoitavalla signaalikatkoksen toiminnalla

Turva-asento määräytyy aina järjestelmän käyttötarkoituksen ja turvallisuusvaatimusten perusteella.

60. Fail open ja fail closed

Venttiili voidaan suunnitella siirtymään sähkökatkon aikana tiettyyn asentoon.

Fail closed

Sähkö katoaa
    │
    ▼
Venttiili sulkeutuu

Fail open

Sähkö katoaa
    │
    ▼
Venttiili avautuu

Suomeksi voidaan puhua esimerkiksi jännitteettömänä kiinni ja jännitteettömänä auki olevasta ratkaisusta.

Oikea toimintatapa riippuu sovelluksesta.

Esimerkiksi jäätymissuojauksen vaatimukset voivat edellyttää eri turva-asentoa kuin tavallinen huonelämpötilan säätö.

61. Ohjaus ja takaisinkytkentä ovat eri asioita

Kiinteistöautomaatiossa käytetään usein sekä ohjausta että erillistä tilatietoa.

Esimerkiksi:

DO = Puhaltimen käynnistys
DI = Puhaltimen käyntitieto

Nämä vastaavat eri kysymyksiin.

DO kertoo:
Antoiko automaatio puhaltimelle käynnistyskäskyn?

DI kertoo:
Käynnistyikö puhallin oikeasti?

Tämän avulla voidaan muodostaa esimerkiksi vikavalvonta:

Puhaltimen käynnistyskäsky PÄÄLLÄ
+
Ei käyntitietoa 10 sekunnin jälkeen
=
Puhallin ei käynnistynyt -hälytys

Samaa periaatetta käytetään pumpuissa:

Pumpun käynnistys DO
Pumpun käyntitieto DI
Pumpun hälytys DI

62. Käyntilupa, tilatieto, hälytys ja lukitus

Näitä termejä käytetään paljon automaatiosuunnitelmissa.

Käyntilupa

Ohjaus, joka sallii laitteen toiminnan.

Esimerkki:

Kattilan käyntilupa

Tilatieto

Tieto laitteen nykyisestä tilasta.

Esimerkki:

Kattila käy

Hälytys

Tieto poikkeavasta tai viallisesta tilanteesta.

Esimerkki:

Kattilan yhteishälytys

Lukitus eli interlock

Ehto, jonka perusteella laitteen toiminta sallitaan tai estetään.

Esimerkiksi:

Tuloilmapuhallin saa käynnistyä vain,
kun paloilmoitinjärjestelmän lukitus sallii käynnin.

Lukitus voidaan toteuttaa:

• Sähköisesti
• Ohjelmallisesti
• Molemmilla tavoilla

63. Esimerkki: pumpun I/O-pisteet

Tyypillisellä pumpulla voi olla:

Ohjaussekvenssi voi olla:

1. BMS aktivoi pumpun käynnistyslähdön.
2. Pumppu tai taajuusmuuttaja käynnistyy.
3. Pumpun käyntitieto aktivoituu.
4. BMS säätää nopeutta analogialähdöllä.
5. Paine-ero mitataan analogiatulolla.
6. Pumpun vikakosketin muodostaa tarvittaessa hälytyksen.

Tässä kaikki neljä I/O-tyyppiä toimivat yhdessä.

64. Esimerkki: ilmanvaihtokoneen I/O-pisteet

Yhdessä ilmanvaihtokoneessa voi olla kymmeniä I/O-pisteitä.

Digitaalitulot

Tuloilmapuhaltimen käyntitieto
Tuloilmapuhaltimen hälytys
Poistoilmapuhaltimen käyntitieto
Poistoilmapuhaltimen hälytys
Suodatinhälytys
Jäätymisvaaratermostaatti
Palohälytys
Pellin rajakytkin

Digitaalilähdöt

Tuloilmapuhaltimen käyntilupa
Poistoilmapuhaltimen käyntilupa
Pumpun käynnistys
Sähkölämmityksen tehoporras
Hälytysrele

Analogiatulot

Ulkolämpötila
Tuloilman lämpötila
Poistoilman lämpötila
Huonelämpötila
Tuloilmakanavan paine
Poistoilmakanavan paine
CO₂
Kosteus
Lämmitysventtiilin asentopalaute

Analogialähdöt

Lämmitysventtiili
Jäähdytysventtiili
Tuloilmapuhaltimen nopeus
Poistoilmapuhaltimen nopeus
Ulkoilmapelti
Palautusilmapelti

I/O-pisteet muodostavat fyysisen yhteyden automaatio-ohjelman ja todellisen LVI-järjestelmän välille.

65. Tyypillisiä rakennusautomaation signaaleja

66. Digitaalitulon vianhaku

Oletetaan, että valvomossa näkyy:

Puhallin käy = EI

vaikka puhallin selvästi pyörii.

Vianhakua kannattaa tehdä järjestelmällisesti kentältä ohjelmistoon päin.

Vaihe 1: tarkista fyysinen laite

Varmista, että puhallin todella käy.

Vaihe 2: tarkista tilatiedon lähde

Tarkista vaihtaako taajuusmuuttajan, kontaktorin tai välireleen kosketin tilaansa.

Vaihe 3: tarkista kenttäkaapelointi

Tarkista johtimien jatkuvuus ja kytkennät.

Vaihe 4: tarkista signaali ohjaimella

Tarkista, että oikea sähköinen tila saapuu DI-liittimelle.

Vaihe 5: tarkista fyysisen tulon merkkivalo

Monissa ohjaimissa on kanavakohtainen LED.

Vaihe 6: tarkista ohjelmiston I/O-mäppäys

Varmista, että oikea fyysinen tulokanava on yhdistetty oikeaan ohjelmapisteeseen.

Vaihe 7: tarkista signaalin kääntö

Varmista, onko piste:

• Normaalisti avoin
• Normaalisti suljettu
• Suora
• Ohjelmallisesti käännetty

Kun signaalia seurataan järjestelmällisesti kentältä ohjelmaan, vian paikallistaminen helpottuu.

67. Digitaalilähdön vianhaku

Oletetaan, että:

BMS näyttää Pumpun käynnistys = PÄÄLLÄ

mutta pumppu ei käynnisty.

Käy koko ohjausketju läpi:

Ohjelman käsky
      │
      ▼
  Fyysinen DO
      │
      ▼
Relekosketin
      │
      ▼
Kenttäkaapelointi
      │
      ▼
Moottorilähtö tai taajuusmuuttaja
      │
      ▼
   Pumppu

Hyviä tarkistuskysymyksiä ovat:

• Onko ohjelmiston lähtö TRUE?
• Palaako fyysisen lähtökanavan LED?
• Vaihtaako rele tilaansa?
• Onko kentällä oikea jännite?
• Onko ulkoinen käyntilupapiiri kunnossa?
• Onko taajuusmuuttaja etäohjauksella?
• Estääkö jokin turvalukitus käynnistymisen?
• Onko laite käsiajolla?
• Onko moottorilähtö kunnossa?

68. Analogiatulon vianhaku

Oletetaan, että BMS näyttää:

Kanavapaine = 0 Pa

vaikka puhallin käy.

Seuraa mittausketjua:

Fyysinen prosessi
       │
       ▼
Anturi tai lähetin
       │
       ▼
Sähköinen signaali
       │
       ▼
   Ohjaimen AI
       │
       ▼
    Skaalaus
       │
       ▼
Ohjelmiston mittausarvo

0–10 V lähettimen tapauksessa

1. Tarkista lähettimen käyttöjännite.
2. Mittaa jännite signaalin ja signaalin yhteisen johtimen väliltä.
3. Vertaa mitattua jännitettä odotettuun paineeseen.
4. Tarkista analogiatulon signaalityyppi.
5. Tarkista skaalaus.
6. Tarkista mittayksikkö.

4–20 mA lähettimen tapauksessa

1. Tarkista virtasilmukan syöttö.
2. Mittaa silmukkavirta oikealla mittausmenetelmällä.
3. Tarkista napaisuus.
4. Tarkista I/O-kanavan asetukset.
5. Tarkista skaalaus.
6. Tarkista vikavalvonnan rajat.

69. Analogialähdön vianhaku

Oletetaan:

Venttiilin ohjaus = 50 %

mutta venttiili pysyy kiinni.

Seuraa signaalia:

Ohjelman AO = 50 %
        │
        ▼
Fyysinen analogialähtö
        │
        ▼
Noin 5 V, jos lähtö on 0–10 V
        │
        ▼
 Kenttäkaapelointi
        │
        ▼
Toimilaitteen ohjaustulo
        │
        ▼
Venttiilin fyysinen asento

Tarkista:

• Onko ohjelmiston ohjausarvo oikea?
• Onko AO-kanava määritelty 0–10 V tilaan?
• Tuottaako ohjain fyysisesti noin 5 V?
• Tuleeko sama jännite toimilaitteen liittimille asti?
• Onko toimilaitteella käyttöjännite?
• Onko toimilaite asetettu oikealle signaalityypille?
• Onko toimilaite käsiohjauksella?
• Onko toimilaite mekaanisesti kytketty venttiiliin?
• Onko toimintasuunnan asetus oikein?

70. Yleismittarin käyttö

Yleismittari on yksi tärkeimmistä rakennusautomaation käyttöönoton ja vianhaun työkaluista.

Sillä voidaan tilanteesta riippuen mitata:

• Jännitettä
• Resistanssia
• Virtaa
• Jatkuvuutta

Potentiaalivapaa kosketin

Turvallisesti erotetussa ja jännitteettömässä piirissä voidaan käyttää jatkuvuus- tai resistanssimittausta.

Tyypillisesti:

Kosketin auki   → erittäin suuri resistanssi
Kosketin kiinni → erittäin pieni resistanssi

0–10 V

Käytä DC-jännitemittausta.

Mittaa:

Signaali
suhteessa
signaalin yhteiseen johtimeen

Resistanssianturi

Anturi pitää tarvittaessa irrottaa tai erottaa ohjaimesta ennen resistanssin mittaamista.

Mittaa resistanssi anturin johtimien väliltä.

4–20 mA

Virran mittaaminen eroaa jännitteen mittaamisesta.

Yleismittari pitää kytkeä osaksi virtapiiriä, jolloin koko virtasilmukan virta kulkee mittarin kautta.

Virheellinen mittarikytkentä voi katkaista tai oikosulkea virtasilmukan, joten mittaus pitää tehdä huolellisesti.

71. Lähtöjen pakko-ohjaus käyttöönotossa

Monissa automaatiojärjestelmissä lähtö voidaan asettaa tilapäisesti käsiohjaukselle tai pakko-ohjaukseen.

Esimerkiksi analogialähdölle voidaan antaa:

AO = 0 %
AO = 50 %
AO = 100 %

Tällä voidaan testata esimerkiksi:

• Venttiilin liike
• Pellin liike
• Taajuusmuuttajan nopeus
• Pumpun käynnistyspiiri
• Releen toiminta

0–10 V analogialähdön hyvä perustesti on:

0 %   → noin 0 V
50 %  → noin 5 V
100 % → noin 10 V

Pakko-ohjauksia käytettäessä pitää aina huomioida fyysisen prosessin turvallisuus.

Odottamaton venttiilin, pellin, pumpun tai puhaltimen liike voi aiheuttaa vaaratilanteen tai laitevaurion.

Testauksen jälkeen pakko-ohjaus pitää poistaa ja piste palauttaa normaaliin automaattiohjaukseen.

72. Yleisiä I/O-kytkentävirheitä

Väärä yhteinen johdin

Signaalijohto on oikeassa paikassa, mutta referenssi tai COM on kytketty väärin.

Seurauksena voi olla:

Virheellinen tai epävakaa analogiamittaus

Väärä signaalityyppi

Ohjaimen tulo odottaa:

4–20 mA

mutta lähetin antaa:

0–10 V

Seurauksena:

Mittausarvo on väärä

Väärä anturikäyrä

Ohjain on määritelty yhdelle NTC10k-käyrälle, mutta asennettu anturi käyttää toista käyrää.

Seurauksena:

Lämpötila näyttää uskottavalta mutta on väärä

Relelähdön oletetaan syöttävän jännitettä

Potentiaalivapaa relelähtö vain kytkee ulkoista virtapiiriä.

Seurauksena:

Lähdön LED syttyy
mutta kenttälaite ei saa jännitettä

NO ja NC ovat väärin päin

Käytössä on eri kosketin kuin suunnittelussa on ajateltu.

Seurauksena:

Hälytys on aktiivinen normaalitilanteessa

PNP- ja NPN-kytkentä eivät sovi yhteen

Anturin lähtö ja ohjaimen tulo käyttävät keskenään yhteensopimatonta kytkentäperiaatetta.

Seurauksena:

Digitaalitulo ei vaihda tilaansa

Lähettimen käyttöjännite puuttuu

Signaalijohto on kytketty, mutta anturilla ei ole käyttöjännitettä.

Seurauksena voi olla:

0 V
0 mA
tai virheellinen mittaus

4–20 mA virtasilmukka ei sulkeudu

Virtapiiri ei muodosta ehjää silmukkaa.

Seurauksena:

Virtaa ei kulje

Analogialähtöä kuormitetaan liikaa

Samaan 0–10 V lähtöön on kytketty liian monta vastaanottavaa laitetta.

Seurauksena:

Lähtöjännite ei enää vastaa haluttua arvoa

73. I/O-pisteen käyttöönotto

Jokainen tärkeä I/O-piste kannattaa testata fyysiseltä kenttälaitteelta aina valvomon ohjelmistoon asti.

Digitaalitulo

1. Aktivoi kenttälaite fyysisesti.
2. Varmista koskettimen tai signaalin vaihtuminen.
3. Varmista ohjaimen fyysisen tulon vaihtuminen.
4. Varmista ohjelmistopisteen vaihtuminen.
5. Tarkista, että valvomoteksti vastaa todellista tilaa.
6. Testaa tarvittaessa hälytystoiminto.

Digitaalilähtö

1. Anna lähtökäsky.
2. Varmista fyysisen lähtökanavan aktivoituminen.
3. Tarkista relekosketin tai kenttäjännite.
4. Varmista kenttälaitteen toiminta.
5. Tarkista mahdollinen käynti- tai asentopalaute.

Analogiatulo

1. Tarkista fyysinen prosessiarvo.
2. Mittaa sähköinen signaali.
3. Vertaa signaalia ohjaimen lukemaan arvoon.
4. Tarkista skaalaus.
5. Tarkista mittayksikkö.
6. Tarkista järkevät minimi- ja maksimiarvot.

Analogialähtö

1. Pakota lähtö 0 % arvoon.
2. Mittaa sähköinen lähtösignaali.
3. Tarkista kenttälaitteen fyysinen asento.
4. Pakota lähtö 50 % arvoon.
5. Toista mittaus.
6. Pakota lähtö 100 % arvoon.
7. Varmista koko mekaaninen liikealue.
8. Palauta piste automaattiohjaukseen.

74. I/O-pisteiden nimeäminen

Selkeät pisteiden nimet helpottavat ohjelmointia, käyttöönottoa ja ylläpitoa.

Hyvä nimi kertoo sekä laitteen että signaalin.

Esimerkiksi:

IV01_TuloPuhallin_Kay
IV01_TuloPuhallin_Halytys
IV01_TuloPuhallin_Kaynnistys
IV01_TuloPuhallin_Nopeus
IV01_Tuloilma_Lampotila
IV01_Tuloilma_Paine
IV01_LammitysVenttiili_Ohjaus
IV01_LammitysVenttiili_Palaute

Vältä liian yleisiä nimiä kuten:

Input1
Output3
SensorA
Relay2

Hyvin nimetyt pisteet säästävät huomattavasti aikaa myöhemmässä vianhaussa.

75. I/O-luettelo

Hyvä I/O-luettelo sisältää tavallisesti esimerkiksi seuraavia tietoja:

Digitaalipisteellä tiedot voivat olla esimerkiksi:

Hyvä dokumentointi säästää huomattavasti aikaa asennuksessa, käyttöönotossa ja myöhemmässä ylläpidossa.

76. Eri signaalityyppien käyttökohteet

Eri signaalityypeillä on omat vahvuutensa.

Potentiaalivapaa kosketin

Sopii hyvin:

• Tilatietoon
• Hälytykseen
• Käyntilupaan
• Lukitukseen

Hyviä puolia:

• Yksinkertainen
• Helppo ymmärtää
• Helppo mitata
• Yleinen lähes kaikissa laitejärjestelmissä

0–10 V

Sopii hyvin:

• LVI-toimilaitteisiin
• Lyhyille ja keskipitkille analogiasignaalikaapeleille
• Paine-, CO₂- ja kosteuslähettimille

Hyviä puolia:

• Helppo mitata yleismittarilla
• Erittäin yleinen kiinteistöautomaatiossa
• Helppo skaalata

4–20 mA

Sopii hyvin:

• Teollisuuslähettimille
• Pitkille kaapeloinneille
• Sähköisesti häiriöllisiin ympäristöihin
• Sovelluksiin, joissa johdinkatkoksen tunnistus on hyödyllinen

Hyviä puolia:

• Elävä nolla
• Kaapelien jännitehäviö vaikuttaa vähemmän itse mittausarvoon kuin jännitesignaalissa
• Hyvä häiriönsietokyky oikein toteutettuna

Resistanssianturi

Sopii hyvin:

• Lämpötilan mittaukseen

Hyviä puolia:

• Yksinkertainen
• Usein edullinen
• Erillistä lähetintä ei yleensä tarvita

77. I/O-pikatarkistus

DI

Suunta:      Kentältä ohjaimelle
Tieto:       Kaksitilainen
Esimerkkejä: Käynti, hälytys, läsnäolo
Signaaleja:  Potentiaalivapaa kosketin, 24 VDC, PNP, NPN

DO

Suunta:      Ohjaimelta kentälle
Tieto:       Kaksitilainen
Esimerkkejä: Käynnistys, pysäytys, käyntilupa
Toteutuksia: Rele, transistori, triac

AI

Suunta:      Kentältä ohjaimelle
Tieto:       Jatkuva suure
Esimerkkejä: Lämpötila, paine, CO₂
Signaaleja:  Resistanssi, 0–10 V, 4–20 mA

AO

Suunta:      Ohjaimelta kentälle
Tieto:       Jatkuva suure
Esimerkkejä: Venttiili, pelti, taajuusmuuttajan nopeus
Signaaleja:  0–10 V, 2–10 V, 4–20 mA

78. rakennusautomaation I/O-sanasto

79. Näin lähestyt tuntematonta I/O-pistettä

Kun vastaan tulee tuntematon I/O-liitäntä, käy nämä kysymykset järjestyksessä läpi.

1. Onko kyseessä tulo vai lähtö?

Kenttä → Ohjain = Tulo
Ohjain → Kenttä = Lähtö

2. Onko signaali digitaalinen vai analoginen?

Kaksi tilaa       = Digitaalinen
Jatkuva suure     = Analoginen

3. Mikä sähköinen signaali on käytössä?

Esimerkiksi:

Potentiaalivapaa kosketin
24 VDC
24 VAC
0–10 V
2–10 V
4–20 mA
NTC10k
PT1000

4. Kuka syöttää jännitteen tai virran?

Selvitä, tuleeko energia:

Automaatio-ohjaimelta
Kenttälaitteelta
Erilliseltä virtalähteeltä
Virtasilmukasta

5. Mikä on signaalin yhteinen referenssi?

Selvitä esimerkiksi:

COM
0 V
G0
Signal -

ja tarkista, miten se on sähköisesti yhdistetty.

6. Mitä sähköinen signaali tarkoittaa?

Esimerkiksi:

Kosketin kiinni = Puhallin käy

tai:

4 mA  = 0 Pa
20 mA = 1000 Pa

7. Mitä tapahtuu vikatilanteessa?

Pohdi ainakin:

Johdinkatkos
Oikosulku
Käyttöjännitteen menetys
Anturivika
Ohjaussignaalin menetys

Kun nämä seitsemän kysymystä pystyy vastaamaan, suurin osa rakennusautomaation I/O-kytkennöistä muuttuu huomattavasti helpommaksi ymmärtää.

80. Yhteenveto

Rakennusautomaation neljä perus-I/O-tyyppiä ovat lopulta hyvin yksinkertaisia:

DI = digitaalinen tieto kentältä ohjaimelle
DO = digitaalinen käsky ohjaimelta kentälle
AI = analoginen mittaus kentältä ohjaimelle
AO = analoginen ohjaus ohjaimelta kentälle

Varsinainen monimutkaisuus syntyy siitä, millä sähköisellä tavalla tieto siirretään.

Digitaalituloon voidaan kytkeä esimerkiksi:

• Potentiaalivapaa kosketin
• 24 VDC signaali
• PNP-lähtö
• NPN-lähtö

Digitaalilähtö voidaan toteuttaa esimerkiksi:

• Releellä
• Transistorilla
• Triacilla

Analogiatulo voi mitata esimerkiksi:

• NTC-anturia
• PT1000-anturia
• 0–10 V lähetintä
• 4–20 mA virtaviestiä

Analogialähtö voi ohjata esimerkiksi:

• Venttiiliä
• Peltiä
• Taajuusmuuttajaa
• Lämmityssäädintä

signaalilla kuten:

0–10 V
2–10 V
4–20 mA

Kun ymmärrät eron loogisen I/O-tyypin, sähköisen signaalin ja fyysisen kenttälaitteen välillä, automaatiokaavioiden lukeminen, käyttöönotto ja vianhaku muuttuvat huomattavasti järjestelmällisemmiksi.

Hyvä peruskysymys on aina:

Mistä signaali tulee?
Mihin se menee?
Mikä sähköinen signaali on käytössä?
Mikä on signaalin referenssi?
Mitä arvo tarkoittaa?
Mitä tapahtuu vikatilanteessa?

Näillä kysymyksillä pääsee pitkälle lähes jokaisen rakennusautomaatio I/O-pisteen kanssa.