新しい箱 シエメンズ 6ES7331-7KF02-0AB0 PLC 6ES7 3317KF020AB0 6ES7331-7KFO2-OABO

シーメンス 6ES7331-7KF02-0AB0 | SIMATIC S7-300 SM 331 アナログ入力モジュール — 8 изолированные каналы, 9/12/14-бит выбираемые, напряжение / ток / термопара / RTD, диагностика, 20-контактный

概要

「シーメンス 6ES7331-7KF02-0AB0」は、SIMATIC S7-300ポートフォリオの中で最も汎用性が高く、広く使用されているアナログ入力モジュールの一つです。

SM 331 AI 8×12Bit は、市場のアナログ入力モジュールのほとんどが持っていない機能を持っています。それは、同じモジュール上で電圧、電流、熱電対、抵抗/RTDという4つの全く異なる信号カテゴリを処理することです。各チャンネルグループは、STEP 7パラメータを通じて個別に設定可能です。 

S7-300ラック内の幅40mmの単一モジュールで、チャンネル1と2で4–20mAの圧力トランスミッター、チャンネル3で0–10Vの流量計、チャンネル5–6で熱電対温度センサー、チャンネル7–8でPt100 RTD温度素子を同時に読み取ることができます。追加のハードウェアアダプター、個別の特殊モジュール、複雑な配線は不要です。フィールド機器の種類に合わせてチャンネルグループパラメータを設定するだけです。

このマルチタイプ機能は、モジュールの統合ADCアーキテクチャとプログラム可能なフロントエンド信号コンディショニングの直接的な結果です。

各入力チャンネルの測定タイプはソフトウェア（STEP 7ハードウェア構成）で定義され、モジュールはそれに応じて内部入力インピーダンス、スケーリング、変換アルゴリズムを調整します。

熱電対チャンネルは、適切な非線形線形化曲線（ゼーベック係数補正）を適用して、ミリボルト信号を工学温度単位に変換します。RTDチャンネルは、Pt100線形化のためにCallendar-Van Dusen方程式、またはNi100のために適切な多項式を適用し、抵抗-温度の関係の非線形性を自動的に考慮します。

プログラマーは、ユーザープログラムで信号処理を実装することなく、モジュールのプロセスイメージから標準の16ビット整数（摂氏または設定された工学単位に既にスケーリングされている）を読み取ります。

主な仕様

分解能 vs. 変換速度 — 9/12/14ビットのトレードオフ

SM 331の分解能は固定仕様ではなく、各チャンネルペアの変換速度を決定するプログラム可能なパラメータです。

ADCの積分原理は、長い積分時間ほど正確な（高分解能の）変換が得られる一方、短い積分時間では分解能を犠牲にして更新速度が速くなることを意味します。このトレードオフを理解することは、モジュールを正しく設定するために不可欠です。

9ビット (2.5ms 積分): 最速の設定。プロセスダイナミクスが速く、測定精度が二次的な場合に役立ちます。

9ビット分解能（フル入力範囲で512ステップ）は、±5V入力で約20mVの分解能を提供し、プロセス制御基準では粗いです。

この設定のアプリケーションは、定常状態のプロセス測定では珍しいですが、ラフなアナログ値が迅速に更新される高速サイクルの機械制御シナリオに適用される可能性があります。

12ビット (16.67ms または 20ms 積分): ほとんどのプロセス制御アプリケーションの標準設定で、それぞれ50Hzおよび60Hzのノイズ除去に対応します。

12ビット分解能（4096ステップ）は、±5V入力で約2.5mVの分解能を提供し、4–20mA電流ループや産業用トランスミッターの典型的な±0.5%の精度に対して十分以上です。 

50Hzまたは60Hzでのノイズ除去は重要です。これらの周波数は、フィールド機器の配線にカップリングするAC電源干渉と正確に一致しており、正確に1サイクルの電源期間積分することでADC結果のAC成分をキャンセルします。

14ビット (100ms 積分): 最高の分解能で、10Hzのノイズ除去に対応します。

14ビットモード（16384ステップ、±5Vで約0.6mVの分解能）は、信号レベルがミリボルトであり、熱ドリフト測定の精度が更新速度よりも重要な熱電対およびRTD測定に使用されます。 

温度プロセスは十分にゆっくり変化するため、100msの変換時間は完全に許容範囲内です。

光学絶縁 — 産業環境でなぜ重要なのか

SM 331のフィールド回路とS7-300バックプレーン間の光学絶縁は、マーケティング機能ではなく、多くの設置環境における工学的な必要性です。絶縁がない場合、各フィールド機器の信号リターン（0V基準）は、モジュールの入力配線を通じてPLCのバックプレーングランドに接続されます。

プラントフロア全体にフィールド機器が分散している大規模な設置では、グランドループ（フィールドデバイスのシャーシグランド、ケーブルシールド、建物の構造鋼の組み合わせによって形成される電流経路）により、異なる接地点が異なる電位にある可能性があります。 

これらのグランド電位差は、アナログモジュールの差動入力にコモンモード電圧として現れ、測定を損ないます。

光学絶縁は、このコモンモード電圧経路を遮断します。フィールド信号は、導通接続なしに、光バリアを介してフィールド配線からデジタル電子機器に渡ります。

フィールド回路とPLCバックプレーン間の絶縁定格（250V AC）までのコモンモード電圧は、光バリアによってブロックされ、測定に影響を与えません。 

可変周波数ドライブ、モーター起動装置、変圧器結合フィールドデバイスが共有ケーブルインフラストラクチャ上にある設置では、光学絶縁は、安定した正確な測定と、説明のつかないアナログ値のドリフトやノイズとの違いとなります。

熱電対入力 — 線形化と冷接点補償

熱電対測定は、SM 331が内部で処理する2つの課題をもたらします。第一に、熱電対によって生成されるゼーベック電圧は非線形です。タイプK熱電対は、1000℃で41.269mVを生成しますが、500℃では20.644mVしか生成しません。純粋に線形モデルが予測する20.635mVではありません。

SM 331は、設定された各熱電対タイプ（E、J、K、L、N）に対して適切なITS-90線形化テーブルを適用し、S7-300ユーザーコードでプログラミングすることなく、生のミリボルト読み取り値を直接温度に変換します。

第二に、熱電対測定には冷接点補償が必要です。ゼーベック電圧は、ホットジャンクション（プロセス測定点）とコールドジャンクション（熱電対線が機器に接続される場所）間の温度差に対応します。

SM 331は、内部温度センサーを使用して、自身の端子（コールドジャンクション）の温度を測定し、この補償を測定されたゼーベック電圧に加えて、ホットジャンクションの絶対温度を生成します。

この内部補償は、SM 331が均一で既知の温度にある場合に正確です。適切に管理された制御キャビネットで20～40℃の周囲温度の場合、内部補償はほとんどのプロセス制御要件に対して十分です。

実験室グレードの精度を得るには、外部冷接点補償ボックスが、配線終端点での基準接点温度測定を提供します。

断線監視と診断機能

SM 331は、設定されたチャンネルに対してアクティブな断線監視を提供します。4～20mA電流ループの場合、3.6mA未満の信号（通常の4mAライブゼロベースライン未満）は、断線、トランスミッターの故障、または電源オフのセンサーを示します。モジュールはこの状態を検出し、診断割り込みを生成します。

熱電対入力の場合、モジュールは小さなバイアス電流を適用し、入力インピーダンスを監視します。オープンサーキットの熱電対（断線または接合部の故障）は検出され、報告されます。

電圧入力の場合、断線検出は意味がありません（フローティングオープンサーキット電圧入力は、特定の障害インジケーターではなく、不確定な値を読み取ります）。

これらの診断は、S7-300診断割り込みメカニズムを介して通信されます。断線が検出されると、SM 331は割り込みをトリガーし、S7-300 CPUプログラムのOB82をアクティブにします。OB82組織ブロックは、チャンネル番号と障害タイプを含む診断情報を受信し、プログラマーはOB82を記述してアラームを生成したり、イベントをログに記録したり、制御プログラムで障害チャンネルの安全なフォールバック値を代用したりできます。

この自動障害通知は、範囲外の値に対して各チャンネルをポーリングするよりもはるかに堅牢です。CPUのスキャンサイクルに関係なく即座に通知を提供し、CPU負荷が高い期間でも障害イベントが見逃されないことを保証します。

FAQ

Q1: 同時にアクティブにできるチャンネル数はいくつですか？また、同じモジュール上で異なるチャンネルペアが異なる測定タイプを使用できますか？

8チャンネルすべてを同時にアクティブにできます。SM 331は、選択可能な方法ではなく、すべて有効なチャンネルを循環的に変換します。ただし、チャンネルはペア（チャンネル0～1、2～3、4～5、6～7）にグループ化されており、ペア内のすべてのチャンネルは同じ測定タイプと分解能で設定する必要があります。

これは、チャンネル0～1を4～20mA電流（12ビット）、チャンネル2～3を±10V電圧（12ビット）、チャンネル4～5をタイプK熱電対（14ビット）、チャンネル6～7をPt100 RTD（14ビット）に設定し、すべて同じモジュール上で同時に動作させることができることを意味します。 

唯一の制約はペアのグループ化です。ペアの両方のチャンネルは同じ設定を共有します。この4ペアの独立して設定可能なアーキテクチャが、SM 331を非常に汎用的にしています。単一モジュールで、プロセスプラントの設置が通常提示する信号の多様性のほとんどを処理できます。

Q2: 積分変換原理はどのように干渉抑制を実現しますか？また、50Hz電源システムと60Hzシステムでどちらの積分時間を選択すべきですか？

積分（デュアルスロープ）ADCは、入力信号でコンデンサを固定時間間隔（積分時間）充電し、その後、基準レートでコンデンサを放電するのにかかる時間を測定することによって機能します。

積分時間中に正確に整数サイクルのAC干渉信号は、コンデンサに正味の電荷をゼロで寄与します。その正の半サイクルは、負の半サイクルによってキャンセルされます。 

これは同期干渉抑制と呼ばれます。50Hz AC電源（ヨーロッパ、アジア、オーストラリアで一般的）の場合、20msの積分時間を選択すると、正確に1サイクルの50Hzサイクルが積分され、電源周波数干渉がキャンセルされます。

60Hz AC電源（北米、アジアおよび南米の一部）の場合、16.67msを選択すると、正確に1サイクルの60Hzサイクルが積分されます。

地域の電源周波数に対して間違った積分時間を選択すると、ノイズ除去が大幅に低下します。干渉はもはや同期してキャンセルされません。

50Hz設定は世界的に最も一般的です。60Hzは北米の設置に対して明示的に指定する必要があります。

400Hz設定（2.5ms）は意味のある電源抑制を提供せず、定常状態のプロセス変数ではなく、高速ダイナミック測定を目的としています。

Q3: SM 331への熱電対および4～20mA接続の最大ケーブル長はどのくらいですか？また、推奨されるケーブルタイプは何ですか？

熱電対接続の場合、ケーブルは熱電対延長線または補償ケーブルです。熱電対自体と同じ合金（または熱的に等価な合金）で作られた導体を持つ特殊なケーブルです。

標準の銅ケーブルは、熱電対回路内の銅接合部が測定誤差を導入する追加の熱電接合部を作成するため、熱電対接続には使用できません。 

熱電対延長ケーブルは電磁干渉を拒否するためにシールドされるべきであり、グランドループの作成を避けるためにシールドは片端のみ（通常はSM 331側）で接地されるべきです。

熱電対接続の最大ケーブル長は通常、ケーブルの抵抗によって制限されます。SM 331は、大きな精度低下なしに数キロオームまでのソース抵抗を受け入れます。 

4～20mA電流ループの場合、ループは、ループのコンプライアンス電圧制限までのケーブル抵抗に電流の大きさが依存しないという原理で動作します。標準のシールド付きツイストペア計装ケーブル（Belden 8760または同等品）で18～22 AWGが一般的です。 

ループは、総ループ抵抗がトランスミッターのコンプライアンス電圧仕様内にあることを条件に、信号劣化なしに数百メートルのケーブルで動作できます。

Q4: STEP 7でSM 331はどのように構成されますか？また、このモジュールでリミット違反のハードウェア割り込みは利用可能ですか？

SM 331は、ハードウェアカタログからモジュールを選択し、そのパラメータダイアログを開くことによって、STEP 7のHW Config（ハードウェア構成）ツールで構成されます。

構成パラメータには、各チャンネルのチャンネル有効化/無効化、チャンネルペアごとの測定タイプ（電圧、電流、熱電対タイプ、RTDタイプ）、チャンネルペアごとの積分時間/分解能、診断割り込み有効化（断線監視）、およびチャンネルごとの設定可能な上限および下限値を持つプロセス割り込み有効化が含まれます。 

プロセス割り込みが有効になっており、測定値が設定されたリミットを超えた場合、SM 331はハードウェア割り込みを生成し、CPUのOB40をトリガーします。OB40はチャンネル番号とオーバーフロー/アンダーフローの状態を受信し、プログラマーはポーリングなしでプロセスリミットイベントに即座に対応できます。

診断割り込み（OB82、断線およびハードウェア障害用）とプロセス割り込み（OB40、リミット違反用）の両方をS7-300アプリケーションでプログラムする必要があります。プログラムにOB40またはOB82が存在しない場合、未処理の割り込みはS7-300システムで致命的なエラーとして扱われるため、SM 331からの割り込みが発生するとCPUはSTOP状態に移行します。

Q5: SM 331 7KF02-0AB0とよりシンプルなSM 331 1KF00-0AB0の違いは何ですか？また、エンジニアはどちらを選択すべきですか？

両モジュールは同じチャンネル数（8）と物理的なフォームファクタ（20ピン、標準S7-300ラックスロット）を共有していますが、機能とコストが大きく異なります。

6ES7331-1KF00-0AB0は、非絶縁、低コストの8チャンネルアナログ入力モジュールです。フィールド回路とバックプレーン間の光学絶縁を提供せず、すべてのフィールド機器がPLCと共通のグランドリファレンスを共有し、グランドループの問題が懸念されない設置に限定されます。

電圧および電流測定はサポートしますが、熱電対またはRTD入力はネイティブではサポートしません。 

6ES7331-7KF02-0AB0（このモジュール）は、完全な光学絶縁、選択可能な分解能（9/12/14ビット）、および電圧、電流、熱電対（ハードウェア線形化付きE、J、K、L、N）、RTD入力（線形化付きPt100、Ni100）を完全にカバーします。追加機能はより高いコストを伴います。7KF02は、通常の市場状況では1KF00の約2倍の価格です。

選択の原則は次のとおりです。コストに敏感なアプリケーションで、すべての信号が電圧または電流であり、設置環境が電気的にクリーンで、グランドループ絶縁が不要な場合は1KF00を使用します。

熱電対またはRTD入力が存在する場合、設置に可変周波数ドライブ、大型モーター、またはその他のEMIソースが含まれる場合、フィールド機器がプラント全体に分散していて接地点が異なる場合、または測定アプリケーションが14ビット分解能で最高の精度を要求する場合に7KF02を使用します。