CN100511045C - 自动化设备的外围组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对包括至少一个数字输入通道的外围组件(10)的新概念，其中为了避免当前在组件内积累的损耗功率而在组件内设置电源(30)用以分析与数字输入通道连接的传感器(18)的状态，从而该组件(10)与现有技术的情况不同，不是通过数字输入通道吸收电能，而是输出电能，并因此减小了组件内部积累的损耗功率。

Description

自动化设备的外围组件

技术领域

本发明涉及一种用于自动化设备的外围组件，其具有至少一个作为数字输入端工作的信号接头，用于将组件外部的传感器至少与该信号接头连接。在此自动化设备中任何用于连接外部外围设备、即例如执行器和/或传感器的组件或模块都称为外围组件。

背景技术

下面“外围组件”的概念用于单个组件或单个模块，分别具有与外部外围设备如开关、极限值报警器、电压、液压或气压机组等等连接的手段，或者特别是在所谓小型自动化设备、也就是控制功能和处理功能以及与外围设备连接的手段都组合在一个设备中的设备的情况下用于整个自动化设备。

开头所述类型的自动化设备、尤其是在模块化自动化设备的实施方式中是一般公知的，例如以本申请人提供的型号为SIMATIC的自动化设备形式。从这些自动化设备中也公知实施为单模块(单组件)的外围组件，作为外围组件的具体例子尤其是公知输入组件或组合的输入/输出组件。

本发明特别涉及具有至少一个作为数字输入端工作的信号接头的外围组件。这样的外围组件相应的是具有数字输入功能的外围组件。这样的组件通常具有多个、例如16或32个数字输入端，并相应被称为数字输入组件。数字输入组件也就是特殊形式的、只具有数字输入功能的外围组件。此外混合形式、例如数字输入/输出组件或数字输入和模拟输入组件也可以具有至少一个作为数字输入端工作的信号接头。下面由本发明描述的外围设备相应地也是数字输入组件或输入组件概念的简称，其中作为判断标准始终将至少一个作为数字输入端工作的信号接头作为重点。

现有技术中公知的输入组件基于在有效连接传感器时电流通过数字输入端、即与信号接头关联的输入通道流入该组件的原理。在最简单的情况下，在存在电流时传感器被识别为被激活的。相应的在没有电流时传感器被识别为去激活的。但电流在传感器去激活时也可以流入该组件，从而通常以电压的大小、优选借助是否超过驱动电流通过信号接头所需的电压的预定或可预定阈值来识别传感器的状态。

该标准原理还不是完全最佳的，因为通过输入电流会在组件内形成损耗功率。在按照IEC61131-2预先给定的数字输入端的电压和电流值标准(类型1：电压范围15V..30V内的高信号，高信号下的输入电流：min.2mA；类型2：电压范围11V..30V内的高信号，高信号下的输入电流：min.6mA)中，上述第二类型的输入通道上的损耗功率至少是30V×6mA＝180mW，该输入通道也适用于连接所谓的BERO(无连接和无接触工作的传感器)。在此损耗功率还根据输入通道的电路而变化。在借助无源电路实现的输入通道中，损耗功率为30V×16.4mA＝492mW。前面的数字例子(损耗功率：180mW)涉及一种具有所谓电流汇点的“有源电路”。

上述以例子说明的损耗功率还对每个输入通道形成。也就是说在具有32个输入通道的组件中，损耗功率的总和是32×180mW＝5.76W(32×492mW＝15.74W)。但就期望的损耗功率减小来说不可能减小输入电流的大小，否则就无法满足按照IEC61131-2的规定。

此外还要考虑到要尽力开发64通道组件的设想。其中推测用有源或无源电路实现全部输入的损耗功率是64×180mW＝11.5W和64×492mW＝31.5W。

损耗功率必须从该组件中导出，因此导致该组件具有一定的结构尺寸。由于理论上需要的结构尺寸与最小化的趋势相反，因此通常采用所谓的“降级”组件，也就是用户必须担负起只同时(持续地)接通特定的、预先给定数量的输入通道的任务。在不利情况下这意味着例如实际只能使用一半的现有输入端。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于减小在组件上累积的损耗功率，以便能够由此实现结构尺寸减小了的组件，或者结构尺寸至少基本上保持不变、但可以同时采用全部或至少更多数量的输入通道的组件。

为了避免或至少减小上述缺陷以及解决上述技术问题或解决上述技术问题的各个方面，本发明提出了一种具有优化了损耗功率的数字输入端的输入组件，或这样的优化了损耗功率的数字输入端。按照本发明，开头所述类型的外围组件为此包括用于对传感器的状态进行分析的、设置于组件内部的电源。

在此本发明基于以下认识：在数字输入端吸收电流时，即电流通过信号接头基于外部施加(通过传感器)的电压而溃入该组件时，总是在该组件内产生损耗功率。按照本发明该原理反过来了。所述组件不仅作为电流汇点工作，还包括设置在组件内部的电源，并因此特别是作为电流源工作。由此组件能够本身给出如电流和/或电压形式的电能。该组件实际上根据通过信号接头馈入的功率产生输出功率，并由此防止或至少减小组件范围内损耗功率的形成。对连接的传感器的状态的分析同样借助设置在组件内的电源实现。

在外围组件的范围内产生的损耗功率由此可以显著减小。与损耗功率的减小同时出现的还有外围组件的结构尺寸的减小，因为只导出外围组件内部减小了的损耗功率。此外损耗功率的减小在外围组件的结构尺寸保持大致相同的条件下还打开了提供用于连接其他传感器的额外通道的可能，其中通过本发明使损耗功率的减小与外围组件的通道数的可能加倍约成反比。

优选的，所述电源用于通过信号接头输出电流，用以向可与该信号接头和接地接头连接的传感器供电。在此特殊之处一方面在于传感器与信号接头和接地接头连接，而迄今公知的开头所述类型的组件中始终都是外部传感机构与信号接头和供电接头连接。

优选所述外围组件具有供电接头，用于连接特别是向组件内部的电源供电的馈电电压。

特别优选的，所述设置在组件内部的电源实施为受时钟控制的恒定电流源。这使得可以进一步减小组件上累积的损耗功率，因为受时钟控制的恒定电流源的特征是具有比其它电源更高的效率，并且由于效率的提高在受时钟控制的恒定电流源上累积的损耗功率也被相应地减小。在受时钟控制的恒定电流源上减小的损耗功率以及由此在外围组件内部减小的损耗功率又伴随着可实现结构尺寸的减小或在结构尺寸基本相同的条件下可实现更多通道数的优点。

特别优选的，电源、尤其是实施为受时钟控制的恒定电流源包括处理功能，使得借助在工作时运行通过信号接头的电流所需要的电压可以识别与该信号接头连接的传感器的状态。具体地说，在此以传感器的最简单形式——开关为例，给出了这样的性能，在开关断开时需要更高的电压以运行通过信号接头的电流，而在开关闭合时、即近似于接地接头和信号接头之间短路时只需要较小的电压来运行相同的恒定电流。分别需要的或者由受时钟控制的恒定电流源为了维持恒定电流而产生的电压可以借助分配给电流元的处理功能识别。通过对相应电压的识别可以直接推断传感器的状态，即例如“开关闭合”或“开关断开”。

还优选的是，根据借助电源的处理功能识别的传感器的状态控制为了向处理单元传输该已识别的传感器状态而设置的分析支路。通过处理功能识别的传感器状态被引入另一个通常通过自动化设备的所谓中央单元进行的处理中，以进一步分析由此识别的过程信号。如果电源的处理功能还包括用于存储该已识别状态的装置，则可以直接通过查询该存储装置来进行。如果电源的处理功能不包括这样的存储装置，则需要向具有这种存储装置的合适设备发送该已识别的状态。优选的，为了传送该已识别状态而设置的分析支路具有光耦合器，从而在外围组件内部在可通过供电接头、信号接头或接地接头从外部影响的第一电路部件与独立于该第一电路部件的用于处理数据和/或传输数据的第二电路部件之间实现电隔离。该第二电路部件在此尤其是用于分析各通道的已识别状态，和/或用于通过总线根据相应的总线协议传送通过将可在组件内采集的状态组合成相应的数据字而累积的数据。

优选的，分析支路还包括显示元件，例如发光二极管，可以按照公知的方式在外围组件的外部通报所连接的传感器的各识别状态。

与上述外围组件对应的，本发明还涉及一种用于运行这种外围组件的方法，其中电源通过信号接头输出电流，并且借助所述电源为了运行通过信号接头的电流而必须提供的电压分析与信号接头和接地接头连接的传感器的状态。

在此，优选借助配备给电源的处理功能利用运行通过信号接头的电流所需的电压大小来识别与信号接头连接的传感器的状态，其中借助该处理功能向处理单元发送已识别的状态。为了向处理单元发送该已识别状态，在此根据不同的状态激活或去激活尤其是包括光耦合器或光耦合器与显示元件的分析支路。

附图说明

下面借助附图详细解释本发明的实施例。相互对应的对象或元件在所有附图中都具有相同的附图标记。

其中示出

图1示出按照现有技术的数字输入组件的原理连接图，

图2示出按照本发明具有简单传感器的数字输入组件的原理连接图，

图3示出按照本发明具有特殊传感器的数字输入组件的原理连接图。

具体实施方式

图1示出作为外围组件例子的数字输入组件10的简化电路图。数字输入组件10包括供电接头12、信号接头14和接地接头16。供电接头12用于连接供电电位如P24，其中该供电电位既用于向连接在供电接头12和信号接头14之间的传感器18供电，也向设置在分析支路20中的电元件——在此是光耦合器22、作为显示元件24例子的光电二极管以及电阻26等——供电。光耦合器22使得可以向连接于后的处理单元28传送已识别的传感器18状态。

分析支路20覆盖在组件内部信号接头14与接地接头16之间。只要传感器18、在所示例中是简单的开关断开，则不会有电流流过分析支路20。只要开关闭合，也就是传感器18的状态改变，则目前位于供电接头12上的电位至少近似地也在信号接头14上，并导致电流(在图1中用I1表示)流过分析支路20。因此在组件10内部在分析支路20上累积了在分析支路20通常包含组件20、22、24的尺寸下为I1×U1＝6mA×30V＝180mW的损耗功率。由于该损耗功率对每个通道单独形成，对于32个通道的组件就是该损耗功率的32倍，即大约5.76W。

为了导出该损耗功率，迄今是针对组件10采用最小结构尺寸。附加地或替代地，通常还可以为组件10给定所谓的降级，也就是该组件的用户要负责只让组件上特定数量的可供使用通道同时(持续地)有效，也就是允许产生损耗功率热量。该整个状况被发明人认为是不令人满意的，并与日益增大的要最小化设备和自动化设备中各个模块的趋势相反。

为了实现组件10的小的结构尺寸，必须减小数字输入端的损耗功率。但在此不允许减小输入电流，否则就不能再维持涉及电压大小和电流强度的预定标准。发明人已经认识到，在数字输入组件10中由于电流吸收、也就是由于外部施加的电压而流入数字输入端的电流在该组件内产生损耗功率，该功率受原理的限制不能再进一步减小，因为外部施加的电压和电流吸收都不能在不与有关标准、尤其是IEC61131.2冲突的情况下减小。因此按照本发明，将目前作为所有具有数字输入功能的外围组件基础的原理反过来，使组件10输出电流和电压。

为此图2示出按照本发明的数字输入组件10的简化连接图。与图1的情况类似，本发明的数字输入组件10具有供电接头12、信号接头14和接地接头16。具有光耦合器22和显示元件24的分析支路20连接在尤其是实施为受时钟控制的恒定电源的电源30后面。传感器18——在所示例中又实施为简单的开关——与图1的情况不同不再与供电接头12和信号接头14连接，而与信号接头14和接地接头16连接。供电接头12基本上只用于提供向尤其是电源30供电的馈电电压。电源30通过信号接头14输出电流I1。只要显示为传感器18的开关断开，电源30就须产生特定的、较高的电压以保持电流I1。只要开关闭合使得数字输入端、即信号接头14上具有电位M，就只需要明显减小的电压来保持相同的电流I1。由此借助电源30可以分析传感器18的状态，并且尤其是可以借助在工作时用于运行通过信号接头14的电流所需的电压识别与信号接头14连接的传感器18的状态。

在工作中组件10在数字输入端、即信号接头14上提供电流I1。该电流I1这样被调节，使得该电流保持恒定。为了保持电流I1在作为传感器18连接的开关上只需要非常小的电压U1。组件10例如在电压U1为100mV时向开关提供6mA的电流I1。由此功率为6mA×0.1V＝0.6mW。该功率在组件10内通过电源30、优选在其作为受时钟控制的恒定电流源的实施方式中根据施加在供电接头12上的供电电压P24产生。如果在受时钟控制的恒定电流源中以例如70％的效率来产生，则在组件10中只有(0.3/0.7)×0.6mW＝0.26mW的损耗功率。由此在组件10内每个数字输入端还只产生0.26mW的损耗功率。在32个通道的组件中产生32×0.26mW＝8.3mW。而与此相比在按照现有技术目前一直要遵守的原理的组件中损耗功率为5.67W。

在图3中示出与图2基本对应的数字输入组件10，其中作为传感器18简化地示出所谓的“两线BERO”。这样的传感器18表明了为什么通过信号接头14必须始终流动最小电流、也就是运行BERO所需要的电流的主要原因。由此当作为传感器18不是连接简单的开关而是连接这种BERO时就总会在组件10内产生最大的损耗功率。该BERO例如在“断开”状态下为了其运行在电压大约为30V时需要大约2mA的电流。在“闭合”状态下组件10将该电流限制为6mA。这样在BERO上就设置了大约10V的电压。

BERO在闭合状态下流过高电流I1。在此该电流在组件内被限制为预定或可预定的最大值，如6mA。BERO上的剩余电压U1在此最大可以达到10V。

在断开状态下BERO只流过很小的电流I1(例如最大2mA)。该电流I1用作向BERO的电子部件供电的运行电流。电流I1在这种情况下不是由组件10限制的。BERO上的电压就与供电接头12上施加的供电电压P24一样大(最大30V)。

在两种情况下在BERO上都产生2mA×30V＝60mW或6mA×10V＝60mW的损耗功率。该功率在组件内通过电源30、优选在其作为受时钟控制的恒定电源的实施方式中产生。如果该功率是以例如70％的效率产生的，则在组件10内累积(0.3/0.7)×60mW＝26mW的损耗功率。在组件10内部对每个数字输入端都产生该损耗功率。这样在32通道的组件10中产生32×60mW＝823mW的损耗功率。而在根据现有原理的组件中则产生5.67W的损耗功率。

由此本发明可以简述如下：

针对包括至少一个数字输入通道的外围组件给出了一种新概念，其中为了避免当前在组件内积累的损耗功率而在组件内设置电源30用以分析与数字输入通道连接的传感器18的状态，从而该组件与现有技术的情况不同，不是通过数字输入通道吸收电能，而是输出电能，并因此减小了组件内部积累的损耗功率。

Claims (11)

1.一种用于自动化设备的外围组件，具有至少一个作为数字输入端工作的信号接头(14)，用于将组件外部的传感器(18)至少与该信号接头(14)连接，其特征在于，还包括用于对传感器(18)的状态进行分析的、设置于组件内部的电源(30)，其中，该组件内部的电源(30)构成为通过信号接头(14)输出电流。

2.根据权利要求1所述的外围组件，其中，所述信号接头(14)用以向可与该信号接头(14)和组件一侧的接地接头(16)连接的传感器(18)供电。

3.根据权利要求1所述的外围组件，还具有供电接头(12)，用于连接向所述电源(30)供电的馈电电压。

4.根据上述权利要求之一所述的外围组件，其中，所述电源(30)实施为受时钟控制的恒定电流源。

5.根据权利要求4所述的外围组件，其中，借助所述电源(30)在工作时运行通过所述信号接头(14)的电流所提供的电压可以识别与该信号接头(14)连接的传感器(18)的状态。

6.根据权利要求5所述的外围组件，其中，可以根据所识别的传感器(18)的状态来控制为了向处理单元(28)传输该已识别的传感器状态而设置的分析支路(20)。

7.根据权利要求6所述的外围组件，其中，所述分析支路(20)具有光耦合器(22)。

8.根据权利要求6所述的外围组件，其中，所述分析支路(20)包括显示元件(24)。

9.一种用于运行按照上述权利要求之一所述的外围组件的方法，其中电源(30)通过信号接头(14)输出电流，并且借助所述电源为了运行通过信号接头(14)的电流而提供的电压来分析与信号接头(14)和组件一侧的接地接头(16)连接的传感器(18)的状态。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，为了向组件内部的处理单元(28)发送所述已识别的状态，根据不同的状态激活或去激活包括光耦合器的分析支路(20)。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述分析支路(20)包括光耦合器与显示元件。

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