CN103425079A - 用于工业控制的具有低热耗散的输入电路 - Google Patents

Abstract

用于与工业控制器一起使用的I/O电路通过使用串联连接的基本上无电阻阻抗来提供具有低的功率耗散的输入电路。AC波形输入激活发光二极管（LED）桥以提供光学信号，该光学信号照亮光敏固体开关，从而在工业控制器和受控过程或机器之间提供光学隔离。通过使用串联连接的基本上无电阻阻抗，可以实现输入电路的减少的电流需量，这允许减少的功率耗散。作为结果，相同电路允许在更大范围（例如120伏AC到240伏AC）中接收输入信号，并且通过更接近的间距达到更紧凑的设计允许显著较小的部件。

Description

用于工业控制的具有低热耗散的输入电路

技术领域

本发明涉及用于工业控制系统的I/O模块，特别涉及一种可以在AC电压的范围内灵活地供应输入AC波形的低热耗散I/O模块。

背景技术

工业控制器是用于例如工厂环境中的工业过程或机械的控制的专用计算机系统。工业控制器在很多方面不同于传统的计算机。物理上，将它们构建为实质上更结实以抵御震动和损害并且更好地抵抗外部污染和极端的环境条件。处理器和操作系统被最优化用以实时控制和执行允许程序的迅速定制的语言，以适合各种不同的控制器应用。典型地，该控制器具有高度模块化体系结构，该体系结构允许不同数量和类型的输入和输出模块用于将控制器连接到要被控制的处理器和机械。通过使用适合于高度可靠和有效的实时通信的特定的“控制网络”有助于这种模块化。该种控制网络（例如，以太网IP）不同于标准的通信网络（例如，以太网）之处在于确保最大通信延迟，该最大通信延迟例如是通过预先安排网络的带宽和/或将冗余通信性能提供为高有效性而获得的。

作为其增强的模块化的一部分，工业控制器可以利用专用于特定类型电信号和功能（例如，检测输入AC或DC信号或控制输出AC或DC信号）的I/O模块。这些I/O模块中的每一个可以具有连接器系统，连接器系统允许它们以不同的组合随同其它所选择的I/O模块一起被安装在外壳或单元中，以匹配特定应用的要求。多个单元可以位于受控过程或机器附近的方便控制点，以经由例如以太网IP等特定控制网络与中央工业控制器通信。

通常，需要不同I/O模块来从工业过程或机械接收不同的AC和DC信号，从而反映所使用的装置的区别。例如，可以使用不同I/O模块以接收在相对于240伏AC的120伏AC左右操作的输入信号。

与工业控制器通信的I/O模块的电路（控制器侧）还通常与和受控过程或机器通信的电路（场侧（field-side））光学隔离，以防止场侧中的故障损害工业控制系统或其它I/O模块。对于输入电路（例如AC输入电路），其必需接收来自场侧电路的操作的电压信号，以确定空子控制侧的信号的频率和/或振幅。为了防止过电力损害I/O模块，通常使用降压串联电阻器将来自场侧的高电压转换为适于对控制器侧光学隔离的较低的电压。该种降压串联电阻器通常物理上较大以处理必需的电力耗散，并且必须被隔开以帮助耗散附随的热量。

发明内容

本发明提供一种用于接收AC波形并限制该AC波形的电流的串联连接的基本上无电阻阻抗。通过使用串联连接的基本上无电阻阻抗，可以在没有热能耗散的情况下限制电流。这是因为基本上无电阻阻抗的阻抗主要由电气电抗构成。电抗可以被表征为由于电路元件的电或磁场因此电路元件对电流或电压改变的反抗。电场可以抵抗电路元件上的电压的改变，而磁场可以抵抗电流的改变。相反，基本电气电阻仅可以对抗通过电路元件的电流的通过并耗散热能。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是提供减少的功率耗散，以在更大的电压范围内接收输入信号和/或达到更紧凑的设计。

电路还可以包括光学隔离器，所述光学隔离器包括发光二极管（LED）桥，所述发光二极管（LED）桥与所述串联连接的基本上无电阻阻抗串联耦接并且操作用于仅当所述AC波形的电压的振幅大于阈值时发出光，并且所述光学隔离器具有光敏固体开关，所述光敏固体开关用于接收来自所述LED桥的光以提供光学隔离信号。

因此本发明的至少一个实施例的特征是提供输入电压的隔离监测。

LED桥可以包括例如第一LED和第二LED，其中，所述第一LED的阴极连接到所述第二LED的阳极，并且所述第二LED的阴极连接到所述第一LED的阳极。在该情况下，阈值可以是第一预定电压阈值和第二预定电压阈值，所述第一预定电压阈值用于当所述第一LED被施加正向偏压时使所述第一LED导通，所述第二预定电压阈值用于当所述第二LED被施加正向偏压时使所述第二LED导通。

光敏固体开关可以包括例如光敏NPN晶体管。所述基本上无电阻阻抗将通过所述LED的所述AC波形的电流限制到在120伏AC到240伏AC范围内的、所述LED的预定工作电流。所述串联连接的基本上无电阻阻抗可以包括电感器，并且还可以包括与所述电感器串联的电容器。与所述电感器串联的电容器可以是例如多层陶瓷电容器。

I/O模块电路还可以包括用于接收所述光学隔离信号并确定所述光学隔离信号的频率和/或振幅的微处理器。因此本发明的至少一个实施例的特征是根据信号确定频率和/或振幅。

I/O模块电路还可以包括是螺旋式端子的端子。I/O模块电路还可以具有具有多个单元可拆除电连接器的单元，所述单元支撑多个I/O模块电路，每个I/O模块电路具有与所述单元可拆除电连接器连接的可拆除电连接器，其中，所述单元包括用于在所述单元中对所述I/O模块进行定向和支撑的元件。

在另一实施例中，本发明提供一种工业控制系统，包括：工业控制器，所述工业控制器具有至少一个处理器，所述处理器执行所保存的程序以接收输入信号，所述输入信号反映出所连接的工业过程的状态；网络，所述网络提供协议，所述协议确保在与工业控制器通信的网络系统上的数据通信中的保证最大延迟，以将输入信号传送给工业控制器；及I/O模块，所述I/O模块与所述网络系统通信，以与所述网络系统交换输入信号。所述I/O还模块包括：外壳；端子，所述端子由所述外壳支撑，以接收AC波形；及电路，所述电路被包括在所述外壳中。所述电路提供串联连接的基本上无电阻阻抗，所述串联连接的基本上无电阻阻抗用于接收所述AC波形并限制所述AC波形的电流。所述电路还提供光学隔离器，所述光学隔离器包括发光二极管（LED）桥，所述发光二极管（LED）桥与所述串联连接的基本上无电阻阻抗串联耦接，并且操作用于仅当所述AC波形的电压的振幅大于阈值时发出光，并且所述光学隔离器具有光敏固体开关，所述光敏固体开关用于接收来自所述LED桥的光以提供光学隔离信号。

在又一实施例中，本发明提供一种在工业控制系统中的I/O模块中接收AC输入信号的方法，包括：在所述I/O模块的端子上接收AC波形，所述I/O模块的端子与基本上无电阻阻抗串联连接以限制所述AC波形的电流；使用光学隔离器光学隔离所述AC波形，所述光学隔离器包括发光二极管（LED）桥，所述LED桥与所述串联连接的基本上无电阻阻抗串联耦接并且操作用于仅当所述AC波形的电压的振幅大于阈值时发出光，并且所述光学隔离器具有光敏固体开关，所述光敏固体开关用于接收来自所述LED桥的光以提供光学隔离信号。

这些具体对象和优点可以应用于落入权利要求范围内的仅仅某些实施例，并因此不限定本发明的范围。

附图说明

图1是适于与本发明一起使用的类型的远程I/O单元的立体图，其示出了包括多个I/O模块的外壳，I/O模块用于经由端子与工业过程通信以及经由网络线缆与远程工业控制器通信；

图2是示出在并入多个远程I/O单元和工业控制器的工业控制系统的环境下图1的I/O单元的框图；

图3是远程I/O单元的框图，其示出用于将在I/O单元中安装的I/O模块附接到与网络线缆和电力通信的公用总线的连接器，并且示出提供输入电路的一个I/O模块；

图4是图3的输入电路的具体示意图，如此可以从输入端子接收AC波形以通过光学隔离器提供隔离信号；

图5是示出在短时间段中AC波形和光学隔离器的LED桥的转变的调整图；

图6是光学隔离器的LED桥的转变与用于图4的电路的AC波形电压的对比的状态图；及

图7是示出图6的脉冲宽度相对于AC波形的不同振幅的改变的调整图，从而允许直接振幅监测。

具体实施方式

现在参考图1和2，I/O块10可以提供单元外壳12，单元外壳12具有多个开口14，多个开口14用于对可拆除或永久性安装的I/O模块16进行定位和支撑。I/O模块16通常在工业控制器17和工业过程或机器18之间提供电接口，工业过程或机器18具有由外部场侧电源22供电的致动器呈现负载20，外部场侧电源22可以是将要描述的DC源或AC源（如所示出的）。I/O模块16中的每一个可以具有用于经由电导体26将I/O模块16的电路连接到工业过程或机器18的场侧电源22的暴露的螺旋接线端24。

可以例如在本领域已知类型的DIN导轨29上支撑I/O块10的外壳12，或I/O块10的外壳12可以提供允许其位于所期望的受控负载20附近的另一安装布置。I/O块10可以经由控制网络28将例如控制网（ControlNet）或以太网IP连接到工业控制器17，以在I/O块10的I/O模块16和工业控制器17之间进行控制数据的通信。

通常，工业控制器17将至少包括一个处理器30，处理器30执行在通信存储器34中包括的所保存的控制程序32，用以提供与控制网络28的通信以与I/O块10交换信号以根据所保存的控制程序32控制控制工业过程或机器18。所保存的控制程序32（从传感器等）读取表示工业过程或机器18的状态的信号，以及将输出写入I/O块10以根据这些感应输入和控制程序32的逻辑来控制负载20。工业控制器17可以包括到用户接口端子35（例如包括显示器、计算机、键盘和鼠标等）的连接，从而允许对工业控制器17的编程及其它控制并向操作员提供信息输出。适于和本发明一起使用的工业控制器17包括例如在商业上从RockwellAutomation,Inc可获得的可编程控制器。

通常，每个I/O块10的I/O模块16在工业过程或机器18的电力和电路以及对I/O模块16直接连接的部分与工业控制系统的电路之间包括电隔离屏障36，工业控制系统包括工业控制器17、网络28、I/O块10及I/O模块16的剩余部分。如本文所理解的，电隔离涉及电气电路的一部分，并且这些部分在I/O块10内不通过DC电路径进行通信。与工业过程或机器18有关的、电隔离屏障36侧的电路将被称为“场侧”电路，与工业控制器17有关的、电隔离侧的电路将被称为“控制器侧”电路。如在本领域所理解的，电隔离可以通过光学隔离器或防止通过电隔离屏障36的DC传导的变压器来完成，以防止在场侧电路故障的情况下对控制器侧电路的损害。该隔离防止通过跨越隔离屏障36的导体在控制器侧和场侧的电路之间对电力的简单共享。

现在参考图3，每个I/O块10可以提供底板40，底板40提供一组电气上可拆除或永久性地连接的电连接器42，电连接器42与底板总线44通信，底板总线44提供并行或串行数字通信和电力。电力可以由电源43提供。底板总线44上的数字通信可以由单元控制器46调节，单元控制器46包括与工业控制网络28通信的网络电路45。单元控制器46和网络电路45可以是例如一个或更多个执行在存储器中保存的所保存的程序等的电子处理器。

形成底板总线44的电连接器42可以与在每个I/O模块16的背后设置的对应的电连接器47连接，从而允许I/O块10的控制器侧电路和I/O模块16的控制器侧电路之间的电连接，以当I/O模块16被插入到I/O块10时在它们之间进行数据和电力的直接通信。在每个I/O模块16内，模块控制器48（例如，微控制器）可以执行所保存的程序50，以通过与多个输入电路52进行通信来协调I/O模块16的功能。如将要描述的，这些输入电路52中的每一个可以在内部提供控制器侧和场侧电路之间的电隔离屏障36。这些输入电路52中的每一个还与一组端子24（为了清楚仅两个被示出）通信，该一组端子24可以例如是可拆除地接收电导体26的螺旋式端子。

现在参考图4，输入电路52可以跨越端子24接收AC波形60，例如，一个端子24'处的地参考62和端子24处的AC波形。在一个实施例中，AC波形将接近60HZ并且具有在120到240伏AC之间的电压。

接收AC波形的端子24可以连接到基本上无电阻阻抗元件64，阻抗元件64包括串联连接的电感器66和电容器68。可以使阻抗元件64大小合适以提供必需的电压降并限制电流流动。将理解，与阻塞电阻对比，主要为电抗性的阻抗元件64可以在没有消耗实际能量的情况下阻碍电流流动，以使得在该电流限制处理中实际上没有产生热量。阻抗元件64还可以包括与电容器68并联的大电阻值电阻器78，以允许例如在移除模块时对电容器68放电。在可选择的实施例中，阻抗元件64中的一个或多个部分可以连接到端子24'而不是端子24，或除了连接到端子24之外还连接到端子24'。

阻抗元件64又连接到是光学隔离器83的一部分的发光二极管（LED）桥70。LED桥70可以包括第一LED72和第二LED74，其中，第一LED72的阴极连接到第二LED74的阳极，并且第二LED74的阴极连接到第一LED72的阳极。阻抗元件64连接到LED桥70（在该位置上第二LED74的阴极连接到第一LED72的阳极）。LED桥70又连接到其中第一LED72的阴极连接到第二LED74的阳极的地参考62。

当LED桥70的第一LED72或第二LED74接通时，LED被照亮从而对提供隔离屏障36的光学隔离器83的光电二极管86提供光学信号84。例如当AC波形超过第一预定电压时第一LED72可以接通，第一预定电压可以是用于向第一LED72施加正向偏压的大约1伏的阈值电压。例如当AC波形下降到第二预定电压以下时第二LED74可以接通，第二预定电压可以是用于向第二LED74施加正向偏压的大约-1伏的阈值电压。作为结果，当AC波形的电压大于第一和第二预定电压阈值时或当AC波形的电压小于第一和第二预定电压阈值时，LED桥70操作以传送光。另外，当AC波形的电压在第一和第二预定电压阈值之内时，LED桥70操作以不传送光。光电二极管86然后可以使用与场侧隔离的控制器侧电力96和控制器侧地98参考，将如上所述的输出信号55发送到图3所示的模块控制器48。

阻抗元件64还可以连接到例如电阻器92和电容器94等分立元件，每个分立元件又连接到地参考62。这些分立元件可以提供对于AC波形的附加过滤和/或静电放电保护。

现在参考图5和6，当在端子24和24'之间连接的AC波形60处于大约1伏的第一预定电压阈值以上并且因此处于大约-1伏的第二预定电压阈值以上的电压时，LED桥70接通从而将光学信号84提供给光电二极管86。作为结果，光电二极管86传导输出信号55。

当AC波形60近似在大约1伏的第一预定电压阈值和大约-1伏的第二预定电压阈值之间时，LED桥70关断并且没有光学信号84被提供给光电二极管86。作为结果，光电二极管86停止传导输出信号55。

当AC波形60下降到大约-1伏的第二预定电压阈值以下并且因此下降到大约1伏的第一预定电压阈值以下时，LED桥70接通从而将光学信号84提供给光电二极管86。作为结果，光电二极管86传导输出信号55。

现在参考图7，将理解，输出信号55的脉冲宽度可以用于确定在AC波形中的AC波形60的粗略电压等级。例如，当AC波形60是240伏时，电压摆幅将较陡，从而导致在绝对时间中测量到的相对窄的脉冲90。相反，当AC波形60'是相对较低的电压（例如120伏）时，电压摆幅将较慢地延长基极电压的脉冲90'。这样，可以确定I/O模块在120或240伏的工作，并且可以进行其它简单电压测量。

仅为了参考的目的本文使用某些术语，并且因此这些术语不意欲作为限制。例如，如“更高”、“更低”、“以上”和“以下”等术语涉及所参考的附图中的方向。如“前”、“后”、“背后”、“底”和“侧”等术语描述部件中的一些部分在一致的但任意的参考框架内的定位，通过参考描述所讨论的部件的正文和相关附图将使其清楚。该种术语可以包括上面具体提到的词、它们的派生词以及类似意思的词。相似地，涉及结构的术语“第一”、“第二”和其它该种数字术语不意味着次序或顺序，除非通过上下文清楚地指明。

当介绍本发明和具体实施例的元件或特征时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意欲表示存在一个或更多个该种元件或特征。术语“包括”、“包含”和“具有”意思范围广并且表示除了这些具体描述的之外还可以存在另外的元件或特征。另外要理解，本文描述的方法步骤、处理和操作没有被构建为必需需要它们以所讨论或说明的特定顺序执行，除非被具体识别为执行顺序。还要理解，可以利用另外的或可选择的步骤。

对于“微处理器”和“处理器”或“该微处理器”和“该处理器”的参考可以被理解为包括一个或更多个可以在单机和/或分布式环境中进行通信的微处理器，并且因此可以被配置以经由有线或无线通信与其它处理器通信，其中该种一个或更多个处理器可以被配置为在一个或更多个相同或不同的处理器控制的装置上工作。此外，除了以其它方式指明之外，对于存储器的参考可以包括一个或多个处理器可读和可访问存储器元件和或部件，它们可以处于处理器控制的装置的内部、处理器控制的装置的外部以及可经由有线或无线网络访问。与本申请在一致日期提交并且被指派了与本发明相同的受让人的标题为Output Module For Industrial ControlWith Sink And Source Capability And Low Heat Dissipation和Zero-Crossing Detector For Industrial Control With Low HeatDissipation的共同未决的专利申请全部并入本文作为参考。

明确表示本发明不限于本文包括的实施例和说明，并且权利要求应该被理解为包括在随后的权利要求的范围内的这些实施例的修改形式（包括这些实施例的某些部分和不同实施例的元件的组合）。本文描述的包括专利和非专利公开的所有公开文献因此被完全并入本文作为参考。

Claims (20)

1.一种I/O模块电路，所述I/O模块电路用在工业控制系统中，所述I/O模块电路包括：

外壳；

端子，所述端子由所述外壳支撑，以接收AC波形；及

电路，所述电路被包括在所述外壳中，所述电路提供：

串联连接的基本上无电阻阻抗，所述串联连接的基本上无电阻阻抗用于接收所述AC波形并限制所述AC波形的电流；

光学隔离器，所述光学隔离器包括发光二极管（LED）桥，所述发光二极管（LED）桥与所述串联连接的基本上无电阻阻抗串联耦接并且操作用于仅当所述AC波形的电压的振幅大于阈值时发出光，并且所述光学隔离器具有光敏固体开关，所述光敏固体开关用于接收来自所述LED桥的光以提供光学隔离信号。

2.根据权利要求1所述的I/O模块电路，其中，所述LED桥包括第一LED和第二LED，其中，所述第一LED的阴极连接到所述第二LED的阳极，并且所述第二LED的阴极连接到所述第一LED的阳极。

3.根据权利要求2所述的I/O模块电路，其中，所述阈值是第一预定电压阈值和第二预定电压阈值，所述第一预定电压阈值用于当所述第一LED被施加正向偏压时使所述第一LED导通，所述第二预定电压阈值用于当所述第二LED被施加正向偏压时使所述第二LED导通。

4.根据权利要求1所述的I/O模块电路，其中，所述光敏固体开关包括光敏NPN晶体管。

5.根据权利要求4所述的I/O模块电路，其中，所述基本上无电阻阻抗将通过所述LED的所述AC波形的电流限制到在120伏AC到240伏AC范围内的、所述LED的预定工作电流。

6.根据权利要求1所述的I/O模块电路，其中，所述串联连接的基本上无电阻阻抗包括电感器。

7.根据权利要求6所述的I/O模块电路，其中，所述串联连接的基本上无电阻阻抗还包括与所述电感器串联的电容器。

8.根据权利要求7所述的I/O模块电路，其中，所述电容器是多层陶瓷电容器。

9.根据权利要求1所述的I/O模块电路，还包括用于接收所述光学隔离信号并确定所述光学隔离信号的频率的微处理器。

10.根据权利要求1所述的I/O模块电路，还包括用于接收所述光学隔离信号并确定所述光学隔离信号的振幅的微处理器。

11.根据权利要求1所述的I/O模块电路，其中，所述端子是螺旋式端子。

12.根据权利要求1所述的I/O模块电路，还包括具有多个单元可拆除电连接器的单元，所述单元支撑多个I/O模块电路，每个I/O模块电路具有与所述单元可拆除电连接器连接的可拆除电连接器，其中，所述单元包括用于在所述单元中对所述I/O模块进行定向和支撑的元件。

13.一种工业控制系统，包括：

工业控制器，所述工业控制器具有至少一个处理器，所述处理器执行所保存的程序以接收输入信号，所述输入信号反映出所连接的工业过程的状态；

网络，所述网络提供协议，所述协议确保在与工业控制器通信的网络系统上的数据通信中的保证最大延迟，以将输入信号传送给工业控制器；

I/O模块，所述I/O模块与所述网络系统通信，以与所述网络系统交换输入信号，所述I/O模块还包括：

外壳；

端子，所述端子由所述外壳支撑，以接收AC波形；及

电路，所述电路被包括在所述外壳中，所述电路提供：

串联连接的基本上无电阻阻抗，所述串联连接的基本上无电阻阻抗用于接收所述AC波形并限制所述AC波形的电流；

光学隔离器，所述光学隔离器包括发光二极管（LED）桥，所述发光二极管（LED）桥与所述串联连接的基本上无电阻阻抗串联耦接，并且操作用于仅当所述AC波形的电压的振幅大于阈值时发出光，并且所述光学隔离器具有光敏固体开关，所述光敏固体开关用于接收来自所述LED桥的光以提供光学隔离信号。

14.根据权利要求13所述的工业控制系统，其中，所述LED桥包括第一LED和第二LED，其中，所述第一LED的阴极连接到所述第二LED的阳极，并且所述第二LED的阴极连接到所述第一LED的阳极。

15.根据权利要求13所述的工业控制系统，其中，所述光敏固体开关包括光敏NPN晶体管。

16.根据权利要求15所述的工业控制系统，其中，所述基本上无电阻阻抗将通过所述LED的所述AC波形的电流限制到在120伏AC到240伏AC范围内的、所述LED的预定工作电流。

17.根据权利要求13所述的工业控制系统，其中，所述串联连接的基本上无电阻阻抗包括电感器。

18.根据权利要求13所述的工业控制系统，其中，所述串联连接的基本上无电阻阻抗还包括与所述电感器串联的电容器。

19.根据权利要求13所述的工业控制系统，还包括用于接收光学隔离信号并确定所述光学隔离信号的频率的微处理器。

20.一种在工业控制系统中的I/O模块中接收AC输入信号的方法，包括：

在所述I/O模块的端子上接收AC波形，所述I/O模块的端子与基本上无电阻阻抗串联连接以限制所述AC波形的电流；

使用光学隔离器光学隔离所述AC波形，所述光学隔离器包括发光二极管（LED）桥，所述LED桥与所述串联连接的基本上无电阻阻抗串联耦接并且操作用于仅当所述AC波形的电压的振幅大于阈值时发出光，并且所述光学隔离器具有光敏固体开关，所述光敏固体开关用于接收来自所述LED桥的光以提供光学隔离信号。

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