CN104170203A - 多功能i/o装置 - Google Patents

Abstract

多功能I/O装置(1)，具有带两个接头(3)的连接端子(2)和一个电子电路(4)，该电子电路(4)经由多个可调节的操作状态，检测存在于所述连接端子(2)的两个接头(3)上的有源输入信号(19)或无源输入信号(5)或控制/切换外部驱动负载(18)。

Description

多功能I/O装置

技术领域

本发明涉及一种多功能输入/输出装置，下文中称为I/O装置，该装置具有电子电路和具有两个接头的连接端子。

背景技术

从现有技术已知I/O装置，利用三个不同的连接端子，这种I/O装置能够实施下列三种功能：第一，切换或控制连接的外部驱动负载；第二，检测在第二连接端子上无源输入信号的存在；和第三，检测在第三连接端子上有源输入信号的存在。这意味着，为了实施这三种不同的功能，一个输出功能和两个输入功能，因此在电路板上需要带有总共五个接头的三个连接端子。因此导致电路板上的大空间要求，这进而导致在电路板上的I/O装置的构造方面增加的成本并且因此随后也导致较高的存货成本。因此，期望的是，将在电路板上构造I/O装置所需的空间保持尽可能小。

此外，已知I/O装置，在具有三个接头的两个连接端子处，I/O装置能够在第一连接端子处检测作为有源输入信号的直流电压信号(DC)或交流电压信号(AC)并且在第二连接端子处检测无源输入信号。然而，能够仅在小电压范围内检测到这些有源或无源输入信号，这是现有技术的缺点。

本发明的目的是在电路板上提供需要尽可能小的空间的多功能I/O装置。

发明内容

该目的由多功能I/O装置实现，该装置包括：带两个接头的一个连接端子；和电子电路，该电子电路借助于多个可设定的操作状态检测施加在连接端子的两个接头上的有源输入信号或无源输入信号或控制/切换外部驱动负载；其中，电子电路包括：至少一个开关元件，该至少一个开关元件利用逻辑单元的第一控制信号可操作，使得它短路或隔离连接端子的两个接头；信号发生器，该信号发生器利用逻辑单元的第二控制信号可操作，使得在连接端子的两个接头上存在有源输入信号的情况下，该信号发生器产生状态信号并且将该状态信号转发至逻辑单元；能量源，该能量源利用逻辑单元的第三控制信号操作，使得在连接端子的两个接头上存在无源输入信号的情况下，该能量源提供信号发生器的操作所需的能量；保护装置，该保护装置连接在信号发生器和能量源之间；和逻辑单元，该逻辑单元根据电子电路的相应设置的操作状态在第一操作状态、第二操作状态和第三操作状态之间进行区分，并且借助于第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号，该逻辑单元根据设置的操作状态来启用开关元件、信号发生器和能量源。

根据本发明，对在电路板上的多功能I/O装置的空间要求因此特别降低，因为多功能I/O装置仅由包括两个接头的一个连接端子构成，并且多功能I/O装置知晓或能够实施三种不同的操作状态，其中，各个操作状态中的每一种具有特殊功能。利用多功能I/O装置实施的第一操作状态并且因此实现第一功能用以根据需要控制或切换连接到连接端子的接头的外部驱动负载。利用多功能I/O装置实施的第二操作状态并且因此实现第二功能用以检测在连接端子的接头上有源输入信号的存在与否。利用多功能I/O装置实施的第三操作状态并且因此实现第三功能用以检测在连接端子的接头上无源输入信号的存在与否。为了实施这些不同的操作状态或不同的功能，开关元件、能量源和信号发生器被配置成对应于逻辑单元的相应的操作状态。

这提供的优点是，代替需要独立的连接端子用于实施每一种操作状态或每一个功能，能够使用单个连接端子(由两个接头构成)用于不同的功能，并且与之相关联地，对在电路板上构造这样的多功能I/O装置的空间要求能够最小化。

本发明的装置的有利的实施例设有整流器装置，在存在作为无源输入信号或有源输入信号的交流电压的情况下，该整流器装置对施加的无源输入信号或有源输入信号整流并且将整流的无源输入信号或有源输入信号供应至下游信号发生器。这样设置的优点是，通过引入整流器装置，可以检测连接端子的接头上的直流信号以及还有交流电压信号。

根据本发明的装置的有利的实施例，在第一操作状态下，信号发生器和能量源被停用，并且逻辑单元根据需要切换开关元件，以控制连接在连接端子的两个接头之间的外部驱动负载。

根据本发明的装置的另一个有利的实施例，在第二操作状态下，开关元件和能量源被停用，并且信号发生器被启用，以检测在连接端子的两个接头之间的有源输入信号以及借助于信号发生器产生状态信号并且将该状态信号供应至逻辑单元。

根据本发明的装置的附加实施例，在第三操作状态下，开关元件被停用，并且信号发生器和能量源被启用，以检测在连接端子的两个接头之间的无源输入信号以及借助于信号发生器产生状态信号并且将该状态信号供应至逻辑单元。

根据另一个实施例，本发明的装置被实施使得在具有整流器装置、信号发生器和保护装置的电路支路中，在该电路支路中哈设有电流限制元件以限制和/或控制电流。这提供的优点是，借助于电流限制元件，电流并且因此来自有源输入信号并且到达信号发生器的能量是受限的。以这种方式，能够在宽电压范围内检测到有源输入信号，且无信号发生器过载并且在给定情况下由于过高的能量消耗而损坏的危险。

在本发明的装置的实施例的附加形式中，开关元件和相关联的第一控制信号被冗余地实施。这提供优点，通过开关元件的和相关联的第一控制信号的冗余或加倍，多功能I/O装置满足SIL标准(安全完整性等级)的安全要求，这在过程自动化中是重要的。

在最后的实施例中，本发明的装置被实施使得第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和状态信号利用伽伐尼隔离(galvanicisolation)而被隔离。这提供优点，因为伽伐尼隔离，多功能I/O装置还能够被应用于有爆炸危险的区域，诸如，例如防爆区域Ⅱ。

附图说明

现在将基于附图更详细地解释本发明，附图示出如下：

图1为从现有技术已知的常规I/O装置的框图，

图2为本发明的多功能I/O装置的实施例的框图，

图3为第一操作状态下的图2所示的多功能I/O装置的详细表示，

图4为第二操作状态下的图2所示的多功能I/O装置的详细表示，

图5为第三操作状态下的图2所示的多功能I/O装置的详细表示，

图6为本发明的多功能I/O装置的第二实施例。

具体实施方式

图1示出从现有技术已知的常规I/O装置的框图。该常规I/O装置由具有总共五个接头3的三个单独的连接端子2a、2b、2c和电子电路4构成，其中，中连接端子2b和下连接端子2c具有共享接头3。电子电路4包括继电器20、信号发生器10和三个二极管21，其中继电器20借助于来自逻辑单元8的第一控制信号7而被操作，并且信号发生器10借助于状态信号12把有源输入信号19或无源输入信号5的存在报告给逻辑单元8。图1中的二极管21用作防止错误连接的保护。

在由五个接头3构成的三个连接端子2a、2b、2c的帮助下，下列功能被实施：在最上面的连接端子2a处，连接的外部驱动负载18利用继电器20和由逻辑单元8供应的第一控制信号7根据需要被控制或被切换；在中连接端子2b处，检测无源输入信号5的存在与否；和在下连接端子2c处，检测有源输入信号19的存在与否。

图2示出本发明的多功能I/O装置1的实施例的框图。该多功能I/O装置1由具有两个接头3的连接端子2和电子电路4构成。在这样的情况下，连接端子2用于控制或切换连接的外部驱动负载18或用于检测施加到连接端子2的接头3的无源输入信号5或有源输入信号19。连接的外部驱动负载18的典型示例包括：PLC、功率控制器、电机、泵、阀、控制灯、警报器或类似的信号发射器。

在这里要强调的是，如已示出的，施加到连接端子2的接头3的可以是有源输入信号19或无源输入信号5。此外，有源输入信号19能够是直流电压信号以及还有交流电压信号两者。

就这点而言，有源输入信号19应能够为信号发生器10供应足够用于其操作的能量。而无源输入信号5不能够做到这一点。因此，在无源输入信号5的情况下，需要附加能量源13来供应操作信号发生器10所需的能量。

电子电路4由多个单独的部件构成。现在将更详细地解释这些部件。

开关元件6，其通常由至少一个继电器构成并且利用逻辑单元8根据经由第一控制信号7相应设置的操作状态被操作，用于使连接端子2的两个接头3短路或用于使彼此隔离，以用作在给定情况下连接的外部驱动负载18的开关。

整流器装置9，其通常由一个或多个二极管构成，用于整流作为交流电压施加到连接端子2的两个接头3的有源输入信号19，以操作之后连接的电路元件用于其预期用途。

根据相应设置的操作状态在逻辑单元的第二控制信号11的指导下，在连接端子2的两个接头3上存在无源输入信号5或有源输入信号19的情况下，信号发生器10用于产生数字状态信号12以及用于将数字状态信号12转发至逻辑单元8，使得以这种方式检测无源输入信号5或有源输入信号19的存在与否。

状态信号12，其由信号发生器10在连接端子2的两个接头3上存在或不存在无源输入信号5或有源输入信号19的情况下产生并且被输送至逻辑单元8，如上文已提及的，该状态信号12是数字信号，其能够呈现逻辑H电平以及还有逻辑L电平两者。

换言之，这意味着，一旦在连接端子2的接头3上存在无源输入信号5或有源输入信号19，逻辑H电平就借助于信号发生器10而作为状态信号12产生并且被输送至逻辑单元8。在连接端子2的接头3上不存在无源输入信号5或有源输入信号19的情况下，逻辑L电平作为状态信号12被产生并且被输送至逻辑单元8。以这种方式，借助于电子电路4和逻辑单元8，能够检测在连接端子2的接头3上无源输入信号5或有源输入信号19的存在与否。

能量源13由逻辑单元8在第三操作状态下启用，而在所有其它状态(即，第一操作状态和第二操作状态)下，能量源13被停用。在第三操作状态下，在连接端子的接头上无源输入信号5的存在或不存在被检测到。由于无源输入信号5不为操作信号发生器提供能量，所以能量源13需要用于这样的目的。一旦在连接端子2的接头3上存在无源输入信号5，并且因此，在能量源13和信号发生器10之间存在直接连接，能量源13就为信号发生器10提供所需的能量。

保护装置15，其通常由至少一个二极管构成，用于保护信号发生器10在能量源13的操作期间免于不当的启用。在此处应注意的是，保护装置15并不是必须位于示出的位置。图2以虚线框示出其它可能的位置。

电流限制元件17限制或控制由整流器装置9、信号发生器10和保护装置15构成的电路支路中的电流。以这种方式，来自有源输入信号19的能量贡献是受限的，使得在宽电压范围内的有源输入信号19不过载，并且在给定情况下，不破坏信号发生器10。在宽电压范围内的有源输入信号19通常指2.5V至230V的信号，其中，这样的有源输入信号19能够为直流信号以及还有交流电压信号两者。

逻辑单元8，其通常为微处理器，用于根据相应设置的操作状态利用第一控制信号7来操作开关元件6，以及利用第二控制信号11来操作信号发生器10，并且利用第三控制信号14来操作能量源13，使得这些部件根据相应设置的操作状态被启用或被停用。相应地期望的操作状态的配置或选择在这样的情况下能够例如被设计成使得其在多功能I/O装置1的常规操作之前的步骤中发生。

该配置步骤能够预先(即，在输送到下游客户之前)以及还有在多功能I/O装置1的常规操作期间之后发生以便由客户或由服务技术人员设置相应期望的操作状态。

在图2中进一步指示的是第一控制信号7、第二控制信号11、第三控制信号14和状态信号12的伽伐尼隔离16。关于图6更详细地探究这种伽伐尼隔离16。

图3示出在第一操作状态下的图2的多功能I/O装置的详细表示。

在该第一操作状态下，连接到连接端子2的接头3的外部驱动负载18被控制或被切换。为此，逻辑单元8被预先配置用于第一操作状态。这意味着逻辑单元8利用第二控制信号11停用信号发生器10并且利用第三控制信号14停用能量源13。

应注意的是，来自逻辑单元8的第二控制信号11经由伽伐尼隔离16a被隔离，并且来自逻辑单元8的第三控制信号14经由另一个伽伐尼隔离16c被隔离。不在这里而是在图6描述的情况下更详细地探究此点。

此外，图3示出三个二极管21a、21b、21c，其中，二极管21a和二极管21b用作整流器，并且二极管21c和二极管21b用作保护装置。这意味着二极管21b起到双重功能，被用于整流并且还被用于保护。

以这种方式，逻辑单元8能够根据需要利用第一控制信号7打开和闭合继电器20并且因此切换或控制外部驱动负载。与该第一操作状态相关的信号路径在图3中被绘制得较粗。

外部驱动负载的示例包括：PLC、功率控制器、电机、泵、阀、控制灯、警报器或类似的信号发射器。

图4示出在第二操作状态下的图2所示的多功能I/O装置的详细表示。除外部驱动负载18已经由有源输入信号19替代之外，多功能I/O装置1的结构对应于图3所示的结构，因为多功能I/O装置1在第二操作状态下检测直流电压或交流电压、作为在连接端子2的接头3上的有源输入信号19的信号。为此，逻辑单元8被预先配置用于该第二操作状态。再一次，相关的信号路径已经被绘制得较粗。在该第二操作状态下，逻辑单元8利用第一控制信号7打开继电器20并且利用第三控制信号14停用能量源13并且同时利用第二控制信号11启用信号发生器10。以这种方式，在有源输入信号19施加在连接端子2的两个接头3上的情况下，其经由二极管21a和二极管21b被传送至信号发生器10，该二极管21a和二极管21b用作整流器装置9，并且信号发生器10产生H电平作为被转发到逻辑单元8的状态信号12。在该操作状态，因此在第二操作状态下，操作信号发生器10所需的能量由有源输入信号19提供。由于用作整流器装置9的二极管21a和21b，有源输入信号是否为直流电压或交流电压信号是无关紧要的，因为在它是交流电压信号的情况下，该有源输入信号被整流。

在连接端子2的两个接头3上不存在有源输入信号19的情况下，信号发生器10向逻辑单元8提供L电平作为状态信号12。以这种方式，在第二操作状态下的逻辑单元8检测在连接端子2的接头3上有源输入信号19的存在与否。

图5示出在第三操作状态下的图2的多功能I/O装置的详细表示。除外部驱动负载18在此处由无源输入信号5替代之外，多功能I/O装置1的结构对应于如图3所示的结构，因为在第三操作状态下的多功能I/O装置1检测连接端子2的接头3上的无源输入信号5。为此，逻辑单元8被预先配置用于该第三操作状态。再一次，相关的信号路径以较粗的线显示。在该第三操作状态下，逻辑单元8经由第一控制信号7停用继电器20，并且经由第二控制信号11启用信号发生器10，并且经由第三控制信号14启用能量源13。在该第三操作状态下，能量源13提供操作信号发生器10所需的能量，由于在连接端子2的两个接头3上的无源输入信号5不提供足够的或不提供用于操作信号发生器10的能量以用于其预期用途。

在连接端子2的两个接头3上存在无源输入信号5的情况下，其经由二极管21a和二极管21c被传送至信号发生器10，该信号发生器10产生H电平作为状态信号12并且将该状态信号12供应至逻辑单元8。

如在第二操作状态下，还有在该第三操作状态下，在连接端子2的两个接头3上不存在无源输入信号5的情况下，信号发生器10将L电平作为状态信号12输送至逻辑单元8。

以这种方式，逻辑单元8检测在第三操作状态下在连接端子2的接头3上的无源输入信号5的存在与否。

图6示出本发明的多功能I/O装置的第二实施例。在这样的情况下，继电器20(其用作开关元件6)和相关联的第一控制信号7被冗余或加倍地实现。图6示出冗余部件，即，继电器20`和第一控制信号7`。该冗余度对多功能I/O装置1的较早描述的功能没有影响，然而提供的优点为它满足SIL标准(安全完整性等级)的安全要求。这些安全要求在过程自动化中是重要的，以便获得对通过所有安全相关的硬件和软件部件的加倍供应或在给定情况下甚至更大的供应来获得增加的安全性。通过这些措施，并且在给定情况下，通过使用不同的设计来补充，应保证，在提供测量值的情况下，装置的安全临界故障和同时产生系统误差的出现以高可能性被排除在外。

此外，还期望在爆炸危险区域(例如，EX区Ⅱ)中使用多功能I/O装置。为此，必须借助于伽伐尼隔离16来隔离通往逻辑单元或从逻辑单元引出的所有信号。选项包括：借助于光传输(例如，光耦合器)来实施第二控制信号11的伽伐尼隔离16a以控制信号发生器；例如借助于变压器以及借助于感应伽伐尼隔离16c(例如，变压器)或借助于电容性伽伐尼隔离16c(例如，充电泵)感应地实施状态信号12的伽伐尼隔离16b；实施第三控制信号14的伽伐尼隔离以便控制能量源13。第一控制信号7的伽伐尼隔离在继电器6和6’中出现，并且在图6中未更详细地示出。

参考标记列表

1  多功能I/O装置

2  连接端子

3  接头

4  电子电路

5  无源输入信号

6  开关元件

7  第一控制信号

8  逻辑单元

9  整流器装置

10 信号发生器

11 第二控制信号

12 状态信号

13 能量源

14 第三控制信号

15 保护装置

16 伽伐尼隔离

17 电流限制元件

18 外部驱动负载

19 有源输入信号

20 继电器

21 二极管

Claims (8)

1.一种多功能I/O装置(1)，包括：

一个连接端子(2)，具有两个接头(3)；和

电子电路(4)，借助于多个可设定的操作状态，所述电子电路(4)检测施加在所述连接端子(2)的两个接头(3)上的有源输入信号(19)或无源输入信号(5)，或控制/切换外部驱动负载(18)，

其中，所述电子电路(4)包括：

至少一个开关元件(6)，所述至少一个开关元件(6)利用逻辑单元(8)的第一控制信号(7)可操作，以使得它短路或隔离所述连接端子(2)的两个接头(3)；

信号发生器(10)，所述信号发生器(10)利用所述逻辑单元(8)的第二控制信号(11)可操作，使得在所述连接端子(2)的两个接头(3)上存在所述有源输入信号(19)或无源输入信号(5)的情况下，所述信号发生器(10)产生状态信号(12)并且将所述状态信号(12)转发至所述逻辑单元(8)；

能量源(13)，所述能量源(13)利用所述逻辑单元(8)的第三控制信号(14)可操作，使得在所述连接端子(2)的两个接头(3)上存在所述无源输入信号(5)的情况下，所述能量源(13)提供所述信号发生器(10)的操作所需的能量，

保护装置(15)，所述保护装置(15)连接在所述信号发生器(10)和所述能量源(13)之间；以及

所述逻辑单元(8)，所述逻辑单元(8)根据所述电子电路(4)的相应设置的操作状态在第一操作状态(I)、第二操作状态(Ⅱ)和第三操作状态(III)之间进行区分，并且借助于所述第一控制信号(7)、所述第二控制信号(11)和所述第三控制信号(14)，所述逻辑单元(8)根据所设置的操作状态来启用所述开关元件(6)、所述信号发生器(10)和所述能量源(13)。

2.如权利要求1所述的装置，其中，设有整流器装置(9)，在作为无源输入信号(5)或有源输入信号(19)的交流电压存在的情况下，所述整流器装置(9)对施加的无源输入信号(5)或有源输入信号(19)进行整流，并且将整流的无源输入信号(5)或有源输入信号(19)供应至连接在该整流器装置(9)下游的所述信号发生器(10)。

3.如权利要求1所述的装置，其中，在所述第一操作状态(I)下，所述信号发生器(10)和所述能量源(13)停用，并且所述逻辑单元(8)根据需要切换所述开关元件(6)，以控制连接在所述连接端子(2)的两个接头(3)之间的所述外部驱动负载(18)。

4.如权利要求1和2所述的装置，其中，在所述第二操作状态(Ⅱ)下，所述开关元件(6)和所述能量源(13)被停用，并且所述信号发生器(10)被启用，以检测在所述连接端子(2)的两个接头(3)之间的有源输入信号(19)以及借助于所述信号发生器(10)产生状态信号并且把该状态信号供应至所述逻辑单元。

5.如权利要求1所述的装置，其中，在所述第三操作状态(III)下，所述开关元件(6)被停用，并且所述信号发生器(10)和所述能量源(13)被启用，以检测在所述连接端子(2)的两个接头(3)之间的无源输入信号(5)以及借助于所述信号发生器(10)产生状态信号(12)并且把该状态信号(12)供应至所述逻辑单元(8)。

6.如前述权利要求中的一项或多项所述的装置，其中，在具有所述整流器装置(9)、所述信号发生器(10)和所述保护装置(15)的电路支路中，在该电路支路中还设有电流限制元件(17)以限制和/或控制电流。

7.如前述权利要求中的一项或多项所述的装置，其中，所述开关元件(6)和相关联的所述第一控制信号(7)被冗余地实现。

8.如前述权利要求中的一项或多项所述的装置，其中，所述第一控制信号(7)、所述第二控制信号(11)、所述第三控制信号(14)和所述状态信号(12)利用伽伐尼隔离(16)而被隔离。