CN105591644B - 输入/输出模块 - Google Patents

Abstract

一种输入/输出(I/O)模块被构造为将控制器和现场装置相连接。I/O模块包括：PWM(脉冲宽度调制)解调器，其被构造为解调从所述控制器输入的PWM信号；电流源，其被构造为将基于所述PWM解调器的输出信号的电流输出至现场装置；电阻，其与电流源串联连接；以及反馈电路，其被构造为经由所述控制器将所述电流源的输出电流反馈至所述PWM解调器。

Description

输入/输出模块

技术领域

本发明涉及一种输入/输出(I/O)模块，更具体地说，涉及这样的一种I/O模块：其被配置为将配置发电厂、制造过程、水和污水、城市燃气等的各种控制系统的控制器与设置在控制系统外部的现场装置相连接。

背景技术

图2为一个通道的框图，其描绘了现有技术中的控制系统中的现场装置的一个连接示例。在图2中，控制器100和现场装置200通过接口电路300相连接。

接口电路300具有信号单元310和输出单元320。

信号单元310具有用作开关元件的FET(场效应晶体管)311、电流源312、滤波器313以及缓冲放大器314。

FET 311的源极连接至+24V的直流供电线、构成电流源312的电阻312b的一端以及构成滤波器313的电容器313a的一端。FET 311的栅极与控制器100相连。FET 311的漏极连接至构成输出单元320的钳位二极管321的阴极、以及构成电流源312的FET 312a的漏极。

电流源312具有FET 312a、电阻312b以及运算放大器312c。

FET 312a的源极与运算放大器312c的一个输入端以及构成滤波器313的电阻313b的一端直接相连，并且还通过电阻312b与FET 311的源极以及构成滤波器313的电容器313a的一端相连。FET 312a的漏极与构成输出单元320的钳位二极管321的阴极以及FET 311的漏极相连。FET 312a的栅极与运算放大器312c的输出端相连。

运算放大器312c的另一输入端与控制器100相连。

滤波器313具有电容器313a以及电阻313b。

构成滤波器313的电容器313a与电阻313b的连接点通过缓冲放大器314与控制器100相连。

输出单元320具有钳位二极管321。钳位二极管321的阳极与0V的直流供电线相连，并且其阴极与FET 311的漏极和FET 312a的漏极相连。钳位二极管321的两端均与现场装置200相连。

在上述电路配置中，控制器100和接口电路300被配置为相互结合地工作，以使得例如连接线L1处于数字输出(DO)模式中、连接线L2处于模拟输出(AO)模式中、以及连接线L3处于模拟输入(AI)模式和数字输入(DI)模式中。

电流源312被以模拟输出(AO)模式来使用，用作开关元件的FET 311被以数字输出(DO)模式来使用。

专利文献1公开了如图2所示的电路配置及其操作。

[专利文献1]美国专利No.8,392,626B

但是，根据图2所示的现有技术的现场装置的连接配置，被配置为将控制器100与接口电路300电连接的各信号线中被配置用来传输控制信号的信号线包括模拟信号，并且提供了针对每个功能模式的信号。因此，控制器100的成本增加并且电路部件的安装面积增加。

另外，需要分开提供将以模拟输出(AO)模式使用的电流源312和用作将以数字输出(DO)模式使用的开关元件的FET 311，这也增大了成本和安装面积。

此外，应该针对每一个通道为将被以模拟输出(AO)模式使用的电流源312提供运算放大器，以保持每个通道的输出精度，这也增大了成本和安装面积。

而且，由于需要为每个通道提供图2的电路配置，因此成本和安装面积与通道数量成比例地增加。

随着接口电路300的电路尺寸增加，接口电路300的尺寸也增加，从而功耗和发热也增加，并且系统扩大。

以上因素是用户期望控制系统小型化的障碍并且因此是不利的。

发明内容

本发明的示例性实施例提供了一种I/O模块，其能够使控制系统小型化、节约控制系统的成本、并且不会不利地影响输出精度等。

一种输入/输出(I/O)模块被配置为将控制器和现场装置相连接。该I/O模块包括：

PWM(脉冲宽度调制)解调器，其被构造为解调从所述控制器输入的PWM信号；

电流源，其被构造为将基于PWM解调器的输出信号的电流输出至现场装置；

电阻，其与电流源串联连接，和

反馈电路，其被构造为通过所述控制器将电流源的输出电流反馈至PWM解调器。

基于所述电阻，可以设置数字输入的阈值并且可以检测模拟输入的电流。

反馈电路可以包括A/D转换器，并且通过电阻检测到的模拟输入的电流可以通过A/D转换器输入至控制器。

电流源可以包括电阻和半导体开关元件的串联电路。

通过以上配置，可以实现能够使控制系统小型化、节约控制系统的成本并且不会不利地影响输出精度等的I/O模块。

附图说明

图1描绘了本发明的I/O模块的示例性实施例的配置。

图2为描绘在现有技术中控制系统中的现场装置的连接示例的框图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。图1描绘了本发明的输入/输出(I/O)模块的示例性实施例的配置。在图1中，一个公共控制器10分别通过各I/O模块30与多个(n个)系统的现场装置20相互连接。从每一个I/O模块30输出到每一个现场装置20的电流通过信号转换单元40反馈输入至控制器10。

控制器10具有测量单元11、多路复用器12、多个(n个)测量系统、算法控制器16等。多路复用器12被构造为选择性地将测量单元11的测量值输出到预定的对应测量系统。每一个测量系统具有减法器13、积分器14和脉冲宽度调制器15(在下文中，被称为PWM调制器)。算法控制器16通过控制总线B公共地连接到多个(n个)测量系统。当选择针对现场装置20执行模拟输出的模拟输出(AO)模式、针对现场装置20执行数字输出的数字输出(DO)模式、从现场装置20执行模拟输入的模拟输入(AI)模式以及从现场装置20执行数字输入的数字输入(DI)模式中的一个模式时，控制器10输出与选中模式相对应的PWM信号。同时，算法控制器16与外部控制器(没有示出)相连。

在每一个测量系统中，减法器13的一个输入端通过多路复用器12被输入有每一个测量系统的测量值(例如，16比特)，并且另一个输入端通过算法控制器16和控制总线B被输入有每一个测量系统的设定值(例如，16比特)。

每一个测量系统的减法器13被构造为顺序地将测量值与设定值之间的差值输出至积分器14。每个测量系统的积分器14的输出值收敛于与设定值相关联的一个预定值，该设定值针对每一个测量系统单独设置。

例如，控制器10可以由FPGA(现场可编程门阵列)构成。

I/O模块30具有PWM解调器31，电流源32和输出单元33。

PWM解调器31具有FET 31a、电容器31b和电阻31c的并联电路以及电阻31d，其中，电容器31b和电阻31c的各自一端分别与FET 31a的漏极相连，各自另一端分别地与供电线路V+相连；电阻31d的一端与FET 31a的源极相连，另一端与公共电位点相连。FET 31a的栅极与预定测量系统的PWM调制器15的输出端相连。

电流源32具有FET 32a和电阻32b，电阻32b的一端与FET 32a的源极相连，另一端与供电线路V+相连。FET 32a的栅极与FET 31a的漏极相连，并且FET 32a的漏极与构成输出单元33的电阻33a的一端相连。

输出单元33具有电阻33a和二极管33b，其中，电阻33a的一端与FET 32a的漏极相连，另一端与二极管33b的阳极相连，以及二极管33b的阳极与电阻33a的所述另一端相连并且其阴极与现场装置20相连。

输出单元33的电阻33a被构造为用作用于设置数字输入(DI)模式的阈值电平的参考电阻，并且还被构造为用作用于模拟输入(AI)模式中的电流测量的电阻。

当I/O模块30和现场装置20重复时，输出单元33的二极管33b工作以自动地切换连接。输出单元33的二极管33b与现场装置20连接。

信号转换单元40具有：多路复用器41，其被构造为选择性地输出在每个测量系统内构成I/O模块30的输出单元33的电阻33a的电压；差分放大器42，其与多路复用器41的输出端相连；以及A/D转换器43，其与差分放大器42的输出端相连，并且被构造为将差分放大器的输出转换为数字信号。

描述如图1所示构成的系统的操作。

a)当I/O模块30处于数字输出(DO)模式时

利用从控制器10的PWM调制器15输出的PWM信号，对构成PWM解调器31的FET31a的输出电流进行控制，并且也对构成电流源32的FET 32a的输出电流进行控制。

因此，与数字输出(DO)模式的开和关相对应的电流通过输出单元33输出到现场装置20。

b)当I/O模块30处于模拟输入(AI)模式时

从控制器10的PWM调制器15提供预定的PWM信号，以使构成PWM解调器31的FET 31a导通,从而向现场装置20提供电源电压。

从电流源32提供到现场装置20的电流通过构成输出单元33的电阻33a转换为电压，该电压之后被输入到信号转换单元40并被A/D转换器43转换为数字信号。转换后的数字信号作为模拟输入测量值被反馈输入到控制器10的测量单元11。

c)当I/O模块30处于数字输入(DI)模式时

操作与模拟输入(AI)模式相同。转换后的数字信号被用作数字输入的H/L测定值。

d)当I/O模块30处于模拟输出(AO)模式时

通过控制PWM信号而从电流源32提供至现场装置20的输出电流被构成输出单元33的电阻33a转换为电压，之后像模拟输入(AI)模式一样，该电压被转换为数字信号。该数字信号作为测量值与设定值进行比较，并且重复反馈操作，从而将输出电流控制为始终与设定值相同。转换后的数字信号用于监控模拟输出值。

也就是说，在模拟输出(AO)模式，通过算法控制器16为每一个测量系统设置由控制器10设置的设定值n。相比之下，由信号转换单元40的A/D转换器43转换的数字信号通过测量单元11和多路复用器12变成为作为每一个测量系统的测量值n的数字信号。

设定值n和测量值n被输入到减法器13，然后减法器13计算并输出它们的差值。输出的数字信号被输入到积分器14中并在其中定期地积分。积分器14的输出在PWM调制器15处被转换为PWM波形，并且PWM波形输出被输入到每个测量系统中的I/O模块30的PWM解调器31中。

重复地执行该系列控制，使得每个测量系统在正常情况下的测量值与设定值基本一致，积分器14的输出大体上为常数值并且PWM调制器15的PWM调制输出也收敛于基本恒定的脉冲宽度。

也就是说，通过每个测量系统的反馈操作可以把将被提供给现场装置20的输出电流控制为与设定值基本相同。

例如，在分别将各I/O模块30提供给全部16个通道并且各个测量系统每一秒就进行切换的配置中，当所有通道都被使用时，各个测量系统可以每16秒就被反馈控制一次。

这里，如果只使用这16个通道中的8个通道，则当未连接的空通道被跳过时，被使用的每个通道的反馈周期是8秒，从而可以实现高速。

本公开可以被概括如下。

1)当连接一个控制器10和多个I/O模块30时，公共使用模拟输出(AO)模式的控制信号的传输线和数字输出(DO)模式的控制信号的传输线。

2)公共使用用作被以模拟输出(AO)模式使用的电流源32的开关元件的FET 32a、和用作被以数字输出(DO)模式使用的开关元件的FET 32a。

3)未对以模拟输出(AO)模式使用的电流源32使用运算放大器。

基于本公开的电路配置的精度取决于输出单元33的电阻33a以及A/D转换器43的参考电压精度。这里，当输出单元33的电阻33a被构造为可从外部更换时，可以容易地改变每个测量系统的测量范围。

此外，根据实施例，针对每个测量系统来监控和调整输出电流。因此，可以在与多个测量系统的输出端相连的情况下进行并行操作。

此外，根据实施例，可以基于输出单元33的电阻33a在数字输入(DI)模式和数字输出(DO)模式下的电压降，来连续地监控输出电流。

此外，由于反馈不是利用运算放大器等进行的模拟反馈，因此可以基于输出单元33的电阻33a在数字输入(DI)模式和数字输出(DO)模式下的电压降，来检测线路的接触故障、噪声源的通路等等。

如上所述，根据本公开，可以通过简单的电路配置和较少的控制信号在公共I/O模块30处实现数字输出(DO)模式、模拟输入(AI)模式、数字输入(DI)模式和模拟输出(AO)模式这四种模式。

根据实施例的电路配置，可以在保持高精度的同时不对每个测量系统提供运算放大器而减小了电路尺寸，从而抑制了发热，节约了成本，并且减少了故障发生。

此外，对信号转换单元40提供了多路复用器41，从而可以在多个测量系统中公共使用差分放大器42和A/D转换器43。特别地，在多通道(例如，16通道)的测量系统的情况下，可以显著地减小电路空间和整体成本。

Claims (4)

1.一种输入/输出模块，其被构造为将控制器和现场装置相连接，所述输入/输出模块包括：

PWM解调器，其被构造为解调从所述控制器输入的脉冲宽度调制信号；

电流源，其被构造为将基于所述PWM解调器的输出信号的电流输出至所述现场装置；

电阻，其与所述电流源串联连接，和

反馈电路，其被构造为通过所述控制器将所述电流源的输出电流反馈至所述PWM解调器；

其中，所述控制器输出与多种模式之一相对应的脉冲宽度调制信号，所述多种模式包括：使设定值的电流从所述电流源输出并且将模拟信号输出至所述现场装置的模拟输出模式、使与开和关相对应的电流从所述电流源输出并且将数字信号输出至所述现场装置的数字输出模式、使所述电流源提供所述现场装置的电源电压并且从所述现场装置输入模拟信号的模拟输入模式、以及使所述电流源提供所述现场装置的电源电压并且从所述现场装置输入数字信号的数字输入模式。

2.根据权利要求1所述的输入/输出模块，其中，从所述电流源提供至所述现场装置的电流被所述电阻转换为电压，然后被A/D转换器转换为数字信号，并且将转换后的数字信号用作来自所述现场装置的数字输入的H/L测定值。

3.根据权利要求1所述的输入/输出模块，其中，所述反馈电路包括A/D转换器，并且通过所述电阻检测到的模拟输入的电流经由所述A/D转换器被输入至所述控制器。

4.根据权利要求1所述的输入/输出模块，其中，所述电流源包括电阻和半导体开关元件的串联电路。