CN108170085A - 可编程逻辑控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可编程逻辑控制器，其具有能源，提供用于操作单元的电能和具有至少一个测量输入端，其中测量输入端配置成测量和/或检测电输入信号。可编程逻辑控制器特征在于，输入信号的电能中的至少一些被供应给所述能源。

Description

可编程逻辑控制器
技术领域
本发明涉及一种电单元，即可编程逻辑控制器(以下也称为“PLC”)，其包括：
-能源，提供用于操作PLC的电能；以及
-至少一个测量输入端，其中测量输入端配置成测量和/或检测电输入信号。
背景技术
这样的电单元，特别是以可编程逻辑控制器的形式，通常是已知的，并且例如用于监测、控制和调节工业生产过程。传感器数据或开关信号例如由PLC通过测量输入端或通过多个测量输入端为此目的进行评估。
测量输入端需要电输入信号的预定义的最小电压和/或预定义的最小电流来检测高电平。例如，高电平可以指示开关已经闭合。
由于所需的最小电压和所需的最小电流，电输入信号具有不必要的电能，该电能必须在单元/PLC中消耗，以及例如转换为热。因此，在使用多个测量输入端时可能特别导致高的电功率，该高的电功率必须被转换成热并且必须从电单元引出。这可能在更高的环境温度下导致例如单元或PLC的所有测量输入端都不能再使用(“降级”)。
EP 1 022 702A2公开了一种测量换能器，测量换能器将电测量信号用于其操作的能源。从US 6,018,700A已知另一种自供应能量的传感器。
发明内容
本发明的基本目的是提供一种电单元，其可以在没有关断或没有使测量输入端降级的情况下进行操作。
根据本发明，通过根据实施例的PLC来满足该目的。根据本发明配置PLC，以将输入信号的电能中的至少一些供应给能源。输入信号的电能中的至少一些因此可以用于操作PLC。
本发明使得输入信号的电能可以合理地用于例如操作PLC中的内部消耗器或PLC本身，由此输入信号的电能到热的转换被抑制或减少。因而，减少了PLC中的总功率损失，从而降低了固有的加热，这进而增加了PLC的使用寿命。另外，较小的可编程逻辑控制器是可能的，因为较小的固有加热，即例如PLC的封装密度可以增加。最后，即使在较高的环境温度下，也不需要关断测量输入端或保持未使用状态，因为输入信号只能在很小程度上促使PLC加热。
此外有利的是，输入信号可以传导更高的电流，由此可以实现更健壮的信号检测。输入信号对电磁干扰较不敏感。
下面将更详细地解释根据本发明的PLC的不同方面。
例如，能源可以是PLC中传导供电电压的电网。能源可以传导直流电压和/或可以用电能(即，用供电电压)供应PLC的不同的电消耗器，诸如处理单元、显示器、输入和输出接口等等。能源例如可以包括母线，电消耗器可以连接到该母线。此外，能源可以耦合到电源适配器，该电源适配器将来自低电压网络(例如具有230V或110V)的电能供应到能源。电源适配器可配置成将PLC的多余电能馈送到低电压网络中。当输入信号发出的能量不能在PLC中使用时，到低电压网络中的馈送能够是可感测的。
测量输入端可以是测量或检测电输入信号的输入端。例如，PLC生成与输入信号相关的测量值。电输入信号可以例如源自温度传感器、紧急停止开关、光栅、激光扫描仪和诸如此类。
从具体实施方式、附图和权利要求中可以看出本发明的有利的进一步发展。
根据第一有利实施例，PLC包括传感器，电连接到测量输入端并提供输入信号。传感器可以布置在PLC的壳体之外。输入信号因此来自传感器和/或由传感器生成或至少受其影响。传感器可以调制输入信号，例如取决于测量的参数(例如物体的温度或接近度)。例如，开关形式的传感器可以将输入信号从低电平(即，没有电流流动)切换到高电平(预定义的最小电流流入测量输入端)，以用信号表示开关已经按压。然后通过PLC准备传导从传感器到测量输入端的输入信号的电能，使得输入信号的电能中的至少一些可以被提供给能源。
根据另一有利的实施例，PLC包括至少一个输出端，其配置成提供电输出信号，其中输出信号被供应给传感器。传感器可以使用输出信号来生成输入信号，例如通过输出信号的电流的简单连接，然后将其作为输入信号供应给测量输入端。
输出信号例如由恒定电流源或电压源(例如能源)生成。输出端因此可以包括恒定电流源或电压源。输出端可以为传感器供应电能。备选地，传感器也可以自己生成输入信号，例如，通过独立于PLC的自身能源。
测量输入端优选地包括电流吸收器，将输入信号的最大电流限制到预定义的值。因此，电流吸收器可以规定输入信号不超过以下最大电流，例如5mA、10mA或20mA。
根据另一有利实施例，转换器耦合到测量输入端和能源，并且将输入信号的电能中的至少一些(或者在测量输入端处可用的电能)供应给能源。转换器可以例如是开关转换器，特别是升压转换器或升降压转换器、SEPIC转换器(单端初级电感转换器)和诸如此类。该转换器特别是DC-DC转换器。转换器优选地建立测量输入端和能源之间的电连接。
例如，转换器可以包括串联连接到二极管(续流二极管)的线圈。线圈可以建立测量输入端和二极管之间的电连接。另外，可以提供开关元件(例如晶体管)，其将线圈和二极管的电连接拉到处于导通状态的较低电位(例如地电位)。二极管的阴极可以直接电连接到充电电容器，其中充电电容器提供转换器的输出电压。充电电容器的端子可以直接电连接到低电位(地电位)。
转换器尤其用于增加(或者总体上调整)输入信号的电压，使得输入信号可以被供应给能源。转换器优选地包括电流调节，其保持输入信号的电流恒定和/或限制输入信号的电流。由于电流限制，转换器不能在任何限制范围内影响输入信号，所以转换器对输入信号的影响可以通过电流调节保持很小。该转换器特别适合于使得输入信号的电流不超过预定义的阈值。转换器可以在超过阈值时关断。当输入信号的电流和/或输入信号的电能超过另一预定义的阈值时，转换器同样可以关断。当该阈值低于或者没有达到时，转换器的有效操作将不再可能，使得转换器关断。关断可以例如借助于逻辑门和/或借助于比较器来进行，其中比较器将输入信号的电压或电流与参考值进行比较，并取决于输入信号的电流和/或电压来调节开关元件的开关频率。
分流电阻器可以优选地连接在线圈和二极管之间并且使线圈和二极管电连接。因此，转换器通常可以包括线圈、分流电阻器和二极管的串联连接。开关元件的开关频率可以基于分流电阻处的电压下降来调节。如果该电压下降到预定义的阈值以下，则开关元件关断，使得转换器停用。分流电阻器可以具有大约50到150欧姆的电阻。
根据另一个有利的实施例，PLC包括多个测量输入端，所述多个测量输入端分别耦合到单独的转换器单元，其中每个转换器单元电连接到能源并且将相应输入信号的电能中的至少一些供应给能源。转换器单元可以是上述转换器。备选地，转换器单元也可以仅包括转换器的组件中的一些，并且可以与其他转换器单元共享另外的组件，如下面进一步所示的。
根据一个实施例，每个测量输入端通过单独的转换器单元电连接到能源，使得转换器单元将相应的测量输入端的相应的输入信号的电能中的至少一些供应给能源。测量输入端因此分别串联连接到相应的转换器单元，其中测量输入端和转换器单元的组合分别与测量输入端和转换器单元的另外组合并联连接。在这种情况下，转换器单元可以对应于上述转换器。转换器上的表现然后相应地应用于转换器单元。
根据另一个实施例，转换器单元电连接到共同的充电电容器，其中充电电容器将转换器单元电连接到能源。
在该实施例中，转换器单元可以对应于上述转换器，其中不同之处在于每个转换器单元不包括其自己的充电电容器，而是使用共同的电容器，该共同的电容器直接电连接到转换器单元的二极管。转换器单元相应地包括例如线圈、开关元件和二极管。二极管将各个转换器单元以及相应的测量输入端彼此电分离。转换器单元可以各自具有相同的设计。所有测量输入端的所有输入信号的能量通过使用共同的充电电容器供应给相同的充电电容器，使得可以节省另外的充电电容器。
根据备选实施例，所有测量输入端也可以电连接到单个变换器，使得仅有的转换器将所有输入信号的电能供应给能源。
转换器或转换器单元可以用作上述的电流吸收器。
根据另一有利的实施例，充电电容器通过充电保护二极管电连接到能源(例如母线)。充电保护二极管通过能源抑制充电电容器的充电。
PLC优选包括第一检测装置和第二检测装置，适于测量和/或检测测量输入端的输入信号。输入信号因此可以由第一检测装置和第二检测装置两者冗余地评估(即，测量和/或检测)。PLC因此可以是所谓的安全单元(安全PLC)。
根据另一个有利的实施例，能量供应传导24V的直流电压和/或输入信号是具有高达20mA的功率的直流电流。输入信号同样可以具有24V或小于24V的电压。已经发现24V的直流电压对于PLC的能量供应是有利的，因为使用所述转换器可以容易地生成这样的直流电压。
为了安全检测输入信号的高电平，可能需要输入信号的至少5mA，优选至少10mA的电流。输入信号的电流可以被限制在最大20mA。
根据本发明，电单元是可编程逻辑控制器(PLC)。PLC优选具有多个测量输入端。测量输入的输入信号的电能可用于操作PLC本身或PLC的组件。
PLC优选地包括处理装置，控制PLC的操作。处理装置可以例如评估由测量输入端测量或检测的信号并将它们传送到外部致动器。PLC可以具有用于现场总线的端子(例如，Sercos 3或EtherCat)和/或可以为此连接到现场总线。
附图说明
下面将参照附图仅以举例的方式来描述本发明。示出有：
图1是具有两个传感器的可编程逻辑控制器(PLC)的示意图；以及
图2是具有共同的充电电容器的两个转换器单元的示意图。
参考数字列表
10PLC
12母线
14电源适配器
16插座
18控制单元
20第一输出端
22第二输出端
24开关
26紧急停止开关
28光栅
30第一测量输入端
32第二测量输入端
34第一检测装置
36第二检测装置
38转换器单元
40充电电容器
42转换器输入端
44线圈
46分流电阻器
48二极管
50被调节的开关元件
52地电位
具体实施方式
图1示出了配置为可编程逻辑控制器(PLC)10的电装置。PLC 10具有母线12形式的能源。能源包括电源适配器14，其将插座16的230V的电压转换成24V的直流电压，24V的直流电压然后在母线12处可用。电源适配器14可以与图1中所示的布置相反地布置在PLC 10的外部。PLC 10包括以微处理器形式的控制单元18，其控制PLC 10。
PLC 10包括第一输出端20和第二输出端22，其中开关24可以将24V的恒定起始电压连接到与每个输出端20，22关联的相应输出端20。开关24和控制单元18电连接到母线12并且由母线12供应电能。
第一输出端20电连接到紧急停止开关26。第二输出端22电连接到光栅28。紧急停止开关26进而电连接到第一测量输入端30。以相应的方式，光栅28电连接到第二测量输入端32。
当紧急停止开关26被按压时，紧急停止开关26可建立第一输出端20与第二测量输入端30之间的电连接。当对象位于光栅28中时，光栅28通过评估电路(未示出)建立第二输出端22和第二测量输入端32之间的电连接。
如果紧急停止按钮26被按压或者如果光栅28检测到对象，则由相应的输出端20，22提供的电压被传导通过到测量输入端30，32。也可能备选的是，在紧急停止开关被按下的情况下，输出端20和测量输入端30之间的电连接被中断。
第一检测装置34和第二检测装置36连接在每个测量输入端30，32的下游，其中检测装置34，36串联连接。检测装置34，36冗余地评估施加到测量输入端30，32的相应信号(输入信号)，并将它们的评估传送到控制单元18。仅输入信号的电能的一小部分在评估中丢失。
相应的转换器单元38串联连接到第二检测装置。电连接到第一和第二测量输入端30，32的相应的转换器单元38电连接到单个充电电容器40。转换器单元38转换输入信号30，32的电能并将电能传导到充电电容器40。转换器单元38被调整，使得5mA的相应输入信号的电流被采用。
在此，充电电容器40中生成的电压，所述电压大致对应于母线12中的电压。充电电容器40电耦合到母线。从测量输入端30，32发出的电能因此可以首先被缓冲在充电电容器40中并且随后可以被供应到母线12，以在PLC 10的另外操作中被再次消耗。
图2以详细的图示示出了转换器单元38和充电电容器40。转换器单元38各自具有相同的设计并且包括转换器输入端42，转换器输入端42经由检测装置34，36电连接到相应的测量输入端30，32。在转换器输入端42之后线圈44、分流电阻器46和二极管48串联连接。二极管48的阳极直接电连接到分流电阻器46。被调节的开关元件50(例如晶体管)连接到二极管48的阳极并且以大约1MHz的开关频率重复地建立二极管48的阳极和地电位52之间的电连接。二极管48的阴极直接电连接到充电电容器40的第一端子。充电电容器的第二端子直接电连接到地电位52。
基于分流电阻器46处的电压下降，被调节的开关元件50的开关频率被调节。如果该电压低于预定义的阈值，则开关元件50被关断(例如永久闭合或者以传导方式连接)，使得转换器单元38被停用。转换器单元38与充电电容器40一起可以形成转换器。例如，当PLC仅包括单个测量输入端30，32时，可以使用单个转换器。
由于开关元件50的开关频率，供应给测量输入端30，32的输入信号的电能循环移位到充电电容器40中，其中同时实现电压增加，使得充电电容器40具有母线12的电压。输入信号的电能因此可以被再次使用，由此PLC 10的电效率增加。

Claims (10)

1.一种可编程逻辑控制器，PLC(10)，包括：
能源(12)，提供用于操作所述PLC(10)的电能；以及
至少一个测量输入端(30，32)，其中所述测量输入端(30，32)配置成测量和/或检测电输入信号，其特征在于，
所述PLC(10)配置成将所述输入信号的电能中的至少一些供应给所述能源(12)。
2.根据权利要求1所述的PLC(10)，其特征在于，
传感器(26，28)，电连接到所述测量输入端(30，32)并提供所述输入信号。
3.根据权利要求2所述的PLC(10)，其特征在于，
至少一个输出端(20，22)，配置成提供输出信号，其中所述输出信号被供应给所述传感器(26，28)。
4.根据权利要求3所述的PLC(10)，其特征在于，
所述测量输入端(30，32)包括电流吸收器，所述电流吸收器将所述输入信号的最大电流限制到预定义的值。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的PLC(10)，其特征在于，
转换器(38，40)耦合到所述测量输入端(30，32)和所述能源(12)，并且将所述输入信号的能量中的至少一些供应给所述能源(12)。
6.根据权利要求5所述的PLC(10)，其特征在于，
所述转换器(38，40)包括电流调节，所述电流调节保持所述输入信号的电流恒定和/或对所述输入信号的电流进行限制。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的PLC(10)，其特征在于，
多个测量输入端(30，32)，每个测量输入端(30，32)耦合到单独的转换器单元(38)，其中每个转换器单元(38)电连接到所述能源(12)，并且将相应的输入信号的电能中的至少一些供应给所述能源(12)。
8.根据权利要求7所述的PLC(10)，其特征在于，
所述转换器单元(38)连接到共同的充电电容器(40)，其中所述充电电容器(40)将所述转换器单元(38)电连接到所述能源(12)。
9.根据前述权利要求中至少一项所述的PLC(10)，其特征在于，
第一检测装置和第二检测装置(34，36)，适于测量和/或检测所述测量输入端(30，32)的输入信号。
10.根据前述权利要求中至少一项所述的PLC(10)，其特征在于，
所述能源(12)传导24伏特的直流电压；和/或所述输入信号是具有高达20毫安的电流的直流电流。
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