CN108205286A - 可编程逻辑控制器及其输出电路和方法 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例涉及可编程逻辑控制器及其输出电路和方法。该电路包括：隔离和耦合模块，被配置成接收来自微控制单元(MCU)的控制信号；驱动模块，被配置成在恒定供电电压下操作以根据所述控制信号生成驱动信号，其中所述恒定供电电压以负载待连接至的公共参考端子为基准；以及开关控制模块，被配置成基于所述驱动信号对所述负载执行开关控制，其中所述开关控制适于具有不同的输入要求的负载。根据本公开实施例的方案，可以提供一种用于PLC的通用输出电路，以自适应不同待控制设备的不同输入要求，从而使得成本降低且方便维护。

Description

可编程逻辑控制器及其输出电路和方法

技术领域

本公开的实施例涉及信号处理领域，更具体地涉及用于可编程逻辑控制器(PLC)的输出电路、输出方法和PLC。

背景技术

众所周知，PLC被广泛应用于工业控制。例如，PLC需要向待控制的工业设备输出控制信号，从而控制该工业设备。

由于不同的工业设备具有不同的输入要求，例如交流(AC)或直流(DC)，在DC情况下又包括灌(sink)逻辑DC或拉(source)逻辑DC，因此通常设计具有不同输出模块的各种PLC，例如具有AC输出模块、具有灌逻辑的DC输出模块或具有拉逻辑的DC输出模块等，以满足或适应不同工业设备的不同输入要求。这样就导致在PLC制造上的多重投资，造成高成本，并且也导致维护困难。

发明内容

本公开实施例的目的就在于克服上述现有技术中的问题。

根据本公开实施例的一个方面，提供一种用于PLC的输出电路。该电路包括：隔离和耦合模块，被配置成接收来自微控制单元(MCU)的控制信号；驱动模块，被配置成在恒定供电电压下操作以根据所述控制信号生成驱动信号，其中所述恒定供电电压以负载待连接至的公共参考端子为基准；以及开关控制模块，被配置成基于所述驱动信号对所述负载执行开关控制，其中所述开关控制适于具有不同的输入要求的负载。

根据本公开实施例的一个方面，提供一种用于PLC的输出方法。该方法包括：接收来自MCU的控制信号；在恒定供电电压下根据所述控制信号生成驱动信号，其中所述恒定供电电压以负载待连接至的公共参考端子为基准；以及基于所述驱动信号对所述负载执行开关控制，其中所述开关控制适于具有不同的输入要求的负载。

根据本公开实施例的一个方面，提供一种PLC。该PLC包括：MCU；以及上述的输出电路。

根据本公开实施例的方案，可以提供一种用于PLC的通用输出电路，以自适应不同待控制设备的不同输入要求，从而使得成本降低且方便维护。

附图说明

图1是描述PLC的示例性使用场景的示意图；

图2示出了根据本公开实施例的用于PLC的输出电路的示意框图；

图3示出了根据本公开实施例的用于PLC的输出电路的示意电路图；

图4示出了根据本公开实施例的用于PLC的输出电路的示意电路图；以及

图5示出了根据本公开实施例的用于PLC的输出方法的示意流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中示出了本公开的一些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

图1是描述PLC的示例性使用场景的示意图100。如图1所示，PLC 110可以用于控制负载120的操作。负载120可以是待控制的任意设备，例如工业设备，例如制造罐装饮料的流水线上的灌装设备和封口设备等。PLC 110可以包括MCU 111和输出电路112，MCU 111用于产生针对负载120的控制信号，输出电路112用于基于控制信号对负载120进行开关控制。

在传统的用于PLC的输出电路的方案中，通常需要分别设计具有不同输出模块的各种PLC来满足或适应不同工业设备的不同输入要求。这样就需要用户针对各种输出功能订购相应的PLC，因为特定PLC仅具有一种输出功能，例如具有灌逻辑的DC输出模块、具有拉逻辑的DC输出模块、或AC输出模块。在这种情况下，对于用户而言维护困难且成本较高。

在其它传统方案中，也存在少量的DC输出模块可以支持灌/拉逻辑，但是有一定限制。例如当在灌和拉之间改变输出逻辑时需要软件重配置，这会给用户造成不便。此外，针对一个通道需要两个接线端点，这也会造成较高的机械成本以及较低的通道密度。

在传统方案中，还存在一种AC继电器类型的输出模块，其也可以在DC条件下工作。但由于其本身的机械特性而导致与固态开关相比具有许多固有缺陷，例如响应慢、可靠性差、寿命短等，这也限制了其在许多应用中的使用。

鉴于上述问题，本发明人提出一种用于PLC的通用输出电路，以自动地接受输出条件的改变，包括例如电压类型、逻辑和电平的改变，以满足用户的各种要求。由此实现真正的自适应，即使在改变输出条件的情况下也无需任何软件配置和修改。另外，占用最少的接线端点，从而保持较高的通道密度。下面结合图2对此进行更详细描述。

图2示出了根据本公开实施例的用于PLC的输出电路200的示意框图。例如输出电路200可以用于图1的PLC 110。换言之，输出电路200可以用于实现图1的输出电路112。

如图2所示，输出电路200可以包括隔离和耦合模块210、驱动模块220和开关控制模块230。根据本公开的实施例，隔离和耦合模块210可以被配置成接收来自MCU的控制信号。通常MCU可以输出0或1的数字输出作为控制信号。隔离和耦合模块210可以用于隔离PLC(例如图1的PLC 110)的输入部分和输出部分(例如图1的MCU 111和输出电路112)以防止输出部分对输入部分产生影响。在一个实施例中，隔离和耦合模块210可以包括光耦合器。光耦合器的一端连接至MCU(例如图1的MCU 111)，并且另一端连接至驱动电路220。应理解到，隔离和耦合模块210可以通过本领域已知或未来开发的任意合适的信号单向传输器件来实施，而并不限于光耦合器。

根据本公开的实施例，驱动模块220可以被配置成在恒定供电电压下根据来自隔离和耦合模块210的控制信号生成驱动信号，其中恒定供电电压以负载待连接至的公共参考端子为基准。在本公开实施例中，驱动模块220可以从内部被供给恒定供电电压，从而操作以基于控制信号生成用于驱动开关控制模块230的驱动信号。在一个实施例中，驱动模块220可以包括隔离功率级和驱动级。隔离功率级可以被配置成以公共参考端子为基准向驱动级提供恒定供电电压。由此可以从内部向驱动级提供以公共参考端子为基准的隔离电压，并且该隔离电压可以始终保持恒定，而不管外部负载电平或极性如何改变。以此方式，可以确保向开关控制模块230提供足够的驱动电压。驱动级可以被配置成在隔离功率级提供的恒定供电电压下操作，从而根据控制信号生成用于驱动开关控制模块230的驱动信号。

隔离功率级可以通过任意合适形式的隔离电源来实现。例如，可以通过变压器和相应的驱动器来实现。也可以通过本领域已知或未来开发的执行隔离电源功能的任意电路或模块来实现。驱动级可以通过例如以电流转电压方式驱动的驱动电路或模块来实现，由此可以确保在拉逻辑DC输出或AC输出时开关控制模块230可以可靠地关断。

根据本公开的实施例，开关控制模块230可以被配置成基于来自驱动模块220的驱动信号对待控制的负载执行开关控制。该开关控制适于具有不同的输入要求的各种负载。例如，不同的输入要求可以包括以下中的至少一种：AC、灌逻辑的DC和拉逻辑的DC。例如，如前面提及的，负载可以是任意工业设备。开关控制模块230可以基于驱动信号的高低来控制负载设备的操作的执行和停止。在一个实施例中，开关控制模块230可以通过两个背对背连接的场效应晶体管作为主开关元件来实现。当然，也可以通过其它类似方式来实现，而不限于此。由此可以阻挡在AC或拉逻辑DC输出下的双向导通。在这种情况下，需要比用于正常导通的外部辅助电源更高的栅极驱动电压。通过前面所述的驱动模块220中的隔离功率级，可以提供以公共参考端子为基准的恒定供电电压，由此可以确保向开关控制模块230提供比用于正常导通的外部辅助电源更高的栅极驱动电压。从而使得输出电路200可以适用于具有各种输入要求的负载。

从用户角度来看，根据本公开实施例的输出电路(如图2所示的输出电路200)类似于干触点。因此，对于具有不同输入要求的各种负载，都可以仅通过改变针对PLC的接线方式来实现单一输出电路对各种负载的通用性。为便于理解，下面结合图3和图4说明根据本公开实施例的输出电路的示例性实现。

图3示出了根据本公开实施例的用于PLC的输出电路300的示意电路图。如图3所示，输出电路300可以包括隔离和耦合模块310、驱动模块320以及开关控制模块330。例如，前面结合图2描述的隔离和耦合模块210、驱动模块220和开关控制模块230可以分别通过图3的相应模块来实现。

如图3所示，根据本公开的实施例，隔离和耦合模块310可以包括光耦合器U1。例如光耦合器U1可以接收来自MCU的控制信号(Out 0)。驱动模块320可以包括由驱动器U2和变压器T4构成的隔离功率级以及由稳压二极管D1和双极性晶体管T3构成的驱动级。驱动器U2连接在总线电压Vbus与地之间，并与变压器T4连接。变压器T4的输出连接至驱动级，以向其提供恒定供电电压Vin。稳压二极管D1的负极经由第一电阻器R1连接至双极性晶体管T3的发射极，稳压二极管D1的正极连接至双极性晶体管T3的基极并经由第二电阻器R2连接至光耦合器U1。双极性晶体管T3的集电极连接至开关控制模块330。隔离功率级向驱动级提供以公共参考端子(COM)为基准的恒定供电电压Vin。Vin例如为15V。

如图3所示，根据本公开的实施例，开关控制模块330可以包括第一场效应晶体管T1和第二场效应晶体管T2。在本示例中，T1和T2均为N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。应理解到，在备选实施例中，T1和T2可以均为P沟道MOSFET。在其它实施例中，T1和T2可以均为其它类似开关元件。在这些情况下，驱动模块也需要做相应调整。关于这一点，本领域技术人员基于本公开的内容能够容易地理解到相应的实施方式，这里不再一一列举。如图3所示，T1的栅极连接至T2的栅极并连接至驱动级，T1的源极连接至T2的源极并经由第三电阻器R3连接至T1的栅极。T1的漏极连接至输出端子Q0-Qx(对应于多个通道)，并且T2的漏极连接至公共参考端子COM。在输出端子Q0-Qx和COM端子之间将连接有待控制的负载Rload。依据负载Rload所需的外部电源的类型(例如灌DC、拉DC或AC)，可以选择与PLC的相应接线方式，以实现对该负载Rload的开关控制。

下面结合图4描述根据本公开实施例的用于PLC的输出电路的另一种示例性实现。图4示出了根据本公开实施例的用于PLC的输出电路400的示意电路图。与图3的电路300相比，图4的电路400增加了加速模块(如410和420所示)，用于降低T1和T2的关断时间，从而提高T1和T2的开关速度，例如提供到100KHz。在这种情况下，光耦合器U1需要为高速光耦合器，例如带集电极开路输出的高速光耦合器。除此之外，图4的电路400可以与图3的电路300的结构相同，这里不再赘述。

如图4所示，根据本公开的实施例，加速模块可以包括用于T1的第一加速电路410和用于T2的第二加速电路420，第一加速电路和第二加速电路可以包含类似的结构。例如，加速电路可以由二极管和双极性晶体管构成。

如图4所示，在本公开的实施例中，第一加速电路410可以包括第一二极管D2和第一双极性晶体管T5。第一二极管D2的正极连接至驱动模块例如T3，第一二极管D2的负极连接至第一场效应晶体管T1的栅极，第一双极性晶体管T5的基极连接至第一二极管D2的正极，第一双极性晶体管T5的发射极连接至第一二极管D2的负极，第一双极性晶体管T5的集电极连接至第一场效应晶体管T1的源极。第二加速电路420可以包括第二二极管D3和第二双极性晶体管T6。第二二极管D3的正极连接至驱动模块例如T3，第二二极管D3的负极连接至第二场效应晶体管T2的栅极，第二双极性晶体管T6的基极连接至第二二极管D3的正极，第二双极性晶体管T6的发射极连接至第二二极管D3的负极，第二双极性晶体管T6的集电极连接至第二场效应晶体管T2的源极。

上面结合图3和图4描述了根据本公开实施例的用于PLC的输出电路的示例性实现。上述输出电路(例如300和400)可以提供一种用于PLC的通用输出电路，实现真正的自适应，即使在改变输出条件的情况下也无需任何软件配置和修改。另外，占用最少的接线端点，从而保持较高的通道密度。由此可以节省成本并且方便维护。应理解到，这里仅为举例说明，本公开的实施例并不限于此。在本公开内容的基础上，本领域技术人员还可以想到其它附加实施例，例如，通过添加两个晶体管和一个采样电阻器可以额外提供短路保护功能等等。

相应地，本公开实施例还提供对应的用于PLC的输出方法。下面结合图5进行详细说明。图5示出了根据本公开实施例的用于PLC的输出方法500的示意流程图。该方法均可以在例如图1的输出电路112、图2的输出电路200、图3的输出电路300和图4的输出电路400中来实施。

如图5所示，在步骤510，接收来自MCU的控制信号。该步骤可以由例如图2和图3中的隔离和耦合模块210、310来实施。在步骤520，在恒定供电电压下根据控制信号生成驱动信号，其中恒定供电电压以负载待连接至的公共参考端子为基准。该步骤可以由例如图2和图3中的驱动模块220、320来实施。在步骤530，基于驱动信号对负载执行开关控制，其中开关控制适于具有不同的输入要求的负载。根据本公开的实施例，不同的输入要求包括以下中的至少一种：交流、灌逻辑的直流和拉逻辑的直流。该步骤可以由例如图2和图3中的开关控制模块230、330来实施。

上述输出方法的处理对应于前面结合输出电路描述的处理，因此具体处理可参照前面的有关描述，这里不再赘述。该输出方法适于用于PLC的控制输出的任何场景。根据本公开实施例的用于PLC的输出方法，可以提供一种用于PLC的通用输出方式，以自适应不同待控制设备的不同输入要求，从而使得成本降低且方便维护。

与上述输出方案相应地，本公开实施例还提供一种PLC。该PLC可以包括MCU和输出电路。输出电路可以由前面结合图2至图4所描述的输出电路200-400实现。其具体操作对应于前面结合图2至图4描述的操作，因此这里不再赘述。

在本文中，尽管操作以特定顺序被描绘，但这并不应该理解为要求此类操作以示出的特定顺序或以相继顺序完成，或者执行所有图示的操作以获取期望结果。在某些情况下，多任务或并行处理会是有益的。同样地，尽管上述讨论包含了某些特定的实施细节，但这并不应解释为限制任何发明或权利要求的范围，而应解释为对可以针对特定发明的特定实施例的描述。本说明书中在分开的实施例的上下文中描述的某些特征也可以整合实施在单个实施例中。反之，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分离地在多个实施例或在任意合适的子组合中实施。

尽管已经以特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了主题，但是应当理解，所附权利要求中限定的主题并不限于上文描述的特定特征或动作。相反，上文描述的特定特征和动作是作为实现权利要求的示例形式而被公开的。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置或计算机程序产品。因此，本申请的实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请的实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (13)

1.一种用于可编程逻辑控制器(PLC)的输出电路，包括：

隔离和耦合模块，被配置成接收来自微控制单元(MCU)的控制信号；

驱动模块，被配置成在恒定供电电压下操作以根据所述控制信号生成驱动信号，其中所述恒定供电电压以负载待连接至的公共参考端子为基准；以及

开关控制模块，被配置成基于所述驱动信号对所述负载执行开关控制，其中所述开关控制适于具有不同的输入要求的负载。

2.根据权利要求1所述的输出电路，其中所述隔离和耦合模块包括光耦合器，所述光耦合器的一端连接至所述微控制单元并且所述光耦合器的另一端连接至所述驱动模块。

3.根据权利要求1所述的输出电路，其中所述驱动模块包括隔离功率级和驱动级，所述隔离功率级被配置成以所述公共参考端子为基准向所述驱动级提供所述恒定供电电压，所述驱动级被配置成在所述恒定供电电压下操作以根据所述控制信号生成用于驱动所述开关控制模块的所述驱动信号。

4.根据权利要求3所述的输出电路，其中所述隔离功率级包括连接在总线电压与地之间的用于变压器的驱动器和与所述驱动器连接的变压器，所述变压器的输出连接至所述驱动级。

5.根据权利要求3所述的输出电路，其中所述驱动级包括稳压二极管和双极性晶体管，所述稳压二极管的负极经由第一电阻器连接至所述双极性晶体管的发射极，所述稳压二极管的正极连接至所述双极性晶体管的基极并经由第二电阻器连接至所述隔离和耦合模块，所述双极性晶体管的集电极连接至所述开关控制模块。

6.根据权利要求1所述的输出电路，其中所述开关控制模块包括第一场效应晶体管和第二场效应晶体管，所述第一场效应晶体管的栅极连接至所述第二场效应晶体管的栅极并连接至所述驱动模块，所述第一场效应晶体管的源极连接至所述第二场效应晶体管的源极并经由第三电阻器连接至所述第一场效应晶体管的栅极，所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管的漏极分别连接至输出端子和所述公共参考端子，其中所述负载待连接在所述输出端子和所述公共参考端子之间。

7.根据权利要求6所述的输出电路，其中所述第一场效应晶体管和第二场效应晶体管均为N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管。

8.根据权利要求6所述的输出电路，其中所述第一场效应晶体管和第二场效应晶体管均为P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管。

9.根据权利要求6所述的输出电路，其中所述开关控制模块还包括第一加速电路和第二加速电路，

所述第一加速电路包括第一二极管和第一双极性晶体管，所述第一二极管的正极连接至所述驱动模块，所述第一二极管的负极连接至所述第一场效应晶体管的栅极，所述第一双极性晶体管的基极连接至所述第一二极管的正极，所述第一双极性晶体管的发射极连接至所述第一二极管的负极，所述第一双极性晶体管的集电极连接至所述第一场效应晶体管的源极，以及

所述第二加速电路包括第二二极管和第二双极性晶体管，所述第二二极管的正极连接至所述驱动模块，所述第二二极管的负极连接至所述第二场效应晶体管的栅极，所述第二双极性晶体管的基极连接至所述第二二极管的正极，所述第二双极性晶体管的发射极连接至所述第二二极管的负极，所述第二双极性晶体管的集电极连接至所述第二场效应晶体管的源极。

10.根据权利要求1所述的输出电路，其中所述不同的输入要求包括以下中的至少一种：交流、灌逻辑的直流和拉逻辑的直流。

11.一种用于可编程逻辑控制器(PLC)的输出方法，包括：

接收来自微控制单元(MCU)的控制信号；

在恒定供电电压下根据所述控制信号生成驱动信号，其中所述恒定供电电压以负载待连接至的公共参考端子为基准；以及

基于所述驱动信号对所述负载执行开关控制，其中所述开关控制适于具有不同的输入要求的负载。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述不同的输入要求包括以下中的至少一种：交流、灌逻辑的直流和拉逻辑的直流。

13.一种可编程逻辑控制器(PLC)，包括：

微控制单元(MCU)；以及

根据权利要求1-10中任一项所述的输出电路。