CN111258238B - 多通道隔离电路、多通道安全栅及多通道隔离器 - Google Patents

多通道隔离电路、多通道安全栅及多通道隔离器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多通道隔离电路、多通道安全栅及多通道隔离器。通过电源电路、电源耦合电路、输入电路、信号耦合电路、及至少一个输出电路，对输入端、输出端进行电源与信号的隔离。本发明提供的技术方案可以同时快速传输多路信号给PLC或DCS，同时降低了输出通道的硬件成本。

Description

多通道隔离电路、多通道安全栅及多通道隔离器
技术领域
本发明涉及电路技术领域，特别是涉及一种多通道隔离电路、多通道安全栅及多通道隔离器。
背景技术
隔离器、安全栅等产品用于将现场变送器或流量计等设备的模拟量信号传输到PLC或DCS端，隔离器、安全栅输出的模拟信号从种类上可分为电流信号、电压信号两大类。从信号量程来说每种又可分为多种量程。同样，PLC或DCS输入的信号也是多种多样的，因此智能型(可组态)隔离器、安全栅应运而生。
但是，传统的智能型隔离器、安全栅采用的是PWM输出。这样带来的结果是要达到高精度(0.1％F.S.以内)要求需要较长的响应时间，且现场PLC或DCS需采集的信号点数较多，导致其硬件成本居高不下。因此，需要一种在多通道输出且缩短相应时间的隔离器或安全栅。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种多通道隔离电路、多通道安全栅及多通道隔离器，用于解决现有技术中的智能型隔离器、安全栅因采用PWM输出而导致高精度输出需要较长的响应时间，并且因现场PLC或DCS需采集的信号点数较多而导致其硬件成本居高不下的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种多通道隔离电路，所述电路包括：电源电路、电源耦合电路、输入电路、信号耦合电路、及至少一个输出电路；所述电源电路，用于将外部的电源转换为交流电源，以提供至所述电源耦合电路；所述电源耦合电路，用于接收所述电源电路提供的交流电源并向所述输入电路、各所述输出电路、及所述信号耦合电路提供隔离的交流电源；所述输入电路，用于接收输入信号并进行处理以传输至所述信号耦合电路；所述信号耦合电路，用于接收来自所述输入电路的输入信号，并向各所述输出电路发送隔离的输出信号；各所述输出电路，用于接收来自所述信号耦合电路的隔离的输出信号并进行调制以对外输出；所述电源耦合电路分别与所述电源电路、所述输入电路、各所述输出电路、及所述信号耦合电路电性连接；所述信号耦合电路分别与所述输入电路、及各所述输出电路电性连接。
于本发明的一实施例中，所述电源耦合电路包括一变压器；所述变压器包括：一个初级线圈、及至少两个次级线圈；所述初级线圈与所述电源电路电性连接；各所述次级线圈分别与所述输入电路、及至少一个所述输出电路电性连接。
于本发明的一实施例中，所述信号耦合电路包括：双绕组变压器、信号输入支路、及与各所述输出电路一一对应的信号输出支路；所述双绕组变压器包括：一个初级线圈、及至少一个次级线圈；所述初级线圈分别与所述输入电路、及所述信号输入支路电性连接；各所述次级线圈分别与一所述输出电路、及其对应的所述信号输出支路电性连接；所述信号输入支路、及各信号输出支路分别与所述电源耦合电路电性连接。
于本发明的一实施例中，所述信号输入支路包括：第一MOS管、及第二MOS管；所述第一MOS管、及第二MOS管的栅极分别与所述电源耦合电路电性连接；所述第一MOS管、及第二MOS管的源极分别接地；所述第一MOS管、及第二MOS管的漏极分别与所述双绕组变压器的初级线圈电性连接；
于本发明的一实施例中，所述信号输出支路包括：第三MOS管、第四MOS管、电容、及电阻；所述第三MOS管、及第四MOS管的栅极分别与所述电源耦合电路电性连接；所述第三MOS管、及第四MOS管的源极分别接地；所述第三MOS管的漏级与所述电容的一端电性连接；所述第四MOS管的漏极与所述电阻的一端连接；所述电容的另一端与所述电阻的另一端电性连接。
于本发明的一实施例中，所述电源电路包括：第一EMC保护电路、DC/DC模块、DC/AC模块；所述输入电路包括：第二EMC保护电路、信号识别模块、输入AC/DC模块、AD/DA模块、及控制模块；各所述输出电路包括：第二EMC保护电路、输出AC/DC模块、及输出调制模块。
于本发明的一实施例中，所述控制模块包括：MCU控制芯片、及组态标定模块；所述组态标定模块用于通过上位机和组态软件以接收表示满足客户不同需求的操作指令。
于本发明的一实施例中，所述输入电路的输入信号的类型包括电压信号或电流信号。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种安全栅，包括上述所述的隔离电路。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种隔离器，包括上述所述的隔离电路。
如上所述，本发明提供的一种多通道隔离电路、多通道安全栅及多通道隔离器。通过电源电路、电源耦合电路、输入电路、信号耦合电路、及至少一个输出电路，对输入端、输出端进行电源与信号的隔离。具有以下有益效果：
可以同时快速传输多路信号给PLC或DCS，同时降低了输出通道的硬件成本。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种多通道隔离电路的模块示意图。
图2为本发明实施例中的一种电源耦合电路及其相关的电路示意图。
图3为本发明实施例中的一种信号耦合电路及其相关的电路示意图。
元件标号说明
101 电源电路
102 电源耦合电路
103 输入电路
104 信号耦合电路
105 输出电路
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本申请的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、““下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。
再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、““一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
通常隔离电路应用于带有隔离功能的装置，例如可以是隔离器或者安全栅等等。安全栅又称为安全限能器，是安全系统中的重要组成部分。安全栅的类型包括有隔离式安全栅，其不仅具有限能的功能还有隔离功能。隔离器是一种采用光电或电磁隔离原理，将输入信号进行转换输出的设备；输入、输出和工作电源三者相互隔离，是工业控制系统中重要组成部分。
如图1所示，展示本发明实施例中的一种多通道隔离电路的模块示意图。如图所示，所述电路包括：电源电路101、电源耦合电路102、输入电路103、至少一个输出电路105、信号耦合电路104。
于本实施例中，所述电源耦合电路102分别与所述电源电路101、所述输入电路103、各所述输出电路105、及所述信号耦合电路104电性连接；所述信号耦合电路104分别与所述输入电路103、及各所述输出电路105电性连接。
下文就各个电路的作用及结构做详细说明。
所述电源电路101，用于将外部的电源转换为交流电源，以提供至所述电源耦合电路102。
于本实施例中，所述电源电路101包括：第一EMC保护电路、DC/DC模块、及DC/AC模块。
电磁兼容性EMC(Electro Magnetic Compatibility)，是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。
于本实施例中，所述第一EMC保护电路主要用于在电源输入端吸收EMC干扰，包括电快速脉冲群冲击、浪涌、静电等EMC干扰，从而提高信号传输的抗干扰能力。
DC/DC模块是一种在直流电路中将一个电压值的电能变为另一个电压值的电能的装置，其具有隔离功能，包括：噪声隔离、安全隔离(包括：强电弱电隔离\IGBT隔离驱动\浪涌隔离保护\雷电隔离保护)、接地环路消除，提供升压变换\降压变换，能够提供短路保护、过压保护、欠压保护、过流保护、及其它保护。
于本实施例中，外部电源经所述DC/DC模块使得输出的电压均为平滑直流，无交流谐波分量，并且输出阻抗为零，能够快速动态响应，抑制能力强。
于本实施例中，所述DC/AC模块将平滑直流电源转换为交流电源。
所述电源耦合电路102，用于接收所述电源电路101提供的交流电源并向所述输入电路103、各所述输出电路105、及所述信号耦合电路104提供隔离的交流电源。
于本实施例中，所述电源耦合电路102包括一变压器；所述变压器包括：一个初级线圈、及至少两个次级线圈；所述初级线圈与所述电源电路101电性连接；各所述次级线圈分别与所述输入电路103、及至少一个所述输出电路105电性连接。
于本实施例中，所述电源耦合电路102通过变压器将所述电源电路101传送的交流电源分别耦合发送至各电路，以向各电路提供隔离交流电源。相对应的，各电路首先通过AC/DC模块，将隔离交流电源转换为隔离直流电源以供使用。
需要说明的是，所述变压器中各线圈的绕制始端在相同的方位上。
所述输入电路103，用于接收输入信号并进行处理以传输至所述信号耦合电路104。
所述隔离电路的输入端口通常连接现场的变送器或者流量计等测量装置，以接收来自该些现场设备的模拟量信号；所述隔离电路将接收到的模拟量信号转换为数字信号并通过输出端输出至可编程逻辑控制器PLC端或分布式控制系统DCS端等控制装置
于本实施例中，所述输入电路103的输入信号的类型包括电压信号或电流信号。
于本实施例中，所述输入电路103包括：第二EMC保护电路、信号识别模块、输入AC/DC模块、AD/DA模块、及控制模块。
所述位于输入电路103的第二EMC保护电路主要用于吸收输入端口的电磁干扰信号。
于本实施例中，所述输入AC/DC模块主要用于，将所述电源耦合电路102提供的隔离的交流电源转换为隔离的直流电源，以供所述输入电路103使用。
于本实施例中，所述AD/DA模块为模数/数模转换模。其中，AD模块是采集输入信号，把输入的模拟信号转换为数字信号，并发给所述控制模块进行处理，最后通过DA模块把控制模块的数字信号再转换为模拟信号进行隔离输出。
于本实施例中，所述控制模块包括：MCU控制芯片、及组态标定模块。
通过MCU控制芯片输入的模拟信号转换为数字信号进行处理。
所述组态标定模块用于通过上位机和组态软件以接收表示满足客户不同需求的操作指令，即实现通过独立编程来控制所述隔离电路。
所述信号耦合电路104，用于接收来自所述输入电路103的输入信号，并向各所述输出电路105发送隔离的输出信号。
于本实施例中，所述信号耦合电路104通过接收来自所述输入电路103的经处理的模拟信号，并借助所述电源耦合电路102对其进行压电耦合，以形成隔离的输出模拟信号。
于本实施例中，所述信号耦合电路104包括：双绕组变压器、信号输入支路、及与各所述输出电路105一一对应的信号输出支路；所述双绕组变压器包括：一个初级线圈、及至少一个次级线圈；所述初级线圈分别与所述输入电路103、及所述信号输入支路电性连接；各所述次级线圈分别与一所述输出电路105、及其对应的所述信号输出支路电性连接；所述信号输入支路、及各信号输出支路分别与所述电源耦合电路102电性连接。
需要说明的是，所述变压器中各线圈的绕制始端在相同的方位上。
各所述输出电路105，用于接收来自所述信号耦合电路104的隔离的输出信号并进行调制以对外输出。
于本实施例中，所述输出电路105设计为多通道或多路，以满足现场PLC或DCS多点信号的采集，在不影响响应时间的情况下，进一步减少硬件的成本。
于本实施例中，各所述输出电路105包括：第二EMC保护电路、输出AC/DC模块、及输出调制模块。
所述位于输出电路105的第二EMC保护电路主要用于吸收输出端口的电磁干扰信号。
针对各所述输出电路105的AC/DC模块，其主要用于将来自所述电源耦合电路102的隔离的交流电源转换为直流电源以供其使用。
针对各所述输出电路105的输出调制模块，其主要用于将来自所述信号耦合电路104的隔离的模拟信号转换为数字信号，并发送至如可编程逻辑控制器PLC端或分布式控制系统DCS端等控制装置。
为进一步说明所述多通道隔离电路的各电路结构，下文将分别分离出电源耦合电路102及其相关的电路图、以及信号耦合电路104及其相关的电路进行说明。
如图2所示，展示本发明实施例中的电源耦合电路及其相关的电路示意图。
于本实施例中，所述第一EMC保护电路进一步展开则包括：压敏电阻RV1、电感L1、电感L2、双向稳压管TVS1、及电容C1。
其中，所述第一EMC保护电路与所述第二EMC保护电路主要的不通电在于：所述第一EMC保护电路包含压敏电阻RV1。因为，直接来自外部电源的电磁干扰更大，因此需要所述压敏电阻RV1能够吸收大的瞬间浪涌，并且响应时间快。
如图3所示，展示本发明实施例中的信号耦合电路及其相关的电路示意图。
于本实施例中，所述信号识别模块包括：R1电阻、电阻R2、电阻R3、及电阻R4。
于一实施例中，所述信号识别模块，用于当输入信号为电压信号时，则该电压信号通过电阻R1、及电阻R4分压，MCU控制芯片U1对分压后的信号进行采样，采样计算完成后将输出信号通过AD/DA模块U2输出至所述信号耦合电路的初级线圈TR1A的端口3处，耦合输出且经所述调制模块U3解调后输出。
于一实施例中，当输入信号为电流信号时，则该电流信号流经电阻R1后产生电压，所述MCU控制芯片U1对电阻R1两端电压进行采样，采样计算完成后将输出信号通过AD/DA模块U2输出至信号耦合电的初级线圈TR1A的端口3，耦合输出且经所述调制模块U3解调后输出。
需要注意的是，传统的智能型隔离器、安全栅采用的是PWM输出。这样带来的结果是要达到高精度(0.1％F.S.以内)要求需要较长的响应时间，一般为几百毫秒到数秒，导致产品的使用范围大大减小了，同时也增加了产品被客户退回的风险。本发明中隔离电路的产品响应时间计算如下：产品响应时间＝MCU控制芯片U1输入采样时间+AD/DA模块U2响应时间+信号耦合电路TR1响应时间。以输入端15位分辨率为例，其精度为1/(215-1)，即约为0.003％，MCU控制芯片U1的采样时间约为5ms；若输入端为14位分辨率，则其精度为1/(214-1)，即约为0.006％，数模转换模块的响应时间约为2ms，电压耦合模块的响应时间约为2ms。因此，本发明提供的技术方案能够将产品响应时间控制在10ms以内，相较于传统智能型模拟量产品响应时间提高一个数量级以上的响应速度，故本发明实现了智能型快速响应技术，避开PWM响应时间长的缺点以实现快速响应，从而提升了产品的适用性。
于本实施例中，所述信号输入支路包括：第一MOS管T1、及第二MOS管T2；所述第一MOS管T1、及第二MOS管T2的栅极分别与所述电源耦合电路电性连接；所述第一MOS管T1、及第二MOS管T2的源极分别接地；所述第一MOS管T1、及第二MOS管T2的漏极分别与所述双绕组变压器的初级线圈电性连接。
于本实施例中，所述信号输出支路包括：第三MOS管T3、及第四MOS管T4、电容C2、及电阻R5；所述第三MOS管T3、及第四MOS管T4的栅极分别与所述电源耦合电路电性连接；所述第三MOS管T3、及第四MOS管T4的源极分别接地；所述第三MOS管T3的漏级与所述电容C2的一端电性连接；所述第四MOS管T4的漏极与所述电阻R5的一端连接；所述电容C2的另一端与所述电阻R5的另一端电性连接。
于本实施例中，本发明提供一种安全栅，包括图1所述的隔离电路。
于本实施例中，本发明提供一种隔离器，包括图1所述的隔离电路。
综上所述，一种多通道隔离电路、多通道安全栅及多通道隔离器。通过电源电路、电源耦合电路、输入电路、信号耦合电路、及至少一个输出电路，对输入端、输出端进行电源与信号的隔离。本发明提供的技术方案可以同时快速传输多路信号给PLC或DCS，同时降低了输出通道的硬件成本。本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种多通道隔离电路，其特征在于，所述电路包括：电源电路、电源耦合电路、输入电路、信号耦合电路、及至少一个输出电路；
所述电源电路，用于将外部的电源转换为交流电源，以提供至所述电源耦合电路；
所述电源耦合电路，用于接收所述电源电路提供的交流电源并向所述输入电路、各所述输出电路、及所述信号耦合电路提供隔离的交流电源；
所述输入电路，用于接收输入信号并进行处理以传输至所述信号耦合电路；
所述信号耦合电路，用于接收来自所述输入电路的输入信号，并向各所述输出电路发送隔离的输出信号；
各所述输出电路，用于接收来自所述信号耦合电路的隔离的输出信号并进行调制以对外输出；
所述电源耦合电路分别与所述电源电路、所述输入电路、各所述输出电路、及所述信号耦合电路电性连接；所述信号耦合电路分别与所述输入电路、及各所述输出电路电性连接；
所述电源耦合电路包括一变压器；所述变压器包括：一个初级线圈、及至少两个次级线圈；所述初级线圈与所述电源电路电性连接；各所述次级线圈分别与所述输入电路、及至少一个所述输出电路电性连接；
所述信号耦合电路包括：双绕组变压器、信号输入支路、及与各所述输出电路一一对应的信号输出支路；
所述双绕组变压器包括：一个初级线圈、及至少一个次级线圈；所述初级线圈分别与所述输入电路、及所述信号输入支路电性连接；各所述次级线圈分别与一所述输出电路、及其对应的所述信号输出支路电性连接；
所述信号输入支路、及各信号输出支路分别与所述电源耦合电路电性连接。
2.根据权利要求1所述的多通道隔离电路，其特征在于，所述信号输入支路包括：第一MOS管、及第二MOS管；所述第一MOS管、及第二MOS管的栅极分别与所述电源耦合电路电性连接；所述第一MOS管、及第二MOS管的源极分别接地；所述第一MOS管、及第二MOS管的漏极分别与所述双绕组变压器的初级线圈电性连接。
3.根据权利要求1所述的多通道隔离电路，其特征在于，所述信号输出支路包括：第三MOS管、第四MOS管、电容、及电阻；所述第三MOS管、及第四MOS管的栅极分别与所述电源耦合电路电性连接；所述第三MOS管、及第四MOS管的源极分别接地；所述第三MOS管的漏级与所述电容的一端电性连接；所述第四MOS管的漏极与所述电阻的一端连接；所述电容的另一端与所述电阻的另一端电性连接。
4.根据权利要求1所述的多通道隔离电路，其特征在于，所述电源电路包括：第一EMC保护电路、DC/DC模块、DC/AC模块；
所述输入电路包括：第二EMC保护电路、信号识别模块、输入AC/DC模块、AD/DA模块、及控制模块；
各所述输出电路包括：第二EMC保护电路、输出AC/DC模块、及输出调制模块。
5.根据权利要求4所述的多通道隔离电路，其特征在于，所述控制模块包括：MCU控制芯片、及组态标定模块；所述组态标定模块用于通过上位机和组态软件以接收表示满足客户不同需求的操作指令。
6.根据权利要求1所述的多通道隔离电路，其特征在于，所述输入电路的输入信号的类型包括电压信号或电流信号。
7.一种多通道安全栅，其特征在于，包括权利要求1～6中任一项所述的多通道隔离电路。
8.一种多通道隔离器，其特征在于，包括权利要求1～6中任一项所述的多通道隔离电路。
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