CN1940783A - 自动化设备的外围组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于自动化设备的外围组件。只要数字输入端吸收电流，就总会在用于自动化设备的外围组件(10)内部形成损耗功率。但根据本发明该损耗功率不是转换为热量，而是组件(10)从馈入的功率中产生输出电压和/或输出电流，并因此实际上作为供电源工作，其又将馈入功率的至少一部分输出(引出)从而避免或减小了组件内部损耗功率热量的形成。

Description

自动化设备的外围组件
技术领域
本发明涉及一种用于自动化设备的外围组件，其具有电源接头、至少一个起数字输入端作用的信号接头，和至少一个用于将组件外的传感器至少与该信号接头连接的接地接头。在此自动化设备中或用于自动化设备的任何连接外部外围设备、即例如执行器和/或传感器的组件或模块都称为外围组件。
背景技术
下面概念“外围组件”用于单个组件或单个模块，分别具有与外部外围设备如开关、极限值报警器、电压、液压或气压机组等等连接的手段，或者特别是在所谓小型自动化设备、也就是控制功能和处理功能以及与外围设备连接的手段都组合在一个设备中的设备的情况下用于整个自动化设备。
开头所述类型的自动化设备、尤其是在模块化自动化设备的实施方式中是一般公知的，例如以本申请人提供的型号为SIMATIC的自动化设备形式。从这些自动化设备中也公知实施为单模块(单组件)的外围组件，作为外围组件的具体例子尤其是公知输入组件或组合的输入/输出组件。
本发明尤其涉及具有至少一个作为数字输入端工作的信号接头的外围组件。这样的外围组件相应的是具有数字输入功能的外围组件。这样的组件通常具有多个、例如16或32个数字输入端，并相应被称为数字输入组件。数字输入组件也就是特殊形式的、只具有数字输入功能的外围组件。此外混合形式、例如数字输入/输出组件或数字输入和模拟输入组件也可以具有至少一个作为数字输入端工作的信号接头。下面由本发明描述的外围设备相应地也是数字输入组件或输入组件和组件概念的简称，其中作为判断标准始终将至少一个作为数字输入端工作的信号接头作为重点。
现有技术中公知的输入组件基于在有效连接传感器时电流通过数字输入端、即与信号接头关联的输入通道流入该组件的原理。在最简单的情况下，在存在电流时传感器被识别为是被激活的。相应的在没有电流时传感器被识别为是去激活的。但电流在传感器去激活时也可以流入该组件，从而通常以电压的大小、优选借助是否超过驱动电流通过信号接头所需的电压的预定或可预定阈值来识别传感器的状态。
该标准原理还不是完全最佳的，因为通过输入电流会在组件内形成损耗功率。在按照IEC61131-2预先给定的数字输入端的电压和电流值标准(类型1：电压范围15V..30V内的高信号，高信号下的输入电流：min.2mA；类型2：电压范围11V..30V内的高信号，高信号下的输入电流：min.6mA)中，上述第二类型的输入通道上的损耗功率至少是30V×6mA＝180mW，该输入通道也适用于连接所谓的BERO(无连接和无接触工作的传感器)。在此损耗功率还根据输入通道的电路而变化。在借助无源电路实现的输入通道中，损耗功率为30V×16.4mA＝492mW。前面的数字例子(损耗功率：180mW)涉及一种具有所谓电流汇点(Stromsenke)的“有源电路”。
上述以例子说明的损耗功率还对每个输入通道形成。也就是说在具有32个输入通道的组件中，损耗功率的总和是32×180mW＝5.76W(32×492mW＝15.74W)。但就期望的损耗功率减小来说不可能减小输入电流的大小，因为否则就无法满足按照IEC61131-2的规定。
此外还要考虑到要尽力开发64通道组件的设想。其中推测用有源或无源电路实现全部输入的损耗功率是64×180mW＝11.5W和64×492mW＝31.5W。
损耗功率必须从该组件中引出，因此导致该组件具有一定的结构尺寸。由于理论上需要的结构尺寸与最小化的趋势相反，因此通常采用所谓的“降级”组件，也就是用户必须担负起只同时(持续地)接通特定的、预先给定数量的输入通道的任务。在不利情况下这意味着例如只能使用一半的现有输入端。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，减小在组件上累积的损耗功率，以便能够由此实现结构尺寸减小了的组件，或者结构尺寸至少基本上保持不变、但可以同时采用全部或至少更多数量的输入通道的组件。
为了避免或至少减小上述缺陷以及解决上述技术问题或解决上述技术问题的各个方面，本发明提出了一种具有优化了损耗功率的数字输入端的输入组件，或这样的优化了损耗功率的数字输入端。按照本发明，开头所述类型的外围组件为此包括用于引出通过至少一个信号接头馈入的电能的装置(引出装置)。
可通过信号接头馈入的电能在此是在该组件工作时由于输入电流通过数字输入端(如上所述)而导致组件内部积累损耗功率的电能。
在此本发明基于以下认识：只要数字输入端吸收电流，即电流基于外部施加(通过传感器)的电压而通过信号接头馈入该组件时，就会在该组件内产生损耗功率。该损耗功率不是像当前常见的那样转换为热量，而是借助引出装置设置为可用电压的大小，并从该组件中引出，也就是说又作为输出电压和输出电流输出。所述组件因此以电流和/或电压的形式输出电能。该组件实际上根据通过信号接头馈入的功率产生输出功率，并由此防止或至少减小组件内损耗功率的形成。
优选的，为了连接传感器除了信号接头之外还设置供电接头。在此电能的引出同样通过该供电接头进行。作为输入电流由组件吸收的电能的一部分因此直接用于向该传感器供电。
如果引出装置构成为换向调节器，则可以保证以较高的效率和很小的损耗功率产生由该组件特别是通过供电接头又引出的电能、即电流和电压。利用这样的换向调节器可以在合适的配置和参数下使引出的输出电压大到足以使同样在外部与供电接头连接的组件电源(例如P24)能驱动电流。所输出的、引出的电流取决于在相应的数字输入端馈入组件的功率。
为了达到这样的高效率，所述引出装置优选构成为受时钟控制的、具有恒定电流汇点的升压器(Hochsteller)，或者换向调节器包括至少一个这样的具有恒定电流汇点的升压器。
损耗可以通过本发明的概念降低到目前解决方案中积累的损耗的约30％。这意味着可以在结构尺寸相同的条件下实现3倍的数字输入端。由此可以实现没有降级的高通道组件。
优选的，所述引出装置、即特别是换向调节器或受时钟控制的、具有恒定电流汇点的升压器通过组合在所谓的ASIC中来实现。采用ASIC的优点是还可以将监控相应数字输入端的短路和断路的功能组合到ASIC中。
为了分析可连接的传感器的相应状态，所述引出装置包括处理功能，使得可以借助在工作时运行通过信号接头的电流所需的电压、尤其是借助所给出的电压是否超过预定或可预定的阈值来识别与信号接头连接的传感器的状态。在此优选象当前的输入组件那样借助通过信号接头的电流恒定时的电压大小来识别高电平和低电平(对应于输入通道/传感器的有效或无效)。由此还有利的是按照本发明构成的设备的用户无需改变过程外围设备的连接，相应的传感器尤其是以未改变的方式从P24、即供电接头连接到信号接头。
优选的还有，根据借助可由引出装置的处理功能识别的传感器状态来控制为了向处理单元传送传感器的已识别状态而设置的分析支路，在此分析支路的采用与处理功能包括能从中直接读取所连接传感器的已识别状态的存储装置的解决方案互补。通过该分析支路，状态传输尚处于“初级电参数”、也就是通过电流的层面，还未到达用于对数字输入端的逻辑状态进行编码的数字数据的层面。
为了实现电隔离，分析支路优选包括光耦合器。此外按照优选实施方式，该分析支路可以包括显示元件，如发光二极管，用以显示传感器的已识别状态、即数字输入端的内部逻辑状态。
按照另一优选实施方式，所述外围组件包括第一和第二供电接头作为供电接头，其中第一供电接头用于向外围组件供电，而第二供电接头用于通过引出装置引出电能和用于连接传感器，可以通过第二供电接头引出经信号接头馈入的电能。这样在第二供电接头上可以抽取发送器供电电压，其中发送器(Geber)和传感器(对应于发送器供电电压和传感器供电电压)应理解为同义词。发送器供电电压也就是为了向连接的各传感器供电而设置的。
优选发送器供电电压由两个源馈入，其中引出装置一方面从可通过信号接头馈入的电流中、另一方面从可通过第一供电接头馈入的电流中提取可通过第二供电接头引出的电能(发送器供电电压)。优选的，发送器供电电压的馈入在此首先从通过相应的数字输入端馈入组件的功率中进行。其次发送器供电电压的馈入从施加在第一供电接头上的组件供电电压如P24中进行。
本发明除了当前主要描述的装置、即外围组件或外围组件的数字输入端之外还以相同方式涉及一种用于运行这种外围组件的方法。据此引出组件通过信号接头吸收电流，借助在工作时运行通过信号接头的电流所需的电压、尤其是借助所给出的电压大小是否超过预定或可预定的阈值来分析与信号接头即相应数字输入端的输入接头连接的传感器的状态，所吸收电流的至少一部分由引出装置又通过供电接头引出。
按照本发明的方法同样解决了开头所述的技术问题，并实现了按照该技术问题所追求的优点。
此外优选的，为了向处理单元传送所连接传感器的已识别状态分别根据该状态激活或去激活分析支路，该分析支路尤其是包括光耦合器、特别是包括光耦合器和显示元件。就该方法的这一优选实施方式的优点来说，具有上述结合对应的装置详细解释的优点。
附图说明
下面借助附图详细解释本发明的实施例。相互对应的对象或元件在所有附图中都具有相同的附图标记。
其中示出
图1示出按照现有技术的具有数字输入端的外围组件的原理电路图，
图2示出按照本发明具有数字输入端的外围组件的原理电路图，
图3示出按照本发明另一实施方式的具有数字输入端的外围组件的原理电路图。
具体实施方式
图1以数字组件为例示出外围组件10，其包括供电接头12、信号接头14和接地接头16。作为传感器18示出一个开关。该开关在闭合状态下将施加在供电接头12上的供电电位P24、即例如UP24设置在数字输入端、即信号接头14上。在通过信号接头14和接地接头16施加的电压U1下输入电流I1通过信号接头14流入组件10。
在组件内部该数字输入端包括分析支路20，在所示出的例子中该分析支路20包括电阻22，显示元件24、如发光二极管，和光耦合器26。光耦合器26作为传输元件用于向处理单元28传送所连接的传感器18的相应状态。利用光耦合器26可以在外围组件内部实现可通过供电接头、信号接头或接地接头从外部影响的第一电路部件与独立于该第一电路部件的、用于处理数据和/或传送数据的第二电路部件之间的电隔离。第二电路部件在此尤其是用于分析各通道的已识别状态和/或根据相应的总线协议经总线发送通过将可在组件中采集的状态组合为相应的数据字而累积的数据。
在组件10内部，在数字输入端上产生P1＝I1×U1＝6mA×30V＝180mW的损耗功率。该损耗功率对每个通道单独形成。也就是说对于具有32个输入通道的组件(32通道组件)产生32×0.18W＝5.76W的总损耗功率。
图2示出按照本发明的外围组件10。与图1的显示类似，组件10的至少一个数字输入端、即至少信号接头14与一个作为传感器18的开关连接。该开关在闭合状态下将施加在供电接头12上的电位设置在信号接头14上。在通过信号接头14和接地接头16施加的电压U1下输入电流I1流入组件10。
组件10在数字输入端、即通过信号接头14吸收例如6mA的电流作为输入电流I1。该输入电流I1是针对馈入组件10的电能的一个例子。相应地下面也将输入电流I1一般地称为馈入的电能。
与该输入电流I1相关的是原理上在组件内部积累的损耗功率，按照本发明通过设置用于引出至少通过信号接头14馈入或可馈入的电能的装置30(引出装置)来避免或至少减小该损耗功率。
作为引出装置30设置换向调节器30，尤其是实施为具有恒定电流汇点的受时钟控制的升压器(Hochsteller)。换向调节器30这样调节输入电流I1，使得该输入电流恒定地保持为6mA。在通过信号接头14和接地接头16施加的例如为30V的电压U1下组件10在数字输入端、即通过信号接头14吸收Pauf1＝I1×U1＝6mA×30V＝180mW的功率。对于32通道的组件产生Pauf32＝32×0.18W＝5.76W的总损耗功率。
换向调节器30将吸收的功率的至少一部分或馈入的电能的一部分引出到施加在供电接头12上的供电电位，如P24。引出的电能在图2中显示为由换向调节器30引出的电流I2。输出的功率计算为Pab＝UP24×I2。输出的功率Pab在组件10内部通过换向调节器30、尤其是受时钟控制的升压器从所吸收的功率Pauf32中产生。如果以例如70％的效率产生该功率，则在组件10内仅累积了0.3×5.76W＝1.7W的损耗功率。
换向调节器30本身消耗的能量由来自施加在供电接头12的供电电压入P24的电流满足，并在该图中用I3表示。在工作时仅从该提供供电电压的供电电流P24中提取满足该损耗所需的电流，该电流在图2中用I5表示。
下面的示例计算说明了给出的关系：
-一个通道时的输入电流：
每个通道I1＝6mA。
-32个通道时的输入电流：
I1＝32×6mA＝192mA。
-在32个输入端上在用U1表示的大小为30V的电压下通过信号接头14和测量接头16吸收的功率：
Pauf＝I1×U2＝192mA×30V＝5.76W。
-假定引出装置30、即例如换向调节器30的效率为：70％。
-组件内部的损耗功率：
PV＝0.3×Pauf＝0.3×5.76W＝1.73W。
-可以电能形式通过供电接头12在由引出装置30产生的电流路径上引出的功率：
Pab＝0.7×Pauf＝0.7×5.76W＝4.03W。
-在从例如P24的供电电源施加于供电接头12的供电电压UP24＝30V时，引出的电流I4计算为I4＝Pab/UP24＝4.03W/30V＝134mA。
-从供电电源P24、即相应的电网部件吸收I1-I4大小的电流I5：
I5＝192mA-134mA＝58mA。
由此在组件10内部，对每个数字输入端都产生0.3×6mA×30V＝54mW的损耗功率。因此对于32通道的组件产生32×54mW＝1.73W的总损耗功率。与此相比在目前根据现有技术公知的32通道的组件中产生5.67W的总损耗功率。
图3示出按照本发明的另一实施方式的外围组件10。与图2的实施方式不同的是，在图3的实施方式中组件10具有作为供电接头12的第一和第二供电接头12’、12”。第一供电接头12’用于向外围组件10提供电能。第二供电接头12”用于通过引出装置30引出电能以及连接传感器18。为此通过第二供电接头12”引出经信号接头14馈入或可馈入的电能。
因此组件10由施加于第一供电接头12’的组件供电电压P24馈电。借助引出装置30，组件10产生发送器或传感器供电电压，该供电电压由两个源馈电，即首先从功率、也就是通过数字输入端、即通过信号输入端14馈入组件10的电能馈入，其次从施加在第一供电接头12’上的电压馈入，并且在图3中用GV表示。但是从施加在第一供电接头12’的电压中只能引出为了满足由于电路不可避免的损耗而导致的本身消耗的能量、特别是引出装置30以必然小于100％的效率需要的那一部分。作为传感器18的开关与数字输入端、即与组件10的信号接头14连接。该开关在闭合状态下将电位GV设置在数字输入端上。由此在通过信号接头14和接地接头16施加的电压U1下输入电流I1流入组件。在数字输入端上，组件10吸收I1＝6mA的电流。换向调节器作为引出装置30这样调节电流I1，使得该电流恒定地保持为6mA。在U1＝30V的电压下，组件10在数字输入端上吸收Pauf1＝I1×U1＝6mA×30V＝180mW的功率。该功率是在每一通道上吸收的。对于例如32通道的组件则为Pauf32＝32×0.18W＝5.76W。换向调节器30将该吸收的功率至少部分地引出到电位GV上。引出的功率是Pab＝UGV×I1。输出的功率Pab在组件内部通过换向调节器30、特别是实施为受时钟控制的升压器从吸收的功率Pauf32中产生。如果以例如70％的效率产生该功率，则在组件10中只累积了0.3×5.76W＝1.7W的损耗功率。从供电电流P24中仅需吸收满足损耗所需的电流I3。
由此本发明可简要说明如下：
只要数字输入端吸收电流，就总会在组件10内部形成损耗功率。但根据本发明该损耗功率不是转换为热量，而是组件10(或者只要涉及各输入通道就是相应的输入通道)从馈入的功率中产生输出电压和/或输出电流、即电能，并因此实际上作为供电源工作，其又将馈入功率的至少一部分输出(引出)从而避免或减小了组件内部损耗功率热量的形成。

Claims (12)

1.一种用于自动化设备的外围组件，具有至少一个作为数字输入端工作的信号接头(14)，用于将组件外部的传感器(18)至少与该信号接头(14)连接，其特征在于，该外围组件具有用于引出通过至少一个信号接头(14)馈入的电能的装置(30)，即引出装置(30)。
2.根据权利要求1所述的外围组件，其中，为了连接所述传感器(18)除所述信号接头(14)之外还设置供电接头(12)。
3.根据权利要求1或2所述的外围组件，其中，所述引出装置(30)构成为换向调节器。
4.根据权利要求3所述的外围组件，其中，所述引出装置(30)在其为换向调节器的形式下包括至少一个受时钟控制的、具有恒定电流汇点的升压器。
5.根据权利要求3或4所述的外围组件，其中，所述引出装置(30)包括处理功能，使得可以借助在工作时运行通过信号接头(14)的电流所需的电压、尤其是借助所给出的电压是否超过预定或可预定的阈值来识别与信号接头(14)连接的传感器(18)的状态。
6.根据权利要求5所述的外围组件，其中，根据借助可由所述引出装置(30)的处理功能识别的传感器(18)的状态来控制为了向一处理单元(28)传送所述传感器(18)的已识别状态而设置的分析支路(20)。
7.根据权利要求6所述的外围组件，其中，所述分析支路(20)包括光耦合器(26)。
8.根据权利要求6或7所述的外围组件，其中，所述分析支路(20)包括显示元件(24)。
9.根据上述权利要求之一所述的外围组件，其中，
-设置了作为供电接头(12)的第一和第二供电接头(12’，12”)，
-第一供电接头(12’)用于向外围组件(10)供电，
-第二供电接头(12”)用于通过引出装置(30)引出电能和用于连接传感器(18)，
-通过第二供电接头(12”)引出经信号接头(14)馈入的电能。
10.根据权利要求9所述的外围组件，其中，所述引出装置(30)一方面从可通过信号接头(14)馈入的电流中、另一方面从可通过第一供电接头(12’)馈入的电流中提取可通过第二供电接头(12”)引出的电能。
11.一种用于运行根据权利要求1至10中任一项所述的外围组件的方法，其中
-所述引出组件(30)通过信号接头(14)吸收电流，
-借助在工作时运行通过信号接头(14)的电流所需的电压、尤其是借助所给出的电压大小是否超过预定或可预定的阈值来分析与信号接头(14)连接的传感器(18)的状态，
-所吸收电流的至少一部分由引出装置(30)又通过供电接头(12)引出。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，为了向处理单元(28)传送已识别状态，分别根据该状态激活或去激活分析支路(20)，该分析支路尤其是包括光耦合器(26)、特别是包括光耦合器(26)和显示元件(24)。
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