用於工業控制的具有低熱耗散的輸入電路的製作方法與工藝

2023-05-12 11:08:57

本發明涉及用於工業控制系統的I/O模塊，特別涉及一種可以在AC電壓的範圍內靈活地供應輸入AC波形的低熱耗散I/O模塊。

背景技術：
工業控制器是用於例如工廠環境中的工業過程或機械的控制的專用計算機系統。工業控制器在很多方面不同於傳統的計算機。物理上，將它們構建為實質上更結實以抵禦震動和損害並且更好地抵抗外部汙染和極端的環境條件。處理器和作業系統被最優化用以實時控制和執行允許程序的迅速定製的語言，以適合各種不同的控制器應用。典型地，該控制器具有高度模塊化體系結構，該體系結構允許不同數量和類型的輸入和輸出模塊用於將控制器連接到要被控制的處理器和機械。通過使用適合於高度可靠和有效的實時通信的特定的「控制網絡」有助於這種模塊化。該種控制網絡(例如，乙太網IP)不同於標準的通信網絡(例如，乙太網)之處在於確保最大通信延遲，該最大通信延遲例如是通過預先安排網絡的帶寬和/或將冗餘通信性能提供為高有效性而獲得的。作為其增強的模塊化的一部分，工業控制器可以利用專用於特定類型電信號和功能(例如，檢測輸入AC或DC信號或控制輸出AC或DC信號)的I/O模塊。這些I/O模塊中的每一個可以具有連接器系統，連接器系統允許它們以不同的組合隨同其它所選擇的I/O模塊一起被安裝在外殼或單元中，以匹配特定應用的要求。多個單元可以位於受控過程或機器附近的方便控制點，以經由例如乙太網IP等特定控制網絡與中央工業控制器通信。通常，需要不同I/O模塊來從工業過程或機械接收不同的AC和DC信號，從而反映所使用的裝置的區別。例如，可以使用不同I/O模塊以接收在相對於240伏AC的120伏AC左右操作的輸入信號。與工業控制器通信的I/O模塊的電路(控制器側)還通常與和受控過程或機器通信的電路(場側(field-side))光學隔離，以防止場側中的故障損害工業控制系統或其它I/O模塊。對於輸入電路(例如AC輸入電路)，其必需接收來自場側電路的操作的電壓信號，以確定空子控制側的信號的頻率和/或振幅。為了防止過電力損害I/O模塊，通常使用降壓串聯電阻器將來自場側的高電壓轉換為適於對控制器側光學隔離的較低的電壓。該種降壓串聯電阻器通常物理上較大以處理必需的電力耗散，並且必須被隔開以幫助耗散附隨的熱量。

技術實現要素：
本發明提供一種用於接收AC波形並限制該AC波形的電流的串聯連接的基本上無電阻阻抗。通過使用串聯連接的基本上無電阻阻抗，可以在沒有熱能耗散的情況下限制電流。這是因為基本上無電阻阻抗的阻抗主要由電氣電抗構成。電抗可以被表徵為由於電路元件的電或磁場因此電路元件對電流或電壓改變的反抗。電場可以抵抗電路元件上的電壓的改變，而磁場可以抵抗電流的改變。相反，基本電氣電阻僅可以對抗通過電路元件的電流的通過並耗散熱能。因此，本發明的至少一個實施例的特徵是提供減少的功率耗散，以在更大的電壓範圍內接收輸入信號和/或達到更緊湊的設計。電路還可以包括光學隔離器，所述光學隔離器包括發光二極體(LED)橋，所述發光二極體(LED)橋與所述串聯連接的基本上無電阻阻抗串聯耦接並且操作用於僅當所述AC波形的電壓的振幅大於閾值時發出光，並且所述光學隔離器具有光敏固體開關，所述光敏固體開關用於接收來自所述LED橋的光以提供光學隔離信號。因此本發明的至少一個實施例的特徵是提供輸入電壓的隔離監測。LED橋可以包括例如第一LED和第二LED，其中，所述第一LED的陰極連接到所述第二LED的陽極，並且所述第二LED的陰極連接到所述第一LED的陽極。在該情況下，閾值可以是第一預定電壓閾值和第二預定電壓閾值，所述第一預定電壓閾值用於當所述第一LED被施加正向偏壓時使所述第一LED導通，所述第二預定電壓閾值用於當所述第二LED被施加正向偏壓時使所述第二LED導通。光敏固體開關可以包括例如光敏NPN電晶體。所述基本上無電阻阻抗將通過所述LED的所述AC波形的電流限制到在120伏AC到240伏AC範圍內的、所述LED的預定工作電流。所述串聯連接的基本上無電阻阻抗可以包括電感器，並且還可以包括與所述電感器串聯的電容器。與所述電感器串聯的電容器可以是例如多層陶瓷電容器。I/O模塊電路還可以包括用於接收所述光學隔離信號並確定所述光學隔離信號的頻率和/或振幅的微處理器。因此本發明的至少一個實施例的特徵是根據信號確定頻率和/或振幅。I/O模塊電路還可以包括是螺旋式端子的端子。I/O模塊電路還可以具有具有多個單元可拆除電連接器的單元，所述單元支撐多個I/O模塊電路，每個I/O模塊電路具有與所述單元可拆除電連接器連接的可拆除電連接器，其中，所述單元包括用於在所述單元中對所述I/O模塊進行定向和支撐的元件。在另一實施例中，本發明提供一種工業控制系統，包括：工業控制器，所述工業控制器具有至少一個處理器，所述處理器執行所保存的程序以接收輸入信號，所述輸入信號反映出所連接的工業過程的狀態；網絡，所述網絡提供協議，所述協議確保在與工業控制器通信的網絡系統上的數據通信中的保證最大延遲，以將輸入信號傳送給工業控制器；及I/O模塊，所述I/O模塊與所述網絡系統通信，以與所述網絡系統交換輸入信號。所述I/O還模塊包括：外殼；端子，所述端子由所述外殼支撐，以接收AC波形；及電路，所述電路被包括在所述外殼中。所述電路提供串聯連接的基本上無電阻阻抗，所述串聯連接的基本上無電阻阻抗用於接收所述AC波形並限制所述AC波形的電流。所述電路還提供光學隔離器，所述光學隔離器包括發光二極體(LED)橋，所述發光二極體(LED)橋與所述串聯連接的基本上無電阻阻抗串聯耦接，並且操作用於僅當所述AC波形的電壓的振幅大於閾值時發出光，並且所述光學隔離器具有光敏固體開關，所述光敏固體開關用於接收來自所述LED橋的光以提供光學隔離信號。在又一實施例中，本發明提供一種在工業控制系統中的I/O模塊中接收AC輸入信號的方法，包括：在所述I/O模塊的端子上接收AC波形，所述I/O模塊的端子與基本上無電阻阻抗串聯連接以限制所述AC波形的電流；使用光學隔離器光學隔離所述AC波形，所述光學隔離器包括發光二極體(LED)橋，所述LED橋與所述串聯連接的基本上無電阻阻抗串聯耦接並且操作用於僅當所述AC波形的電壓的振幅大於閾值時發出光，並且所述光學隔離器具有光敏固體開關，所述光敏固體開關用於接收來自所述LED橋的光以提供光學隔離信號。這些具體對象和優點可以應用於落入權利要求範圍內的僅僅某些實施例，並因此不限定本發明的範圍。附圖說明圖1是適於與本發明一起使用的類型的遠程I/O單元的立體圖，其示出了包括多個I/O模塊的外殼，I/O模塊用於經由端子與工業過程通信以及經由網絡線纜與遠程工業控制器通信；圖2是示出在併入多個遠程I/O單元和工業控制器的工業控制系統的環境下圖1的I/O單元的框圖；圖3是遠程I/O單元的框圖，其示出用於將在I/O單元中安裝的I/O模塊附接到與網絡線纜和電力通信的公用總線的連接器，並且示出提供輸入電路的一個I/O模塊；圖4是圖3的輸入電路的具體示意圖，如此可以從輸入端子接收AC波形以通過光學隔離器提供隔離信號；圖5是示出在短時間段中AC波形和光學隔離器的LED橋的轉變的調整圖；圖6是光學隔離器的LED橋的轉變與用於圖4的電路的AC波形電壓的對比的狀態圖；及圖7是示出圖6的脈衝寬度相對於AC波形的不同振幅的改變的調整圖，從而允許直接振幅監測。具體實施方式現在參考圖1和2，I/O塊10可以提供單元外殼12，單元外殼12具有多個開口14，多個開口14用於對可拆除或永久性安裝的I/O模塊16進行定位和支撐。I/O模塊16通常在工業控制器17和工業過程或機器18之間提供電接口，工業過程或機器18具有由外部場側電源22供電的致動器呈現負載20，外部場側電源22可以是將要描述的DC源或AC源(如所示出的)。I/O模塊16中的每一個可以具有用於經由電導體26將I/O模塊16的電路連接到工業過程或機器18的外部場側電源22的暴露的螺旋式端子。可以例如在本領域已知類型的DIN導軌29上支撐I/O塊10的外殼12，或I/O塊10的外殼12可以提供允許其位於所期望的受控負載20附近的另一安裝布置。I/O塊10可以經由控制網絡28將例如控制網(ControlNet)或乙太網IP連接到工業控制器17，以在I/O塊10的I/O模塊16和工業控制器17之間進行控制數據的通信。通常，工業控制器17將至少包括一個處理器30，處理器30執行在通信存儲器34中包括的所保存的控制程序32，用以提供與控制網絡28的通信以與I/O塊10交換信號以根據所保存的控制程序32控制控制工業過程或機器18。所保存的控制程序32(從傳感器等)讀取表示工業過程或機器18的狀態的信號，以及將輸出寫入I/O塊10以根據這些感應輸入和控制程序32的邏輯來控制負載20。工業控制器17可以包括到用戶接口端子35(例如包括顯示器、計算機、鍵盤和滑鼠等)的連接，從而允許對工業控制器17的編程及其它控制並向操作員提供信息輸出。適於和本發明一起使用的工業控制器17包括例如在商業上從RockwellAutomation,Inc可獲得的可編程控制器。通常，每個I/O塊10的I/O模塊16在工業過程或機器18的電力和電路以及對I/O模塊16直接連接的部分與工業控制系統的電路之間包括電隔離屏障36，工業控制系統包括工業控制器17、網絡28、I/O塊10及I/O模塊16的剩餘部分。如本文所理解的，電隔離涉及電氣電路的一部分，並且這些部分在I/O塊10內不通過DC電路徑進行通信。與工業過程或機器18有關的、電隔離屏障36側的電路將被稱為「場側」電路，與工業控制器17有關的、電隔離側的電路將被稱為「控制器側」電路。如在本領域所理解的，電隔離可以通過光學隔離器或防止通過電隔離屏障36的DC傳導的變壓器來完成，以防止在場側電路故障的情況下對控制器側電路的損害。該隔離防止通過跨越隔離屏障36的導體在控制器側和場側的電路之間對電力的簡單共享。現在參考圖3，每個I/O塊10可以提供底板40，底板40提供一組電氣上可拆除或永久性地連接的電連接器42，電連接器42與底板總線44通信，底板總線44提供並行或串行數字通信和電力。電力可以由電源43提供。底板總線44上的數字通信可以由單元控制器46調節，單元控制器46包括與工業控制網絡28通信的網絡電路45。單元控制器46和網絡電路45可以是例如一個或更多個執行在存儲器中保存的所保存的程序等的電子處理器。形成底板總線44的電連接器42可以與在每個I/O模塊16的背後設置的對應的電連接器47連接，從而允許I/O塊10的控制器側電路和I/O模塊16的控制器側電路之間的電連接，以當I/O模塊16被插入到I/O塊10時在它們之間進行數據和電力的直接通信。在每個I/O模塊16內，模塊控制器48(例如，微控制器)可以執行所保存的程序50，以通過與多個輸入電路52進行通信來協調I/O模塊16的功能。如將要描述的，這些輸入電路52中的每一個可以在內部提供控制器側和場側電路之間的電隔離屏障36。這些輸入電路52中的每一個還與一組端子24(為了清楚僅兩個被示出)通信，該一組端子24可以例如是可拆除地接收電導體26的螺旋式端子。現在參考圖4，輸入電路52可以跨越端子24接收AC波形60，例如，一個端子24'處的地參考62和端子24處的AC波形。在一個實施例中，AC波形將接近60HZ並且具有在120到240伏AC之間的電壓。接收AC波形的端子24可以連接到基本上無電阻阻抗元件64，阻抗元件64包括串聯連接的電感器66和電容器68。可以使阻抗元件64大小合適以提供必需的電壓降並限制電流流動。將理解，與阻塞電阻對比，主要為電抗性的阻抗元件64可以在沒有消耗實際能量的情況下阻礙電流流動，以使得在該電流限制處理中實際上沒有產生熱量。阻抗元件64還可以包括與電容器68並聯的大電阻值電阻器78，以允許例如在移除模塊時對電容器68放電。在可選擇的實施例中，阻抗元件64中的一個或多個部分可以連接到端子24'而不是端子24，或除了連接到端子24之外還連接到端子24'。阻抗元件64又連接到是光學隔離器83的一部分的發光二極體(LED)橋70。LED橋70可以包括第一LED72和第二LED74，其中，第一LED72的陰極連接到第二LED74的陽極，並且第二LED74的陰極連接到第一LED72的陽極。阻抗元件64連接到LED橋70(在該位置上第二LED74的陰極連接到第一LED72的陽極)。LED橋70又連接到其中第一LED72的陰極連接到第二LED74的陽極的地參考62。當LED橋70的第一LED72或第二LED74接通時，LED被照亮從而對提供隔離屏障36的光學隔離器83的光電二極體86提供光學信號84。例如當AC波形超過第一預定電壓時第一LED72可以接通，第一預定電壓可以是用於向第一LED72施加正向偏壓的大約1伏的閾值電壓。例如當AC波形下降到第二預定電壓以下時第二LED74可以接通，第二預定電壓可以是用於向第二LED74施加正向偏壓的大約-1伏的閾值電壓。作為結果，當AC波形的電壓大於第一和第二預定電壓閾值時或當AC波形的電壓小於第一和第二預定電壓閾值時，LED橋70操作以傳送光。另外，當AC波形的電壓在第一和第二預定電壓閾值之內時，LED橋70操作以不傳送光。光電二極體86然後可以使用與場側隔離的控制器側電力96和控制器側地98參考，將如上所述的輸出信號55發送到圖3所示的模塊控制器48。阻抗元件64還可以連接到例如電阻器92和電容器94等分立元件，每個分立元件又連接到地參考62。這些分立元件可以提供對於AC波形的附加過濾和/或靜電放電保護。現在參考圖5和6，當在端子24和24'之間連接的AC波形60處於大約1伏的第一預定電壓閾值以上並且因此處於大約-1伏的第二預定電壓閾值以上的電壓時，LED橋70接通從而將光學信號84提供給光電二極體86。作為結果，光電二極體86傳導輸出信號55。當AC波形60近似在大約1伏的第一預定電壓閾值和大約-1伏的第二預定電壓閾值之間時，LED橋70關斷並且沒有光學信號84被提供給光電二極體86。作為結果，光電二極體86停止傳導輸出信號55。當AC波形60下降到大約-1伏的第二預定電壓閾值以下並且因此下降到大約1伏的第一預定電壓閾值以下時，LED橋70接通從而將光學信號84提供給光電二極體86。作為結果，光電二極體86傳導輸出信號55。現在參考圖7，將理解，輸出信號55的脈衝寬度可以用於確定在AC波形中的AC波形60的粗略電壓等級。例如，當AC波形60是240伏時，電壓擺幅將較陡，從而導致在絕對時間中測量到的相對窄的脈衝90。相反，當AC波形60'是相對較低的電壓(例如120伏)時，電壓擺幅將較慢地延長基極電壓的脈衝90'。這樣，可以確定I/O模塊在120或240伏的工作，並且可以進行其它簡單電壓測量。僅為了參考的目的本文使用某些術語，並且因此這些術語不意欲作為限制。例如，如「更高」、「更低」、「以上」和「以下」等術語涉及所參考的附圖中的方向。如「前」、「後」、「背後」、「底」和「側」等術語描述部件中的一些部分在一致的但任意的參考框架內的定位，通過參考描述所討論的部件的正文和相關附圖將使其清楚。該種術語可以包括上面具體提到的詞、它們的派生詞以及類似意思的詞。相似地，涉及結構的術語「第一」、「第二」和其它該種數字術語不意味著次序或順序，除非通過上下文清楚地指明。當介紹本發明和具體實施例的元件或特徵時，冠詞「一」、「一個」、「該」和「所述」意欲表示存在一個或更多個該種元件或特徵。術語「包括」、「包含」和「具有」意思範圍廣並且表示除了這些具體描述的之外還可以存在另外的元件或特徵。另外要理解，本文描述的方法步驟、處理和操作沒有被構建為必需需要它們以所討論或說明的特定順序執行，除非被具體識別為執行順序。還要理解，可以利用另外的或可選擇的步驟。對於「微處理器」和「處理器」或「該微處理器」和「該處理器」的參考可以被理解為包括一個或更多個可以在單機和/或分布式環境中進行通信的微處理器，並且因此可以被配置以經由有線或無線通信與其它處理器通信，其中該種一個或更多個處理器可以被配置為在一個或更多個相同或不同的處理器控制的裝置上工作。此外，除了以其它方式指明之外，對於存儲器的參考可以包括一個或多個處理器可讀和可訪問存儲器元件和或部件，它們可以處於處理器控制的裝置的內部、處理器控制的裝置的外部以及可經由有線或無線網絡訪問。與本申請在一致日期提交並且被指派了與本發明相同的受讓人的標題為OutputModuleForIndustrialControlWithSinkAndSourceCapabilityAndLowHeatDissipation和Zero-CrossingDetectorForIndustrialControlWithLowHeatDissipation的共同未決的專利申請全部併入本文作為參考。明確表示本發明不限於本文包括的實施例和說明，並且權利要求應該被理解為包括在隨後的權利要求的範圍內的這些實施例的修改形式(包括這些實施例的某些部分和不同實施例的元件的組合)。本文描述的包括專利和非專利公開的所有公開文獻因此被完全併入本文作為參考。