工业控制系统、I/O 模块电路及转换I/O 模块中的交流信号的方法

摘要

本发明提供了一种工业控制系统、工业控制系统中使用的I/O模块电路以及用于对工业控制系统中的I/O模块的交流信号进行转换的方法。与工业控制器一起使用的I/O电路通过使用过零电路而提供具有低功耗的过零检测器电路，该过零电路仅在过零处的非常短的时期（而不是除过零之外的所有时间）内激活光耦合器的发光二极管。该电路被耦合有电源电路，该电源电路使用无功元件用于电压下降而不是电阻式降压元件，从而以光耦合器的低功耗进一步可能地降低功耗。

说明书

技术领域

本发明涉及用于工业控制系统的I/O模块，具体地涉及可以利用过零 检测来灵活地适应交流（AC）电源的数字控制的低散热I/O模块。

背景技术

工业控制器是用于在例如工厂环境中控制工业过程或机器所使用的 专用计算机系统。工业控制器以多种方式不同于常规计算机。物理上，它 们被构造为实质上对于撞击和损坏更具有鲁棒性，并更好地抵御外部污染 物和极端环境条件。处理器和操作系统被优化为用于实时控制，并且执行 使准备的用户化程序能够符合各种不同的控制器应用的语言。通常，控制 器具有高度模块化体系结构，其允许使用不同数量和类型的输入和输出模 块将控制器连接至受控过程或机器。该模块化通过使用适于高度可靠和可 用的实时通信的特定“控制网络”而便利。通过保证例如由预调度网络带 宽所获得的最大通信延迟和/或向高可用性提供冗余通信能力，这样的控 制网络（例如，以太网IP）不同于标准通信网络（例如以太网）。

作为其增强型模块化的一部分，工业控制器可以采用专用于特定类型 的电信号和功能（例如，检测输入的AC或直流（DC）信号或控制输出 的AC或DC信号）的I/O模块。这些I/O模块中的每一个可以具有连接 器系统，该连接器系统允许这些I/O模块与其它选定的I/O模块以不同的 组合被安装在壳体或单元中，以匹配特定应用的要求。多个单元可以位于 接近受控过程或机器的方便控制点处，以经由特定控制网络（诸如以太网 IP）与中央工业控制器进行通信。

通常，需要不同的I/O模块来用于对反映针对信号所使用的控制装置 中的差异（例如，三端双向可控硅开关元件相对于晶体管）的AC和DC 信号进行控制。根据DC信号是从DC输出模块“流出（sourced）”还是 “流入（sinked）”到DC输出模块中，可能需要不同的I/O DC模块。

同工业控制器通信的I/O模块的电路（控制器侧）通常与同受控过程 或机器通信的电路（现场侧）光学隔离，以防止现场侧中的故障损坏工业 控制系统或其它I/O模块。对于输出电路（诸如AC输出或DC输出电路）， 独立于在控制器侧上可用的电源，可能必须提供用于现场侧电路的操作的 低压DC源。通常，通过使用降压电阻来实现这一点，该降压电阻将受控 于I/O模块的高电压转换成适于向现场侧电路供电的较低电压。这种降压 电阻器通常体积较大以处理所需的功耗，并且必须被隔开以帮助耗散故障 热。

通常通过三端双向可控硅开关元件或晶闸管来提供AC电压的控制， 三端双向可控硅开关元件或晶闸管可以根据正在控制的AC信号的相移 形式、通过常规的触发电路在AC信号的过零处进行转换（以减少电气开 关噪声和功耗）。

发明内容

本发明提供了一种用于与提供AC信号的相位控制的I/O模块一起使 用的过零检测器，该过零检测器具有大幅减少的功耗。晶体管电路在仅接 近AC波形的过零点的短暂时期内提供光隔离器的激活，从而大幅降低由 该相对高的电流元件消耗的功率。降低的电流需求使阻抗（而非电阻）有 限电源能够避免伴随降压电阻器的功耗，该降压电阻器通常用于对供晶体 管电路使用的AC波形的电压进行调节。降低的功耗允许具有更近间隔的 显著更小的部件用于更紧凑的I/O模块。

更具体地，本发明的一个实施方式提供了一种用于在工业控制系统中 使用的I/O模块电路，该I/O模块电路设置有壳体，该壳体具有由其支承 的端子以用于接收要由I/O模块电路进行控制的电功率。包含在壳体中的 电路提供晶体管开关元件，其具有连接到端子以从端子接收AC波形的输 入端并且具有提供过零信号的输出端，该过零信号表示在接近AC波形的 零电压的第一和第二预定电压阈值内的AC波形的电压。具有发光二极管 的光隔离器被连接至晶体管开关元件以根据过零信号进行接通和关断，并 且光隔离器具有接收来自LED的光的光敏固态开关以提供光隔离的过零 信号，其中来自晶体管开关元件的过零信号仅在AC波形处于第一和第二 电压阈值之间的时期提供LED的导通。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于，在AC周期的一小部 分内提供LED的导通，从而极大地节约电功率。

晶体管开关元件可以针对在交流120伏至交流240伏范围内的AC波 形提供小于百分之五的占空比。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于，通过限制在预期电压 的范围内的散热需求来提供更紧凑的I/O电路。

晶体管开关元件可以包括：在AC波形高于第一阈值时导通的第一晶 体管；在AC波形低于第二阈值时导通的第二晶体管；以及第三晶体管， 其与第一和第二晶体管连通以仅在第一和第二晶体管均不导通时导通。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于，提供一个相对简单的 电路来针对AC零电压检测定义接近零电压的窄范围，例如通常可能需要 更复杂的电压比较器电路。

第一晶体管可以是基极连接至AC波形的NPN晶体管，第二晶体管 可以是基极连接至AC波形的PNP晶体管，并且其中NPN晶体管和PNP 晶体管彼此并联连接并且与电阻串联至由电源电路提供的电压，并且其中 所述电阻与并联连接的NPN晶体管和PNP晶体管之间的节点被连接至通 过光隔离器的LED来控制电流的第三晶体管的基极。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于，利用双极型晶体管的 固有导通特性提供低的电压检测阈值。本发明的至少一个实施方式的另一 个特征在于，利用NPN晶体管和PNP晶体管提供定义接近零电压的范围 所必需的两个不同阈值。

晶体管开关元件通过电阻直接连接至AC波形而不整流。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于，例如通过接在单一阈 值检测器之后的全波整流器来消除对于定义多个电压阈值的整流桥等的 需求。

I/O模块电路还可以包括：用于接收光隔离的过零信号的微处理器； 以及从微处理器接收控制信号以控制端子上的AC波形的转换的开关元 件。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于，利用通常在I/O模块 中建立的处理器电路来代替通常用于三端双向可控硅开关元件控制的相 位延迟电路。

微处理器可以根据由微处理器接收的相位控制信号、以相对于隔离的 过零信号的预定相位延迟提供开关信号。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于，提供不限于过零控制 的灵活AC控制。

I/O模块电路还可以包括电源电路，其接收AC波形以对AC波形进 行整流来向晶体管开关元件提供功率。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于，根据正在控制的AC 波形向必要的过零检测电路提供功率。

电源接收电路可以包括用于限制电源电路的电流的、串联连接的非电 阻（nonresistance）阻抗。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于，消除阻性压降系统中 固有的功耗。

这些特定的目的和优点可以适用于落入权利要求范围内的仅一些实 施方式，因此不限定本发明的范围。

附图说明

图1是适于与本发明一起使用的类型的远程I/O单元的立体图，其中 示出了壳体，壳体中包含多个I/O模块，以用于经由端子与工业过程通信 并且经由网络线缆与远程工业控制器通信；

图2是示出在包含多个远程I/O单元和工业控制器的工业控制系统的 背景下的图1的I/O单元的框图；

图3是远程I/O单元的框图，其示出了用于将I/O单元中安装的I/O 模块附接至与网络线缆和电功率连通的公共总线的连接器，并且示出了设 置功率控制电路和受控于微控制器的过零电路的一个I/O模块；

图4是图3的过零电路的详细图解，例如可以从输出端子接收AC波 形以通过光隔离器提供隔离信号；

图5示出在仅接近AC波形的过零点的短时期内的AC波形与光隔离 器的LED的转换的对齐图；

图6是针对图4的电路的光隔离器的LED的转换的状态相对于AC 波形电压的图；以及

图7是示出关于不同AC波形幅值的、图6的脉冲宽度变化的对齐图， 从而允许间接幅值监测。

具体实施方式

现在参照图1和图2，I/O块10可以设置有具有多个槽14的单元壳 体12，以用于对相应的可替换或永久安装的I/O模块16进行定向和支承。 I/O模块16通常在工业控制器17与工业过程或机器18之间提供电气接 口，工业过程或机器18具有由外部现场侧电源22供电的、呈现为负载 20的致动器，电源22可以是AC电源（如图所示）或DC源，如将要描 述的。I/O模块16中的每一个可以具有暴露的螺纹端子24，以用于经由 电导线26将I/O模块16的电路连接至工业过程或机器18的负载20和现 场侧电源22。

I/O块10的壳体12可以被支承在例如本领域中已知类型的DIN导轨 29上，或可以提供允许壳体12被定位为靠近期望的受控负载20的其它 安装布置。I/O块10可以经由控制网络28（例如，控制网或以太网IP） 连接至工业控制器17，以用于在I/O块10的I/O模块16与工业控制器 17之间通信控制数据。

通常，工业控制器17将包括用于执行包含在通信存储器34中所存储 的控制程序32的至少一个处理器30，以提供与控制网络28的通信，从 而根据所存储的控制程序32与I/O块10交换信号以控制工业过程或机器 18。所存储的控制程序32（从传感器等）读取表示工业过程或机器18的 状态的信号，并且将输出写入到I/O块10以根据那些感测的输入和控制 程序32的逻辑来控制负载20。工业控制器17可以包括到用户接口终端 35（例如，包括显示器、计算机、键盘、鼠标等）的连接，从而允许工业 控制器17的编程和其它控制并且向操作者提供信息输出。适于与本发明 一起使用的工业控制器17包括例如来自罗克韦尔（Rockwell）自动化公 司的市售可编程控制器。

通常，每个I/O块10的I/O模块16在工业过程或机器18的电功率 和电路与I/O模块16的直接连接部分之间包括电气隔离层36，并且工业 控制系统的电路包括工业控制器17、网络28、I/O块10以及I/O模块16 的剩余部分。如本文所理解的电气隔离是指电路的一部分并且在I/O块 10内不通过DC电路径进行连通。将电气隔离层36的朝向工业过程或机 器18的一侧上的电路称为“现场侧”电路，并且将电气隔离的朝向工业 控制器17的一侧上的电路称为“控制器侧”电路。如在本领域中所理解 的，电气隔离可以由防止通过电气隔离层36进行DC传导的光隔离器或 变压器来实现，以防止在现场侧电路上发生故障时对控制器侧电路的损 坏。该隔离防止通过跨越隔离层36的导线在控制侧上的电路与现场侧上 的电路之间简单地共享电功率。

现在参照图3，每个I/O块10可以提供底板40，该底板40提供与底 板总线44通信的一组电可释放或永久连接的电连接器42，从而提供并行 或串行的数字通信和电功率。电功率可以由电源43提供。底板总线44 上的数字通信可以由单元控制器46调节，该单元控制器46包括与工业控 制网络28通信的网络电路45。单元控制器46和网络电路45例如可以为 用于执行存储器等中所存储的存储程序的一个或更多个电子处理器。

构成底板总线44的电连接器42可以与被定位在每个I/O模块16的 背面的相应电连接器47连接，从而在将I/O模块16插入到I/O块10中 时使得I/O块10的控制器侧电路与I/O模块16的控制器侧电路之间的电 连接在其间直接传送数据和功率。在每个I/O模块16内，模块控制器48 （例如，微控制器）可以执行所存储的程序50以通过与多个输出电路52 和相应的多个过零检测器电路54进行通信来协调I/O模块16的功能。如 将要描述的，这些输出电路52和过零检测器电路54中的每一个可以在控 制器侧与现场侧电路之间内部地提供电隔离层36。这些输出电路52和过 零检测器电路54中的每一个还与共享的一组端子24（为清楚起见仅示出 三个）通信，该端子24例如可以是可释放地容纳电导线26的螺纹型端子。

如本领域中将理解的，过零检测器电路54提供对于施加在跨接AC 电源线的端子24（如所描述的两个外部端子24）上的波形的过零检测， 以产生被发送到模块控制器48并表示端子24上的交流波形的过零时刻的 过零信号55。

接收该过零信号55的模块控制器48向每个输出电路52提供开关状 态信号56，每个输出电路52基于开关状态信号56来表示输出端子24（如 所描绘的中心端子24）处的期望电功率控制。在一种操作模式下，通过 仅在AC波形的过零点处打开或闭合输出端子24与线路端子24之间的电 路，或经由开关状态信号56由输出电路52来改变在输出端24与另一端 子24之间的导通，以：（1）降低在用于控制通过输出端子24传导的功率 的内部开关元件中的功耗；（2）调节开关元件的特性的架构（例如，当使 用三端双向可控硅开关元件时）；和/或（3）减少电磁干扰的产生。

可替代地，在不同的操作模式下，模块控制器48例如可以从底板40 （如从控制器17传送的）接收开关命令信号，以在AC波形的除过零点 之外的时间处命令端子24'与24之间的导通转换，从而例如提供AC波形 的占空比控制。该后一种操作模式例如可以更精确地控制电阻发热元件的 平均电流，或者可以用于处理无功负载。该相对于过零信号的、转换的相 位偏移控制可以由所存储的程序50中的适当指令实现。

现在参照图4，过零检测器电路54可以接收跨接在端子24上的AC 波形60，例如在一个端子24'处为参考地62，在端子24处为AC波形。 在一个实施方式中，AC波形将为约60Hz并且电压在交流120伏和240 伏之间。

接收AC波形的端子24可以连接到包括串联连接的电感器66和电容 器68的阻抗元件64，电容器68又连接至齐纳二极管70的阴极，齐纳二 极管70的相对端连接至地62。

当齐纳二极管70导通时，齐纳二极管70可以具有相对低的零齐纳电 压（例如，5伏），从而将AC波形60的基本上整个电压提供为阻抗元件 64两端的电压降。为此，必须将阻抗元件64的大小设置为提供该必需的 电压降，并且必须限制流过齐纳二极管72的电流和对于该部件可接受的 值（通常为几百毫安或更低）。应理解，与阻塞电阻（blocking resistance） 相比，无功阻抗元件64可以阻断电流流动而不消耗大量的能量，使得在 该电流限制处理中基本上不产生热量。

阻抗元件64与齐纳二极管70之间的节点（处于低的齐纳调节电压） 可以连接到整流二极管72的阳极，整流二极管72的阴极连接至滤波电容 器78，滤波电容器78连接在整流二极管72的阴极和地之间。整流器72 与滤波电容器78的组合将其节点处的稳压DC电源提供至电阻器74和电 阻器76，电阻器74和电阻器76两者均连接至该节点。

电阻器74传递到作为光隔离器83的一部分的发光二极管（LED）80 的阳极。LED80的阴极转而与NPN开关晶体管82的集电极连接，NPN 开关晶体管82的发射极连接到地62。当开关晶体管82导通时，LED80 点亮以将光信号84提供至光隔离器83的光电晶体管86，从而得到隔离 层36。光电晶体管86可以被输出为过零信号55，从而如上所述的被引导 至图3中所示的模块控制器48。

如上所述且也在整流器72与滤波电容器78的节点处连接至稳压DC 电源的电阻器76，将稳压DC电源提供至第一PNP晶体管90的发射极 和第二NPN晶体管92的集电极。PNP晶体管90的集电极和NPN晶体 管92的发射极均连接到地，并且晶体管90和92的基极均接合到高阻抗 电阻94，高阻抗电阻94的另一端附接至用于接收AC波形60的端子24。 该电阻94提供与AC波形60同相的触发信号，从而避免阻抗元件64的 相移。

PNP晶体管90的发射极和NPN晶体管92的集电极还与开关晶体管 82的基极接合以提供基极电压91，使得开关晶体管82将仅在晶体管90 和92两者均关断（阻断集电极与发射极之间的电流）时导通（在其集电 极与发射极之间传导电流），并且相反地，当晶体管90和92中任一者导 通时关断开关晶体管82。将进一步理解，当PNP晶体管90和NPN晶体 管92均关断时，PNP晶体管90的发射极和NPN晶体管92的集电极将 被保持在约0.7伏，其为晶体管90和92两者均关断时晶体管82的基极 到发射极的正向偏置电压。

现在还参照图5和图6，当连接在端子24和24'之间的AC波形60 处于低于零伏的电压时，PNP晶体管90将导通，从而将开关晶体管82 的基极电压91拉至低电压，以关断开关晶体管82并且停止通过LED80 的电流的传导。

当AC波形60介于约零伏至0.7伏之间时，PNP晶体管90将关断， 并且NPN晶体管92将由于缺乏其发射极节点的充足正向偏置而类似地再 次关断。此时，晶体管82的基极电压91上升到足以导通开关晶体管82 和LED80。

当AC波形60上升到高于约0.7伏时，PNP晶体管90使其发射极反 向偏置并且关断，但NPN晶体管的发射极92被正向偏置为导通，通过 NPN晶体管92的饱和电压再次将基极电压91拉为接近地并且关断开关 晶体管82。

因此，应理解，开关晶体管82和LED80基本上在AC波形的大部 分周期内关断，从而节省功率。通常，基极电压91的占空比以及因此LED 80的占空比将小于10%，更典型地显著低于AC波形60的周期的百分之 一。这种减小的占空比提供由阻抗元件64、整流器72以及滤波电容器78 所提供的电源的较小电流损耗，从而使这些部件相对较小并且允许使用低 电流的齐纳二极管70。

现在参照图7，应理解，波形91的脉冲的宽度并且因此输出过零信 号55的脉冲的宽度可以用于确定AC波形内AC波形60的粗略电压电平。 例如，在AC波形60为240伏时，过零点将较陡峭，从而导致以绝对时 间测量的相对窄的脉冲91。相反，当AC波形60'是相对较低的电压时， 例如120伏，过零将较缓慢，从而扩展基极电压90'的脉冲。以此方式， 可以确定在120伏或240伏下的I/O模块的操作，并且可以做出其它简单 的电压测量。

在本文中使用的某些术语仅用于参考的目的，因此并非意在限制。例 如，诸如“上”、“下”、“上方”和“下方”的术语是指附图中所参考的方 向。诸如“前面”、“背面”、“后面”、“底部”和“侧”的术语描述在参照 系的一致却任意的框架内部件的部分的方向，其通过参照描述所讨论的部 件的文本和相关联附图而变清晰。这些术语可以包括上面具体提及的词 语、其派生词以及类似的外来词汇。类似地，除非通过文字明确地表示， 术语“第一”、“第二”以及其它这样的数值数据并不意味着顺序或次序。

当引入本公开内容的元素或特征以及示例性实施方式时，冠词“一”、 “一个”、“该”和“所述”意在表示存在一个或更多个这样的元素或特征。 术语“包括”、“包含”和“具有”意在包括性的并且意味着除那些具体提 及的之外还可以存在另外的元素或特征。进一步要理解，本文所描述的方 法步骤、过程和操作不应被解释为必需以所讨论或示出的顺序来要求它们 的履行，除非被具体说明为履行顺序。还要理解，可以采用另外的或替代 的步骤。

“微处理器”和“处理器”或“该微处理器”和“该处理器”的引用 可以被理解为包括一个或更多个微处理器，该一个或更多个微处理器可以 在独立的和/或分布式环境中进行通信，并且因此可以被配置为经由有线 或无线通信与其它处理器进行通信，其中这样的一个或更多个处理器可以 被配置为在可以是相同或不同的装置的一个或更多个受控于处理器的装 置上进行操作。此外，除非另有规定，否则存储器的引用可以包括一个或 更多个处理器可读且可访问的存储器元件和/或部件，其可以在受控于处 理器的装置内部、在受控于处理器的装置外部、以及可以通过有线或无线 网络进行访问。

将与本发明同日提交的并且被转让给与本发明相同的受让人的题为 “Input Circuit For Industrial Control With Low Heat Dissipation”序列 号为__和题为“Output Module For Industrial Control With Sink And  Source Capability And Low Heat Dissipation”序列号为_____的共同未决 的专利申请的全部内容通过引用并入本文。

要特别注意，本发明不限于本文所包含的实施方式和描述，并且权利 要求应当被理解为包括属于所附权利要求的范围的那些实施方式（包括实 施方式的部分）的修改形式，以及不同实施方式的元素的组合。本文所描 述的所有出版物（包括专利和非专利出版物）的全部内容通过引用并入本 文。