[发明专利]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

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。