[發明專利]用于工業控制的具有生成和吸收性能及低熱耗的輸出模塊

有效

• 申請號: 201310184785.8
• 申請日: 2013-05-17
• 公開（公告）號: CN103425063A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發明（設計）人: 約翰·R·奧康奈爾;達勒·特爾丹;大衛·A·帕塞拉;沙爾邁納·J·萬·米寧;布雷特·S·希爾德布蘭
• 申請（專利權）人: 洛克威爾自動控制技術股份有限公司
• 主分類號: G05B19/04
• 分類號: G05B19/04
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 康建峰;陳煒

技術領域

本發明涉及用于工業控制系統的I/O模塊，具體地涉及可以靈活地適應交流（AC）或直流（DC）功率的數字控制的低散熱I/O模塊。

背景技術

工業控制器是用于例如在工廠環境中控制工業過程或機器的專用計算機系統。工業控制器在很多方面不同于傳統的計算機。物理上，他們被構造成基本上更強地抵抗撞擊和損壞，并更好地抵御外部污染物和極端環境條件。處理器和操作系統被優化為用于實時控制，并且執行使現成的程序定制能夠與各種不同的控制器應用相適應的語言。此外，控制器具有高度模塊化體系結構，使得不同數量和不同類型的輸入和輸出模塊能夠被用于將控制器連接至要控制的過程或機器。通過使用與高可靠和可用的實時通信相適應的專用“控制網絡”來推動該模塊化。通過保證最大通信延遲（例如，由預先調度網絡的帶寬和/或對于高可用性提供冗余通信能力來獲得），這樣的控制網絡（例如，以太網IP）與標準的通信網絡（例如，以太網）不同。

作為其增強的模塊化的一部分，工業控制器可以利用專用于特定類型的電信號和功能（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模塊中的每個可以具有使得他們連同其他所選擇的I/O模塊能夠以不同的組合被安裝到殼體或機架中以滿足特定應用的要求的連接器系統。多個機架可以位于接近受控過程或機器的方便控制點處，以經由專門的控制網絡（例如以太網IP）與中央工業控制器進行通信。

通常，需要不同的I/O模塊來控制AC和DC信號以反映用于信號的控制裝置（例如，三端雙向可控硅開關元件與晶體管）中的差異。根據DC信號是從DC輸出模塊“生成（sourced）”還是“吸收（sinked）”到DC輸出模塊中，可能需要不同的I/O?DC模塊。

通常，與工業控制器（控制器側）通信的I/O模塊的電路系統和與受控過程或機器（現場側）通信的電路系統在光學上隔離，以防止現場側的故障損壞工業控制系統或其他I/O模塊。對于輸出電路（例如，AC輸出或DC輸出電路），可能必須提供獨立于在控制器側上可用的功率、用于現場側電路的操作的低壓DC源。這通常，通過使用降壓電阻將受控于I/O模塊的高電壓轉換成適于向現場側電路供電的較低電壓來實現。這種降壓電阻通常體積較大以處理所需的功耗，并且必須被隔開以幫助耗散伴生的熱。

通常通過三端雙向可控硅開關元件或晶閘管來提供AC電壓的控制，三端雙向可控硅開關元件或晶閘管可以通過依賴于受控AC信號的相移方案的常規觸發電路來在AC信號的過零處進行轉換（以減少電氣開關噪聲和功耗）。

發明內容

本發明提供了I/O模塊的輸出電路，其通過使用光伏光學隔離器消除了對用于生成現場側功率的高瓦特、功率下降的電阻器的需求，光伏光學隔離器通過光能轉換來生成自己的電功率。通過使用高壓場效應晶體管替代傳統的三端雙向可控硅開關元件來切換受控功率，來使光伏光學隔離器的使用變得可行。通過有源下拉晶體管檢測控制電壓下降的開始來對與光伏光學隔離器的低功率輸出和場效應晶體管的高阻抗有關的慢關斷時間進行管理。使用FET使得該電路能夠被用于AC和DC生成（sourcing）和DC吸收（sinking）操作。

可以通過使用獨立的過零檢測器來實現過零檢測，使得能夠通過基于與波形過零的可變相位關系而切換波形來靈活地控制AC波形。

更具體地，本發明的一種實施方式提供了一種用于在工業控制系統的I/O模塊電路，該I/O模塊電路具有殼體，殼體支承的端子，該端子用于接收要由I/O模塊電路進行控制的電功率。包含在殼體中的電路包括：至少一個場效應晶體管，場效應晶體管具有在端子之間串聯的源極和漏極以根據由場效應晶體管的柵極所接收的信號來控制流經端子的電流；光伏電壓光學隔離器，其具有連接至場效應晶體管的柵極的光伏堆并且與發光二極管光學隔離；以及可釋放的電連接器，其也由殼體支承，并且接收表示I/O模塊的端子處的電功率的期望控制的信號。

因此，本發明的至少一種實施方式的特征在于，提供一種輸出I/O模塊，該I/O模塊不需要用于形成現場側功率的降壓電阻器。本發明的至少一種實施方式的特征在于，提供一種降低熱耗的I/O模塊，從而允許更緊湊的設計和/或取消冷卻功能例如，風扇或易受故障或環境污染物影響的風扇。

包含在殼體中的電路可以包括兩個串聯連接的FET，并且光伏堆從兩個串聯連接的FET的被連接源極的連接點連接至兩個串聯連接的FET的柵極。