CN110612453B - 数字输入接收器中的电线断裂检测 - Google Patents

Abstract

光电耦合器(350)串联放置于数字输入电路(300A、300B)的现场接地引脚(FGND)和工业控制器的现场接地(351)之间。针对每一数字输入提供到现场接地(351)的电容器(356A、356B)。将电阻器(354A、354B)提供到所述数字输入电路(300A、300B)的输入引脚(IN)。为了检测断裂电线，将测试脉冲(TEST PULSE)提供到接地路径中连接的所述光电耦合器(350)。此测试脉冲(TEST PULSE)使所述数字输入电路(300A、300B)与现场接地(351)隔离。因为当电线未断裂时始终从现场提供电流，所以连接于输入和接地之间的所述电容器(356A、356B)充电。在所述测试脉冲(TEST PULSE)已完成之后，检查所述数字输入电路(300A、300B)的输出信号(OUT)。如果电平指示输入为高，则电线未断裂。然而，如果输出保持低从而指示输入为低，则电线已断裂。

Description

数字输入接收器中的电线断裂检测

技术领域

本发明大体上涉及工业控制，且更具体地说涉及工业控制中的数字输入逻辑电路。

背景技术

在工业工厂环境中，通常存在各种开关和传感器为控制过程提供输入。开关和传感器接线到工业控制器(通常被称为可编程逻辑控制器)的数字输入。因为电线必须穿越工业工厂环境，所以预期会发生电线的断裂(尽管并非常见)。当电线断裂时，工业控制器认为相应数字输入为逻辑低电平，但实际输入电平可能为高，因为开关闭合且传感器已被激活。因此，需要能够容易地确定从开关或传感器到工业控制器的电线何时断裂。

可在数字输入电路包含现场侧电力时容易地执行此检测，但此电路较复杂且因此较昂贵，且因此不能广泛使用。工业控制器中使用的较常见数字输入电路从输入或现场侧的特定传感器和开关汲取电流。通常，将DC电压提供到传感器或开关，使得当传感器或开关处于闭合位置时，将电压提供到数字输入电路。为了当传感器或开关断开开时从所述传感器或开关提供电力，与开关或传感器接触件并联提供电阻器以提供低电流路径。不同于包含现场侧电力的数字输入电路，输入供电式数字输入电路无法确定电线何时断裂。因此，设计者陷入使用较昂贵、复杂且不合需要的现场侧电力来提供数字输入电路或无法检测断裂电线的困境。因此，需要在使用较合乎需要且较简单的输入供电式数字输入电路的同时能够检测断裂电线。

发明内容

实例允许使用较简单的现场供电式数字输入电路，但仍提供检测断裂电线的能力。在一实例中，光电耦合器串联放置于数字输入电路的现场接地引脚和工业控制器的现场接地之间。针对工业控制器的每一数字输入提供到现场接地的电容器。提供从工业控制器的输入到数字输入电路的输入引脚的电阻器。在操作中，为了检测断裂电线，将测试脉冲从工业控制器微控制器提供到接地路径中连接的光电耦合器。测试脉冲使数字输入电路与现场接地隔离。因为当电线未断裂时在开关或传感器闭合时的完全电压下或在开关或传感器断开时使用旁路电阻器的小电流下始终从现场提供电流，所以从接地断开的数字输入电路允许连接于输入和接地之间的电容器充电。充电速率由各种电阻器控制，即旁路电阻器以及数字输入电路输入和工业控制器输入之间的任何电阻器两者。在测试脉冲已完成之后，微控制器检查数字输入电路的输出信号以监视其高或低电平。如果电平指示输入为高，则这是电线未断裂的指示。然而，如果数字输入电路的输出保持低从而指示输入为低，则这是来自传感器或开关的电线已断裂的指示。以此简单的方式，可使用较合乎需要的输入供电式数字输入电路，但电线断裂检测仍可用。

附图说明

图1是连接到传感器或开关的数字输入控制器的简单设计的框图。

图2是数字输入电路的替代设计的框图。

图3是包含一系列数字输入和用于允许电线断裂检测的电路的工业控制器的第一实例的框图。

图4是图3的实例的操作的时序图，且到工业控制器的输入信号为高。

图5是图3的实例的操作的时序图，此时到工业控制器的输入信号为低。

图6是图3的实例的操作的时序图，此时到工业控制器的输入的电线断裂。

图7是实例工业控制器的框图。

图8是用以形成第二实例的图1的电路的经修改型式的框图。

具体实施方式

图1展示工业控制器的传统数字输入电路100。光电耦合器102是电路100中的有源元件。例如24V电源等电压源104提供于现场工业环境中，以为数字输入电路100提供电源。传感器或开关106连接到电压源104，其中电阻器108并联连接到传感器或开关106。提供从传感器或开关106和电阻器108到工业控制器的现场输入端子112的现场输入线110。出于电流限值和保护的目的提供电阻器114和116。光电耦合器102的光电二极管118经连接使得当传感器或开关106处于闭合位置时，电流穿过电阻器114且穿过光电二极管118从电压源104流动到传感器或开关106。当此发生时，光电二极管118发光且激活光电晶体管120。通过电阻器122，光电晶体管120的发射极连接到接地，且集极被拉动到达逻辑电平(例如5V)。光电晶体管120的集极作为数字输入值提供到工业控制器的主机微控制器140的逻辑输入。从此电路100显而易见，如果电线110断裂，则光电二极管118决不会被供电，且因此数字输入电路100的输出始终为高电平，因为光电晶体管120决不会被激活以下拉输出信号。因此，工业工厂的运营者不能够确定传感器或开关106是否始终断开或电线110是否断裂。

图2展示传统数字输入电路200，其允许在低条件下确定输出信号，从而指示光电耦合器的故障。大体来说，许多组件类似于图1中展示的组件，且使用第一数位被二代替的元件编号。电压源204将电压提供到传感器或开关206和并联电阻器208。现场输入线210将传感器/开关206和电阻器208连接到现场输入端子212。提供从现场输入端子212到电阻器214的保护电阻器222。电阻器222和电阻器214之间的结点接收保护二极管224的一侧，其还连接到接地。光电二极管218的阳极连接到电阻器214。电阻器216从电阻器214连接到现场接地251。光电二极管218的阴极连接到光电耦合器226中的光电晶体管228的集极。光电晶体管228的发射极连接到现场接地。光电耦合器226的光电二极管230的阴极连接到逻辑接地241，且阳极连接到微控制器240的逻辑输出，其中微控制器240也连接到逻辑接地。光电耦合器202中的光电晶体管220的集极连接到微控制器240的输入。

在操作中，由微控制器240向光电二极管230提供脉冲串。这致使光电晶体管228断开和闭合，使得允许光电二极管218导电到接地，或者不允许其导电到接地。在此条件下，光电晶体管220应向微控制器240提供类似于从微控制器240提供的波形但反转的波形。如果所述波形类似，则数字输入电路200不卡在零，而是可操作的。然而，如果到微控制器240的输入决不变化且始终为低，则光电耦合器202卡在零处且已经发生故障。

图3展示实例工业控制器301。类似组件的百位改变。示出两个数字输入电路300A和300B。电压源304向现场提供电压。开关306A和并联电阻器308A从电压源304连接到一个现场输入端子312A。类似地，传感器306B和并联电阻器308B从电压源304连接到现场输入端子312B。在图3的实例中，代替于成为如图1和2中所展示的光电耦合器，数字输入电路300A和300B使用跨越基于二氧化硅的隔离障壁的高频载波调制以在现场和工业控制器301之间提供电容隔离。此装置的实例为用于由Texas

提供的数字输入模块的ISO1211隔离24-V到60-V数字输入接收器。熟悉ISO1211的资料表是有帮助的，因为该说明书引用ISO1211的引脚。

光电耦合器350提供于工业控制器301中。光电耦合器350中的光电晶体管352的发射极连接到现场接地端子351。光电晶体管352的集极连接到数字输入电路300A和300B的现场接地引脚。利用两个数字输入电路300A、300B到单个光电耦合器350的此连接，数字输入电路300A、300B应包含反向电流阻隔以防止经由其它引脚充电。

阈值电阻器354A、354B连接到现场输入端子312A、312B。阈值电阻器354A、354B的另一端连接到数字输入电路300A、300B的感测输入；连接到保持电容器356A、356B的一个端子且连接到电流限值电阻器358A、358B的一端。保持电容器356A、356B的第二侧连接到现场接地。电流限值电阻器358A、358B的第二端连接到数字输入电路300A、300B的输入引脚。数字输入电路300A、300B的Vcc输入连接到电压源，例如5V。数字输入电路300A、300B的逻辑输出连接到微控制器340的逻辑输入，使得现场输入端子312A、312B处的逻辑值提供到微控制器340以用于控制工业过程，这与在输出处反转输入信号的图1和2的光电耦合器形成对比。在所示出的实例中，数字输入电路300A、300B的启用输入还连接到微控制器340。在许多设计中，数字输入电路的启用输入和输出将经由锁存器和缓冲器耦合到微控制器340，而非如所示出直接连接。光电耦合器350中的光电二极管360的阳极连接到微控制器340的输出。光电二极管360的阴极连接到数字或逻辑接地341。光电二极管360的此连接允许微控制器340控制光电晶体管352的状态，使得可视需要移除数字输入电路300A、300B到现场接地。微控制器340在内部或外部包含随机存取存储器和非易失性存储器，例如快闪存储器。非易失性存储器存储由微控制器340执行以执行其各种功能的程序，所述功能包含对于断裂输入电线的测试。

为了确定到输入的断裂电线，通过微控制器340的逻辑输出将测试脉冲(低进脉冲)提供到光电二极管360，到光电二极管360的信号正常为高电压。此测试脉冲致使数字输入电路300A、300B的现场接地引脚解耦或断开连接。这允许保持电容器356A、356B在正从现场提供电流的情况下产生电压。

图4示出因为相关开关或传感器闭合且电线未断裂所以输入信号为高的情况。提供测试脉冲持续给定周期以允许保持电容器386充电，如下文中所描述。输入电压为高(在实例中为24V)，且保持电容器356的电压也为高或24V。因为数字输入电路300A、300B为非反相，因而数字输入电路300A、300B的输出是测试脉冲的延迟型式。微控制器340接着在完成测试脉冲稍后对数字输入电路300A、300B的输出取样，如取样时间线所指示。在图4中，输出为高电平，这不可以在ISO1211作为数字输入电路的断裂电线情形中发生。因此，图4的结论是，电线未断裂。

图5示出当输入信号处于低或0V条件时的操作。将测试脉冲提供到光电二极管360，且从数字输入电路300A、300B移除现场接地。尽管输入信号处于零电压，但当电线未断裂时仍汲取现场电流。尽管现场电流在微安范围内，但由于从数字输入电路300A、300B移除现场接地，所以保持电容器356充电。可基于数字输入电路输入、高状态电流、现场电压、数字输入电路低阈值电压和限定的输出脉宽来确定保持电容器356的大小。在因而确定保持电容器356大小的情况下，可基于电容器大小、现场输入电流(其中低)和现场电压来确定测试脉冲宽度。等式为：

dt＝所需的测试脉冲的最小宽度

dt＝C₃₅₆*ΔV1/I_IN0，其中

ΔV1＝24V(从0充电到24V)

I_IN0＝低状态中可能的最小低电流(取决于现场发射器)

Tp＝最小输出脉宽。

Tp＝C₃₅₆*ΔV2/I_IN1，其中

ΔV2＝24V-7V(7V为低阈值的值，VIL)

I_IN1＝来自ISO1211的最大高电流(24V处2.7mA)

表1提供使用ISO1211和24V现场电压的各种实例值。

表1

I<sub>IN0</sub>	C<sub>356</sub>	dt	Tp
				l00uA	10nF	2.4ms	63us
l00uA	l00pF	24us	630ns
				500uA	l0nF	0.48ms	63us
500uA	l00pF	4.8us	630ns

由微控制器340在完成测试脉冲稍后在取样时间处对数字输入电路300A、300B的输出取样产生高电压读数，这是因为已经跨越保持电容器356产生电压。当再次激活光电二极管360时，这致使光电晶体管352变为有源且将数字输入电路300A、300B的现场接地引脚连接到现场接地，此时，保持电容器356基于电阻器358的值和数字输入电路输入的高状态下的电流而放电。通过恰当地选择各种值，保持电容器356上的电压保持高足够长的时间从而被视为测试脉冲之后的取样时间处的高值。与图4的实例一样，取样时间处数字输入电路300A、300B的输出的高值指示电线未断裂。

图6示出电线断裂时的操作。测试脉冲提供到光电二极管360。与图5中展示的情况中一样，这致使从数字输入电路300A、300B移除接地，这将允许保持电容器356充电。然而，因为电线断裂，所以没有现场电流提供到保持电容器356，且因此保持电容器356保持在低或零电压。当由微控制器340在完成测试脉冲稍后在取样时间处执行数字输入电路300A、300B的输出的取样时，数字输入电路300A、300B的输出为低或零。这是电线已断裂的指示。

因此，在电线连接且输入为高或输入为低的任一情况中，数字输入电路300A、300B的输出值为完成测试脉冲之后的取样时间处的高电平。然而，如果电线断裂，则数字输入电路300A、300B的输出为低。

图7是实例工业控制器或可编程逻辑控制器700的框图。微控制器702在工业控制器700中提供智能。模拟输入704和数字输入706连接到微控制器702。模拟输入704和数字输入706从定位于现场环境中的各种传感器和开关708接收其输入。微控制器702将输出提供到模拟输出710和数字输出712。模拟输出710和数字输出712连接到现场中连接的致动器714以根据需要操作机构来控制所要过程。通信模块716连接到微控制器702，且互连到其它工业控制器，且是出于微控制器702的编程目的而提供。电力供应718通常向工业控制器700提供电力。这是出于阐释目的对工业控制器的简化说明，且工业控制器可具有许多不同架构。

微控制器702包含快闪存储器，其含有软件以管理工业控制器700来管理所要过程。软件还提供用户输入机制以指示需要执行断裂电线测试，提供测试脉冲，且在取样时间处对数字输入循环输出取样。断裂电线测试可周期性地执行，依照由用户设定的时间表执行，或按用户的需求或请求而执行。

图8是被修改为包含光电耦合器和电容器以形成第二实例的图1的传统光电耦合器实例。类似元件包含来自先前相关图的元件编号。光电耦合器350使光电晶体管352的集极连接到光电二极管118的阴极和电阻器。光电晶体管352的发射极连接到现场接地。保持电容器356添加在输入和现场接地之间。为简单起见，反向电流阻隔组件已经从图8省略。将测试脉冲提供到光电二极管360的阳极以执行电线断裂测试。

用以确定保持电容器356大小的等式类似于上文提供的等式，只是高电平输入电流必须足够大以激活光电二极管118，且必须包含电阻器116的考虑因素。

在所示出的实例中，光电耦合器350已经用作隔离器以使数字输入电路从现场接地断开连接。可使用其它组件代替光电耦合器，例如固态中继器、无源输入隔离器、数字隔离器等。在大多数情况下，所述组件具有开放式集极或开放式漏极输出级，且具有对于数字输入电路要求来说足够大的输出电流处理容量。因此，所述组件具有两个信号输入和两个信号输出。在输入的一个状态中，输出经连接使得电流可流动穿过所述输出，发射极和集极或漏极和源极之间的电压在此条件中为标称电压。在输入的其它状态中，输出断开连接，使得电流无法流动穿过所述输出。当在所描述实例中使用时，输入将连接到数字接地，且微控制器输出和所述输出将连接到数字输入电路的现场接地和现场接地引脚。

所示出的实例已经使用ISO1211隔离数字输入接收器和光电耦合器作为实例数字输入电路。可使用提供现场和逻辑侧之间的隔离的各种其它组件，例如固态中继器、无源输入隔离器、数字隔离器等。

所示出的实例已经展示数字输入电路和光电耦合器为单独的装置。数字输入电路和光电耦合器可集成到单个装置中。在此单个装置中，数字输入电路现场接地和光电晶体管集极之间的连接将在内部，单个装置的现场接地连接到光电晶体管的发射极。单个装置将具有用于光电二极管的阳极的输入，其中光电二极管的阴极在内部连接到逻辑接地。因此，所述单个装置相对于单独的数字输入电路具有一个额外引脚，即用于光电二极管的输入。

通过在现场接地引脚和现场接地之间添加光电耦合器且在输入和现场接地之间添加保持电容器，可使用测试脉冲来确定来自开关或传感器的电线是否断裂。这允许使用简单的输入供电式数字输入电路，且仍具有对断裂电线进行测试的能力。

在权利要求书的范围内，对所描述实施例的修改是可能的，且其它实施例是可能的。

Claims (17)

1.一种控制器，其包括：

现场输入端子，其用于连接到现场输入线，所述现场输入线在未断裂时携载电流；

现场接地端子；

微控制器，其具有逻辑输入及逻辑输出，其中所述微控制器连接到逻辑接地；

数字输入电路，其具有现场输入、现场接地、逻辑输出及逻辑接地，其中所述现场输入耦合到所述现场输入端子，且所述逻辑输出耦合到所述微控制器；

电容器，其连接于所述现场输入端子和所述逻辑接地之间；以及

隔离器，其具有耦合到所述微控制器逻辑输出的第一信号输入、耦合到所述逻辑接地的第二信号输入、第一现场输出和连接到所述现场接地端子的第二现场输出，其中当所述第一信号输入处于第一状态时，所述第一现场输出连接到所述现场接地，且当所述第一信号输入处于第二状态时，所述第一现场输出从所述现场接地断开连接；

其中所述微控制器包含第二逻辑输入，所述控制器进一步包括：

第二现场输入端子，其用于连接到第二现场输入线，所述第二现场输入线在未断裂时携载电流；

第二数字输入电路，其具有耦合到所述第二现场输入端子的现场输入、现场接地、耦合到所述微控制器第二逻辑输入的逻辑输出和逻辑接地；以及

第二电容器，其连接于所述第二现场输入端子和所述现场接地端子之间；

其中所述第二数字输入电路现场接地连接到所述隔离器第一现场输出。

2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述隔离器为具有光电二极管和光电晶体管的光电耦合器，所述光电二极管的阴极为所述第一信号输入，所述光电二极管的阳极为所述第二信号输入，所述光电晶体管的集极为所述第一现场输出，且所述光电晶体管的发射极为所述第二现场输出。

3.根据权利要求1所述的控制器，其中所述微控制器包含非易失性存储器，所述非易失性存储器存储在所述微控制器上执行的程序，存储在所述非易失性存储器中的一个程序控制所述微控制器以在某一周期内将所述微控制器逻辑输出从第一状态进行脉冲控制到第二状态从而基于现场输入线电流在所述电容器上产生电荷，且在完成所述脉冲之后并在所述电容器放电到输入低电平之前读取所述微控制器逻辑输入。

4.根据权利要求1所述的控制器，其中所述数字输入电路和所述第二数字输入电路各自包含反向电流阻隔。

5.根据权利要求1所述的控制器，其中所述数字输入电路为数字输入接收器。

6.根据权利要求1所述的控制器，其中所述数字输入电路为光电耦合器。

7.一种用于控制器的数字输入，所述控制器包含：用于连接到现场输入线的现场输入端子，所述现场输入线在未断裂时携载电流；现场接地端子；和微控制器，所述微控制器具有逻辑输入、逻辑输出，其中所述微控制器连接到逻辑接地，所述数字输入包括：

数字输入电路，其具有用于耦合到所述现场输入端子的现场输入、现场接地、用于耦合到所述微控制器逻辑输入的逻辑输出和逻辑接地；

隔离器，其具有用于耦合到所述微控制器逻辑输出的第一信号输入、用于耦合到逻辑接地的第二信号输入、连接到所述数字输入电路现场接地的第一现场输出和用于连接到所述现场接地端子的第二现场输出，其中当所述第一信号输入处于第一状态时，所述第一现场输出有效地连接到所述第二现场输出，且当所述第一信号输入处于第二状态时，所述第一现场输出从所述第二现场输出断开连接；以及

电容器，其连接于所述数字输入电路现场输入和所述隔离器第二现场输出之间；其中所述微控制器包含第二逻辑输入，且所述控制器包含用于连接到第二现场输入线的第二现场输入端子，所述第二现场输入线在未断裂时携载电流，所述数字输入进一步包括：

第二数字输入电路，其具有用于耦合到所述第二现场输入端子的现场输入、现场接地、用于耦合到所述微控制器第二逻辑输入的逻辑输出和逻辑接地；以及

第二电容器，其连接于所述第二数字输入电路现场输入和所述隔离器第二现场输出之间，

其中所述第二数字输入电路现场接地连接到所述隔离器第一现场输出。

8.根据权利要求7所述的数字输入，其中所述隔离器为具有光电二极管和光电晶体管的光电耦合器，所述光电二极管的阴极为所述第一信号输入，所述光电二极管的阳极为所述第二信号输入，所述光电晶体管的集极为所述第一现场输出，且所述光电晶体管的发射极为所述第二现场输出。

9.根据权利要求7所述的数字输入，其中所述微控制器包含非易失性存储器，所述非易失性存储器存储在所述微控制器上执行的程序，存储在所述非易失性存储器中的一个程序控制所述微控制器以在某一周期内将所述微控制器逻辑输出从第一状态进行脉冲控制到第二状态从而基于现场输入线电流在所述电容器上产生电荷，且在完成所述脉冲之后并在所述电容器放电到输入低电平之前读取所述微控制器逻辑输入。

10.根据权利要求7所述的数字输入，其中所述数字输入电路和所述第二数字输入电路各自包含反向电流阻隔。

11.根据权利要求7所述的数字输入，其中所述数字输入电路为数字输入接收器。

12.根据权利要求7所述的数字输入，其中所述数字输入电路为光电耦合器。

13.一种检测从环境向控制器提供信号的断裂电线的方法，所述控制器包含：用于连接到现场输入线的现场输入端子，所述现场输入线在未断裂时携载电流；现场接地端子；和微控制器，所述微控制器具有逻辑输入、逻辑输出且连接到逻辑接地，所述方法包括：

提供数字输入电路，所述数字输入电路具有用于耦合到所述现场输入端子的现场输入、现场接地、用于耦合到所述微控制器逻辑输入的逻辑输出和逻辑接地；

提供隔离器，所述隔离器具有用于耦合到所述微控制器逻辑输出的第一信号输入、用于耦合到逻辑接地的第二信号输入、连接到所述数字输入电路现场接地的第一现场输出和用于连接到所述现场接地端子的第二现场输出，其中当所述第一信号输入处于第一状态时，所述第一现场输出有效地连接到所述第二现场输出，且当所述第一信号输入处于第二状态时，所述第一现场输出从所述第二现场输出断开连接；

提供电容器，所述电容器连接于所述数字输入电路现场输入和所述隔离器第二现场输出之间；

向所述隔离器第一信号输入提供从第一状态到第二状态的脉冲，如此，结果是所述数字输入电路在某一周期内从现场接地断开连接以基于现场输入线电流在所述电容器上产生电荷；

在所述脉冲完成之后且在所述电容器放电到输入低电平之前读取所述数字输入电路逻辑输出；以及

基于数字输入电路逻辑输出值确定所述现场输入线是否断裂；

其中所述微控制器包含第二逻辑输入，且所述控制器包含用于连接到第二现场输入线的第二现场输入端子，所述第二现场输入线在未断裂时携载电流，所述方法进一步包括：

提供第二数字输入电路，所述第二数字输入电路具有用于耦合到所述第二现场输入端子的现场输入、连接到所述隔离器第一现场输出的现场接地、用于耦合到所述微控制器第二逻辑输入的逻辑输出和逻辑接地；

提供第二电容器，所述第二电容器连接于所述第二数字输入电路现场输入和所述隔离器第二现场输出之间；

在所述脉冲完成之后且在所述电容器放电到输入低电平之前读取所述第二数字输入电路逻辑输出；以及

基于第二数字输入电路逻辑输出值确定所述第二现场输入线是否断裂。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述隔离器为具有光电二极管和光电晶体管的光电耦合器，所述光电二极管的阴极为所述第一信号输入，所述光电二极管的阳极为所述第二信号输入，所述光电晶体管的集极为所述第一现场输出，且所述光电晶体管的发射极为所述第二现场输出。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述数字输入电路和所述第二数字输入电路各自包含反向电流阻隔。

16.根据权利要求13所述的方法，其中所述数字输入电路为数字输入接收器。

17.根据权利要求13所述的方法，其中所述数字输入电路为光电耦合器。

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