用于将可编程逻辑控制器连接至现场设备的自学装置的制作方法

本发明一般而言涉及现场设备的工业控制。更具体而言，本发明涉及一种新颖的装置，其能够自学，并能够识别可编程逻辑控制器(programmablelogiccontroller,plc)使用的输入卡和输出卡，以及能够基于plc采用的输入卡和输出卡的类型来适应现场设备与plc之间的信号路径，从而确保plc与现场设备是适当地连接的。

背景技术：

各种现场设备经常使用于不同工业应用。现场设备的一个例子是机械地与用于改变阀的位置(亦即使阀移动到其完全开启位置、完全闭合位置或在阀的完全开启位置与完全闭合位置之间的所需中间位置)的螺线管耦合的阀。这样的现场设备也可包括一个或多个传感器。这样的传感器可例如用于确定阀是否完全开启或完全闭合或确定阀的开启角度。这样的传感器也可用于确定经过阀的流量。

诸如上述的阀的现场设备的操作的控制通常由plc提供。当plc适当地连接至现场设备，plc从现场设备的传感器接收信号。响应于该传感器信号、plc的内部编程以及从其他来源经常接收到的输入，plc发出控制信号至螺线管以改变阀的位置。

诚然，如须plc从现场设备的传感器接收信号以及plc传送控制信号到现场设备，现场设备与plc的适当连接是必要的。不适当的连接不但使现场设备不能操作，而且也可损坏plc或现场设备。

一般plc采用的输入卡和输出卡有三种类型。此三种类型包括npn、pnp和推挽式可配置卡。每个由现场设备采用的致动器(例如螺线管)和传感器一般包括至少三个连接至plc的插脚。这些插脚包括正极供应(v+)、负极返回(v-)和信号。这些插脚也可以三种形式出现，就是npn、pnp和推挽式可配置插脚。为了传感器的类型与卡的类型匹配，必须使现场设备适当地连接至plc。同样地，致动器应与其连接的plc卡的类型匹配。

例如，npn传感器在操作时使用npn或n通道晶体管以使电流“流入(sink)”信号插脚。npn传感器适于与具有经上拉(一般至24v)的内部电阻的plc的源型(sourcing)输入卡连线。当传感器发出“非操作”信号，plc卡的上拉电阻将信号上拉，这会被plc的处理器演绎成二进制的“0”。

pnp传感器以不同的方式操作。pnp传感器在操作时使用pnp或p通道晶体管以使电流“流出(source)”至信号插脚。pnp传感器与“漏型(sinking)”的输入plc卡一起使用，该plc卡具有下拉至0v的内部电阻。当传感器发出“非操作”信号，plc卡的下拉电阻将信号下拉，这会被plc的处理器演绎成二进制的“0”。

推挽式/可配置(push-pull/configurable,ppc)传感器具有npn式晶体管和pnp式晶体管，两者皆可与源型plc输入卡和漏型plc输入卡一起使用。然而，关于操作状态应是“有效高”或“有效低”有不一致之处。处理器的逻辑可以经调整以选择“有效高”或“有效低”作为操作状态。

除了上文描述的涉及单一信号插脚的三个插脚传感器，若干设备包括多个信号插脚，使得使用多过三条导线来使传感器与plc连接。也有若干制造商提供两线(两插脚)传感器。这些传感器可连线到npn式plc卡或pnp式plc卡，但是并非与所有plc卡兼容。

除了上述plc卡的各种三线输入，由plc到现场设备的输出各异。例如，可使用两个插脚将螺线管连接至plc。一个插脚总是连线至v+或v-，另一个插脚连线至plc的输出卡。为了适当的连接，使用者需要知道plc在其信号(输出)线供应的是v+还是v-。然后，使用者将知道是否须将现场设备的另一个插脚连线至v+或v-。类似的问题存在于两插脚螺线管。

如从前文应可清楚看到，考虑到plc、在现场设备使用的传感器类型和致动器类型的多样性，通常很难将现场设备适当地连接至plc。

对于能够自学并且能够确定及建立plc的输入卡和输出卡与现场设备之间的适当连接的装置存在真正需求。

技术实现要素：

上述问题藉由提供适于测试、感应以及最终确定连线至现场设备的各个输入和输出的plc卡的类型的电路来解决。该电路位于plc与现场设备之间(或位于plc或现场设备之内)。该电路自动检测plc卡的类型。装置通过确定信号属于断路、短路、或具有期望(正确)阻抗。

在其最简单的形式，本发明的装置包括两种离散电路配置中的一种。第一种电路(本文中称为“di”)是自学输入，其适于识别现场设备的传感器输出与plc的输入卡的适当连接。第二种电路(本文中称为“do”)是自学输出，其适于识别现场设备的传感器输出与plc的输出卡的适当连接。di配置包括处理器，该处理器可以是独立处理器或可以是与plc或与现场设备采用的处理器相同。di配置还包括缓冲器、上拉电阻、下拉电阻、上拉开关、下拉开关、上驱动开关和下驱动开关。这些开关的每一个可以是适于由处理器控制的mosfet开关。受程式控制的处理器操作这些开关以确定现场设备的传感器与plc的输入卡的适当连接。当现场设备包括多个传感器时，可提供重复的di配置，即每个传感器设置一个di配置。

do配置还包括处理器，该处理器也可以是独立处理器或可以是与plc、现场设备或di配置采用的处理器相同。do配置还包括第二缓冲器、第二上拉电阻、第二下拉电阻、第二上拉开关、第二下拉开关和上拉/下拉电阻。受程式控制的处理器操作这些开关(也可以是mosfet开关)以确定现场设备的致动器与plc的输出卡的适当连接。当现场设备包括多个致动器时，可提供重复的do配置使每个致动器设置独立的do配置。

附图说明

从以下优选实施例的详细描述，尤其是当与附图一并考虑时，本发明的特征、目的和优点将对本领域技术人员而言变得更为显而易见，其中若干视图中相同的附图标记代表相应的部件：

图1是本发明的直接输入(di)电路的实施例的示意图；

图2和图3一起示出流程图，该流程图标示了图1的di为了确定plc的输入卡与传感器的输出之间的适当连接而采用的步骤；

图4是本发明的直接输出(do)电路的实施例的示意图；

图5至图8一起示出流程图，该流程图标示了图4的do为了确定plc的输出卡与致动器的输入之间的适当连接而采用的步骤；

图9是连接在plc的输入卡与现场设备之间的图1的di的示意图；

图10是连接在plc的输出卡与现场设备之间的图4的do的示意图；

图11是示出了三个图4所示的类型的do电路整合至plc输入卡的示意图，其中plc输入卡耦合到三个不同现场设备传感器，该传感器可以是单一现场设备的一部分或可以是三个不同的现场设备；

图12是示出了三个图1所示的类型的di电路整合至plc输入卡的示意图，其中plc输出卡耦合到三个不同致动器，该致动器可以是单一现场设备的一部分或可以是三个不同的现场设备；

图13是一种现场设备的示意图，两个图1所示的类型的di电路和两个图4所示的类型的do电路整合至现场设备中，采用di电路以将现场设备的不同传感器耦合到plc输入卡，以及采用do电路以将不同的致动器耦合到plc输出卡。

具体实施方式

具体实施方式的描述应结合附图进行理解，附图应视为本发明的整体文字描述的一部分。在说明书中，相关术语，例如「下面的」、「上面的」、「水平的」、「垂直的」、「上方」、「下方」、「上」、「下」、「顶部」和「底部」以及其衍生词(例如：「水平地」、「朝下」、「朝上」等)，应被理解为参考之后描述的或如说明中的附图所示的定向。这些相关术语是为了方便描述而使用的，而并不要求装置朝特定方向构造或操作。除非另有明确说明，诸如「连接于」、「连接」、「附接于」、「附接」、「结合于」和「结合」的术语可交替使用，并涉及一种结构或表面被固定到另一种结构或表面，或整体制成一块。

在其最简单的形式，本发明的装置包括两种离散电路配置中的一种，如图1所示的离散输入电路(discreteinput，di)1或如图4所示的离散输出电路(discreteoutput，do)2。其他形式的所述装置包括di电路1和do电路2两者。其他形式的所述装置还包括多个di电路1、或多个do电路、甚或多个di电路1和多个do电路2。参见图11至图13。

如图9所示，di1连接在plc的输入卡与现场设备(尤其是现场设备的传感器)之间。如图10所示，do2连接在plc的输出卡与现场设备(例如，现场设备的致动器，诸如螺线管)之间。即使图9和图10所示的di1和do2是独立元件，两者可整合至所述plc或所述现场设备中。

图1所示的di1包括第一控制器10、第一缓冲器12、上拉电阻14和下拉电阻16。第一控制器10适于致动四个mosfet开关，亦即第一上拉开关18、第一下拉开关20、上驱动开关22和下驱动开关24。di1还包括三个端口：第一正极供应(v+)25、第一电压返回(v-)26和第一信号27。

图4所示的do2包括第二控制器30、第二缓冲器32、上拉/下拉电阻34。控制器30适于致动两个mosfet开关，亦即第二上拉开关36和第二下拉开关38。do2还包括三个端口，亦即第二正极供应(v+)40、第二电压返回(v-)43和第二信号44。

即使图1和图4示出了两个独立控制器10和30，本发明的其他实施例可包括结合控制器10和30的功能的单一控制器。在其他实施例中，控制器10和30执行的功能可由plc的控制器或现场设备的控制器执行。

附图所示的其他实施例中，控制器10导致所述装置执行一连串的步骤来确定连接至传感器的plc的输入卡的类型。这些步骤在图2和图3中示出。

步骤50中，控制器10关掉开关22和开关24。开关22和24被保持在其关掉(非导电)的状态直到确定了连线至信号端口27的plc卡的类型为止。电流藉由闭合开关18和断开开关20来使电流流经电阻14，从而将信号经由缓冲器12置于控制器10。

经过预定时间后，控制器10执行步骤51。更明确而言，缓冲器12读出电压并将所述电压转换成输送至控制器10的逻辑1或0。控制器10确定输入电平的逻辑是否与由经激活的拉电阻(亦即电阻14或电阻16)和缓冲器12建立的逻辑相同。如果两者的逻辑是相同的，控制器10执行步骤52。如果两者的逻辑不是相同的，控制器10执行步骤53。

步骤52中，开关18和20经致动以有效地改变使用中的拉电阻14或16，从而上拉变成下拉或下拉变成上拉。经过预定时间间隔后，重复步骤51。如果信号端口27的输入电平的逻辑现在与经激活的拉电阻(亦即电阻14或电阻16)的逻辑不同，控制器10执行步骤53以识别电阻14或电阻16是否接着被激活。如果电阻14被激活，控制器10知悉信号端口27附接至plc的漏型/pnp输入卡，并且控制器10执行步骤54。如果电阻16被激活，控制器10知悉信号端口27附接至plc的源型/npn输入卡，并且控制器10执行步骤55。

步骤54和55皆包括断开mosfet开关18和20以阻挡电流流经两个电阻14和16。步骤54包括使用“有效高”逻辑于附接至所述传感器的plc的漏型/pnp输入卡来使开关22和24操作的额外步骤。(pnp输入卡中有接地的漏型电阻。)步骤55包括允许使用“有效低”逻辑于附接至所述传感器的plc的源型/npn输入卡的替代的额外步骤。(npn输入卡中有连结高电平的源型电阻。)

执行步骤54或55后，在步骤56控制器10继续执行正常传感器工作。控制器10还在步骤57执行测试以确定所述传感器的输出是否被短路。当使用者连线至设备，使用者可首先使所述设备的信号线暂时(由于使用者的失误)连接至电源的v+或v-，这将使自学算法产生错误确定结果。通过重新开始测试，确保所述自学算法将确定正确的卡类型，即使所述使用者意外地使所述信号线短路。只要没有检测到短路，控制器10持续执行正常传感器工作。如果任何短路被控制器10检测到，控制器10返回步骤50并重复包括上述步骤50至步骤56的过程。

此外，控制器30执行图5至图8示出的步骤。具体而言，在步骤60，电阻34经由断开开关38开启。在此情况下，信号44属于流入电流并且因此寻找plc的pnp式输出卡。控制器30在前进至步骤62前等候预定的时间间隔完结。

在步骤62，控制器30确定所述输入电平的逻辑是否与电阻34的逻辑相同。如果两者的逻辑是相同的，步骤63被执行使得开关36和38被致动以有效地改变电阻34的方向，从而上拉变成下拉或下拉变成上拉。预定的时间间隔完结后，步骤62再次被执行。

当在步骤62控制器30确定所述输入电平的逻辑与电阻34的逻辑并不相同，所述控制器执行步骤64的测试。在步骤64，所述控制器确定电阻34是否接着由开关36或开关38驱动。然后，如果开关38正在驱动电阻34，控制器30执行步骤65；而如果开关36正在驱动电阻34，控制器30执行步骤66。更具体而言，如果开关38正在驱动电阻34，plc的输出卡被确定是源型/pnp输出卡还是推挽式输出卡。如果开关36正在驱动电阻34，所述plc的输出卡是漏型/npn输出卡或是推挽式输出卡。

当步骤65被执行时，开关38维持闭合而开关36维持断开。或者，当步骤66被执行时，开关36维持闭合而开关38维持断开。在任何一个情况下，足够的电流被汲取至所述电路与诊断式输出卡相容(该诊断式输出卡被关掉时会泄漏电流，寻找断路)，并且所述控制器前进至步骤67。

在步骤67执行正常传感器工作，而所述控制器定期执行步骤68以识别输入逻辑状态是否改变，输入逻辑状态出现改变表示现在就是测试推挽式输出卡的正确时间。只要检测不到所述输入逻辑的状态的改变，所述控制器继续执行步骤67和68。

一旦检测到所述输入逻辑状态的改变，所述控制器执行步骤69。在此，所述控制器进行检查最后执行的步骤是步骤65或步骤66。如果最后执行的步骤是步骤65，控制器30接着执行步骤70。如果最后执行的步骤是步骤66，控制器30接着执行步骤71。步骤70和71允许所述控制器确定所述plc的输出卡是否推挽式输出卡。当执行步骤70时，开关38被闭合而开关36被断开。或者，当执行步骤71时，开关38被断开而开关36被闭合。

执行步骤70或71后，控制器30等候预定的时间间隔完结，然后执行步骤72并且再检查所述输入逻辑是否与电阻34的逻辑相同。如果两者的逻辑是相同的，在步骤73由控制器30对所述plc的输入卡进行确定，以确定不是推挽式卡。因此，如在步骤65和66被确定般，所述plc的输出卡是源型/pnp输出卡或是漏型/npn输出卡。控制器30接着执行步骤75。

或者，如果在步骤72控制器30确定所述输入逻辑与电阻34的逻辑并不相同，在步骤74控制器30识别出所述plc的输出卡是推挽式卡。接着，所述控制器执行步骤76。

在步骤75，如果控制器30先前已确定所述plc的输出卡是源型/pnp卡，控制器30前进至步骤77，而如果控制器30先前已确定所述plc的输出卡是漏型/npn卡，则控制器30前进至步骤78。如果所述plc的输出卡是源型/pnp卡，在步骤77开关36被断开而开关38被闭合。如果检测到漏型/npn卡，在步骤78开关36被闭合而开关38被断开。如果所述plc的输出卡是推挽式输出卡，在步骤76，所述推挽式输出卡被假设为有效高逻辑，并且控制器30闭合开关38以及断开开关36。这假设是根据大部分推挽式输出卡的制造方式而得出的。如果这假设经证实是错误的，所述plc和/或输出卡的内部编程可再编程使得这假设是正确的。执行步骤76、77和78的适当步骤后，控制器30在步骤80执行正常控制工作。

本领域技术人员将从上述说明理解到图1和图4的电路及执行图2、图3和图5至图8的流程图中反映的操作的程式结合以实现两个重要效果。第一，识别出所述现场设备附接的所述plc的输入卡类型和输出卡类型。第二，在那些输入卡和输出卡与所述现场设备之间建立适当连接。

本领域技术人员还将理解到可以在不偏离本发明的情况下进行修改。例如，上述di电路和do电路可被整合到plc卡的电路。更详细而言，一个或以上di电路1可被整合至plc输出卡。这是因为所述“di”电路传送数据至诸如现场设备的另一设备的输入端。所述plc输出卡发送数据至现场设备的输入端以控制所述现场设备的致动器。在其他情况下，所述plc输出卡仅提供电力予现场设备。在图12所示的例子，三个所述di电路被整合至plc输出卡。这些di电路分别耦合至三个不同的致动器。这些致动器可以是同一现场设备的一部分或三个不同的现场设备。

同样地，所述do电路可被整合至plc输入卡。这是因为所述do电路从另一设备的输出接收数据，该另一设备允许所述plc输入卡从现场设备的输出端接收数据。图11示出了三个do电路2被整合至plc输入卡的例子。每个do电路2连接至现场设备的个别传感器。这些传感器可以是同一现场设备的一部分或三个不同的现场设备。

图13示出了整合至现场设备的两个di电路1和两个do电路2，该现场设备具有两个致动器和两个传感器。di电路1用于将所述现场设备的传感器耦合至所述plc的plc输入卡。do电路2用于将所述现场设备的两个致动器连接至所述plc的plc输出卡。

本发明已在本文中相当详细地描述以符合专利法规，以及向本领域技术人员提供应用新颖原则及构造和使用所需实施例时需要的资料。然而，应该理解的是本发明可由特别不同的设备执行以及各种修改可在不偏离本发明自身的范围的情况下完成。