专利名称：可编程控制器的数字输出口保护器的制作方法
技术领域：
一种可编程控制器的数字输出口保护器。属于电器器件技术领域。
随着可编程控制器在电器控制领域中越来越广泛的应用，如何在使用中对它进行有效保护的要求亦越来越迫切。由于每台可编程控制器中都具有数量众多的数字输出口，而且在实际应用中，它们又直接与被控制的负载器件相连，因此在可编程控制器中，数字输出口最容易受到损害，特别是受到来自感性负载器件的损害。
负载器件对数字输出口造成的损害有以下几种1.由于负载器件因故过载，致使负载电流超过正常值，造成负载器件和数字输出口都受到不同程度的损害。为避免受到这种损害，各可编程控制器的生产厂家都在说明书中建议，为数字输出口外接一只熔断器。
2.因负载器件及其接线短路，致使数字输出口被烧毁。在有些种类的可编程控制器中，已对这种损害采取了措施，方法是用一只熔断器对多个数字输出口进行成组保护，例如西门子公司为它的每块型号为6ES5 451-8MD11的数字输出模板都加装了一只内部熔断器，该数字输出模板内含8个数字输出口，每个口输出额定值为0.5A，内部熔断器为10A，它虽然无法对每个输出口作过流保护，但却能作短路保护。可惜的是，因为熔断器装在内部，现场维修的电工无法更换。
3.感性负载在断开时产生放电电弧。这是所有可能对数字输出口造成的危害中发生最频繁的一种。原因是，在实际应用中，数字输出口所带的负载中大多数都是接触器、电磁铁、电磁阀这一类感性负载。
以最常使用的继电器型数字输出口为例，如果它所带的感性负载值已接近了纯阻性负载时的额定值，那麽在负载断开时的放电电弧足以把数字输出口中的继电器触点烧毁，或者大大损害了使用寿命。所以，几乎所有可编程控制器的生产厂家都在其产品说明书中注明，其数字输出口在配接感性负载时，不是要降低额定电流值，就是要限定使用条件。表1列出了世界上几个著名公司的产品 其数字输出口配接不同类型负载时的额定值及其使用要求。*****表1 各公司数字输出口带不同类型负载的能力比较*****
从上表中可以看出，数字输出口带感性负载后，额定值或使用寿命要大大降低。
由于目前市场上还没有数字输出口保护器供选用，所以可编程控制器的使用者只能采用如下一些保护措施(1).在数字输出口和负载之间补加熔断器，作为过流和短路保护器。
(2).有的用户在配接交流感性负载时，为每一个输出口都并接一个RC吸收电路作为消弧措施。
(3).也有的用户在配接交流感性负载时不是采用并接RC电路的方法，而是增设中间继电器。他们把中间继电器的线圈接在数字输出口上，再用中间继电器的触点来控制感性负载器件。
上述各方法虽然可行，但都存在一些缺点保护措施(1)的缺点是没有指示灯做为熔断器的熔断标志。保护措施(2)的缺点是，所需R和C的数值要根据不同的负载器件临时选配，否则会产生串联谐振，造成器件损坏，而且消弧效果不好，残留的弧光仍较大。保护措施(3)的缺点是，由于给每个数字输出口都增加一个中间继电器，使得电路结构和接线都变得相当复杂。另外，由于中间继电器也是感性负载器件，所以放电电弧并未被彻底消除。
除以上缺点之外，现行保护措施最大的缺点在于，由于可编程控制器的数字输出口数量庞大，所以如果对每个数字输出口都采取以上措施，整个系统的杂乱程度是可想而知的，这不仅会造成维修的不便，而且这些保护器件所占的安装体积比较大，一般要比数字输出口所占的体积大几倍。
本发明的目的在于提供一种保护器，它不仅能防护负载器件，特别是交流感性负载器件对数字输出口造成的上述三种危害，还能弥补目前采用的上述三种防护措施中的不足。
附
图1是本保护器电气原理方框图，它被装设于交流感性负载器件1和可编程控制器的数字输出口9之间，并用虚线框图住。位于虚线框两端线上的符号A、B、C、D代表保护器与外部连接用的接线端子。虚线框左面的单元1是感性负载器件，虚线框右面的单元9是数字输出口，数字输出口中的输出部分是一个继电器触点，供电电源由E，F两点加入。从功能上分，整个保护器是由汇集了多种保护功能的过流保护熔断器，熔断器断态指示电路和消弧电路三个部分所构成。其中单元1即过流保护熔断器，熔断器断态指示电路由检测开关单元3和指示灯4所构成，消弧电路由工作状态检测单元5，电流接续单元6，消陡峰电压单元7和尖峰电压吸收单元8所构成。
保护器各单元的具体工作原理如下由于过流保护熔断器2与负载1串联，因此负载中的电流必须首先流经熔断器2后才能流入数字输出口 9，当负载1过流引起电流增大时，熔断器2熔断起到了过流保护的作用。熔断器2熔断后，熔断器2两端的电压不再是0V，这将引起熔断器断态指示电路中的检测开关单元3由关闭转为导通，从而接通指示灯单元4，使指示灯亮。指示灯中的电流经E→单元1→A→单元3→单元4→B→F构成回路。所以保护器必须在接有负载器件时，指示灯才起作用。当熔断器2没有熔断时，它的两端电压为0V，不能打开检测开关单元3，指示灯不亮，整个熔断器断态指示电路几乎不耗电，以减小正常工作时给数字输出口带来的影响。在实际应用中。检测开关单元3由可控硅或晶体管和电阻构成。指示灯4可以是发光二极管，也可以是氖管或其他发光器件。
消弧电路是本保护器中非常重要的一部分。它由工作状态检测单元5，电流接续单元6，消陡峰电压单元7和尖峰电压吸收单元8构成。
从本质上看，感性负载器件之所以会在数字输出口断开时产生放电电弧，是因为负载器件的感性部分所存储的磁能无法立即消散。从回路中的电流现象看，是因为负载器件的感性部分不允许负载器件中的电流突然中断。因此，为了消除放电电弧，必须保持数字输出口在断开的瞬间电流的连续性。
当保护器应用在交流供电的场合时，在单元9接通期间，工作状态检测单元5检测出回路中的电流并以此打开单元6，使其处于导通状态。这时因单元9中的继电器触点处于短接状态，所以几乎无电流从单元6中流过。也就是说，此时单元6对数字输出口的工作无影响。在单元9突然断开的瞬间，回路中的电流平稳的被单元6接续过来，电流接续单元6的主要元件是由可控硅构成的，可控硅被触发后具有维持电流导通的特性，使回路中不会产生电流突变。因此，单元9上不会产生放电电弧，只是单元6的关断时间产生了滞后，单元6的导通状态一直要持续到感性负载流出的电流准备换向时才会阻断。由于在感性负载中的电流波形要滞后电压波形，所以阻断时刻的出现要比等到电源电压换向后还晚一段时间。滞后的具体时间与工作状况有关，最长可达十几毫秒。
当单元9由断开状态回到接通状态时，单元6不起接续电流作用，对单元9的工作不产生影响。
单元7由一个串联的RC支路构成，目的是为弥补单元6中的可控硅du/dt值较小的不足。
单元8是尖峰电压吸收单元，由一只压敏电阻或半导体稳压二极管构成。它的作用是吸收因电源波形不纯或电路抖动造成的随机性冲击干扰。
本保护器实施后，可产生如下积极效果(1)由于保护器把多种保护功能都汇集在一起，所以使用起来紧凑简捷，简化了系统的构造和接线，方便了维修。
(2)消弧功能的改善延长了数字输出口的使用寿命，而且把数字输出口带感性负载的能力提高了3-5倍，使数字输出口的能力得到充分发挥。
(3)根据需要进行改造后的一种保护器电路还具有扩展数字输出口的输出功率的功能。使用这种保护器后，可以把廉价的晶体管型数字输出口应用到直接控制交流感性负载的领域中去。从而减小了控制系统的投资。
本保护器可广泛应用于具有可编程控制器的电控系统中。
附图1是说明保护器电气原理的方框图。
附图2是保护器实施例1中的电路图。
附图3是保护器实施例2中的电路图。
附图4是保护器实施例3中的电路图。
附图5是接线端子型保护器实施例结构图。
附图6是模块型保护器实施例结构图。
下面结合各附图对本保护器的各实施例做如下说明
附图2--附图4是本保护器的一部分实施例所采用的电路图，各附图中的1-9分别代表附图1中的单元1-单元9。在各附图中均使用交流接触器KM作为单元1，用一只普通熔断器FU作为单元2，其额定电流值现场选定，一般为KM额定电流的110-120％。在附图2中，FU与KM串联。正常工作时，VH1截止，KM中的电流全部流经FU后进入下一级单元，VH1的触发极因被FU短路，因此无电流流过，对FU不起分流作用。这就保证了FU在负载过流时能可靠熔断。在FU熔断后，单元3中VH1的触发极中产生了电流，数值在0.5--1mA之间，它使得VH1打开，于是指示灯VL被点亮。
在本实施例的消弧电路中，工作状态检测单元5主要由V1，V2，V3，V4构成。当单元9中的KA闭合时，流入KA的电流会在V1，V2两端产生1.5V左右的电压降，这就使单元6中VH2的触发极中产生电流，电流大小由R4决定，一般为5-10mA左右，它使VH2打开。但因KA闭合将其短路，故其中无电流。当KA突然断开时，原KA中的电流被VH2接续过来，使C，D两端不能产生高电压，从而起到了消弧作用。这一接续过程维持到负载KM中的电流开始换相时，VH2截止，整个电路进入了正常的关闭状态。削陡峰电压单元7中的C2，R5与负载KM中的电阻成分r构成一个比例积分型的(r+R)C吸收回路。当系统开始通电瞬间导致PA，PN两端电压突然变化时，由于该吸收回路的积分作用，大大减小了VH2两端的电压变化率du/dt，从而保证了刚一通电时VH2不会误动作。这里的(r+R)C吸收回路与目前电控系统中做消弧使用的RC回路不同，其中的电容数值很小，在本实施例中，C2仅为0.01μF，这就避免了C2与感性负载器件产生谐振的可能性。
单元8中RV的作用与在工作原理中叙述的情况相同。
附图3的实施例示出了用两只单相可控硅作为电流接续单元6的情况。由于两只单相可控硅反向并联，因此用了两套附图2中的工作状态检测单元5。用单相可控硅做电流接续单元的优点在于它的du/dt值比双相可控硅大5倍左右，因此可以进一步减小单元7中的电容的数值。在本实施例中，其值仅为6800Pf。本实施例还示出了另一种形式的检测开关单元3，它使用结型晶体管作为开关器件。
附图4是一种具有功率扩展功能的保护器的实施例。它除了具有上两个实施例的保护功能外，还具有把数字输出口的驱动能力进行功率扩展的功能。它适用于采用低压晶体管型数字输出口来控制交流感性负载的应用场合。本例与上两例的区别在于，工作状态检测单元5主要是由光可控硅IC构成的。单元9利用V的导通/截止状态直接控制IC的通/断，IC的通/断又直接控制VH2触发极中的电流通/断，从而导致VH2打开/关闭。在本例中，由于单元9不再与VH2并联，所以负载器件中的电流全部流入VH2中，单元9仅起控制作用。
从结构上考虑，为了迎合不同的使用情况，本保护器可以做成接线端子型和模块型的两种结构形式。
附图5是接线端子型保护器外形结构的一个实施例。其中2-8分别代表电气原理方框图中的2-8各单元，A，B，C，D代表接线端子。它的壳体与普通接线端子类似，这样可以和普通接线端子安装在一起。保护器底爪的形状综合了各种普通接线端子的底爪特点，因此它既可以安装在普通接线端子的T型导轨上，也可以安装在普通接线端子的C型导轨上。
附图6给出了模块型保护器的一个实施例，它把多个保护器组合在一个壳体中，每个单元都是一个独立的保护器。图中的2-8也分别代表电气原理方框图中的2-8各单元，A，C，D代表接线端子。它适于与数字输出口也是模块形式的可编程序控制器配合，以求得协调统一。模块型保护器含有的保护器单元数量一般与数字输出模块的输出点数相同，常见的是4、8或16个单元。
两种保护器的壳体均由电气绝缘性能良好且阻燃的高分子材料制成，尼龙、ABS塑料、聚醋酸脂等均是常选用的材料。
保护器电路部分中的2-8单元都焊接在一块(也可以两块)印刷线路板上，并且安装在壳体内，其中熔断器，指示灯和接线端子位于壳体的上腔中，便于使用者更换，其它部分位于壳体的下腔中，并用环氧树脂灌封成一体，以加强器件的电气绝缘强度。
权利要求1.一种可编程控制器的数字输出口保护器，它装设在可编程控制器的数字输出口和负载器件之间，其特征在于是由汇集多种保护功能的过流保护熔断器，熔断器断态指示电路和消弧电路三个电路单元所构成。
2.依据权利要求1所述的可编程控制器的数字输出口保护器，其特征在于熔断器断态指示电路由检测开关单元3和指示灯4构成，其检测开关单元3由可控硅或晶体管和电阻构成，指示灯可以是发光二极管，也可以是氖管或其它发光器件。
3.依据权利要求1所述的可编程控制器的数字输出口保护器，其特征在于消弧电路由工作状态检测单元5，电流接续单元6，消陡峰电压单元7和尖峰电压吸收单元8所构成，其电流接续单元6中的主要元件由可控硅组成，尖峰电压吸收单元8中的主要元件是由一只压敏电阻或半导体稳压二极管所组成的。
4.依据权利要求1所述的可编程控制器的数字输出口保护器，其特征在于具有接线端子型和模块型两种外型结构形式，其中接线端子型保护器在使用时可以和普通接线端子安装在一起，既可以安装在普通接线端子的T型导轨上，也可以安装在普通接线端子的C型导轨上。
专利摘要一种可编程控制器数字输出口保护器,属于电器器件技术领域。它被装设于可编程控制器的数字输出口和负载器件之间。本保护器由过流保护熔断器,熔断器断态指示电路和消弧电路组成,可对负载器件,特别是感性负载器件所造成的过流,短路,电弧光进行有效保护。由汇集多种保护动能的过流保护熔断器,熔断器断态指示电路和消弧电路三个电路单元构成。本保护器具有接线端子型和模块型两种结构形式,可广泛应用于具有可编程控制器的电控系统中,它可以把输出口带感性负载的能力提高3—5倍。
文档编号H01H85/00GK2301790SQ9721254
公开日1998年12月23日 申请日期1997年3月20日 优先权日1997年3月20日
发明者王光伟 申请人:王光伟