CN116300673A - 基于中间继电器的plc数字量输入模块内部电路保护的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于中间继电器的PLC数字量输入模块内部电路保护的装置，包括中间继电器，中间继电器与外界现场设备和外部PLC数字量输入模块连接，中间继电器通过触点连接保护电路模块，保护电路模块连接前端采集输入模块，前端采集输入模块连接CPU模块，CPU模块连接隔离输出模块，还连接有预警模块、通讯模块、电源输入模块和复位模块，隔离输出模块与中间继电器相连，CPU模块还外接有显示屏；该发明作为隔离装置可代替现场端传来的开关信号输入到PLC数字量输入模块中，使现场设备与PLC数字量输入模块无直接联系，保护PLC数字量输入模块内部的电路不受外部不良信号的冲击，提高PLC控制系统运行的可靠性与稳定性，减少设备故障发生率，保证余热回收的效果。
Description
技术领域
本发明涉及电子通信领域，尤其是基于中间继电器的PLC数字量输入模块内部电路保护的装置。
背景技术
目前三车间余热回收电气控制方式采用的是西门子可编程序控制器(以下简称PLC)控制，PLC采用西门子新一代ET200SP现场分布式I/O系统，系统由一个西门子CPU模块(CPU1510SP-1NP)和若干输入输出模块(以下简称I/O模块)、基座单元及一个服务器模块组成，I/O模块插在基座中，通过基座连接到CPU模块，系统结构设计为模块化，I/O模块可以以任何组合方式插到无源的基座中，是高度灵活的可扩展系统。
该系统中I/O模块包括有数字量输入模块(简称DI模块)、数字量输出模块(简称DQ模块)、模拟量输入模块(简称AI模块)及通讯模块，PLC输入模块将现场各类开关量、传感器模拟量信号传送到PLC的CPU进行处理，结果通过PLC输出模块的输出，去控制现场阀门、电机等执行。但在实际使用中，PLC的数字量输入模块DI受现场环境(电磁环境)、电源质量等多种因素的影响，不稳定的电压、电流信号进入到数字量输入模块DI的内部电路中，将DI模块内部元件烧毁。此情况经常出现，影响现场余热回收设备的运行，造成余热回收效率降低能耗增加。
因此亟需一种能避免因外界因素，造成PLC数字量输入模块DI出现烧点情况的装置，保证余热回收设备有效运行。
发明内容
本发明为了解决上述存在的技术问题，提供基于中间继电器的PLC数字量输入模块内部电路保护的装置。
本发明的技术方案是这样实现的：
基于中间继电器的PLC数字量输入模块内部电路保护的装置，包括中间继电器，所述中间继电器输入端与外界现场设备连接，输出端与外部PLC数字量输入模块连接，所述中间继电器通过触点连接保护电路模块输入端，所述保护电路模块输出端连接前端采集输入模块输入端，所述前端采集输入模块输出端连接CPU模块输入端，所述CPU模块输出端连接隔离输出模块输入端，所述CPU模块还连接有预警模块、通讯模块、电源输入模块和复位模块，所述隔离输出模块输出端与中间继电器相连，所述CPU模块还外接有显示屏，所述显示屏显示内容包括信号源信息和电路状态信息。
所述保护电路模块包括限流单元和防静电单元，限流单元采用串联电阻限流，防静电单元采用瞬时电压电涌抑制器抑制静电。
所述前端采集输入模块包括阻抗匹配单元，用于将所有接收到的信号均传递至CPU模块，不会有信号反射回来源点，阻抗匹配方法是利用智能算法求取阻抗匹配参数，当信号源内阻抗等于CPU模块阻抗，即两者的模和辐角分别相等，则CPU模块阻抗得到无失真的信号传输；当信号源内阻抗的共轭值等于CPU模块阻抗，即两者的模相等而辐角之和为零，则CPU模块阻抗上得到最大功率；当信号源内阻抗不等于CPU模块阻抗，即两者的模不相等，则阻抗匹配单元通过改变CPU模块输入端的阻抗或调整传输线的波长，将所有信号无反射不失真传输至CPU模块中。
所述CPU模块包括特征识别单元、学习模型单元和输出判断单元，
所述特征识别单元处理分析前端采集输入模块所传输过来的所有原始信号，提取信号的高电平的持续时间、低电平的持续时间、电平的变化频率处理成为信号特征，将特征传输至学习模型单元；
所述学习模型单元根据特征识别单元中识别提取得到的信号特征信息，识别实时波形，利用机器学习的方法，使用支持向量机、决策树、逻辑回归中的一种或多种分类算法，建立特征学习模型，将信号特征与正常工作状态下的波形进行对比，利用特征学习模型得出当前波形特征所属的信号状态，当信号特征与正常工作状态下的波形一致时，代表信号源为良好信号源，当某一信号特征出现异常时，代表信号源为不良好信号源；
所述输出判断单元根据学习模型单元中提供的信号源状态信息，判断所接收到的信号的输出状态，当信号源为良好信号源时，控制打开隔离输出模块的输出端，即开关电路，开关电路便驱动中间继电器的线圈运作，从而打开中间继电器使良好信号源完整输出至PLC数字量输入模块，当信号源为不良好信号源时，控制关闭开关电路和中间继电器，拦截不良信号的输出，并将不良信号信息传输至预警模块和通讯模块中。
所述隔离输出模块的输入端包括限流单元和脉冲吸收单元，输出端为开关电路，所述限流单元为串联电阻，所述脉冲吸收单元采用电容、TVS二极管或钳位二极管中的一种，隔离吸收中间继电器中线圈产生的脉冲信号，包括尖峰、浪涌、短路和过载，所述开关电路采用MOS开关电路、变压开关电路或光耦开关电路中的一种。
所述预警模块获取CPU模块处理完成后的不良信号源信息，并将告警信息显示于外接的显示屏中。
所述通讯模块根据CPU模块处理完成后得到的信号来输出相应的数字量信号，与外部控制器的通讯模块进行通信连接，由外部控制器监控内部信号和电路运行状态。
所述复位模块包括轻触式外部按键和低通滤波电路，通过连接CPU模块，当调试、安装、测试时，按下外部按键，使开关电路处于复位状态，进而复位中间继电器，并将复位信息显示于显示屏中和传输至通讯模块中。
所述电源输入模块包括稳压单元，将不稳定的直流电压转换为稳定的直流电压，对供电电压进行稳压处理，并输出预设的输出电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本隔离装置通过设置保护电路模块保护CPU模块输入引脚，限流防烧，防静电击穿引脚，通过设置前端采集输入模块匹配阻抗，保证信号源无失真完整传输到CPU模块中，通过设置CPU模块识别信号源特征并建立学习模型，能够精确判断出信号源的良好与否，对于陌生的或者微弱的不良信号也能被准确识别得出，而不会错误判断良好信号，大大降低无法识别是否为不良信号从而让不良信号通过的可能性，系统正常或出现故障均能通过预警模块、通讯模块和显示屏能够及时告知外界操作人员，通过设置隔离输出模块避免中间继电器的线圈损坏CPU模块引脚，以及关闭开关电路避免不良信号通过，通过中间继电器形成隔离，以此代替现场端传来的开关信号输入到PLC数字量输入模块中，使现场设备与PLC数字量输入模块之间没有直接联系，保护PLC数字量输入模块内部的电路不受外部不良信号的冲击，提高PLC控制系统运行的可靠性与稳定性，减少设备故障发生率，保证余热回收的效果，具有良好的市场前景。
附图说明
图1是本发明基于中间继电器的PLC数字量输入模块内部电路保护的装置的架构图。
图2是本发明基于中间继电器的PLC数字量输入模块内部电路保护的装置的结构示意图。
图3是本发明基于中间继电器的PLC数字量输入模块内部电路保护的装置的工作流程图。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明提供基于中间继电器的PLC数字量输入模块内部电路保护的装置，为加深本发明的理解，下面将结合实施案例对本发明作进一步详述。本发明可通过如下方式实施：
基于中间继电器的PLC数字量输入模块内部电路保护的装置，包括中间继电器，所述中间继电器输入端与外界现场设备连接，输出端与外部PLC数字量输入模块连接，所述中间继电器通过触点连接保护电路模块输入端，所述保护电路模块输出端连接前端采集输入模块输入端，所述前端采集输入模块输出端连接CPU模块输入端，所述CPU模块输出端连接隔离输出模块输入端，所述CPU模块还连接有预警模块、通讯模块、电源输入模块和复位模块，所述隔离输出模块输出端与中间继电器相连，所述CPU模块还外接有显示屏，所述显示屏显示内容包括信号源信息和电路状态信息。
所述保护电路模块包括限流单元和防静电单元，限流单元采用串联电阻限流防烧，防静电单元采用瞬时电压电涌抑制器抑制静电，避免静电击穿CPU模块的引脚。
所述前端采集输入模块包括阻抗匹配单元，用于将所有接收到的信号均传递至CPU模块，不会有信号反射回来源点，阻抗匹配方法是利用智能算法求取阻抗匹配参数，当信号源内阻抗等于CPU模块阻抗，即两者的模和辐角分别相等，则CPU模块阻抗得到无失真的信号传输；当信号源内阻抗的共轭值等于CPU模块阻抗，即两者的模相等而辐角之和为零，则CPU模块阻抗上得到最大功率；当信号源内阻抗不等于CPU模块阻抗，即两者的模不相等，则阻抗匹配单元通过改变CPU模块输入端的阻抗或调整传输线的波长，将所有信号无反射不失真传输至CPU模块中。
所述CPU模块包括特征识别单元、学习模型单元和输出判断单元，
所述特征识别单元处理分析前端采集输入模块所传输过来的所有原始信号，提取信号的高电平的持续时间、低电平的持续时间、电平的变化频率处理成为信号特征，将特征传输至学习模型单元；
所述学习模型单元根据特征识别单元中识别提取得到的信号特征信息，识别实时波形，利用机器学习的方法，使用支持向量机、决策树、逻辑回归中的一种或多种分类算法，建立特征学习模型，将信号特征与正常工作状态下的波形进行对比，利用特征学习模型得出当前波形特征所属的信号状态，当信号特征与正常工作状态下的波形一致时，代表信号源为良好信号源，当某一信号特征出现异常时，代表信号源为不良好信号源；
所述输出判断单元根据学习模型单元中提供的信号源状态信息，判断所接收到的信号的输出状态，当信号源为良好信号源时，控制打开隔离输出模块的输出端，即开关电路，开关电路便驱动中间继电器的线圈运作，从而打开中间继电器使良好信号源完整输出至PLC数字量输入模块；当信号源为不良好信号源时，控制关闭开关电路和中间继电器，拦截不良信号的输出，并将不良信号信息传输至预警模块和通讯模块中。
所述隔离输出模块的输入端包括限流单元和脉冲吸收单元，输出端为开关电路，所述限流单元为串联电阻，所述脉冲吸收单元采用电容、TVS二极管或钳位二极管中的一种，能够隔离吸收中间继电器中线圈产生的脉冲信号，包括尖峰、浪涌、短路和过载等，防止其烧坏CPU模块引脚，所述开关电路采用MOS开关电路、变压开关电路或光耦开关电路中的一种，能够提高CPU模块引脚的驱动能力以及在驱动时保护CPU模块的输出能力，防止中间继电器损害CPU模块。
所述预警模块获取CPU模块处理完成后的不良信号源信息，并将告警信息显示于外接的显示屏中，能够及时告知操作人员。
所述通讯模块根据CPU模块处理完成后得到的信号来输出相应的数字量信号，与外部控制器的通讯模块进行通信连接，由外部控制器监控内部信号和电路运行状态，实现远程监控。
所述复位模块包括轻触式外部按键和低通滤波电路，通过连接CPU模块，当调试、安装、测试时，按下外部按键，使开关电路处于复位状态，进而复位中间继电器，并将复位信息显示于显示屏中和传输至通讯模块中。
所述电源输入模块包括稳压单元，将不稳定的直流电压转换为稳定的直流电压，对供电电压进行稳压处理，并输出预设的输出电压，用于适应电路电压和保证系统内部电路稳定工作。
实施例1
基于中间继电器的PLC数字量输入模块内部电路保护的装置，包括中间继电器，所述中间继电器输入端与外界现场设备连接，输出端与外部PLC数字量输入模块连接，所述中间继电器通过触点连接保护电路模块输入端，所述保护电路模块包括限流单元和防静电单元，所述保护电路模块输出端连接前端采集输入模块输入端，所述前端采集输入模块包括阻抗匹配单元，所述前端采集输入模块输出端连接CPU模块输入端，所述CPU模块包括特征识别单元、学习模型单元和输出判断单元，所述CPU模块输出端连接隔离输出模块输入端，所述隔离输出模块的输入端包括限流单元和脉冲吸收单元，输出端为开关电路，所述CPU模块还连接有预警模块、通讯模块、电源输入模块和复位模块，所述电源输入模块包括稳压单元，所述复位模块包括轻触式外部按键和低通滤波电路，所述隔离输出模块输出端与中间继电器相连，所述CPU模块还外接有显示屏，所述显示屏显示内容包括信号源信息和电路状态信息。
信号通过外界现场设备传输进入本装置，原始信号经保护电路模块输入端进入保护电路模块，通过瞬时电压电涌抑制器消除静电，通过串联电阻限流防烧，经处理后的信号由保护电路模块输出端流入前端采集输入模块的输入端中，通过阻抗匹配单元求取信号源内阻抗和CPU模块阻抗的阻抗匹配参数，得到两者的模和辐角均相等，信号无失真传输至CPU模块的输入端，利用特征识别单元提取信号的高电平的持续时间、低电平的持续时间、电平的变化频率处理成为信号的特征，将特征信息传输至学习模型单元，利用机器学习的方法，使用决策树分类算法，建立特征学习模型，将实时信号特征与正常工作状态下的波形进行对比，利用特征学习模型得出当前波形特征所属的信号状态，信号特征与正常工作状态下的波形一致，表示信号处于正常状态，为良好信号源，信号源信息通过通讯模块和外接的显示屏传递至外界，并由输出判断单元控制打开开关电路，信号从CPU模块的输出端输出进入隔离输出模块的输入端，通过串联电阻限流，采用电容隔离吸收中间继电器线圈产生的尖峰干扰，且输出端的MOS开关电路通流，并驱动中间继电器的线圈运作，将良好信号源传输至中间继电器中，进而通过中间继电器完整输出至PLC数字量输入模块，使余热回收设备有效运行。
实施例2
基于中间继电器的PLC数字量输入模块内部电路保护的装置，包括中间继电器，所述中间继电器输入端与外界现场设备连接，输出端与外部PLC数字量输入模块连接，所述中间继电器通过触点连接保护电路模块输入端，所述保护电路模块包括限流单元和防静电单元，所述保护电路模块输出端连接前端采集输入模块输入端，所述前端采集输入模块包括阻抗匹配单元，所述前端采集输入模块输出端连接CPU模块输入端，所述CPU模块包括特征识别单元、学习模型单元和输出判断单元，所述CPU模块输出端连接隔离输出模块输入端，所述隔离输出模块的输入端包括限流单元和脉冲吸收单元，输出端为开关电路，所述CPU模块还连接有预警模块、通讯模块、电源输入模块和复位模块，所述电源输入模块包括稳压单元，所述复位模块包括轻触式外部按键和低通滤波电路，所述隔离输出模块输出端与中间继电器相连，所述CPU模块还外接有显示屏，所述显示屏显示内容包括信号源信息和电路状态信息。
信号通过外界现场设备传输进入本装置，原始信号经保护电路模块输入端进入保护电路模块，通过瞬时电压电涌抑制器消除静电，通过串联电阻限流防烧，经处理后的信号由保护电路模块输出端流入前端采集输入模块的输入端中，通过阻抗匹配单元求取信号源内阻抗和CPU模块阻抗的阻抗匹配参数，得出两者的模不相等，阻抗匹配单元通过改变CPU模块输入端的阻抗，使两者的模匹配相等，令信号无失真传输至CPU模块的输入端，利用特征识别单元提取信号的高电平的持续时间、低电平的持续时间、电平的变化频率处理成为信号源的特征，将特征信息传输至学习模型单元，利用机器学习的方法，使用支持向量机和逻辑回归分类算法，建立特征学习模型，将实时信号特征与正常工作状态下的波形进行对比，利用特征学习模型得出当前波形特征所属的信号状态，分析得到信号特征与正常工作状态下的波形出现不一致，高电平的持续时间过长而低电平的持续时间过短，判断得出该信号源为不良信号源，有烧点故障的风险，因此信号源信息将通过通讯模块和外接的显示屏传递至外界，并且输出判断单元控制关闭开关电路，进而控制关闭中间继电器，阻断不良信号的输出，且通过预警模块和通讯模块对外预警，拦截信号进入PLC数字量输入模块，从而避免发生PLC数字量输入模块的烧点故障，保护了PLC数字量输入模块的内部电路。
前述的实例仅是说明性的，用于解释本发明所述方法的一些特征。所附的权利要求旨在要求可以设想的尽可能广的范围，且本文所呈现的实施例仅是根据所有可能的实施例的组合的选择的实施方式的说明。因此，申请人的用意是所附的权利要求不被说明本发明的特征的示例的选择限制。在权利要求中所用的一些数值范围也包括了在其之内的子范围，这些范围中的变化也应在可能的情况下解释为被所附的权利要求覆盖。
Claims (9)
1.基于中间继电器的PLC数字量输入模块内部电路保护的装置，其特征在于：包括中间继电器，所述中间继电器输入端与外部传感器连接，输出端与外部PLC数字量输入模块连接，所述中间继电器通过触点连接保护电路模块输入端，所述保护电路模块输出端连接前端采集输入模块输入端，所述前端采集输入模块输出端连接CPU模块输入端，所述CPU模块输出端连接隔离输出模块输入端，所述CPU模块还连接有预警模块、通讯模块、电源输入模块和复位模块，所述隔离输出模块输出端与中间继电器相连，所述CPU模块还外接有显示屏，所述显示屏显示内容包括信号源信息和电路状态信息。
2.根据权利要求1所述的基于中间继电器的PLC数字量输入模块内部电路保护的装置，其特征在于：所述保护电路模块包括限流单元和防静电单元，限流单元采用串联电阻限流，防静电单元采用瞬时电压电涌抑制器抑制静电。
3.根据权利要求1所述的基于中间继电器的PLC数字量输入模块内部电路保护的装置，其特征在于：所述前端采集输入模块包括阻抗匹配单元，将所有接收到的信号均传递至CPU模块，不会有信号反射回来源点，阻抗匹配方法是利用智能算法求取阻抗匹配参数，
当信号源内阻抗等于CPU模块阻抗，即两者的模和辐角分别相等，则CPU模块阻抗得到无失真的信号传输；
当信号源内阻抗的共轭值等于CPU模块阻抗，即两者的模相等而辐角之和为零，则CPU模块阻抗上得到最大功率；
当信号源内阻抗不等于CPU模块阻抗，即两者的模不相等，则阻抗匹配单元通过改变CPU模块输入端的阻抗或调整传输线的波长，将所有信号无反射不失真传输至CPU模块中。
4.根据权利要求1所述的基于中间继电器的PLC数字量输入模块内部电路保护的装置，其特征在于：所述CPU模块包括特征识别单元、学习模型单元和输出判断单元，
所述特征识别单元处理分析前端采集输入模块所传输过来的所有原始信号，提取信号的高电平的持续时间、低电平的持续时间、电平的变化频率处理成为信号特征，将特征传输至学习模型单元；
所述学习模型单元根据特征识别单元中识别提取得到的信号特征信息，识别实时波形，利用机器学习的方法，使用支持向量机、决策树、逻辑回归中的一种或多种分类算法，建立特征学习模型，将信号特征与正常工作状态下的波形进行对比，利用特征学习模型得出当前波形特征所属的信号状态，
当信号特征与正常工作状态下的波形一致时，代表信号源为良好信号源，
当某一信号特征出现异常时，代表信号源为不良好信号源；
所述输出判断单元根据学习模型单元中提供的信号源状态信息，判断所接收到的信号的输出状态，
当信号源为良好信号源时，控制打开隔离输出模块的输出端，即开关电路，开关电路便驱动中间继电器的线圈运作，从而打开中间继电器使良好信号源完整输出至PLC数字量输入模块，
当信号源为不良好信号源时，控制关闭开关电路和中间继电器，拦截不良信号的输出，并将不良信号信息传输至预警模块和通讯模块中。
5.根据权利要求1所述的基于中间继电器的PLC数字量输入模块内部电路保护的装置，其特征在于：所述隔离输出模块的输入端包括限流单元和脉冲吸收单元，输出端为开关电路，所述限流单元为串联电阻，所述脉冲吸收单元采用电容、TVS二极管或钳位二极管中的一种，隔离吸收中间继电器中线圈产生的脉冲信号，包括尖峰、浪涌、短路和过载，所述开关电路采用MOS开关电路、变压开关电路或光耦开关电路中的一种。
6.根据权利要求1所述的基于中间继电器的PLC数字量输入模块内部电路保护的装置，其特征在于：所述预警模块获取CPU模块处理完成后的不良信号源信息，并将告警信息显示于外接的显示屏中。
7.根据权利要求1所述的基于中间继电器的PLC数字量输入模块内部电路保护的装置，其特征在于：所述通讯模块根据CPU模块处理完成后得到的信号来输出相应的数字量信号，与外部控制器的通讯模块进行通信连接，由外部控制器监控内部信号和电路运行状态。
8.根据权利要求1所述的基于中间继电器的PLC数字量输入模块内部电路保护的装置，其特征在于：所述复位模块包括轻触式外部按键和低通滤波电路，通过连接CPU模块，当调试、安装、测试时，按下外部按键，使开关电路处于复位状态，进而复位中间继电器，并将复位信息显示于显示屏中和传输至通讯模块中。
9.根据权利要求1所述的基于中间继电器的PLC数字量输入模块内部电路保护的装置，其特征在于：所述电源输入模块包括稳压单元，将不稳定的直流电压转换为稳定的直流电压，对供电电压进行稳压处理，并输出预设的输出电压。
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