CN100487994C - 集成式仪表、电器综合控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明属低压电器与自动化仪表领域。本发明由带故障显示窗口和标识的外壳，电子控制电路，智能扩展模块电路，静触桥一侧带有电流传感器的动、静触头组件，铁芯、线圈、弹簧等组成。通过电子控制电路实现多种保护和故障显示，并具有高效节电功能，其高压驱动与低压信号电路采用光电隔离技术，并采用光电隔离的I/O扩展接口和智能扩展模块电路，从而实现了丰富的仪表显示、控制功能，变换仪表功能一般通过软件实现，具有工作电流、设定值电流、电源电压和仪表功能的数字显示，可接受各种传感器的模拟信号或数字信号，把控制电器、保护电器、显示仪表和控制仪表融为一体，独立地自成体系和系统。

Description

集成式仪表、电器综合控制装置

技术领域

本发明创造属低压电器与自动化仪表领域

背景技术

在传统的工业自动化控制领域主要为电器、仪表两大类，其中低压电器元件主要有交流接触器、热继电器、电流继电器、电压继电器、时间继电器、漏电保护器、断相保护器，这些产品功能单一，一般不能单独工作，而自动化仪表主要分为检测仪表、显示仪表、控制仪表和执行机构，他们担负着对工业物理、化学、长度、重量、电量参数进行检测、显示、控制和调节功能，是自动化系统的感官和神经系统，它们没有直接拖动马达或控制大功率设备的能力，必须与低压电器配合完成拖动控制，在工业控制中往往需要几种低压电器元件及工业仪表组合来完成某项特定工作。

在当前的实际工业自动化控制中，组成电气自动化系统或工业自动化仪表控制系统要由多种电器元件和显示、控制仪表配合完成，不仅系统接线复杂，需要较大盘柜安装空间和体积，而且综合耗电量大，接点多、可靠性差，综合成本高，同时浪费很多白金、银、铜、铁及绝缘材料，近年虽有上海电科所开发的“KB0-T智能型控制与保护开关电器”、美国西屋电气公司的“A系列智能化接触器”问世，但由于结构复杂，成本高，一般用户无法接受，而且功能仍不够完善，仅局限在电器领域，没有用户需求的仪表功能，即使已经公开的中国发明专利92114900.X“通用多功能接触器”，虽然有比较多的保护功能和扩展功能的接口，但仍存在一定的缺点：一、电子控制电路和扩展电路与高压电源共用中性地线，没有隔离措施，容易使电子控制电路、扩展电路和传感器带有高压，存在较大的安全隐患，甚至危及用户的生命安全，二、没有提供故障显示功能，不能给维修人员提供直观的故障提示，不便于及时排除故障，三、只提供了简单的输入扩展端口，没有将本机状态向外传送的输出端口，也没有故障报警功能，可以说它还不是真正的I/O接口，四、没有直接扩展模拟量控制的能力，也没有主回路电流、设定值电流和电源电压模拟量的显示功能，五、电子控制电路的工作电源容量小，降压电阻容易发热，不能提供较大的电流给扩展电路，六、电子控制电路的节电功能建立在脉冲调宽的高电压、大电流的开关状态，对电子元件要求较高，安全可靠性较差

发明内容

本发明创造旨在提供一种用电子技术实现整体的集成式仪表、电器综合控制装置，该装置不仅包括交流接触器、热继电器、断相保护器、漏电保护器、电压继电器及节电和故障显示功能，而且有主回路电流显示、设定电流显示、电源电压显示，有与其它电器、仪表联系的接口，有与计算机或其他电子设备连接的通讯接口，有用户需求的各种仪表控制、保护和显示功能，且结构紧凑，使用方便，便于组成DCS计算机集散控制系统。

基于上述目的，本发明采用一体化的电流传感技术，实时检测主回路电流状态，主回路电源与检测信号保持隔离；缺相检测方法采用检测三相中点电位平衡的方法，但检测信号不是取自三相主回路电源，而是取自三个电流传感器的星形中点，保持了缺相信号与高压隔离；过、欠压信号则取自电源变压器T1的次级N1，由电源变压器进行电源与信号的隔离；漏电信号取自串接在被保护设备接地回路的漏电电流互感器，在检测信号全部通过隔离取样后，本发明采用直流高压驱动电源B+与直流电源V12、电子电路的工作电源Vcc、智能扩展模块电路的工作电源Vdd分离接地方法，确保检测信号与高压电源的严格隔离；直流高压驱动电源B+以A2为电源参考端，直流电源V12、电子电路的工作电源Vcc、智能扩展模块电路的工作电源Vdd以接地端A4为参考端，高、低压之间的信号联系通过光电耦合器实现，保证电子控制电路的正常工作和人身安全。

电子控制电路的输出负载即为电磁线圈M，通过电磁线圈M带动铁芯闭合工作，从而控制三相电源的接通与分断。控制电源端A1分两路连接于电源变压器T1初级N0的输入端和第一二极管D1的阳极，电源变压器T1初级N0的另一端接电源参考端A2，电源变压器T1的次级N2一端经第五电容C5接第二二极管D2负极和第三二极管D3正极整流，另一端及第二二极管D2的正极接电源参考端A2，在第三二极管D3负极取得维持电源并与电磁线圈M及第一功率开关管Q1的阴极连接，第五电容C5与第二二极管D2第三二极管D3组成倍压整流电路，以提高效率。电源变压器T1的次级N1接整流桥D8的两个交流端，整流桥D8正极接第二电容C2和第一稳压器U1的输入端，在第二电容C2上获得直流电源V12，第一稳压器U1的输出端接第二稳压器U2的输入端和第三电容C3，第一稳压器U1的输出端即为电子电路的工作电源Vcc，第二稳压器U2的输出端即为智能扩展模块电路的工作电源Vdd，整流桥D8的负极、第一、第二稳压器U1、U2的接地端和第二、第三电容C2、C3的另一端接地。

经第一二极管D1整流、第一电容C1滤波后即为直流高压驱动电源B+，由第一、第二、第三、第四电阻R1、R2、R3、R4和第四电容C4、第一三极管Q2、第一功率开关管Q1组成瞬态导通的电子开关，直流高压驱动电源B+与第一、第二、第三电阻R1、R2、R3连接，第一电阻R1的另一端接第一功率开关管Q1的阳极，第一功率开关管Q1的阴极接电磁线圈M，第二电阻R2的另一端接第一三极管Q2的集电极和第一功率开关管Q1的控制极，第三电阻R3的另一端与第四电阻R4、第四电容C4连接，第四电阻R4的另一端接第一三极管Q2的基极，第一三极管Q2的发射极和第四电容C4的另一端及第一功率开关管Q1的阴极接电磁线圈M，为电磁线圈M提供电流通路，电磁线圈M的另一端经第二功率开关管Q3接电源参考端A2，使第一功率开关管Q1上电后即刻导通，随着第四电容C4充电结束，第一功率开关管Q1自动关闭，电磁线圈M在集成式仪表、电器综合控制装置得电初始由直流高压驱动电源B+经第一功率开关管Q1供电，吸合后自动转为由第三二极管D3负极取得的维持电源供电，以使铁芯保持吸合状态，流过电磁线圈M的电流首先由瞬态导通的电子开关提供全压下的吸合电流，然后自动转为由维持电源提供电流，获得了较高的节电功能，为了减少噪音，在电磁线圈两端还并联有第十一二极管D5用以续流。

集成式仪表、电器综合控制装置的缺相信号取自三个按星形联接的电流传感器L1、L2、L3的星点，该星点经零序电流互感器L4的初级接地，零序电流互感器L4的次级一端接地，另一端经第四二极管D7整流、第八电容C10滤波后接第一比较器1C2a反相端，没有电源缺相或负载缺相时，星点电位为零，零序电流互感器L4的初级没有电流流过，零序电流互感器L4的次级也没有信号输出，当有缺相或三相不平衡时，星点电位不为零，零序电流互感器L4的次级有信号输出，当第一比较器IC2a反相端的信号电平大于同相端的基准电平时，第一比较器IC2a输出低电平，经与非门IC3使第二功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时，驱动第一发光二极管D01发光显示，指示出现缺相或三相电流不平衡故障，电子电路的工作电源Vcc经第七、第八电阻R9、R10分压后作为第一比较器IC2a同相端的缺相基准电平。三个电流传感器的初级即为集成式仪表、电器综合控制装置的三组静触桥，次级L1、L2、L3即为三个电流传感器的信号输出。

三个电流传感器L1、L2、L3始端的三相信号分别经第五、第六、第七二极管D11、D12、D13进行整流，然后由第六电容C8滤波，滤波后一路经第二十三电阻R28接第二比较器IC2b的反相端和开关K作为过载保护信号，开关K的另一端经第七电容C9接地，由第二十三电阻R28和第七电容C9组成积分电路，以获得过载保护所需要的反时限特性，电子电路的工作电源Vcc经第十七电阻R21接电位器R24的始端，电位器R24的末端经第十八电阻R22接地，电位器R24的中点接第二比较器IC2b的同相端，通过调整电位器R24的中点位置以改变第二比较器IC2b的基准电平，也即整定过载或过流保护的范围，当第二比较器IC2b反相端信号电平大于其设定基准电平时，第二比较器IC2b输出低电平，经与非门IC3使第二功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时，驱动第二发光二极管D02发光显示，指示出现过流或过载故障，开关K闭合时为过载保护，具有反时限特性，开关K打开时为过流保护，具有快速保护特性。

经第五、第六、第七二极管D11、D12、D13整流、第六电容C8滤波后的电流信号还由第二十、第二十一电阻R25、R26分压后接第三比较器IC2c的反相端作为短路保护信号，当第三比较器IC2c的反相端信号电平大于其基准电平时，第三比较器IC2c输出低电平，经与非门IC3使第二功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时，驱动第三发光二极管D03发光显示，指示出现短路故障。三个电流传感器L1、L2、L3的始端还分别连接第八、第九、·第十二极管D14、D15、D16的阴极进行负半周整流，整流后接第九电容C11和第十九电阻R23，由第九电容C11和第十九电阻R23获得与正半周相同的负载阻抗，以保证在零序电流互感器L4上取得完整波形的缺相信号。

集成式仪表、电器综合控制装置的过压、欠压信号取自直流电源V12，直流电源V12经第十一、第十二电阻R15、R16分压后接第四比较器IC2d的反相端，经第十三、第十四电阻R17、R18分压后接第五比较器IC2e的同湘端，分别与第四比较器IC2d同相端和第五比较器IC2e反相端的基准电平比较完成过压、欠压检测，当电源电压过高，使第四比较器IC2d的反相端电平大于同相端基准电平时，第四比较器TC2d输出低电平，经与非门IC3使第二功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时，驱动第四发光二极管D04发光显示，指示出现过压故障。当电源电压过低，使第五比较器IC2e的同相端电平小于反相端基准电平时，第五比较器IC2e输出低电平，经与非门IC3使第二功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时，驱动第五发光二极管D05发光显示，指示出现欠压故障。第三、第四比较器IC2c、IC2d同相端和第五比较器IC2e反相端共用一个基准电平，由电子电路的工作电源Vcc经第九电阻R11接稳压管D10稳压后取得，稳压管D10的正极接地。

集成式仪表、电器综合控制装置的漏电信号取自串接在主回路三相交流电源中性地线上的第四电流传感器L5，保护端PN和接地端A4分别与第四电流传感器L5的初级两端连接，保护端PN接用电设备外壳或设备的保护接地端子，接地端A4接三相交流电源的中性地线，第四电流传感器L5的次级一端接地，另一端经第十二二极管D20整流、第十电容C12滤波后接第六比较器IC2f的反相端，与其同相端的基准电平比较，第六比较器IC2f同相端的基准电平由电子电路的工作电源Vcc经第十五、第十六电阻R19、R20分压取得，当第六比较器IC2f的反相端信号大于同相端基准电平时，第六比较器IC2f输出低电平，经与非门IC3使第二功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时，驱动第六发光二极管D06发光显示，指示出现漏电故障。

电子控制电路的第一～第六比较器IC2a～IC2f是六个电压比较器，每个电压比较器都具有同相输入端、反相输入端和比较输出端，而与非门IC3是一个具有六个输入端、一个输出端的与非门电路，其可以与第一～第六比较器IC2a～IC2f集成为一片集成电路。

第一～第六比较器IC2a～IC2f的输出端分别接第一～第六发光二极管D01～D06的阴极和与非门IC3的六个输入端，第一～第六发光二极管D01～D06的阳极分别经第二十五~三十电阻R31~R36连接电子电路的工作电源Vcc，第一～第六发光二极管D01～D06分别用以指示缺相、过流/过载、短路、过压、欠压、漏电故障，当任意一个比较器输出低电平时，则相应的发光二极管点亮，指示出故障原因。

与非门IC3的输出端经第十电阻R14接第二三极管Q4基极，由第二三极管Q4推动第一、第二光电耦合器U3、U4工作，第一光电耦合器U3的发光二极管阳极经第六电阻R7接电子电路的工作电源Vcc，第一光电耦合器U3的发射极接电源参考端A2，由第一光电耦合器U3控制第二功率开关管Q3的通断，从而控制集成式仪表、电器综合控制装置的状态。

电磁线圈M的另一端接第二功率开关管Q3的阳极，并经过第二功率开关管Q3的阴极接电源参考端A2，因此集成式仪表、电器综合控制装置的主回路闭合要满足第一、第二功率开关管Q1、Q3同时导通，由于第一功率开关管Q1是一个短时导通的瞬态开关，上电导通以后很快自动关断，关断后，电磁线圈M的电流由电源变压器T1的次级N2提供。由于第一、第二功率开关管Q1、Q3和电磁线圈M串联连接，因此电磁线圈M的电流始终受控于第二功率开关管Q3，直流高压驱动电源B+经第五电阻R6接第二功率开关管Q3的控制极和第一光电耦合器U3的集电极，第一光电耦合器U3的发光二极管阴极与第二光电耦合器U4的发光二极管阳极串联，第二光电耦合器U4的发光二极管阴极与第二三极管Q4集电极、第三光电耦合器U5的集电极连接，第三光电耦合器U5的发射极和第二三极管Q4发射极接地，使第二功率开关管Q3完全由第一光电耦合器U3隔离控制。第二光电耦合器U4的集电极经第二十二电阻R27接连接插座J1-CZ的第7脚，即集成式仪表、电器综合控制装置的输出端口，第三光电耦合器U5的发光二极管阳极经第二十四电阻R29接连接插座J1-CZ的第6脚，是集成式仪表、电器综合控制装置的输入端口，由第三、第二光电耦合器U5、U4构成了本发明的双向光电隔离I/O接口。连接插座J1-CZ的第3、4、5脚分别连接第二比较器IC2b反相端主回路电流信号、同相端设定电流信号和经第三十一、第三十二电阻R37、R38分压的电源电压信号，由连接插座J1-CZ的第3、4、5脚构成模拟信号输出端口，第1、2、12脚分别接电子电路的工作电源Vcc、智能扩展模块电路的工作电源Vdd和地，第8～11脚为备用。

本发明通过电子控制电路的扩展端口和智能扩展模块电路能实现广泛的显示、控制仪表功能和通讯功能，智能扩展模块电路主要由高性能的单片机IC4及数字显示、键盘电路构成。单片机IC4包含有：微处理器，程序存储器，数据存储器及数据存储器组成的寄存器阵列，可擦除/改写的非易失性存储器，A、B、C、D、E五组I/O端口和定时/计数器，捕捉/比较/脉冲调制控制器，串行通讯端口，多路模数转换器A/D。基于单片机IC4内已集成以上资源，从而使智能扩展模块电路得以实现丰富的智能显示、控制仪表功能，且变换功能一般通过修改软件即可实现，而不必变更硬件电路，能直接接受各种传感器的模拟信号或数字信号，把控制电器、保护电器、显示仪表和控制仪表融为一体，独立地自成体系和系统。

单片机IC4的模数转换器A/D输入端AN.0、AN.1、AN.2用于采集主回路电流信号、电流设定信号、电源电压信号，AN.3用以采集智能扩展模块电路的外部传感器信号，单片机IC4的一组端口D口分别与数码显示器的备段码端连接，它的另一组端口B口的RB.0～RB.3经第三～第六三极管Q6～Q9与四个数码管的位选端相连，以驱动数码显示器工作，B口的RB.4设为电平输入，通过连接插头J1-CT第7脚与电子控制电路的光电隔离I/O接口的输出端口连接，单片机IC4的C口的RC.0设为位控输出，通过连接插头J1-CT第6脚与电子控制电路的光电隔离I/O接口的输入端口连接，使智能扩展模块电路能够控制整个集成式仪表、电器综合控制装置的开关状态并实现扩展功能，单片机IC4的B口的RB.5、RB.6、RB.7直接作为S3、S4、S5的键输入端，以选择模数转换器A/D采集的信号为主回路电流、设定电流、电源电压或扩展的模拟量信号，单片机IC4的C口的RC.1为位控报警输出，经第七发光二极管D07推动第七三极管Q10，再由第七三极管Q10驱动报警器LS1工作，单片机IC4的OSC1、OSC2引脚分别连接第十一、第十二电容C14、C15和晶体Y.1两端，以产生稳定的时钟信号，由第三十七电阻R44、第十三电容C16及按键S2组成的复位电路经第三十八电阻R45接单片机IC4的复位端MCLR。

单片机IC4的模数转换器A/D的输入端AN.3用于采集温度、压力、液位、流量、烟雾、火焰、光电等扩展模拟信号，单片机IC4的串行通信端口用于远程外部设备接口。通过连接插头J1-CT的1、2、12脚为智能扩展模块电路获取电子电路的工作电源Vcc、智能扩展模块电路的工作电源Vdd和地。

由于单片机IC4片内资源丰富，因此，几乎不需要其它硬件支持就能完成复杂的任务，特别适合各种用户不同的过程控制，更改控制对象或变更控制方案以至于改变控制流程都非常容易，一般只需变更程序即可，由于片内自带程序存储器，因此，对于一般的控制场合不需扩展外部程序存储器，片内自带的可擦除/改写的非易失性存储器通过软件编程可以方便地存放和修改常数和变量，提供了现场修正系数的可能。

智能扩展模块电路的软件程序主要由包含模数转换程序的主程序、中断处理程序、键盘显示程序及除法子程序、二-十进制转换子程序、I/O口处理及报警子程序组成，智能扩展模块电路的软件编程流程图如图6～14所示，图6是主程序流程图，图7是中断处理程序流程图,图8是I/O处理子程序流程图，图9是设定值处理子程序流程图，图10是电压处理子程序流程图，图11是外部温度模拟量处理子程序流程图，图12数字显示处理子程序流程图，图13是除法子程序流程图，图14是二-十转换子程序流程图。

图6至图14说明图3所示的智能扩展模块电路的存储程序运行的流程图，程序运行是在单片机IC4内微处理器中响应预先存入其内部程序存储器中的指令序列完成的，上电或复位后程序自动从主程序开始执行，在主程序中完成初始化各端口、初始化工作寄存器、模数转换器A/D自动指向默认的AN.0通道、清数据区等工作，然后开放中断。如果没有中断请求，则关闭中断，进行主回路电流值的数据采集、处理及更新显示。如果有中断请求，则响应中断请求，进入中断服务程序，尔后再回到主程序进行数据采集、处理及更新显示，在中断服务程序中将根据中断源的中断向量转入相应的处理程序，除I/O口处理子程序外，在设定值处理、电压值处理和外部模拟量处理子程序中主要是进行模数转换器A/D的路号修改、路号标志修改和除法的除数系数修改，设定值的模数转换指向模数转换器A/D的AN.1通道，电压值的模数转换指向模数转换器A/D的AN.2通道，外部模拟量的模数转换指向模数转换器A/D的AN3通道。设定值、电压值或外部模拟量的中断请求由控制键S3、S4、S5产生，是用户根据显示数据的需要而设定的.外部模拟量的除数系数和路号标志根据用户选择的变量对象不同而设定。假如用户选择压力、液位、流量、光电、瓦斯、位移及其它各种控制，只要更换不同的传感器、变送器等传感元件，然后按照传感器、变送器等传感元件的不同，修改除法子程序的除数系数和路号标志即可，除法子程序的除数系数和路号标志可以存放在单片机IC4的可擦除/改写的非易失性存储器，这样修改、变更控制对象非常方便。

在I/O口处理子程序中中断是由电子控制控电路产生的，它标志着电子控制电路已经驱动电磁线圈M动作，并向智能扩展模块电路发送电子控制电路的状态信息，通过智能扩展电路I/O口处理子程序可以关闭电子控制电路的第二功率开关管Q3，从而分断主触头，并启动声光报警，也可以将状态信息发送给联锁电路或DCS计算机集散控制系统。

效果

本发明的集成式仪表、电器综合控制装置把仪表技术和电器技术融为一体，不仅极大地减少了电器元件的种类，缩小了电器、仪表盘柜的体积，而且发明创造出一种全新的多功能的仪表。电器综合控制装置，该装置在保留了交流接触器基本的接通与分断功能的条件下，还具有过压、欠压、短路、过流/过载、缺相和漏电保护功能，具有在实施保护动作时提供明确、直观的故障显示，给使用与维护带来极大方便，更具有方便、灵活的光电隔离I/O接口，可以用安全的低电压、小电流或仪表、计算机信号控制，可以方便地在两台或多台控制装置之间直接交换信息组成网络或系统，本发明扩展功能非常方便、高效，如要增加定时器或时间继电器功能只需通过光电隔离I/O接口连接一定时芯片即可，这种芯片品种很多，也很便宜，如低端的NE555、7555模拟芯片，高端的XM109、XM902、XM904数字芯片，扩展各种开关量的位式控制和调节异常简洁、便利。通过本发明的智能扩展模块电路，可以实现模拟量仪表显示、控制、调节功能，可接受模拟量传感器、变送器及仪器仪表的标准电流、电压信号。

本发明创造在电器方面除保留普通接触器的接通、分断功能外，集成了常用的保护电器功能，各种保护状态均有直观的故障显示，操作者可以直观看到故障提示，维修人员根据提示能迅速排除故障，确保设备安全、经济、高效运行，本发明的集成式仪表、电器综合控制装置除在启动瞬间为电磁线圈M提供足够的吸合电流外，电子控制电路一直处于低电流、低功耗的休眠维持状态，实现了电磁线圈M的二段电流节电功能，具有电路简单，抗干扰能力强，工作可靠的特点，在扩展能力方面，本发明创造采用高抗干扰能力的光电隔离I/O接口，有效地保护了用户的人身、设备安全，通过光电隔离I/O接口能及时把集成式仪表、电器综合控制装置的状态信息传送给用户及其它设备，易于方便地与各种开关量传感器及各种控制仪表信号乃至控制计算机连接，由于采用光电隔离I/O接口，不仅提升了保护和扩展功能，而且增强了整个装置的抗干扰能力，使扩展控制可以从几十米到上千米乃至更远，扩展更方便，使用更灵活。

本发明创造在仪表功能方面由于采用了智能扩展模块电路和数字显示技术，不仅能实现各种开关量控制，而且能实现各种模拟量控制与显示，如电压、电流，温度、压力、物位、流量、位移、重量、气敏、辐射等，还可以实现各种数字量控制与显示，变更扩展功能一般只要修改软件程序和更换相应的传感器即可，其硬件结构一般不必变更或修改，具有的串行通讯端口，便于与上位计算机联接，便于组成DDC计算机直接控制系统和DCS计算机集散控制系统。

本发明的集成式仪表、电器综合控制装置还具运行噪声低、近乎没有电磁线圈M的温升，安全可靠，寿命长，高效节电的特点，控制接线简单，使用方便灵活，保护功能齐全、控制功能丰富，体积小，用途广，同时取代较多现有的低压电器元件及众多仪表，可节省盘柜空间，缩小盘柜体积，铁芯可按短时制工作设计，大幅节约原材料和制造成本。

集成式仪表、电器综合控制装置已经构成完整的控制系统，应用集成式仪表、电器综合控制装置可同时替代多种电器元件和仪表，能极大地简化电气自动化系统设计，简化自动化仪表系统设计，在绘制电气自动化系统图时可创立新的电气图标，可以用符号、字符或文字标明所选定的功能，使复杂繁琐的制图工作变得极其简单、明快，本发明非常适宜做成整体的系统装置来配合老产品升级或更新改造，各种不同仪表功能其硬件构成基本相同，各种传感元件输入信号只要修改不同的软件即可匹配，由于智能扩展电路已做成模块形式，可以插在电子控制电路的系统电路板上，也可将智能扩展模块电路连同它的显示屏一起安装在相应的仪表或电气控制箱面板上，真正实现了电器、仪表的一体化、集成化。

集成式仪表、电器综合控制装置不配置智能扩展模块电路亦能正常工作，但不具备模拟仪表显示、控制功能，而光电隔离的I/O接口功能不变。

附图说明

图1：集成式仪表、电器综合控制装置的一种壳结体构示意图

图2：电子控制电路原理图

图3：智能扩展模块电路原理图

图4：集成式仪表、电器综合控制装置的使用接线图

图5：集成式仪表、电器综合控制装置系统框图

图6～14智能扩展模块程序流程图及子程序流程图

由图5可以看出该装置是一个完整的单元式自动化控制系统，它的执行部分是一个具有完善保护的大功率三相开关，通过电子控制电路实现多种保护和控制电器功能，各种故障保护均有相应的发光故障显示，电子控制电路有与智能扩展模块电路连接的模拟信号输出端口和双向交换信息的光电隔离I/O接口及电源接口，通过扩展接口把电子控制电路与智能扩展模块电路紧密联系起来，智能扩展模块电路是实现各种仪表显示、控制的核心，由高性能的单片机IC4、数字显示屏及简单的键盘电路构成。

具体实施方式

以下结合附图对本发明创造的集成式仪表、电器综合控制装置的实施例作进一步叙述：

按照图1所示的壳结体构示意图；将弹簧41、铁芯42、电磁线圈M、装有动触头44的触头支架45依次装入带有故障显示窗口和故障显示标识的壳体40，再将静触桥一侧带有电流传感器的静触头组件46安装好，静触头组件46是以静触桥为传感器初级和传感器铁芯及其上绕有的次级线圈构成，静触头组件46安装好后将带有故障显示的电子控制电路板装入壳体侧面，并令第一～第六发光二极管D01～D06分别从壳体40的故障显示窗口露出，连接好接线端子。

电子控制电路的六个比较器IC2a～IC2f及与非门IC3适宜集成为一片专用集成电路，以提高可靠性、降低成本、缩小体积，带有数码显示的智能扩展模块电路宜做成单元部件，通过连接电缆和插头插在电子控制电路板的插座上，该单元部件可安装在集成式仪表、电器综合控制装置的壳体上或安装在控制柜、仪表盘的面板上。

集成式仪表、电器综合控制装置的使用接线见附图4，控制电源端A1接电源相线，电源参考端A2接中性线，控制电源为380V时，电源参考端A2接另一相电源，漏电保护端PN接被保护设备外壳或设备保护接地端子，接地端A4接三相电源的中性地线。

电子控制电路原理见图2所示：控制电源端A1与电子控制电路的第一二极管D1的阳极和电源变压器T1的初级N0的一端连接，电源参考端A2与电源变压器T1初级N0的另一端连接，电源变压器T1的次级N1接整流桥D8的两个交流端，整流桥D8的负极接地、正极接第二电容C2和第一稳压器U1的输入端，在第二电容C2上取得直流电源V12，第一稳压器U1的输出端接第二稳压器U2的输入端和第三电容C3，在第三电容C3上取得电子电路的工作电源Vcc，在第二稳压器U2的输出端取得智能扩展模块电路的工作电源Vdd，第一、第二稳压器U1、U2的接地端和第二、第三电容C2、C3的另一端接地。电源变压器T1次级N2的一端及第二二极管D2的阳极接电源参考端A2，另一端接第五电容C5，第五电容C5的另一端接第三二极管D3阳极和第二二极管D2阴极，在第三二极管D3的阴极取得维持电源并连接电磁线圈M，为维持铁芯闭合的提供维持电流。由第五电容C5、第二二极管D2、第三二极管D3组成倍压整流电路，第一二极管D1的阴极与第一电容C1和第一、第二、第三电阻R1、R2、R3连接，在第一电容C1上取得直流高压驱动电源B+，第一电容C1的另一端接电源参考端A2，第一电阻R1另一端接第一功率开关管Q1的阳极，由直流高压驱动电源B+通过第一电阻R1、第一功率开关管Q1为电磁线圈M提供驱动电流，第二电阻R2的另一端接第一三极管Q2的集电极和第一功率开关管Q1的控制极，第三电阻R3的另一端与第四电阻R4和第四电容C4连接，第四电阻R4的另一端接第一三极管Q2的基极，直流高压驱动电源B+通过第三、第四电阻R3、R4为第一三极管Q2提供偏置，第一三极管Q2的发射极和第四电容C4的另一端及开关管Q1的阴极接电磁线圈M，即与由电源变压器T1次级N2、第五电容C5、第二二极管D2、第三二极管D3构成的维持电源连接，由第一、第二、第三、第四电阻R1、R2、R3、R4、第四电容C4和第一三极管Q2、第一功率开关管Q1组成瞬时导通、自动关闭的电子开关。

电磁线圈M的电流由两路供给，一路由直流高压驱动电源B+通过第一电阻R1、第一功率开关管Q1供给，另一路由维持电源供给，电磁线圈M的另一端接第二功率开关管Q3的阳极，并经过第二功率开关管Q3的阴极接电源参考端A2。控制电源得电初始由于第四电容C4两端电压不能突变，使第一功率开关管Q1上电后即刻导通，随着第四电容C4充电结束，第一功率开关管Q1自动关闭，电磁线圈M转而由维持电源供电，使电磁线圈M的电流由较大的初始启动电流在第一功率开关管Q1关闭后自动转为较小的维持电流，由此获得电磁线圈M的二段电流节电运行方式，取得较高节电效果，在电磁线圈M两端并联有第十一二极管D5续流，以降低电磁噪声。

由图2可知，电磁线圈M始终受控于第二功率开关管Q3，第二功率开关管Q3的控制极和第一光电耦合器U3的集电极经第五电阻R6接直流高压驱动电源B+，第一光电耦合器U3的发射极接电源参考端A2，第一光电耦合器U3的发光二极管阳极经第六电阻R7接电子电路的工作电源Vcc，阴极与第二光电耦合器U4的发光二极管阳极串联，第二光电耦合器U4的发光二极管阴极与第二三极管Q4集电极和第三光电耦合器U5的集电极连接，第二三极管Q4的基极经第十电阻R14接与非门IC3输出端，由与非门IC3控制第二功率开关管Q3的开关状态，第三光电耦合器U5的发射极和第二三极管Q4发射极接地，第二功率开关管Q3由第一光电耦合器U3光电隔离控制，第二光电耦合器U4的集电极经第二十二电阻R27接在连接插座J1-CZ的第7脚，是本装置的输出端口，第三光电耦合器U5的发光二极管阳极经第二十四电阻R29接连接插座J1-CZ的第6脚，是本装置的输入端口，由第三、第二光电耦合器U5、U4构成了本发明的双向光电隔离I/O接口，连接插座J1-CZ的第3、4、5脚分别连接第二比较器IC2b反相端的主回路电流信号、同相端的设定电流信号和第三十一、第三十二电阻R37、R38分压的电源电压信号，由连接插座J1-CZ的第3、4、5脚构成模拟信号输出端口，第1、2、12脚分别接电子电路的工作电源Vcc、智能扩展模块电路的工作电源Vdd和地，第8～11脚为备用。

集成式仪表、电器综合控制装置的三个电流传感器L1、L2、L3分别安装在三相静触点至接线端子间的静触桥上，并与静触桥组合成一体，构成静触头传感组件，三个电流传感器L1、L2、L3按星形接法连接，星点经零序电流互感器L4的初级接地，由电流互感器I4的次级取得缺相信号，并经第四二极管D7、第八电容C10整流、滤波后接第一比较器IC2a的反相端，没有电源或负载缺相时星点电位为零，电流互感器L4的次级没有信号输出，电源或负载有缺相时，电流互感器I4的次级有缺相信号输出，当第一比较器IC2a反相端信号大于同相端基准电平时，第一比较器IC2a输出低电平，经与非门IC3、第二功率开关管Q3使集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时，驱动第一发光二极管D01显示缺相或三相电流不平衡故障，实现缺相保护和三相不平衡保护，第一比较器IC2a的同相端的缺相基准电平由电子电路的工作电源Vcc经第七、第八电阻R9、R10分压得到。

三个电流传感器L1、L2、L3的始端分别接第五、第六、第七二极管D11、D12、D13的阳极组成三相半波整流电路，第五、第六、第七二极管D11、D12、D13的阴极一同接第六电容C8滤波，经整流、滤波后的电流信号一路经第二十三电阻R28接第二比较器IC2b的反相端和开关K，并经过开关K接第七电容C9，由第二十三电阻R28和第七电容C9组成积分电路，并获得过载保护所需要的反时限特性，电子电路的工作电源Vcc经第十七电阻R21接电位器R24的始端，电位器R24的末端经第十八电阻R22接地，电位器R24的中点接第二比较器IC2b的同相端，通过调整电位器R24的中点位置改变第二比较器IC2b的基准电平，即整定过载或过流的保护范围，当第二比较器IC2b反相端的信号电平大于设定基准电平时，第二比较器IC2b输出低电平，经与非门IC3、第二功率开关管Q3使集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时，驱动第二发光二极管D02显示过载或过流故障，开关K闭合时为过载保护，具有反时限特性，用于保护电动机之类的负载，开关K打开时为过流保护，具有快速保护特性，用于保护可控硅整流设备之类的要求快速保护的负载。

经第六电容C8滤波后的信号还经第二十、第二十一电阻R25、R26分压，分压后的信号接第三比较器IC2c的反相端，当第三比较器IC2c反相端的信号电平大于同相端基准电平时，第三比较器IC2c输出低电平，经与非门IC3、第二功率开关管Q3使集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时，驱动第三发光二极管D03显示短路故障。

三个电流传感器L1、L2、L3的始端还分别接第八、第九、第十二极管D14、D15、D16的阴极，第八、第九、第十二极管D14、D15、D16的阳极一同接第九电容C11、第十九电阻R23，选取第九电容C11和第十九电阻R23使它们的阻抗等于第五、第六、第七二极管D11、D12、D13整流后的负载阻抗，以提供电流传感器L1、L2、L3的负半周电流信号通路，第九电容C11和第十九电阻R23另一端接地。

直流电源V12连接第十一、第十三电阻R15、R17，由第十一、第十二电阻R15、R16分压取得过压信号接第四比较器IC2d的反相端，由第十三、第十四电阻R17、R18分压取得欠压信号接第五比较器IC2e的同相端，分别与第四比较器IC2d同相端和第五比较器IC2e反相端的基准电平比较完成过压、欠压检测，当电源电压过高，使第四比较器IC2d的反相端电平大于同相端基准电平时，第四比较器IC2d输出低电平，经与非门IC3、第二功率开关管Q3使集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时，驱动第四发光二极管D04显示过压故障。当电源电压过低，使第五比较器IC2e的同相端电平小于反相端基准电平时，第五比较器IC2e输出低电平，经与非门IC3、第二功率开关管Q3使集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时，驱动第五发光二极管D05显示欠压故障。第三、第四比较器IC2c、IC2d的同相端和第五比较器IC2e反相端共用一个基准电平，由电子电路的工作电源Vcc经第九电阻R11接稳压管D10稳压后在稳压管D10上取得。

集成式仪表、电器综合控制装置的保护端PN和接地端A4分别与第四电流传感器I5初级两端连接，利用串接在中性地线中的第四电流传感器I5取得漏电信号，第四电流传感器L5的次级一端接地，另一端接第十二二极管D20阳极，第十二二极管D20阴极接第十电容C12和第六比较器TC2f的反相端，由第十二二极管D20、第十电容C12组成整流、滤波电路，当第六比较器IC2f的反相端信号大于同相端基准电平时，第六比较器IC2f输出低电平，驱动第六发光二极管D06显示出现漏电故障，同时，经与非门IC3、第二功率开关管Q3使集成式仪表、电器综合控制装置释放，电子电路的工作电源Vcc经第十五、第十六电阻R19、R20分压后接第六比较器IC2f的同相端作为基准电平。

第一～第六比较器IC2a～IC2f的输出端分别接第一～第六发光二极管D01～D06的阴极，第一~第六发光二极管D01～D06的阳极分别经第二十五～第三十电阻R31～R36连接电子电路的工作电源Vcc，由外壳显示窗口上的字符辅助指示故障原因，第一～第六比较器IC2a～IC2f的输出端还分别和与非门IC3相应的输入端连接，与非门IC3的输出端经第十电阻R14接第二三极管Q4基极，并由第二三极管Q4推动第一光电耦合器U3控制第二功率开关管Q3的通断，从而控制集成式仪表、电器综合控制装置工作。

智能扩展模块电路由带有模数转换器A/D的单片机IC4为核心构成，电原理图如图3所示：单片机IC4的I/O接口D口及B口的低四位RB.0～RB.3设为输出口，通过第四十一～第四十九电阻R51～R59和第三十三～第三十六电阻R40～R43分别与数码显示器的各段码端及经第三～第六三极管Q6～Q9驱动的四个数码管的位选端连接，构成集成式仪表、电器综合控制装置的数码显示硬件电路，以显示主回路电流、过流/过载设定电流及其它参数。

单片机IC4的I/O接口B口的高四位RB.4～RB.7设为电平输入，其中RB.4通过连接插头JI-CT的第7脚连接电子控制电路的光电隔离I/O接口的输出端，以便接收来自电子控制电路的状态信息及故障报警信号，B口的RB.5～RB.7分别连接控制键S3、S4、S5，中断处理程序通过响应按键S3、S4、S5的键盘中断信号选择模数转换为设定值、电压值或智能扩展模块电路的外部模拟量传感信号，单片机IC4的I/O接口C口的RC.0、RC.1设为位控端口，其中RC.0通过连接插头J1-CT的第6脚连接电子控制电路的光电隔离I/O接口的输入端，以便把智能扩展模块电路的控制信息传送到电子控制电路，C口的RC.1为报警信号输出，其输出信号接第七发光二极管D07阳极，第七发光二极管D07的阴极接第三十九、第四十电阻R48、R49，第三十九电阻R48的另一端接第七三极管Q10的基极，第七三极管Q10的发射极及第四十电阻R49另一端接地、集电极经报警器LSI接智能扩展模块电路的工作电源Vdd。

时钟的振荡定时元件由第十一、第十二电容C14、C15和晶振Y1组成，第十一、第十二电容C14、C15一端接地，另一端分别接单片机IC4的时钟端OSC1、OSC2及晶振Y1两端。由按键开关S2、第十三电容C16、第三十七、第三十八电阻R44、R45组成单片机IC4的复位电路，单片机IC4的复位端MCLR经第三十八电阻R45接按键开关S2、第十三电容C16和第三十七电阻R44，第三十七电阻R44的另一端接智能扩展模块电路的工作电源Vdd，按键开关S2和第十三电容C16的另一端接地。

由第五十一、第五十二、第五十三电阻R62、R63、R64和按键开关S3、S4、S5组成选择键键盘电路，第五十一、第五十二、第五十三电阻R62、R63、R64一端接智能扩展模块电路的工作电源Vdd，另一端接按键开关S3、S4、S5及单片机IC4的B口的RB.5、RB.6、RB.7，按键开关S3、S4、S5的另一端接地。

连接插座J1-CZ的第7脚是电子控制电路的输出端口，连接智能扩展模块电路单片机IC4的B口的RB.4，连接插座J1-CZ的第6脚是电子控制电路的输入端口，连接智能扩展模块电路单片机IC4的C口的RC.0，连接插座J1-CZ的第3、4、5脚分别连接智能扩展模块电路单片机IC4的模数转换器A/D的AN.0、AN.1、AN.2，连接插座J1-CZ的第1、2、12脚分别向智能扩展模块电路提供电子电路的工作电源Vcc、智能扩展模块电路的工作电源Vdd和地，第8～11脚备用。温度传感由热敏电阻R60完成，他一端经第五十电阻R61接地，另一端接智能扩展模块电路的工作电源Vdd，热敏电阻R60和第五十电阻R61的分压点接单片机IC4的模数转换器A/D的AN.3，以便进行模数转换并完成模拟量采集。

单片机IC4的程序存储器中存放有可供自动运行的智能扩展模块电路的执行程序见图6～图14，常数和除数系数放在单片机IC4的可擦除/改写数据存储器中，执行程序主要由主程序、中断服务处理程序、键盘显示子程序和设定值子程序、电压处理子程序、I/O口处理子程序、除法子程序、二-十进制转换子程序、外部模拟量处理子程序组成。图6至图14说明图3所示的智能扩展模块电路的存储程序运行的流程图，程序运行是在单片机IC4内微处理器中响应预先存入其内部程序存储器中的指令序列完成的，其程序执行步骤如下：

在图6的主程序开始步骤100后，首先执行步骤101，初始化单片机IC4的各个端口，选A口的AN.0～AN.3为模数转换器A/D的模拟量输入，用以采集主电路的电流值、设定值、电源电压值和扩展电路的模拟量参数，选B口的RB.4为位控输入，用以连接主电路光电隔离的I/O控制信息，选B口的RB.5～RB.7为电平输入，直接作为控制键输入端口使用，选B口的低四位RB.0～RB.3为输出口，作为数码显示器的位选线，选D口为输出端口，直接连接数字显示器的段码。端口设置完后，执行步骤102，初始化工作寄存器、数据缓冲单元，显示缓冲单元和模数转换器A/D，然后，执行步骤103，置模数转换器A/D的通道为AN.0，置通道计数器初值，置电流除数系数，执行步骤104，选B口的RB.4～RB.7位电平中断允许，开总中断。

执行步骤105，查中断标志，如果没有中断信号，执行步骤110，关闭中断。再执行步骤111，取模数转换器A/D的通道号，启动模数转换器A/D进行转换，转换完成后执行步骤114，将结果存入相应的数据单元，然后执行步骤115，调用除法子程序将采集的电流信号除以电流系数，再执行步骤116，调用二至十进制转换子程序，再执行步骤117，将十进制的主回路电流值送到更新显示子程序进行数字显示，显示完后回到步骤104，重开中断。

如果有中断请求，则执行步骤106，执行如图7所示的中断服务程序，然后执行步骤107，结束。中断服务程序执行步骤如下：开始步骤200，然后执行步骤201、202，保护现场、关中断，然后执行步骤203，查询中断标志的中断源，如果是I/O接口中断，则执行步骤211：转I/O处理子程序，否则，执行步骤204，查询中断标志是否为设定键中断，如果是设定键中断，则执行步骤212，转设定值处理子程序，否则，执行步骤205，查询中断标志是否为电压键中断，如果是电压键中断，则执行步骤213，转电压处理子程序，否则，执行步骤206，查询中断标志是否为模拟量中断，如果是模拟量中断，则执行步骤214，转模拟量处理子程序，否则，执行步骤208，恢复现场、清除中断标志，然后执行步骤209，重开中断，再执行步骤210，返回。

I/O口处理子程序如图8所示，执行步骤如下：步骤300，起始入口，执行步骤301，关中断，执行步骤302，置端口B的RB.4为输入，置端口C的RC.0为输出；关闭第二功率开关管Q3及分断主触头，然后执行步骤303，选RC.1为位控输出，执行步骤304，启动软件报警信号发生器产生声光报警信号，再执行步骤305，由RC.1输出报警信号，执行下一步骤306，驱动声光报警器报警。

设定值处理子程序如图9所示，起始入口执行步骤400，然后，执行步骤401，保护现场，再执行步骤402，关闭中断，然后执行步骤403，修改路号寄存器的值为AN.1，即模数转换器A/D的通道1为设定值通道，再执行步骤404，将设定值系数送除数单元，然后，执行步骤405，路号标志S送显存最高位，再执行步骤406，返回。

电压处理子程序如图10所示，起始入口执行步骤500，然后，执行步骤501，保护现场，再执行步骤502，关闭中断，然后再执行步骤503，修改路号寄存器的值为AN.2，即模数转换器A/D的通道2为电压值通道，再执行步骤504，将设定值系数送除数单元，然后执行步骤505，路号标志V送显存最高位，再执行步骤506，返回。

温度模拟信号处理子程序如图11所示，起始入口执行步骤600，然后，执行步骤601，保护现场，再执行步骤602，关闭中断，然后执行步骤603，选模拟量控制为温度参数，再执行步骤604，修改路号寄存器的值为AN.3，即模数转换器A/D的通道3为模拟量通道，再执行步骤605，将温度系数送除数单元，然后执行步骤606，路号标志W送显存最高位，再执行步骤607，选B口的RB.4为位控，以控制整个装置的启动/停止，然后执行步骤608，返回。

如果用户选择压力、液位、流量、光电、瓦斯、位移及其它控制，只要更换不同的传感器、变送器、传感元件即可，而程序执行步骤不变，一般仅需修改除法子程序的除数系数和路号标志即可，除法子程序的除数系数和路号标志可以存放在单片机IC4的可擦除/改写的数据存储器中，这样修改、变更控制对象非常方便。

在I/O口处理子程序中如果中断是由电子控制控电路产生的，它标志着电子控制电路已经驱动电磁线圈M动作，并向智能扩展模块电路发送电子控制电路的状态信息，通过智能扩展电路I/O口处理子程序可以关闭电子控制电路的第二功率开关管Q3，从而分断主触头，并启动声光报警，如图8所示，也可以将状态信息发送给联锁电路或DCS计算机集散控制系统。如果中断是由控制键S3、S4、S5产生的，则中断服务程序自动转移至设定值、电压或模拟量处理子程序，修改相应的模数转换器A/D路号和相应的除数系数，再把相应的路号标志送显存最高位，如图9、10、11所示。

图12至图14的显示子程序、除法子程序和二-十进制转换子程序在各种公开的相关文献中均有记载，这里不再叙述。

Claims (6)

1、一种集成式仪表、电器综合控制装置，主要由静触桥一侧带有电流传感器的动、静触头组件(44)、(46)，带故障显示窗口和标识的外壳(40)，铁芯(42)、电磁线圈(M)、弹簧(41)、触头支架(45)，电子控制电路，智能扩展模块电路，电源变换组件组成，该装置有控制电源端(A1)、电源参考端(A2)、漏电保护端(PN)和接地端(A4)，控制电源为220V时，控制电源端(A1)接电源相线，电源参考端(A2)接三相电源的零线，控制电源为380V时，电源参考端(A2)接另一相电源，漏电保护端(PN)接被保护设备外壳或设备保护接地端子，接地端(A4)接三相电源的中性地线，其特征在于：

集成式仪表、电器综合控制装置的控制电源端(A1)分成两路，一路经第一二极管(D1)整流、第一电容(C1)滤波后作为直流高压驱动电源(B+)，另一路接电源变压器(T1)初级线圈(N0)的一端，电源变压器(T1)的第一次级线圈(N2)一端接电源参考端(A2)，另一端经第五电容(C5)连接第三二极管(D3)阳极和第二二极管(D2)阴极，第二二极管(D2)的阳极接电源参考端(A2)，在第三二极管(D3)阴极取得维持电源并连接电磁线圈(M)的一端，电磁线圈(M)的另一端连接第二功率开关管(Q3)的阳极，由第二功率开关管(Q3)控制电磁线圈(M)的电流通路，电子控制电路的输出负载即为电磁线圈(M)，电源变压器(T1)初级线圈(N0)的另一端接电源参考端(A2)，电源变压器(T1)的第二次级线圈(N1)的两端接桥式整流元件(D8)的两个交流端，经桥式整流元件(D8)整流、第二电容(C2)滤波后取得直流电源(V12)，直流电源(V12)经第一稳压器(U1)稳压后获得电子控制电路的工作电源(Vcc)，再经第二稳压器(U2)稳压后获得智能扩展模块电路的工作电源(Vdd)；

电子控制电路的第一～第六比较器(IC2a～IC2f)是6个电压比较器，每个电压比较器都具有同相输入端、反相输入端和比较输出端，而与非门(IC3)是一个具有六输入端、一个输出端的与非门电路，其可以与第一～第六比较器(IC2a～IC2f)集成为一片集成电路；

第一～第六比较器(IC2a～IC2f)输出端分别连接第一～第六发光二极管(D01～D06)的阴极，第一～第六发光二极管(D01～D06)的阳极分别经第二十五～第三十电阻(R31～R36)接电子控制电路的工作电源(Vcc)，第一～第六发光二极管(D01～D06)分别用于显示缺相、过流/过载、短路、过压、欠压、漏电故障，第一～第六比较器(IC2a～IC2f)输出端还经与非门(IC3)、第二三极管(Q4)驱动第一光电耦合器(U3)，然后经第一光电耦合器(U3)隔离后控制第二功率开关管(Q3)的开关状态；

集成式仪表、电器综合控制装置的过压信号取自直流电源(V12)经第十一、第十二电阻(R15、R16)分压值，该分压值作为过压信号接第四比较器(IC2d)反相端，与其同相端的基准电平比较完成过压检测，当电源电压过高，使第四比较器(IC2d)输出低电平时，经与非门(IC3)、第二三极管(Q4)使第二功率开关管(Q3)关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，并点亮相应的第四发光二极管(D04)；直流电源(V12)经第十三、第十四电阻(R17、R18)分压后接第五比较器(IC2e)同相端，与其反相端的基准电平比较完成欠压检测，当电源电压过低，使第五比较器(IC2e)输出低电平时，经与非门(IC3)、第二三极管(Q4)使第二功率开关管(Q3)关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，并点亮相应的第五发光二极管(D05)；过压、欠压、短路保护的基准电平，由电子控制电路的工作电源(Vcc)经第九电阻(R11)接稳压管(D10)稳压后在稳压管(D10)上取得；

过流/过载、短路信号由镶嵌在集成式仪表、电器综合控制装置的三相静触桥上的第一～第三电流传感器(L1、L2、L3)取得，三相静触桥既为电流传感器的初级线圈，又为集成式仪表、电器综合控制装置的三相主电流通路，第一～第三电流传感器(L1、L2、L3)次级线圈的末端按星形连接，星点经零序电流互感器(L4)的初级线圈接地，由第一～第三电流传感器(L1、L2、L3)次级线圈的始端取得过流/过载、短路信号；缺相信号由零序电流互感器(L4)的次级线圈取得，第一～第三电流传感器(L1、L2、L3)次级线圈的三个始端分别接第五、第六、第七二极管(D11、D12、D13)的阳极，第五、第六、第七二极管(D11、D12、D13)的阴极一同接第二十三、第二十电阻(R28、R25)和第六电容(C8)的一端，第二十三电阻(R28)的另一端接第二比较器(IC2b)的反相端和开关(K)的一端，开关(K)的另一端经第七电容(C9)接地，由第二十三电阻(R28)和第七电容(C9)组成过载保护的积分电路，以获得过载保护所需的反时限特性，第二比较器(IC2b)的同相端由电位器(R24)的中点提供基准电平，电子控制电路的工作电源(Vcc)经第十七电阻(R21)接电位器(R24)的始端，电位器(R24)的末端经第十八电阻(R22)接地，通过调整电位器(R24)的中点位置改变第二比较器(IC2b)的基准电平，也即整定了过载或过流的保护范围，当第二比较器(IC2b)的反相端信号电平大于其同相端基准电平时，第二比较器(IC2b)输出低电平，经与非门(IC3)、第二三极管(Q4)使第二功率开关管(Q3)关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，并点亮相应的第二发光二极管(D02)，开关(K)闭合时为过载保护，具有反时限保护特性，开关(K)打开时为过流保护，具有快速保护特性，经第五、第六、第七二极管(D11、D12、D13)整流后的信号还经第二十、第二十一电阻(R25、R26)分压，分压后的信号作为短路保护信号接第三比较器(IC2c)的反相端，当第三比较器(IC2c)的反相端信号大于同相端的基准电平时，第三比较器(IC2c)输出低电平，经与非门(IC3)、第二三极管(Q4)使第二功率开关管(Q3)关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，并点亮相应的第三发光二极管(D03)，显示短路故障；

零序电流互感器(L4)次级线圈一端经第四二极管(D7)整流、第八电容(C10)滤波后接第一比较器(IC2a)反相端，零序电流互感器(L4)初级线圈的另一端和次级线圈的另一端接地，不缺相时，第一～第三电流传感器(L1、L2、L3)次级线圈的星点在三相平衡的条件下对地电流为零，第一比较器(IC2a)反相端没有缺相信号，当主回路缺相或三相不平衡时，零序电流互感器(L4)次级线圈有缺相信号输出，当第一比较器(IC2a)反相端信号大于同相端基准电平时，第一比较器(IC2a)输出低电平，经与非门(IC3)、第二三极管(Q4)使第二功率开关管(Q3)关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，并点亮相应的第一发光二极管(D01)，显示缺相故障，电子控制电路的工作电源(Vcc)经第七、第八电阻(R9、R10)分压后接第一比较器(IC2a)的同相端作为缺相基准电平，第一～第三电流传感器(L1、L2、L3)次级线圈的始端还分别连接第八、第九、第十二极管(D14、D15、D16)的阴极，第八、第九、第十二极管(D14、D15、D16)的阳极接第九电容(C11)和第十九电阻(R23)，由第八、第九、第十二极管(D14、D15、D16)、第九电容(C11)和第十九电阻(R23)提供第一～第三电流传感器(L1、L2、L3)次级线圈的负半周电流信号通路；

漏电保护是利用串接在输入的主回路三相交流电源的中性地线的第四电流传感器(L5)取得信号，集成式仪表、电器综合控制装置的漏电保护端(PN)和接地端(A4)分别与第四电流传感器(L5)的初级线圈两端连接，第四电流传感器(L5)次级线圈一端接地，另一端经第十一二极管(D20)整流、第十电容(C12)滤波后接第六比较器(IC2f)的反相端，并与其同相端的基准电平比较，第六比较器(IC2f)同相端的基准电平由第十五、第十六电阻(R19、R20)分压提供，当通过第四电流传感器(L5)初级线圈的中性地线有电流时，表明该负载设备有漏电电流，其漏电电流使第六比较器(IC2f)输出低电平时，经与非门(IC3)、第二三极管(Q4)使第二功率开关管(Q3)关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，并点亮相应的第六发光二极管(D06)显示出现漏电故障；

直流高压驱动电源(B+)还连接第一、第二、第三、第五电阻(R1、R2、R3、R6)的一端，由第一、第二、第三、第四电阻(R1、R2、R3、R4)和第四电容(C4)、第一三极管(Q2)以及第一功率开关管(Q1)组成瞬态导通的电子开关；第一电阻(R1)的另一端接第一功率开关管(Q1)的阳极，第一功率开关管(Q1)的阴极接电磁线圈(M)的一端，为电磁线圈(M)提供驱动电源，直流高压驱动电源(B+)经第二电阻(R2)接第一三极管(Q2)的集电极和第一功率开关管(Q1)的控制极，第三电阻(R3)的另一端接第四电阻(R4)和第四电容(C4)的一端，第四电阻(R4)的另一端接第一三极管(Q2)的基极，第一三极管(Q2)的发射极和第四电容(C4)另一端接第一功率开关管(Q1)的阴极，使第一功率开关管(Q1)上电即刻导通，随着第四电容(C4)充电结束，第一功率开关管(Q1)自动关闭，电磁线圈(M)由第一功率开关管(Q1)提供上电导通电流，它的维持电流由电源变压器(T1)的第一次级线圈(N2)经第五电容(C5)降压、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)整流后提供，第二二极管(D2)的阳极接电源参考端(A2)、阴极接电磁线圈(M)的所述一端，电磁线圈(M)的另一端接在第二功率开关管(Q3)的阳极上，第二功率开关管(Q3)的阴极接电源参考端(A2)，即启动后由第二功率开关管(Q3)控制电磁线圈(M)的电流通路，从而控制集成式仪表、电器综合控制装置的状态，并维持触头闭合。

2、如权利要求1所述的集成式仪表、电器综合控制装置，其特征还在于控制电源、电磁线圈(M)的驱动电路回路与电子控制电路的信号回路是由电源参考端(A2)和接地端(A4)两个参考电位构成，相互之间的控制信号联系由第一光电耦合器(U3)隔离完成，直流高压驱动电源(B+)与电子控制电路的工作电源(Vcc)、智能扩展模块电路的工作电源(Vdd)及控制信号隔离，以确保用户的人身安全；

直流高压驱动电源(B+)经第五电阻(R6)接第二功率开关管(Q3)的控制极和第一光电耦合器(U3)的三极管的集电极，为第二功率开关管(Q3)提供偏置，第一光电耦合器(U3)的三极管的发射极接电源参考端(A2)，第一光电耦合器(U3)的发光二极管阳极经第六电阻(R7)接电子控制电路的工作电源(Vcc)，第一光电耦合器(U3)的发光二极管阴极与第二光电耦合器(U4)的发光二极管阳极串联，第二光电耦合器(U4)的发光二极管阴极与第二三极管(Q4)集电极、第三光电耦合器(U5)的三极管的集电极连接，第二三极管(Q4)的基极经第十电阻(R14)接与非门(IC3)的输出端，第三光电耦合器(U5)的三极管的发射极、第二三极管(Q4)发射极接地，第二光电耦合器(U4)的三极管的集电极作为集成式仪表、电器综合控制装置的状态输出端口，并通过第二十二电阻(R27)接在连接插座(J1-CZ)的第7脚，第三光电耦合器(U5)的发光二极管阳极作为集成式仪表、电器综合控制装置的外部控制输入端口，并通过第二十四电阻(R29)接在连接插座(J1-CZ)的第6脚，连接插座(J1-CZ)的第3、4、5脚分别连接电子控制电路的主回路电流信号、电流设定信号、电源电压信号，连接插座(J1-CZ)的第1、2、12脚分别接电子控制电路的工作电源(Vcc)、智能扩展模块电路的工作电源(Vdd)和地，连接插座(J1-CZ)的第8～11脚留作他用，由第三光电耦合器(U5)、第二光电耦合器(U4)构成了本发明的集成式仪表、电器综合控制装置的光电隔离输入/输出扩展端口，由连接插座(J1-CZ)的第3、4、5脚构成模拟信号输出端口，并把主回路电流信号、电流设定信号和电源电压信号传送到智能扩展模块电路进行处理和显示。

3、如权利要求2所述的集成式仪表、电器综合控制装置，其特征还在于该装置有能扩展仪表功能或自动控制功能的智能扩展模块电路，智能扩展模块电路以单片机(IC4)为核心，配以复位电路、键盘电路、连接插头(J1-CT)及数码显示器构成，通过连接插头(J1-CT)与连接插座(J1-CZ)的连接使智能扩展模块电路与电子控制电路的信号连接；

单片机(IC4)包括有微处理器，程序存储器，数据存储器及其组成的寄存器阵列，可擦除/改写的非易失性数据存储器，第一～第五复用输入/输出端口(A、B、C、D、E)，定时/计数器，捕捉/比较/脉冲调制控制器，串行通讯端口，并行通讯端口及多路模数转换器；智能扩展模块电路可以插在电子控制电路的电路板上，也可与数字显示屏组成一个单独部件安装在仪表或电气控制箱面板上，该装置不插智能扩展模块电路亦可正常工作，仍有光电隔离的输入/输出端口，但不具备模拟信号显示和模拟仪表功能，

单片机(IC4)的第四输入/输出端口(D)用作数据输出与数码显示器的各个段码端相连接，第二输入/输出端口(B)的低四位经第三～第六三极管(Q6～Q9)分别与数码管的位选端相连接，该第二输入/输出端口(B)的第五位(RB.4)设为位控输入，经连接插头(J1-CT)连接电子控制电路光电隔离的输入/输出端口的第7脚输出端，单片机(IC4)的第三输入/输出端口(C)的第一位(RC.0)设为位控端口，经连接插头(J1-CT)连接电子控制电路光电隔离输入/输出端口的第6脚输入端，由第二光电耦合器(U4)、第三光电耦合器(U5)构成光电隔离的输入/输出端口，实现基于单片机(IC4)的智能化功能扩展，单片机(IC4)的模数转换输入端(AN.0、AN.1、AN.2)经连接插头(J1-CT)连接插头的3、4、5脚分别连接电子控制电路第三比较器(IC2c)的反相端、同相端和第三十一、第三十二电阻(R37、R38)的分压点进行采样，获得主回路电流信号、电流设定信号和电源电压信号，单片机(IC4)的第二输入/输出端口(B)的第六～第八位(RB.5、RB.6、RB.7)直接作为控制键(S3、S4、S5)的输入端，以选择模数转换的采集路号，选单片机(IC4)的第三输入/输出端口(C)的第二位(RC.1)为位控报警输出，经正向连接的第七发光二极管(D07)推动第七三极管(Q10)，由第七三极管(Q10)驱动报警器(LS1)工作，单片机(IC4)的时钟信号引脚(OSC1、OSC2)分别接第十一、第十二电容(C14、C15)和晶体(Y1)两端，以产生稳定的时钟信号，单片机(IC4)的复位端(MCLR)经第三十八电阻(R45)接按键开关(S2)、第十三电容(C16)和第三十七电阻(R44)的一端，第三十七电阻(R44)的另一端接(Vdd)电源，按键开关(S2)和第十三电容(C16)的另一端接地，单片机(IC4)的第一输入/输出端口(A)的模数转换输入端(AN.3)接扩展的模拟量信号，连接插头(J1-CT)的1、2、12脚分别通过连接插座(J1-CZ)接电子控制电路的工作电源(Vcc)、智能扩展模块电路的工作电源(Vdd)和地，单片机(IC4)的串行通信端口用于组成远程通讯端口，单片机(IC4)的定时/计数模块通过编程实现时间程序控制或生产过程的计数控制，单片机(IC4)的可擦除/改写的非易失性数据存储器用于存放和修改常数和变量，为用户提供现场修正系数的可能。

4、如权力要求3所述的集成式仪表、电器综合控制装置，其特征还在于其智能扩展模块电路的单片机(IC4)程序存储器内存放有智能扩展模块电路的控制程序，控制程序主要由含有模数转换程序的主程序、中断程序、除法子程序、二～十进制代码转换子程序、更新显示子程序及各个端口驱动程序，该控制程序至少启动一路模数转换处理或输入/输出端口处理及报警子程序，在主程序中主要由初始化程序，模数转换程序，电流采集处理程序，并调用除法子程序、二-十进制代码转换子程序、更新显示子程序，在中断处理程序中主要由键盘中断处理程序，输入/输出端口处理及报警子程序，设定值子程序，电压处理子程序，外部模拟量仪表子程序组成。

5、如权力要求4所述的集成式仪表、电器综合控制装置，其特征还在于控制程序的主程序在没有中断请求的情况下，将把电子控制电路的主回路电流信号经过模数转换、除法运算和代码转换后送到数码显示器上进行显示，在中断的情况下，首先查询中断源，再转到相应的中断处理程序，除输入/输出端口处理及报警子程序外，其他中断处理子程序主要按对象不同修改模数转换的路号和标志、相应的除数系数，然后返回主程序。

6、如权力要求4所述的集成式仪表、电器综合控制装置，其特征还在于外部模拟量仪表子程序将根据传感器、变送器的不同而编制相应的软件控制程序。

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