CN102621946A

CN102621946A - 一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置

Info

Publication number: CN102621946A
Application number: CN2012100579015A
Authority: CN
Inventors: 王丽娜; 唐鹏晖; 张云贵; 于立业
Original assignee: Automation Research and Design Institute of Metallurgical Industry
Current assignee: Automation Research and Design Institute of Metallurgical Industry
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2032-03-07
Also published as: CN102621946B

Abstract

本发明公开了一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置，包括：电力载波通讯基板和电力电子器件监测控制应用板，电力载波通讯基板通过Lonworks网络与监控主机进行通讯，电力载波通讯基板包括电源模块、PL3120通讯控制模块和耦合电路，电力电子器件监测控制应用板通过IO管脚与电力载波通讯基板进行通讯，电力电子器件监测控制应用板包括过流检测模块和晶闸管驱动输出模块，晶闸管驱动输出模块直接与被控设备连接。本发明能够降低监控系统的建设成本，减少占用空间，降低后期维护难度。尤其适用于人防工程中无法继续敷设线路的地方，或者在人防工程中结构完成后绝对不能出现凿墙穿管的情况。

Description

一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置

技术领域

本发明涉及一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置，属于人防工程、智能楼宇设备自动化领域。

背景技术

人防工程、智能楼宇属于结构比较复杂的环境场所，其内部的设备如风机、电动阀门、电控门、水泵等，都需要实现自动化的监控。由于在有许多楼层和空间遮挡的场合，是极不适合无线通讯实现的，因此对设备的自动化监控都是通过配置接触器、继电器的配电柜，再增加一组自动化的控制器柜来实现的。但是这种技术需要铺设单独的通讯线缆，设置单独的接触器、继电器的配电柜和自动化控制器柜，不仅成本高、占用空间大，而且设备供应商之间需要大量的时间进行协商和沟通才能实现设备之间的兼容，增加了后期维护难度。而且在人防工程中无法继续敷设线路的地方，或者在人防工程中结构完成后绝对不能出现凿墙穿管的情况下，这种技术是不适用的。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置，能够降低监控系统的建设成本，减少占用空间，降低后期维护难度。尤其适用于人防工程中无法继续敷设线路的地方，或者在人防工程中结构完成后绝对不能出现凿墙穿管的情况。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置，包括：电力载波通讯基板和电力电子器件监测控制应用板，电力载波通讯基板通过Lonworks网络与监控主机进行通讯，电力载波通讯基板包括电源模块、PL3120通讯控制模块和耦合电路，电力电子器件监测控制应用板通过IO管脚与电力载波通讯基板进行通讯，电力电子器件监测控制应用板包括过流检测模块和晶闸管驱动输出模块，晶闸管驱动输出模块直接与被控设备连接。

PL3120芯片是Echelon公司推出的智能电力载波芯片系列，采用ANSI/EIA-709.1协议标准，通过Lonworks网络实现点对点之间的通讯。它与以前Echelon公司的神经元芯片不同之处在于集成了电力载波接收放大电路和信号发送电路，只需要外置耦合电路即可进行电力载波通讯，简化电路，降低成本，专为在电力载波领域使用开发。

前述的一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置中，电源模块采用两级电源转换电路，一级电源转换电路将电源线上的220V或380V交流电压转换成V_A直流电压，为PL3120芯片发送数据包时提供偏置电压，二级电源转换电路将V_A直流电压转换成V_DD5直流电压，为PL3120芯片提供驱动电能。

前述的一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置中，一级电源转换电路采用开关电源电路或者线性电源电路。

前述的一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置中，V_A直流电压信号经过耦合电路，对V_A进行电压滤波和初步的调制解调，初步解调后的电压信号进入PL3120通讯控制模块。

前述的一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置中，PL3120通讯控制模块内的接收放大电路和信号发送电路对电力载波数据进行收发，通过智能双载波BPSK调制解调技术对数据再次进行调制解调，以及多种容错、纠错技术，例如采用前向纠错算法(FEC)加上循环冗余校验(CRC)来克服数据包错误问题，同时该通讯控制模块还对微控信号的输入输出进行监测控制。

前述的一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置中，如果PL3120通讯控制模块接收的数据是监控主机查询数据，就把检测到的被控设备运行状态放到网络变量中，通过网络变量上传给监控主机(上传即对监控主机命令的回复，通过网络变量上传采用隐性报文传输，其过程对应用层来说是透明的)；如果收到的是监控主机控制数据，就对数据进行处理并通过I/O口向外输出控制信号，通过检测被控设备运行状态来判断是否达到控制目的，控制目的达到时，使被控设备保持控制后的状态不变，并通过网络变量上传控制结果；如果接收的是Lonworks网络中其他装置或变送智能节点的数据，就根据相应数据进行控制算法运算，检测是否需要被控设备状态进行调整，例如，对人防工程中的空调冷却系统设备根据温度对阀门的开度进行PID调节时，控制算法采用PID调节算法，采用三防逻辑控制关系比较法这种控制算法，对三防通风设备现在的状态及检测电流电压数据与不同通风方式下的逻辑控制关系进行比较，从而对其进行调整。

前述的一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置中，从PL3120通讯控制模块输出的电力载波数据输入到晶闸管驱动输出模块，PL3120芯片内的Neuron控制器控制晶闸管的通断，实现对被控设备电机的导通和关断，还可实现定时控制，其实质为分时导通，控制方式是相位控制，在交流电源每半个周期内通过对双向晶闸管导通角的控制来调节输出电压的有效值，采用电力电子器件对电能进行变换和控制具有施工简单、体积小、效率高、成本低的优点。

前述的一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置中，PL3120通讯控制模块预置被控设备电机过流上限值和下限值，并将上、下限值发送给过流检测模块；过流检测模块根据上、下限值及电流互感器和整流芯片，共同检测被控设备电机工作时是否越线而发生过流故障，当有过流故障发生时，PL3120通讯控制模块向监控主机发送报警信号。在过流检测时应用电流互感器，用来将一次大电流变换为二次小电流，作为标准和测量用的电流互感器，要考虑到在正常运行状态下的比误差和角误差；作为保护用的电流互感器，为保证电机保护的可靠运行，要考虑当系统出现最大短路电流的情况下，装置能正常工作，不致因为饱和及误差带来拒动，应用于电机过流保护的电流互感器，在其二次侧负载和一次电流为已知的情况下，电流误差不得超过10％。与传统的电机过流保护相比具有更加准确、直观、易于故障分析的优点。

前述的一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置中，被控设备可以是风机、电动阀门、电控门和水泵等自动化设备。

与现有技术相比，本发明采用电源模块和PL3120通讯控制模块能够使该智能控制装置直接通过交流电源220V或380V的电源线进行信号通讯，不需要单独的通讯线缆，不需要重新架设通信网络，只要有电线，就能进行数据传递，尤其适合施工难度大、对成本敏感而又不需要快速、即时通信的应用场合，及人防工程中无法继续敷设线路的地方，或者在人防工程中结构完成后绝对不能出现凿墙穿管的情况；耦合电路是将电力网络与装置内部电路隔离，同时也是耦合电路输入阻抗的一部分，起到提高输入阻抗、减少由于分压导致信号损失的作用，提高载波通讯质量，使该装置能在相对恶劣的电力环境下正常通讯；流检测模块和晶闸管驱动输出模块属于现代电力电子技术领域，通过PL3120通讯控制模块上的微控制器控制晶闸管的通断，可以直接与220V或380V的风机、电动阀门、电控门、水泵等自动化设备连接，能很简单的通过控制晶闸管功率器件的输出直接驱动220V或380V电机的启动、停止、正转、反转等工作，与现有的采用“控制器+接触器、继电器的配电柜”传统电气元件的方式相比，具有施工简单、体积小、效率高、成本低的优点；过流检测模块是针对电机运行情况的监测，通过PCB板级互感器来测量电机工作中的电流，然后在微控制器中通过采用相应的电流计算方法来获取电机工作状态。本发明将采样的数据封装成标准的LonMark的网络变量数据对象并被动上传；接收网络上的命令数据包，通过执行一定的算法执行命令；主动上传报警信息的网络变量。

通过风机、电动阀门、电控门、水泵等人防工程、智能楼宇领域自动化设备工作所需的电力线来传输PL3120通讯控制模块采集的电机运行状况、电流状况、阀门的开关到位状态等状态信息到监控主机，或是与相关智能控制器节点之间进行信息绑定传输，并能够通过电力线将监控主机或其他智能节点的控制指令发送到该智能控制装置；内嵌人防工程的三防控制模式逻辑控制程序满足人防工程的特殊需求。因此该装置解决了人防工程、智能楼宇等设备自动化系统的布线复杂、施工难度大、配置大量配电柜成本高、占用大量空间的困难，它的应用可以使整个系统施工降低60％以上(在同等功能下应用该控制装置，节省了所需的电气配电箱、控制箱以及通讯线缆)；维护成本降低25％以上(后期维护时不需要更换过多地电气器件，不需要特别专业的人员进行维护，不需要检查过多地线缆)；并且使设备自动化系统监测和输出控制的效率提高20％以上(在应用通讯线不能够改造或改造难度大的地方都可以通过该装置的电力载波通讯实现)。

附图说明

图1是该控制装置的结构示意图；

图2是开关电源电路的电路原理图；

图3是线性电源电路的电路原理图；

图4是二级电源转换电路的电路原理图；

图5是耦合电路的电路原理图；

图6是电力载波通讯基板的电路原理图；

图7是过流检测模块的电路原理图；

图8是晶闸管驱动输出模块的电路原理图；

图9是被控设备的开关到位状态检测电路原理图；

图10是被控设备的开关到位指示输出控制电路原理图；

图11是控制风机的智能控制装置的电力电子器件监测控制应用板电路原理图；

图12是晶闸管驱动阀门正向输出控制模块的电路原理图；

图13是晶闸管驱动阀门反向输出控制模块的电路原理图；

图14是电动阀门的运行状态检测电路原理图；

图15是控制电动阀门的智能控制装置的电力电子器件监测控制应用板电路原理图；

图16是程序流程图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

本发明的实施例1：一种基于Lonworks电力载波通讯的控制风机的智能控制装置，其结构示意图如图1所示，包括：电力载波通讯基板和电力电子器件监测控制应用板，电力载波通讯基板通过Lonworks网络与监控主机进行通讯，电力载波通讯基板包括电源模块、PL3120通讯控制模块和耦合电路，电力电子器件监测控制应用板通过1O管脚与电力载波通讯基板进行通讯，电力电子器件监测控制应用板包括过流检测模块和晶闸管驱动输出模块，晶闸管驱动输出模块直接与被控设备。

1、电源模块：

电源模块采用两级电源转换电路，一级电源转换电路将电源线上的220V或380V交流电压转换成V_A直流电压，为PL3120芯片发送数据包时提供偏置电压。可采用开关电源电路，如图2所示，交流电压(由L、N端输入)通过开关电源BPS转换成14V直流电压VA，C9、C11为滤波电容，R7、R8做过电流保护以及增强输入阻抗作用，避免阻抗过小影响信号接收效果；也可以采用线性电源电路，如图3所示，交流电压通过变压器和整流桥转换成不稳定的直流电压，通过稳压芯片LM317T和储能电容C01转换成稳定的直流电压VA，C02、C03为滤波电容，R1提供参考电压和限流作用，R2用于调压，D02、D03用于反向保护。

二级电源转换电路将V_A直流电压转换成V_DD5直流电压，为PL3120芯片提供驱动电能。

如图4所示，通过电源变换IC 78L05将14V电压(V_A)转换成5V电压(V_DD5)，V_DD5连接至PL3120芯片电源管脚，C12、C13为滤波电容，C14作为旁路电容，起稳定电源供应作用。

2、耦合电路：

V_A直流电压信号经过耦合电路，对V_A进行电压滤波和初步的调制解调，初步解调后的电压信号进入PL3120通讯控制模块。耦合电路设计必须做到输出阻抗尽可能小，这样信号才不会被输出阻抗消耗，由于线路阻抗可能小于1欧姆，因此整个发送信道阻抗必须小于1欧姆。同时输入阻抗必须大，保证信号基本不会被线路阻抗分掉。如图5所示，T1为通信耦合变压器，它的作用是将电力网络与内部电路隔离，同时也是耦合电路输入阻抗的一部分，起到提高输入阻抗，减少信号由于分压引导致的损失的作用；TXOUT、RXIN均是PL3120上的发送接收管脚，发送信号经T1通过C3发送出去；D5、D6两个二极管起钳压作用，抑制电路浪涌电压；C2的作用是防止TXOUT的直流偏置电压加载到RXIN管脚上；R6既是输入阻抗的一部分，也是为T1和C3提供放电通道。为达到低阻抗要求，发送放大器输出和AC电源之间信号线宽必须大于1.27mm，长度不能大于15cm，以防引入过大阻抗。

3、PL3120通讯控制模块：

PL3120芯片内的接收放大电路和信号发送电路对电力载波数据进行收发，通过智能双载波BPSK调制解调技术对数据再次进行调制解调，以及多种容错、纠错技术，同时该通讯控制模块还对微控信号的输入输出进行监测控制。

(1)如果PL3120通讯控制模块接收的数据是监控主机查询数据，就把检测到的被控设备运行状态放到网络变量中，通过网络变量上传给监控主机(上传即对监控主机命令的回复，通过网络变量上传采用隐性报文传输，其过程对应用层来说是透明的)；

(2)如果收到的是监控主机控制数据，就对数据进行处理并通过I/O口向外输出控制信号，通过检测被控设备运行状态来判断是否达到控制目的，控制目的达到时，使被控设备保持控制后的状态不变，并通过网络变量上传控制结果；

(3)如果接收的是Lonworks网络中其他装置或变送智能节点的数据，就根据相应数据进行控制算法运算，检测是否需要被控设备状态进行调整。

电力载波通讯基板的电路原理图如图6所示，其中的一级电源转换电路采用的是线性电源电路。

4、过流检测模块：

过流检测模块接收PL3120通讯控制模块预置被控设备电机过流上限值和下限值，并根据上、下限值及电流互感器和整流芯片，共同检测被控设备电机工作时是否越线而发生过流故障，当有过流故障发生时，PL3120通讯控制模块向监控主机发送报警信号。在过流检测时应用电流互感器，用来将一次大电流变换为二次小电流，作为标准和测量用的电流互感器，要考虑到在正常运行状态下的比误差和角误差；做为保护用的电流互感器，为保证电机保护的可靠运行，要考虑当系统出现最大短路电流的情况下，装置能正常工作，不致因为饱和及误差带来拒动，应用于电机过流保护的电流互感器，在其二次侧负载和一次电流为已知的情况下，电流误差不得超过10％。过流检测模块的电路原理图如图7所示，电机供电线穿过精密电流互感器T81、T71、T63的初级端，在T81、T71、T63的次级端产生感应电流，经过整流及电容储能等，转换成电压信号，电压信号输入到ADC芯片MC145053中，MC145053将数字信号转换后输入到PL3120通讯控制模块。

5、晶闸管驱动输出模块：晶闸管采用BTA系列，根据被驱动电机功率不同，选择的型号也不同，其型号对应的是所驱动的最大电压和电流，例如小于2kw风机的控制装置选择晶闸管型号是BTA24-800，大于2kw且小于4kw风机的控制装置选择晶闸管型号是BTA41-800。

风机的启停通过间接控制双向可控硅的通断来实现。晶闸管驱动输出模块的电路原理图如图8所示。当Neuron 3120收到手动或远程启停命令时，命令经过处理后，通过输出I/O口DIO0控制三极管T1的通断，驱动光耦MOC3063的发光二极管，间接驱动双向可控硅Q1、Q2、Q3通断，以达到控制风机启停的目的。其中，C1、C2、R3为双向可控硅Q1的缓冲电路，C3、C4、R6为双向可控硅Q2的缓冲电路，C5、C6、R9为双向可控硅Q3的缓冲电路。

开关到位状态检测及开关到位指示输出控制电路分别如图9、10所示；电力电子器件监测控制应用板电路如图11所示。

本发明的实施例2：一种基于Lonworks电力载波通讯的控制电动阀门的智能控制装置，其与实施例1的区别仅在于电力电子器件监测控制应用板电路部分。由于电动阀门的功率一般都很小，并且正、反转运行时间最长时间也就几十秒，时间很短；又考虑到与阀体组合时的体积大小，因此电动阀门的智能控制装置没有过流检测模块。

晶闸管驱动输出模块接收PL3120通讯控制模块输出的电力载波数据，PL3120芯片内的Neuron控制器控制晶闸管的通断，实现对被控设备电机的导通和关断，还可实现定时控制，其实质为分时导通，控制方式是相位控制，在交流电源每半个周期内通过对双向晶闸管导通角的控制来调节输出电压的有效值。晶闸管驱动阀门正、反输出控制模块的电路原理图分别如图12、13所示，当PL3120收到手动或远程开关命令时，命令经过处理后，通过输出I/O口控制三极管T1(T11)的通断，驱动光耦(MOC3063)U1、U2、U3(U11、U12、U13)的发光二极管，间接驱动双向可控硅(开阀时为Q1、Q2、Q3，关阀时为Q11、Q12、Q13)，以达到控制三相电机的正反及停止控制。

增加了电动阀门的运行状态检测电路，电路原理图如图14所示。

其开关到位状态检测及开关到位指示输出控制电路分别如图9、10所示；电力电子器件监测控制应用板电路如图15所示。

由于网络变量传输数据采用隐性报文传输，其过程对应用层来说是透明的，为了通讯和设计方便，采用网络变量进行数据传输；由于Lonworks电力载波现场总线中节点可以通过更新输出网络变量来传输数据给另外的节点，因此可以通过判断智能节点的输入型网络变量是否有更新，来判断其他节点或监控主机是否有数据到来。

PL3120通讯控制模块根据输入型网络变量及数据，或收到的消息进行判断和处理。当智能控制装置没有数据交互时，智能控制装置将循环检测控制器本身及负载的运行状态，根据检测到的数据自动调整，用以维持控制装置正常及负载稳定。一旦出现工作异常，则采取一定的措施进行保护，并把异常情况通过网络变量主动上传给监控主机和其他智能节点，及时反馈异常信息。

电力载波通讯基板通过IO发送控制信息给电力电子器件监测控制应用板。如图16所示，PL3120通过网络变量接收来自控制器传来的控制命令，当预定义时间到达后，PL3120检查命令状态是否为等待写状态，若是，则通过IO管脚向被控设备发送控制命令，同时设置超时时间，然后等待调光板返回信息；若在超时时间到之前收到反馈信息，则检查格式，将返回信息更新并送至对应网络变量，否则调用看门狗更新，同时将命令状态调整为等待写状态。另外设置一个时钟计算节能控制时间，如果到达1秒，就调整节能控制时间。Lonworks任务调度结构是先检查完优先级高的任务，再在低优先级任务中按照一定算法选择一个任务检查，若有事件则执行，否则返回检查优先级高的任务，再在低优先级任务调度中选择另一个任务检查，这样保证高优先级的任务得到更多的执行几率。

Claims

1.一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置，其特征在于，包括：电力载波通讯基板和电力电子器件监测控制应用板，电力载波通讯基板通过Lonworks网络与监控主机进行通讯，电力载波通讯基板包括电源模块、PL3120通讯控制模块和耦合电路，电力电子器件监测控制应用板通过IO管脚与电力载波通讯基板进行通讯，电力电子器件监测控制应用板包括过流检测模块和晶闸管驱动输出模块，晶闸管驱动输出模块直接与被控设备连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置，其特征在于：电源模块采用两级电源转换电路，一级电源转换电路将电源线上的220V或380V交流电压转换成V_A直流电压，为PL3120芯片发送数据包时提供偏置电压，二级电源转换电路将V_A直流电压转换成V_DD5直流电压，为PL3120芯片提供驱动电能。

3.根据权利要求2所述的一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置，其特征在于：一级电源转换电路采用开关电源电路或者线性电源电路。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置，其特征在于：V_A直流电压信号经过耦合电路，对V_A进行电压滤波和初步的调制解调，初步解调后的电压信号进入PL3120通讯控制模块。

5.根据权利要求4所述的一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置，其特征在于：PL3120通讯控制模块内的接收放大电路和信号发送电路对电力载波数据进行收发，通过智能双载波BPSK调制解调技术对数据再次进行调制解调，同时该通讯控制模块还对微控信号的输入输出进行监测控制。

6.根据权利要求5所述的一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置，其特征在于：如果PL3120通讯控制模块接收的数据是监控主机查询数据，就把检测到的被控设备运行状态放到网络变量中，通过网络变量上传给监控主机；

如果收到的是监控主机控制数据，就对数据进行处理并通过I/O口向外输出控制信号，通过检测被控设备运行状态来判断是否达到控制目的，控制目的达到时，使被控设备保持控制后的状态不变，并通过网络变量上传控制结果；

如果接收的是Lonworks网络中其他智能控制器节点的数据，就根据相应数据进行控制算法运算，检测是否需要被控设备状态进行调整。

7.根据权利要求1或5所述的一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置，其特征在于：从PL3120通讯控制模块输出的电力载波数据输入到晶闸管驱动输出模块，PL3120芯片内的Neuron控制器控制晶闸管的通断，实现对被控设备电机的导通和关断。

8.根据权利要求1所述的一种基于Lonworks电力载波通讯的智能控制装置，其特征在于：PL3120通讯控制模块预置被控设备电机过流上限值和下限值，并将上、下限值发送给过流检测模块；过流检测模块根据上、下限值及电流互感器和整流芯片，共同检测被控设备电机工作时是否越线而发生过流故障，当有过流故障发生时，PL3120通讯控制模块向监控主机发送报警信号。