CN106681283A - 一种电气模组及基于该电气模组的智能一体化控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电气模组及基于该电气模组的智能一体化控制系统，包括电气执行单元和监测、控制处理单元，所述电气执行单元通过线路与监测、控制处理单元连接，所述监测、控制处理单元对电气执行单元输出控制信号。本发明中的一种电气模组及基于该电气模组的智能一体化控制系统，电气模组通过通信网络实现相互信息交换。基于该电气模组发明了一种智能一体化的控制系统，用于水泵、风机、空调、照明等工艺设备的智能一体化监控。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制领域，尤其涉及一种电气模组及基于该电气模组的智能一体化控制系统。
背景技术
现有的控制系统一般分为两类，一类采用分立的强电配电柜、强电启动柜、PLC或DDC弱电控制柜的方案来实现；另一类是采用包含了配电、启动、控制要素的强弱电一体化的控制方案来实现。这两种方式的控制系统均按需定制方法，由工厂采购开关、断路器、避雷器、控制器、仪表等电气元件，将这些电气元件安装在控制箱中，通过线路连接行程特定需求的控制功能。
但是现有的控制系统在电气控制系统、单元的标准化和模组化的工程设计、产品设计、生产制造、安装调试、工程运维上都十分复杂。
因此，设计一套基于标准化电气模组的智能一体化控制系统来简化传统的电气控制系统、单元的标准化和模组化的工程设计、产品设计、生产制造、安装调试、工程运维是企事业单位急需解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种简化设计、方便安装调试、易于制造、为智能化工程提供底层自控和网络基础的电气模组及基于该电气模组的智能一体化控制系统。
本发明的一种电气模组，包括电气执行单元和监测、控制处理单元，所述电气执行单元通过线路与监测、控制处理单元连接，所述监测、控制处理单元对电气执行单元输出控制信号；
供电电源：为所述电气模组提供电能；
电气负载设备：接收所述电气模组输出的电能；
通信网络设备：通过线路连接于所述监测、控制处理单元，并与所述监测、控制处理单元双向传输数据；
联动控制设备：通过IO端口对所述监测、控制处理单元输出联动控制信号；
执行设备：通过IO端口接收所述监测、控制处理单元输出的控制和状态信号；
传感、采集设备：通过IO端口对所述监测、控制处理单元输出控制和状态信号；
控制总线设备：与所述监测、控制处理单元通过串行总线连接，并与所述监测、控制处理单元双向传输数据。
进一步的，所述供电电源的数量为2个或2个以上，所述电气执行单元内设置有互投装置，所有所述供电电源均与互投装置连接，所述供电电源通过互投装置实现自动切换。
进一步的，电气模组还包括智能负载设备，所述智能负载设备与监测、控制处理单元以双向数据传输的形式通信连接。
进一步的，所述电子负载设备和/或智能负载设备的数量为一个以上。
进一步的，电气模组还包括用于强制启动或停止电气负载设备的强制控制设备，所述强制控制设备向电气执行单元发送强制控制信号，并接收电气执行单元的状态信号。
进一步的，电气模组还包括应急控制设备。
进一步的，所述电气执行单元的内部设有执行单元和状态、信号传感元件，所述监测、控制处理单元的内部设有CPU、若干输入单元、若干输出单元、若干通信单元、计量单元、ID地址单元和电源单元，所述CPU通过IO输入单元采集电气执行单元内部状态和信号传感元件的状态信号，所述CPU通过IO输出单元对执行元件输出控制信号。
进一步的，所述电源单元与通信网络设备共用线路供电或为独立供电；
所述电源单元与通信网络设备共用线路供电时，所述监测、控制处理单元内部设有用于分离通信数据和供电的解耦单元；
所述电源单元为独立供电时，所述电源单元连接外部独立电源。
进一步的，所述电气执行单元内部设置有防雷单元，所述防雷单元设置于供电电源的输入侧和/或电气负载设备一侧。
一种基于电气模组的智能一体化控制系统，包括若干上述的电气模组，若干所述电气模组通过电源总线连接为智能一体化控制系统，所述智能一体化控制系统包括单电源或双电源输入馈电模组、若干个输出控制模组、处理器模组，所述单电源或双电源输入馈电模组、若干个输出控制模组、处理器模组通过电源总线和控制总线并联连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：一体化智能控制系统实现了电气控制环节的电气安全、电气保护、计量、控制、监测、数据处理和通信功能。电气模组内有电气执行单元和监测、控制处理单元，其中监测、控制处理单元采集电气执行单元和外部输入状态数据和信号，通过运算对电气执行单元和外部受控单元进行控制。电气模组通过通信网络实现相互信息交换。基于该电气模组发明了一种智能一体化的控制系统，用于水泵、风机、空调、照明等工艺设备的智能一体化监控。本发明实现了电气控制系统和单元的标准化和模组化，大大简化了传统电气控制系统的工程设计、产品设计、生产制造、安装调试、工程运维的复杂性，提高了电气控制系统的综合品质，为智能化和智慧化工程提供了坚实的底层自控和网络基础。
附图说明
图1为本发明的一种电气模组的应用基本结构图；
图2是图1所示的一种电气模组的应用电源和信号流向图；
图3是图1所示的一种电气模组的电气模组内部结构和连接关系图；
图4是图1所示的一种电气模组的电气模组内部结构和电源、信号流向图；
图5是图1所示的一种电气模组的双电源输入电气模组的结构示意图；
图6是图1所示的一种电气模组的多路输出电气模组的结构示意图；
图7是图1所示的一种电气模组的智能负载设备输出电气模组的结构示意图；
图8是图1所示的一种电气模组的双电源供电和强制输出控制的电气模组输入结构图；
图9是图1所示的一种电气模组的电气模组的应用扩展结构图；
图10是图1所示的一种电气模组的断路器馈电的电气执行单元的主回路结构；
图11是图1所示的一种电气模组的接触器、热继电器的电气执行单元的主回路结构；
图12是图1所示的一种电气模组的断路器、接触器、热继电器的电气执行单元的主回路结构；
图13是图1所示的一种电气模组的电机正反转控制的电气执行单元的主回路结构；
图14是图1所示的一种电气模组的电机双速控制的电气执行单元的主回路结构；
图15是图1所示的一种电气模组的交流输入变频控制电器的电气执行单元的主回路结构；
图16是图1所示的一种电气模组的直流输入变频控制的电气执行单元的主回路结构；
图17是图1所示的一种电气模组的交流转直流的电气执行单元的主回路结构；
图18是图1所示的一种电气模组的监测、控制处理单元的系统结构图；
图19是图1所示的一种电气模组的监测、控制处理单元的第一种供电系统图；
图20是图1所示的一种电气模组的监测、控制处理单元的第二种供电系统图；
图21是图1所示的一种电气模组的电气模组交流能源计量系统结构图；
图22是图1所示的一种电气模组的电气模组直流能源计量系统结构图；
图23是图1所示的一种电气模组的电气执行单元的防雷保护结构图；
图24是图1所示的一种电气模组的实施例一中风机控制柜系统图；
图25是图1所示的一种电气模组的实施例二中制冷系统控制柜系统图；
图26本发明的一种基于电气模组的智能一体化控制系统的结构示意图。
附图标记说明：
1-电气模组；2-供电电源；3-通信网络设备；4-联动控制设备；5-电气负载设备；6-执行设备；7-传感、采集设备；8-控制总线设备；9-应急控制设备；11-电气执行单元；12-监测、控制处理单元；111-互投装置；112-执行元件；113-状态、信号传感元件；114-防雷单元；121-CPU；122-电源单元；123-ID地址单元；124-通信单元；125-计量单元；126-IO输出单元；127-IO输入单元；128-解耦单元；13-智能一体化控制系统；14-电源总线；15-控制总线；16-单电源或双电源输入馈电模组；17-输出控制模组；18-处理器模组；51-智能负载设备；41-强制控制设备。
具体实施方式
为便于本领域技术人员对本发明的技术方案和有益效果进行理解，特结合附图对具体实施方式进行如下描述。
本发明的一种电气模组，如图1所示，包括电气执行单元11和监测、控制处理单元12，电气执行单元11通过线路与监测、控制处理单元12连接，监测、控制处理单元12对电气执行单元11输出控制信号；
供电电源2：为电气模组1提供电能；
电气负载设备5：接收电气模组1输出的电能；
通信网络设备3：通过线路连接于所述监测、控制处理单元12，并与监测、控制处理单元12双向传输数据；
联动控制设备4：通过IO端口对所述监测、控制处理单元12输出联动控制信号；
执行设备6：通过IO端口接收所述监测、控制处理单元12输出的控制和状态信号；
传感、采集设备7：通过IO端口对所述监测、控制处理单元12输出控制和状态信号；
控制总线设备8：与监测、控制处理单元12通过串行总线连接，并与所述监测、控制处理单元12双向传输数据。
电气模组1通过线路连接供电电源2，并输出至电气负载设备5，电气模组1通过通信网络设备3与第三方进行通信交换数据和信息；电气模组通过IO端口与联动控制设备4连接来接收联动控制设备的信号并反馈状态，电气模组1通过IO端口连接现场的传感、采集设备7和执行设备6，电气模组通过控制总线通信接口控制总线设备8。
本发明的电气模组1的基本应用电源和信号流向如图2所示，电气模组1向电气负载设备5输出电能；电气模组1与通信网络设备2之间的线路是双向传输数据的；电气模组1通过IO端口接收联动控制设备4的联动控制信号，并向联动控制设备4输出状态信号；电气模组1通过IO端口向执行设备6输出控制和状态信号；电气模组1通过IO端口接收传感、采集设备7的状态和信号；电气模组1通过串行总线连接控制总线设备8，并双向传输数据。
如图4所示，电气模组1仅连接供电电源2、电气负载设备5、通信网络设备3形成系统应用结构；同时，作为扩展应用，电气模组1的输入可以是直流、单相交流、三相交流电源的供电。
如图23所示，电气执行单元11内部设置有防雷单元114，防雷单元114设置于供电电源2的输入侧和/或电气负载设备5一侧。作为扩展应用，电气模组1的通信网络设备连接线可以为工业现场总线或以太网双绞线或以太网光阑或2/3/4G蜂窝网络或无线局域网络。
如图5所示，供电电源2的数量为2个或2个以上，电气执行单元11内设置有互投装置111，所有供电电源2均与互投装置111连接，当任一路供电电源2出现故障时，供电电源2通过互投装置111自动切换至另一路电源上工作，保障电源不中断。
如图6-7所示，电气模组1还包括智能负载设备51，智能负载设备51与监测、控制处理单元12以双向数据传输的形式通信连接。电子负载设备5和/或智能负载设备51的数量为一个以上，智能负载设备51供电连接至电气执行单元11，并通信连接至监测、控制处理单元12。
如图8-9所示，电气模组1还包括用于强制启动或停止电气负载设备5的强制控制设备41，强制控制设备41向电气执行单元11发送强制控制信号，并接收电气执行单元11的状态信号。电气模组1还包括应急控制设备9。
如图10-17所示，作为电气模组1的电气执行单元11的多种主回路结构。
如图18所示，电气执行单元11的内部设有执行单元112和状态、信号传感元件113，监测、控制处理单元12的内部设有CPU121、若干输入单元127、若干输出单元126、若干通信单元124、计量单元125、ID地址单元123和电源单元122，CPU121通过IO输入单元采集电气执行单元11内部状态和信号传感元件113的状态信号，CPU121通过IO输出单元对执行元件112输出控制信号；其中执行单元112可以为接触器、脱口电磁铁、功率半导体器件、发光射管或继电器；状态、信号传感元件113可以为无缘状态干结点或电平采样结点或电压互感器或电流互感器或霍尔电压或电流传感器。
如图19-20所示，电源单元122与通信网络设备6共用线路供电或为独立供电；电源单元122与通信网络设备6共用线路供电时，监测、控制处理单元12内部设有用于分离通信数据和供电的解耦单元128；
电源单元122为独立供电时，电源单元连接外部独立电源，一般从电气执行单元11引出。
如图21-22所示，在电气执行单元11内设置有电流采集互感器、剩余电流互感器、电压采样点。并将电流、电压送至用电计量单元125，由用电计量单元125对功率进行运算并累计成电量。
电气模组1的输入和输出的连接形式可以为用弹簧压接和/或用螺丝压接和/或插头插座插接的方式。电气模组1的封装形式可以采用抽屉式封装或费抽屉闭式封装或费抽屉开式封装的形式。
本发明的电气模组可以为三相交流输入馈电模组、三相交流双电源输入馈电模组、直流输入馈电模组、交流输入直流输出蒸馏模组、电机直接控制模组、双速电机直接控制模组、消防设备用电机控制模组、电机正反转控制模组、交流输入变频输出控制模组、直流输入变频输出控制模组、软启动电机控制模组、照明控制模组、插座控制模组、处理器模组。
如图26所示，一种基于电气模组的智能一体化控制系统，包括若干上述的电气模组1，若干电气模组1通过电源总线14连接为智能一体化控制系统13，智能一体化控制系统13包括单电源或双电源输入馈电模组16、若干个输出控制模组17、处理器模组18，单电源或双电源输入馈电模组16、若干个输出控制模组17、处理器模组18通过电源总线14和控制总线15并联连接。
其中，电源总线14采用硬质铜排母线或柔性铜线；控制总线15采用屏蔽双绞电线。
如图24所示为基于电气模组的智能一体化控制系统的应用实施例一：
风机控制柜系统：采用一个双电源输入馈电模组实现双电源互头、分断保护、计量、监控防雷保护功能，采用一个处理器模组对柜内的三个模组和柜外现场的传感器、风阀进行监控管理。
如图25所示为基于电气模组的智能一体化控制系统的应用实施例二：
制冷控制柜系统：采用一个单电源输入馈电模组实现分断保护、计量、监控防雷保护功能，采用了一个单电源输入馈电模组驱动冷水机组，采用了点歌电机变频控制模组分别用于冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机的控制，采用一个处理器模组对柜内的五个模组和柜外现场的传感器、水阀进行监控管理。
智能一体化电气模组1实现了电气控制环节的电气安全、电气保护、计量、控制、监测、数据处理和通信功能。电气模组1内有电气执行单元11和监测、控制处理单元12，其中监测、控制处理单元12采集电气执行单元11和外部输入状态数据和信号，通过运算对电气执行单元11和外部受控单元进行控制。电气模组1通过通信网络设备3实现相互信息交换。基于该电气模组1发明的一种智能一体化的控制系统13，用于水泵、风机、空调、照明等工艺设备的智能一体化监控。本发明实现了电气控制系统和单元的标准化和模组化，大大简化了传统电气控制系统的工程设计、产品设计、生产制造、安装调试、工程运维的复杂性，提高了电气控制系统的综合品质，为智能化和智慧化工程提供了坚实的底层自控和网络基础。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电气模组，其特征在于，包括电气执行单元(11)和监测、控制处理单元(12)，所述电气执行单元(11)通过线路与监测、控制处理单元(12)连接，所述监测、控制处理单元(12)对电气执行单元(11)输出控制信号；
供电电源(2)：为所述电气模组(1)提供电能；
电气负载设备(5)：接收所述电气模组(1)输出的电能；
通信网络设备(3)：通过线路连接于所述监测、控制处理单元(12)，并与所述监测、控制处理单元(12)双向传输数据；
联动控制设备(4)：通过IO端口对所述监测、控制处理单元(12)输出联动控制信号；
执行设备(6)：通过IO端口接收所述监测、控制处理单元(12)输出的控制和状态信号；
传感、采集设备(7)：通过IO端口对所述监测、控制处理单元(12)输出控制和状态信号；
控制总线设备(8)：与所述监测、控制处理单元(12)通过串行总线连接，并与所述监测、控制处理单元(12)双向传输数据。
2.根据权利要求1所述的一种电气模组，其特征在于，所述供电电源(2)的数量为2个或2个以上，所述电气执行单元(11)内设置有互投装置(111)，所有所述供电电源(2)均与互投装置(111)连接，所述供电电源(2)通过互投装置(111)实现自动切换。
3.根据权利要求1所述的一种电气模组，其特征在于，电气模组(1)还包括智能负载设备(51)，所述智能负载设备(51)与监测、控制处理单元(12)以双向数据传输的形式通信连接。
4.根据权利要求3所述的一种电气模组，其特征在于，所述电子负载设备(5)和/或智能负载设备(51)的数量为一个以上。
5.根据权利要求1所述的一种电气模组，其特征在于，电气模组(1)还包括用于强制启动或停止电气负载设备(5)的强制控制设备(41)，所述强制控制设备(41)向电气执行单元(11)发送强制控制信号，并接收电气执行单元(11)的状态信号。
6.根据权利要求1所述的一种电气模组，其特征在于，电气模组(1)还包括应急控制设备(9)。
7.根据权利要求1所述的一种电气模组，其特征在于，所述电气执行单元(11)的内部设有执行单元(112)和状态、信号传感元件(113)，所述监测、控制处理单元(12)的内部设有CPU(121)、若干输入单元(127)、若干输出单元(126)、若干通信单元(124)、计量单元(125)、ID地址单元(123)和电源单元(122)，所述CPU(121)通过IO输入单元采集电气执行单元(11)内部状态和信号传感元件(113)的状态信号，所述CPU(121)通过IO输出单元对执行元件(112)输出控制信号。
8.根据权利要求7所述的一种电气模组，其特征在于，所述电源单元(122)与通信网络设备(6)共用线路供电或为独立供电；
所述电源单元(122)与通信网络设备(6)共用线路供电时，所述监测、控制处理单元(12)内部设有用于分离通信数据和供电的解耦单元(128)；
所述电源单元(122)为独立供电时，所述电源单元连接外部独立电源。
9.根据权利要求1所述的一种电气模组，其特征在于，所述电气执行单元(11)内部设置有防雷单元(114)，所述防雷单元(114)设置于供电电源(2)的输入侧和/或电气负载设备(5)一侧。
10.一种基于电气模组的智能一体化控制系统，其特征在于，包括若干的如权利要求1-9中任一项所述的电气模组(1)，若干所述电气模组(1)通过电源总线连接为智能一体化控制系统(13)，所述智能一体化控制系统(13)包括单电源或双电源输入馈电模组(16)、若干个输出控制模组(17)、处理器模组(18)，所述单电源或双电源输入馈电模组(16)、若干个输出控制模组(17)、处理器模组(18)通过电源总线和控制总线并联连接。
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- 2015-11-06 CN CN201510751513.0A patent/CN106681283A/zh active Pending
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