CN115224806A

CN115224806A - 一种操作机构通用智能控制系统

Info

Publication number: CN115224806A
Application number: CN202211142492.9A
Authority: CN
Inventors: 余家华; 曹彦双; 张晓虎; 侯晓亮; 姜鹏; 陈可卿; 陈士科; 孙荣豪
Original assignee: Tonghao Changsha Rail Traffic Control Technology Co ltd
Current assignee: Tonghao Changsha Rail Traffic Control Technology Co ltd
Priority date: 2022-09-20
Filing date: 2022-09-20
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2042-09-20
Also published as: CN115224806B

Abstract

本发明公开了一种操作机构通用智能控制系统，包括MCU及与MCU连接的命令信号采集模块、状态信号采集模块、模拟信号采集模块、通信模块、储能模块；MCU根据命令信号采集模块、状态信号采集模块采集的信号判断是否执行合闸或分闸操作；通过模拟信号采集模块采集储能电容的电压信号，可以实现运行状态的自感知；通过通信模块可以实现与管理系统进行通信，进行数据交互，也可与本地设备进行通信与调试；储能模块根据MCU的分合闸控制指令实现储能电容的充电、放电控制，为弹簧或永磁操作机构的分合闸动作供能。该智能控制系统可以兼容弹簧、永磁操作机构，通用性强。

Description

一种操作机构通用智能控制系统

技术领域

本发明涉及操作机构控制技术领域，尤其涉及一种兼容弹簧、永磁操作机构通用智能控制系统。

背景技术

目前，应用在40.5KV以下电压等级的断路器常用操作机构主要为永磁操作机构和弹簧操作机构两种。各厂家采用的断路器控制方式差异性较大，没有具备通用化条件的控制系统，只有少数采用电子控制方式，多数仍采用硬接点控制方式，占用空间大，不具备智能化发展的基础，造成运行成本大、维护困难，限制了开关柜及断路器的智能化发展。断路器智能通用控制系统产品具有广阔的市场前景。

目前，主流厂家主要针对永磁操作机构的控制进行开发，弹簧操作机构的控制未涉及。控制系统产品型谱不完善，通用性不足，不能覆盖市场上的主流断路器厂家。

发明内容

本发明提供了一种操作机构通用智能控制系统，以解决现有的控制系统通用性不足的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种操作机构通用智能控制系统，包括MCU及与MCU连接的命令信号采集模块、状态信号采集模块、模拟信号采集模块、通信模块、储能模块；

所述命令信号采集模块用于采集分合闸命令并传输至MCU；所述状态信号采集模块用于采集操作机构当前的分合闸状态并传输至MCU；所述模拟信号采集模块用于采集储能模块中储能电容的电压信号并传输至MCU；所述通信模块用于与外部通信；所述储能模块用于根据MCU的分合闸控制指令实现储能电容的充放电控制。

进一步地，所述命令信号采集模块包括遥分信号采集单元和遥合信号采集单元；所述遥分信号采集单元和遥合信号采集单元均包括一个桥堆、四个电阻及一个光耦合器；外部遥分/遥合控制信号输入桥堆的两个输入端；桥堆的两个输出端各串接两个电阻后与光耦合器的输入端连接，光耦合器的输出端与MCU连接。

进一步地，所述储能模块包括依次串联于充电电源正负极之间的第一二极管、第一电阻、第一储能电容；还包括连接于第一电阻与第一储能电容之间的第一支路和第二支路；所述第一支路用于合闸储能输出；所述第二支路包括依次连接的第二二极管、第一MOS管、第二电阻，第二电阻另一端用于分闸储能输出。

进一步地，所述储能模块还包括第二MOS管、第二储能电容，所述第二二极管、第一MOS管、第二MOS管、第二储能电容依次串联后与所述第一储能电容并联，第二电阻连接于第一MOS管和第二MOS管之间。

进一步地，所述模拟信号采集模块包括第一电容电压检测单元、第一电容电压检测隔离输出单元、第二电容电压检测单元和第二电容电压检测隔离输出单元；第二储能电容的正极、第二电容电压检测单元和第二电容电压检测隔离输出单元依次连接；第一支路、第一电容电压检测单元和第一电容电压检测隔离输出单元依次连接。

进一步地，还包括分别与第一MOS管和第二MOS管的栅极连接的第一MOS管控制电路和第二MOS管控制电路。

进一步地，还包括与MCU连接的分合闸控制模块，且所述分合闸控制模块还与所述储能模块连接；所述分合闸控制模块用于根据MCU的分合闸控制指令实现分合闸控制。

进一步地，所述分合闸控制模块包括依次串联的第一IGBT、第一端子短接点、第二IGBT，以及依次串联的第三IGBT、第四IGBT，所述第二IGBT及第四IGBT的源极均接地；还包括第一线圈，所述第一线圈的两端分别连接于第一IGBT与第一端子短接点之间及第三IGBT与第四IGBT之间；还包括依次串联的第二线圈、第二端子短接点，所述第二端子短接点的另一端连接于第一端子短接点与第二IGBT之间；所述第二线圈的另一端及第三IGBT的漏极接分闸储能输出，所述第一IGBT的漏极接合闸储能输出。

进一步地，所述分合闸控制模块还包括四个分别与第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT的栅极连接的IGBT控制电路。

进一步地，还包括与MCU连接的显示器、键盘。

本发明提出了一种操作机构通用智能控制系统，MCU根据命令信号采集模块、状态信号采集模块采集的信号判断是否执行合闸或分闸操作；通过模拟信号采集模块采集储能电容的电压信号，可以实现运行状态的自感知；通过通信模块可以实现与管理系统进行通信，进行数据交互，也可与本地设备进行通信与调试；储能模块根据MCU的分合闸控制指令实现储能电容的充电、放电控制，通过控制放电电流的大小，可以为弹簧或永磁操作机构的分合闸动作供能。该智能控制系统可以兼容弹簧、永磁操作机构，通用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的操作机构通用智能控制系统示意图；

图2是本发明实施例提供的命令信号采集模块电路图，其中（a）为遥分信号采集单元电路图，（b）为遥合信号采集单元电路图；

图3是本发明实施例提供的储能模块及模拟信号采集模块电路图；

图4是本发明实施例提供的分合闸控制模块电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或顺序。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

如图1所示，本发明实施例提供了一种操作机构通用智能控制系统，包括MCU 1及与MCU1连接的命令信号采集模块2、状态信号采集模块3、模拟信号采集模块4、通信模块7、储能模块5、报警器8；

所述命令信号采集模块2用于采集分合闸命令并传输至MCU 1；所述状态信号采集模块3用于采集操作机构当前的分合闸状态并传输至MCU 1；所述模拟信号采集模块4用于采集储能模块5中储能电容的电压信号并传输至MCU 1；所述通信模块7用于与外部通信；所述储能模块5用于根据MCU 1的分合闸控制指令实现储能电容的充放电控制。

命令信号采集模块2用于采集分闸指令或合闸指令传输至MCU 1，MCU 1根据状态信号采集模块3采集的操作机构当前的分合闸状态号判断是否执行合闸或分闸操作。具体地，若分合闸指令与当前分合闸状态一致，则保持当前状态，若不一致，则根据接收的分闸指令或合闸指令执行对应的分闸或合闸操作。通过模拟信号采集模块4采集储能电容的电压信号，可以实现运行状态的自感知，但储能电容出现过压或欠压时，MCU 1向报警器8发出报警信号以进行报警；通过通信模块7可以实现与管理系统进行通信，进行数据交互，也可与本地设备进行通信与调试；储能模块5根据MCU 1的分合闸控制指令实现储能电容的充电、放电控制，通过控制放电电流的大小，可以为弹簧或永磁操作机构的分合闸动作供能。

由于现有的命令信号采集模块为非隔离，不安全，且不能兼容交直流输入检测，因此本实施例提出了隔离的且能兼容交直流输入检测的命令信号采集模块。

具体地，如图2所示，所述命令信号采集模块2包括遥分信号采集单元和遥合信号采集单元；所述遥分信号采集单元和遥合信号采集单元均包括一个桥堆、四个电阻及一个光耦合器；外部遥分/遥合控制信号输入桥堆的两个输入端；桥堆的两个输出端各串接两个电阻后与光耦合器的输入端连接，光耦合器的输出端与MCU连接。该命令信号采集模块能够兼容交直流遥分遥合信号，无极性的信号检测方案，大大提高了操作的方便性；采用光耦合器进行隔离，大大提高了安全性。

更具体地，遥分信号输入桥堆BD1后，不论交流、直流均变成直流，经过电阻R28、R32、R30、R31降压后，驱动光耦合器U3导通，MCU接收到检测信号。同理，遥合信号输入桥堆BD2后，不论交流、直流均变成直流，经过电阻R36、R42、R40、R41降压后，驱动光耦合器U4导通，MCU接收到检测信号。

针对现有的储能模块没有后备电容，整体可靠性相对较差的问题，本实施例提供了一种新的储能模块。如图3所示，具体地，所述储能模块5包括依次串联于充电电源正负极之间的第一二极管D1、第一电阻R67、第一储能电容C39；还包括连接于第一电阻R67与第一储能电容C39之间的第一支路，以及与第一储能电容C39并联的第二支路；所述第一支路用于合闸储能输出U1+；所述第二支路包括依次串联的第二二极管D5、第一MOS管Q10、第二MOS管Q11、第二储能电容C45；还包括连接于第一MOS管Q10和第二MOS管Q11之间的第二电阻R83，第二电阻R83另一端用于分闸储能输出U2+；第二电阻R83为限流电阻，通过改变其阻值大小可以适用于永磁操作机构和永磁操作机构。

本实施例，还包括分别与第一MOS管和第二MOS管的栅极连接的第一MOS管控制电路和第二MOS管控制电路。如图3所示，第一MOS管控制电路和第二MOS管控制电路均由一个两个电阻、一个光耦合器、两个稳压管构成，其中一个电阻接于光耦合器的输入端，另一个电阻与两个稳压管串联后接于光耦合器的输出端，两个稳压管用于保护MOS管的栅极。

如图3所示，本实施例中所述模拟信号采集模块4包括第一电容电压检测单元、第一电容电压检测隔离输出单元、第二电容电压检测单元和第二电容电压检测隔离输出单元；第二储能电容的正极、第二电容电压检测单元和第二电容电压检测隔离输出单元依次连接；第一支路、第一电容电压检测单元和第一电容电压检测隔离输出单元依次连接。第一电容电压检测单元与第二电容电压检测单元结构相同，第一电容电压检测隔离输出单元与第二电容电压检测隔离输出单元结构相同，此处以第一电容电压检测单元和第一电容电压检测隔离输出单元为例进行具体说明。

第一电容电压检测单元包括比较器U17及电阻R64、电阻R65、电阻R66、电阻R76、电阻R77；其中电阻R64、电阻R65、电阻R66依次串联，且电阻R64另一端与第一支路连接，电阻R76、电阻R77串联后接于数字电源与地之间，比较器U17的“+”输入端连接于电阻R65、电阻R66之间，比较器U17的“-”输入端连接于电阻R76、电阻R77之间。第一电容电压检测隔离输出单元包括一个光耦合器N7及三个电阻R69、RS3、RS2，RS3接于光耦合器N7的一个输入端，R69及比较器U17的输出端均接于光耦合器N7的另一个输入端，RS2基于光耦合器N7的输出端。

如图3所示，正常情况下：D1、R67、C39组成合闸电容充电模块，网络U1+为合闸储能输出；R64、R65、R66、R76、R77、U17A组成合闸电容电压检测电路（即第一电容电压检测单元）；R69、RS2、RS3、N7组成电容电压检测隔离输出电路（即第一电容电压检测隔离输出单元）。D1、R67、D5、Q10、Q11、C45组成分闸电容充电模块，R83为分闸放电限流电阻，网络U2+为分闸储能输出；R79、R80、R81、R88、R89、U17B组成分闸电容电压检测电路（即第二电容电压检测单元）；R85、RS8、RS7、N10组成电容电压检测隔离输出电路（即第二电容电压检测隔离输出单元）。当第二储能电容C45（即分闸电容）电压检测异常，MCU判断分闸电容故障，控制Q11断开，切开故障回路，控制Q10导通，给U2+输出口供电，提供分闸储能输出；此时第一储能电容C39就是主电容，相当于分闸电容C45的备用方案。

当然，在其他实施例中，当成本空间限制，或者安装空间环境限制。只能安装一个储能电容时，Q11、C45以及配套的第一电容电压检测单元、第一电容电压检测隔离输出单元不装配。通过MCU控制Q10的开通，给U2+输出口供电，提供分闸储能输出。

本发明的其他实施例中，还包括与MCU 1连接的分合闸控制模块6，且所述分合闸控制模块6还与所述储能模块5连接；所述分合闸控制模块6用于根据MCU 1的分合闸控制指令实现分合闸控制。

具体地，如图4所示，所述分合闸控制模块6包括依次串联的第一IGBT Q6、第一端子短接点JP1、第二IGBT Q9，以及依次串联的第三IGBT Q4、第四IGBT Q7，所述第二IGBT Q9及第四IGBT Q7的源极均接地；还包括第一线圈JP4，所述第一线圈JP4的两端分别连接于第一IGBT Q6与第一端子短接点JP1之间及第三IGBT Q4与第四IGBT Q7之间；还包括依次串联的第二线圈JP6、第二端子短接点JP2，所述第二端子短接点JP2的另一端连接于第一端子短接点JP1与第二IGBT Q9之间，第二线圈JP6并联有一个线圈续流二极管D7；第一IGBT Q6的漏极接储能模块的U1+，第三IGBT Q4的漏极及第二线圈另一端均接储能模块的U2+。所述分合闸控制模块还包括四个分别与第一IGBT Q6、第二IGBT、第三IGBT Q4、第四IGBT Q7的栅极连接的IGBT控制电路。IGBT控制电路与前述第一MOS管控制电路结构基本相同，区别仅在于光耦合器的输出端增设有一个电阻，因此，在此不再进行赘述。

该分合闸控制模块6能实现兼容单、双驱动线圈的分合闸控制，具体工作原理如下。

单线圈模式：端子短接点JP1闭合，端子短接点JP2断开，第一线圈JP4为驱动线圈；1）如图4中合闸信号Pro_on1、Pro_on2下发时光耦合器N8、光耦合器N14导通，IGBT Q6、IGBTQ7栅极分别得到高电平，漏、源极接通，操作机构的第一线圈JP4得电，控制开关一次侧合闸；第一线圈JP4电流方向左进右出；2)分闸信号Pro_off1、Pro_off2下发时光耦合器N12、光耦合器N15导通，IGBT Q4、IGBT Q9栅极分别得到高电平，漏、源极接通，操作机构的第一线圈JP4得电，控制开关一次侧分闸；第一线圈JP4电流方向右进左出。

双线圈模式：端子短接点JP1断开，端子短接点JP2闭合，第一线圈JP4为合闸驱动线圈，第二线圈JP6为分闸驱动线圈；1）如图4中合闸信号Pro_on1、Pro_on2下发时光耦合器N8、光耦合器N14导通，IGBT Q6、IGBT Q7栅极分别得到高电平，漏、源极接通，操作机构第一线圈JP4得电，控制开关一次侧合闸；2)分闸信号Pro_off2下发时光耦合器N15导通，IGBTQ9栅极得到高电平，漏、源极接通，操作机构第二线圈JP6得电，控制开关一次侧分闸。

实施例，控制信号Pro_on1、Pro_on2、Pro_off1、Pro_off2分别为脉宽10ms的脉冲信号；各IGBT导通时栅极电压为17V左右，关断时栅极电压-2.5V左右；稳压管DZ1~DZ8分别保护IGBT栅极。

优选地，分合闸控制模块还包括与第一线圈JP4并联的钳位电路；钳位电路包括二极管D20、电阻R60、电容C60，电阻R60与电容C60并联后与二极管D20串联，钳位电路主要用于驱动线圈尖峰吸收。

具体实施时，还包括电源模块，电源模块的输入为AC/DC220V±15%，其输出分为4路：1路DC220V,峰值功率1kW，供储能模块5中储能电容储能；1路DC13V 300mA，供IGBT驱动使用；1路DC13V 300mA，供光耦合器隔离使用；1路DC5.6V 1200mA，供MCU 1使用。通信模块7包括无线通信模块和有线通信模块，无线通信模块实现与管理系统进行通信，进行数据交互；有线通信模块实现与本地设备进行通信与调试。

可选地，还包括与MCU 1连接的显示器10、键盘9。显示器10用于采集信号的显示，键盘9可与显示器联动，实现人机交互功能。

作为本发明的优选实施例，针对MCU，为了防止因受到外界电磁干扰造成程序跑飞或陷入死循环，可通过开启MCU内部独立“看门狗”来解决。“看门狗”也称为程序监视定时器，在硬件上可把它看成是一个独立于MCU的可复位定时系统。当程序正常运行时，会按所设定的时间对“看门狗”计数器进行清零操作，俗称“喂狗”，“喂狗”指令应在软件程序的各主要运行点处进行放置。当运行程序发生混乱且其它措施没有发挥作用时，造成整个MCU陷入“死机”状态，如果超过“看门狗”所设定的时间，即“看门狗”计数器计满溢出，此时会向MCU的RESET引脚发出复位信号，让系统软件重新启动开始恢复正常运行。

针对外部开关量输入接口，比如按键等信号。这些信号在进行操作或受到外界干扰时，会存在状态反复改变的情况，即“抖动现象”。一般这些干扰信号呈毛刺状，作用时间很短，利用这一特点，考虑当输入接口状态发生跳变时，可多次重复采集，即加入适当的延时（该延时可根据不同的输入信号特点，在满足实时性要求的前提下适当设置）后再次判断该接口的状态，直到连续两次或两次以上采集结果完全一致方可认为信号已经稳定。若多次采集结果仍无法稳定，可停止采集并给出报警信号，从而避免因开关量变位产生的“抖动”造成系统误判后输出错误指令的问题。

针对通信程序，因干扰信号的串入可造成通信误码、中断甚至丢包，考虑加入重传机制，当超过重传次数仍通信失败，则可判通信异常，记录事件并上报。MCU其它未使用I/O口尽量设置为输出状态，可有效抑制干扰信号通过这些引脚侵入芯片内部，造成系统运行不稳定的问题。不断提升MCU在恶劣电磁干扰和户外环境下的长期稳定工作性能。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种操作机构通用智能控制系统，其特征在于，包括MCU及与MCU连接的命令信号采集模块、状态信号采集模块、模拟信号采集模块、通信模块、储能模块；

所述命令信号采集模块用于采集分合闸命令并传输至MCU；所述状态信号采集模块用于采集操作机构当前的分合闸状态并传输至MCU；所述模拟信号采集模块用于采集储能模块中储能电容的电压信号并传输至MCU；所述通信模块用于与外部通信；所述储能模块用于根据MCU的分合闸控制指令实现储能电容的充放电控制；

所述储能模块包括依次串联于充电电源正负极之间的第一二极管、第一电阻、第一储能电容；还包括连接于第一电阻与第一储能电容之间的第一支路和第二支路；所述第一支路用于合闸储能输出；所述第二支路包括依次连接的第二二极管、第一MOS管、第二电阻，第二电阻另一端用于分闸储能输出。

2.根据权利要求1所述的操作机构通用智能控制系统，其特征在于，所述命令信号采集模块包括遥分信号采集单元和遥合信号采集单元；所述遥分信号采集单元和遥合信号采集单元均包括一个桥堆、四个电阻及一个光耦合器；外部遥分/遥合控制信号输入桥堆的两个输入端；桥堆的两个输出端各串接两个电阻后与光耦合器的输入端连接，光耦合器的输出端与MCU连接。

3.根据权利要求1所述的操作机构通用智能控制系统，其特征在于，所述储能模块还包括第二MOS管、第二储能电容，所述第二二极管、第一MOS管、第二MOS管、第二储能电容依次串联后与所述第一储能电容并联，第二电阻连接于第一MOS管和第二MOS管之间。

4.根据权利要求3所述的操作机构通用智能控制系统，其特征在于，所述模拟信号采集模块包括第一电容电压检测单元、第一电容电压检测隔离输出单元、第二电容电压检测单元和第二电容电压检测隔离输出单元；第二储能电容的正极、第二电容电压检测单元和第二电容电压检测隔离输出单元依次连接；第一支路、第一电容电压检测单元和第一电容电压检测隔离输出单元依次连接。

5.根据权利要求3所述的操作机构通用智能控制系统，其特征在于，还包括分别与第一MOS管和第二MOS管的栅极连接的第一MOS管控制电路和第二MOS管控制电路。

6.根据权利要求1所述的操作机构通用智能控制系统，其特征在于，还包括与MCU连接的分合闸控制模块，且所述分合闸控制模块还与所述储能模块连接；所述分合闸控制模块用于根据MCU的分合闸控制指令实现分合闸控制。

7.根据权利要求6所述的操作机构通用智能控制系统，其特征在于，所述分合闸控制模块包括依次串联的第一IGBT、第一端子短接点、第二IGBT，以及依次串联的第三IGBT、第四IGBT，所述第二IGBT及第四IGBT的源极均接地；还包括第一线圈，所述第一线圈的两端分别连接于第一IGBT与第一端子短接点之间及第三IGBT与第四IGBT之间；还包括依次串联的第二线圈、第二端子短接点，所述第二端子短接点的另一端连接于第一端子短接点与第二IGBT之间；所述第二线圈的另一端及第三IGBT的漏极接分闸储能输出，所述第一IGBT的漏极接合闸储能输出。

8.根据权利要求7所述的操作机构通用智能控制系统，其特征在于，所述分合闸控制模块还包括四个分别与第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT的栅极连接的IGBT控制电路。

9.根据权利要求1所述的操作机构通用智能控制系统，其特征在于，还包括与MCU连接的显示器、键盘及报警器。