CN201417390Y - 多真空接触器控制系统 - Google Patents

Abstract

用于控制和同步多个中压真空接触器的一种控制系统包括一个双层网络结构。一个专用网络包括多个伺服控制单元，它们可操作地耦联到这些真空接触器上并被配置为用于确定多种不同数据和其条件。另外，该专用网络包括与这些伺服控制单元串行通信并被配置为用其发送和接收信息的一个主控单元。该主控单元可操作地耦联到包括多个不同的控制装置的一个控制网络上。该主控单元被配置为将来自这些伺服控制单元的预定数据发送到该控制网络。但该双层网络结构使得在该专用网络上的相对无抖动通信成为可能，而不会使控制网络淹没在非比要的数据中。本系统进一步被配置为用于诊断和防止多种不同的真空接触器故障。

Description

多真空接触器控制系统

关于联邦政府资助研发的申明

相关申请的交叉引用

技术领域

本发明总体上涉及中压真空接触器，并且特别涉及用于控制和同步真空接触器的控制系统。

背景技术

真空接触器通常包括三个断路器或者通过一种机械连接由一个电磁组件操作的真空瓶。这样的真空接触器经受各种不利的气候条件并具有相对长的电气和机械寿命。每个阻断器由两个触头组成，这两个触头利用一个金属波纹管封闭在一个陶瓷壳体中。一个上触头安装到一个固定轴上而一个下触头安装到一个可移动的轴上。每一个接触器与被调配为打开和关闭接触器触头的一个控制模块相通信。中压真空接触器被设计为在2,400-15,000伏特范围内运行并且可以与各种交流负载一起使用，包括三相电动机、变压器、电力电容器和电阻性加热负荷。

真空接触器通常包括与其相互通信的微处理器“控制器”并且被配置为允许接触器受控，例如，从远处由沿着一个控制网络发送的数字信号进行控制。典型地，这些控制网络为低层的控制网络，该控制网络基于控制器局域网标准(CAN)具有限数量的节点，例如设备网(DeviceNet)。鉴于此原因，一个控制系统和真空接触器控制器之间的通信通常限于简单的开和关指令。时序可以通过一个可编程逻辑控制器(PLC)来控制。

例如接触器这样的用于电气开关装置的控制系统在业界普遍为人所知。例如，授予Mueller等人的美国专利第5,506,485号中所披露的系统以及授予Early等人的5,610,579披露了用于电气开关的控制系统。典型地，在PLC之间进行通信的控制网络是低层的控制网络，例如DeviceNet，这些低层控制网络提供简单的接口电路但是仅能够连接有限个基于CAN标准(最初用于汽车)的节点。一个控制系统和真空接触器控制器之间的DeviceNet通信适合于简单的开和关指令。然而，前述的几个系统适合于采用相对低的电压的开关装置来使用。因此，希望有一种用于操作相对更高电压的开关装置的系统。

在中压电动机以及类似设备的控制中，有可能希望提供多个真空接触器的高速同步或者其他要求进行高速通信的操作。通过如控制网(ControlNet)或以太网工业协议(EthemetIP)这样较高速度的控制网络实现这种高速通信是可能的，但这些网络需要相当多的接口电路和复杂的互联中介，在单个真空接触器控制器上这些电路和中介将是昂贵得无法承受。

发明内容

诸位发明人已经认识到可以通过形成具有一个局域专用网络的双层网络来实现更加复杂的真空接触器控制器，该专用网络允许来自多个真空接触器控制器的实时运行数据到一个主模块的高速通信，然后该主模块可以将这些数据直接用于协调多个真空控制器或者提取重要信息发送到低速网络上的PLC或类似的设备。本发明允许收集关于接触器操作的有价值的实时信息，同时仍允许利用一个简单的低速控制网络来控制接触器。该实时数据提供了多种改进功能的可能性。例如，这样的数据允许接触故障、防轻触(anti-kiss)和防摆动(anti-pumping)保护特征的预侧。

确切地说，本发明提供一种在具有多个真空接触器的工业控制系统中使用的真空接触器系统。该系统进一步包括与该多个真空接触器中的每一个相关联的多个伺服控制单元。每个伺服控制单元包括一个处理器，存储器模块，以及至少一个调配为监测相关联的真空接触器运行以提供真空接触器的实时运行数据的传感器。该系统进一步包括一个专用网络，该专用网络连接多个伺服控制单元以用于它们之间的通信。然而，该专用网络不与该工业控制系统中的其他设备连接。该系统还包括配置为与该工业控制系统中的其他装置相通讯的一个控制网络。进一步，提供了具有一个处理器和存储器模块的一个主控单元，以便与该专用网络和控制网络相互通信以在它们之间交换数据。这些伺服控制单元和主控单元被配置为执行一个存储的程序，以便这些伺服控制单元可以将实时运行数据传送到主控单元以用于由主控单元来协调所有的真空接触器。

因此本发明的一个目的是在不是低带宽的低层控制网络过负载的前提下允许实时运行数据的高速交换。

本发明的主控单元可以被配置为控制真空接触器。

因此本发明的另一个目的是通过将一个真空接触器用作为主控制器来允许所有真空接触器的经济有效的局域控制，从而减少了对专用主控制器的需求。本发明的一个进一步的目的是通过使用一个主控模块来允许一个单一真空接触器与主控制系统的通信。

该主控单元可以进一步被调配为与一个工业控制系统进行实时数据的传送。

因此本发明的另一个目的是在不使低层控制网络过负载的前提下将已选择的实时数据提供给控制系统。

该主控单元可以进一步提供防轻触功能，该功能保证这些真空接触器的触点被关闭并在这些触点可以打开之前被密封。

因此本发明的另一个目的是提供可以从一个主机位置进行协调的真空控制器的改进保护。

该主控单元可以进一步提供防摆动保护功能，其中该主控单元防止这些真空接触器的触点被快速打开和关闭。

因此本发明的另一个目的是通过从一个主机位置协调多个真空接触器的操作以便为它们的触点提供改进的保护。

本发明的主控单元可以进一步提供这些真空接触器每一个的独立触点的故障预测。

因此本发明的另一个目的是允许对可能与该控制系统通信的这些真空接触器的故障进行预测性监测。

本发明的通信协议可以配置为对每一个真空接触器提供一个固定时隙。

因此本发明的另一个目的是提供一个可预测的通信协议以防止网络数据的丢失。

本发明的通信协议可以进一步在主控单元和多个伺服控制单元之间传输预定的和非预定的信息。

因此本发明的另一个目的是提供一个通信协议，该协议能够在管理网络流量的同时持续地传送主要数据也在需要的基础上提供辅助数据。

本发明的控制系统可以进一步被配置为传送多种数据，包括线电压、线圈电流、循环冗余校验(CRC)以及报警消息。

本发明的另一个目的是提供真空接触器数据的连续监测。

本发明的专用网络被配置为提供到从属模块的直接通信，从而避开使用该控制网络时固有的等待时间。

因此本发明的一个目的是允许该专用网络的装置之间相对快速的通信，同时不会使该控制网络的带宽产生过负载。

这些具体的特征和优点可能仅应用于落于权利要求之内的一些实施方案，因此它们并不定义本发明的范围。

附图说明

图1是用于本发明的一个真空接触器的剖面图；

图2是本发明控制系统的专用网络的原理图，该专用网络在一个主机和多个伺服制单元之间进行通信；

图3A是从本发明的主控单元到本发明的一个伺服控制单元的一次通信的消息结构示图。

图3B是从本发明的伺服控制单元到本发明的一个主控单元的一次通信的消息结构示图；

图4描述了本发明的控制系统的传输周期的示图；

图5示出了本发明控制系统的触点闭合故障检测过程的流程图；

图6示出了本发明的控制系统的防轻触功能的流程图；以及

图7描述了本发明控制系统的防摆动功能的流程图。

具体实施方式

首先参考图1，一个真空接触器系统10包括一个真空接触器12以及一个真空接触器控制器14。正如在本领域内普遍理解的，该真空接触器可以包括一个或多个的真空瓶15，该真空瓶提供一个密封的真空容器16。该容器16中有两个触点：相对于真空瓶15固定的一个静态触点18，以及通过一个波纹管22附装到真空瓶15的一个可移动触点20。该波纹管22允许可移动触点20在一个绕轴旋转电枢24的作用下朝向和背离静态触点18做轴向运动，该绕轴旋转电枢通过一个偏置弹簧(未示出)附装到可移动触点20。

电枢24通过一个电枢调整片26和一个第一电磁铁28的一个电极之间的吸引力升高或降低。在操作中，电枢24被移动到一个较低位置，并且在电磁铁供电时在一个偏置弹簧29的激励下将触点18和触点20分开，并在电磁铁加电时通过调整片26对电磁铁28的吸引力移动到一个较高位置。升高电枢还打开真空瓶15外侧的一个通常情况下闭合的辅助触点30。

现在转到图2，本发明的工业控制系统40包括与一个控制网络44相通信的PLC 42以及一个主控单元46。典型地，控制网络44包括多个附装到其上的其他器件。该主控单元46与一个专用网络48相通信并包括用于与其进行通信的一个处理器和一个存储器模块。

典型地，控制网络44用于使各种控制器件相互连接以便进行数据交换。而且，控制网络44通常是一个相对简单和慢速的网络，并且典型地包括一个在125kbits/s与500kbits/s范围内波特率。优选地控制网络44为DeviceNet。

专用网络48包括多个伺服控制单元50，它们相互连接的以便它们之间的通信。在主控单元46和该伺服控制单元50之间通信的信息即可是预订的也可是用户定义的。另外，该专用网络48不与该工业控制系统40内部的其他装置通信。

进一步，专用网络48典型地包括多个RS-485串行连接。横跨RS-485串行连接上的通信允许该专用网络上相对快速的通信。通过把该专用网络与该控制网络分开，大量的相对快速的通信可以在专用网络48上进行，而不使相对慢速的控制网络44过负载。用RS485而不用RS232接口允许主控单元46与多达四个伺服控制单元50进行通信，而使用RS232接口将限制主控单元只能与一个伺服控制单元50通信。

通过RS485串行接口在主机46与这些单个伺服控制单元50之间进行通信将会以一个周期性的、预定的速率进行(例如每10ms)。伺服控制单元50被配置为向主控单元46发送多种不同的实时数据，例如，输入线电压，主直流总线电压，真空接触器线圈电流反馈，用户输入指令，双列直插(DIP)开关设置，故障/状态/服警消息，以及本发明控制系统40中任何其他被认为必须的此类数据。同样地，主机46也通过RS485串行接口向这些伺服控制单元50发送多种数据，例如不同的控制指令，线圈电流控制，回动时间，低压穿越时间延时(TDUV)，跳转到启动代码指令，学习模式指令，以及其他被认为必要的此类指令。

多个伺服控制单元50中的每一个都偶联到一个真空接触器12以与此通信。伺服控制单元50包括一个处理器，存储器模块，以及至少一个传感器，该传感器被适配为监测相关联的真空接触器12的运行以接收该真空接触器的实时运行数据。进一步，伺服控制单元50被配置为执行一个存储程序，该程序配置为将实时运行数据传送到主控单元46用于由主控单元46协调所有的真空接触器12。另外，这些伺服控制单元50与主控单元46之间的通信被同步以保证本发明的这些接触器12协同工作。

主控单元46可以配置为把从多个伺服控制单元50接收的实时数据传送到本发明的工业控制系统40。相应地，通过提供一个专用网络48用于在多个伺服控制单元50之间的实时数据交换来监测这些真空接触器12，本发明的系统能够通过主控单元46把必要的信息传送给该控制系统40而不会用在主控单元50与主控单元46之间交换的大量实时数据使该控制系统过载。这样，只有该控制系统40要求的实时信息通过PLC 42从主控单元46传输到控制系统40。

这些伺服控制单元50与该主控单元46之间的通信允许对与伺服控制单元相关联的多个真空接触器12的监测。例如，这些真空接触器12的机械和电气条件可以从这些伺服控制单元50之一传送到主控单元46。相应地，主控单元46可以通过，例如，一个PAD接口或其他的通信装置把那种信息传送给一个用户，从而允许这些真空接触器12的预防性维护性能。

现在转向图3A和3B，图中示出描述本发明专用网络的数据包消息结构。先看图3A，展示了从主控单元46传送到这些伺服控制单元50的信息的数据结构60。数据结构60包括一个目的地址61，一个非预定指令62，控制指令63，线圈电流指令高字节64，线圈电流指令低字节65，线圈退出指令高字节66，线圈退出指令低字节67，以及伺服控制单元跳转到启动码指令68，CRC高字节69，以及CRC低字节70。

非预定指令62和非预定响应73包括通过主控单元46和伺服控制单元50发送和接收的二级操作数据。非预定指令和响应典型地只在第一个传输周期被送出，因为主控单元46与伺服控制单元50之间传输的大部分数据需要是连续的。

控制指令63包括用于打开和关闭该控制系统的这些真空接触器的触点的一个命令输入。进一步，多个控制指令63作为这些状态中继用于指示接触器和控制单元的状态。

线圈电流指令64，65代表本系统40的这些接触器12的接触器线圈电流的多个等级。线圈退出时间66，67代表在打开指令给出的时间与接触器应当退出的时间之间用毫秒表示的时间增量。

伺服跳转到启动代码指令68是为提示伺服控制单元50而松出的一个指令，对于该伺服控制单元的消息是跳到它的启动代码，由此允许该特定伺服单元50重新编程。优选地，本发明的系统40只有当一个特别的伺服单元当前没有给它的接触器线圈供能时才允许发出该指令。如果接收到该消息时该伺服单元50正在为这些接触器线圈供能，那么伺服单元50简单地忽略此消息。

CRC 69，70代表一个消息，它包括，例如，一个校验和的值，通过检查这一接收值和实时计算出来的值从其中可以确定数据的完整性。

现在专门参见图3B，数据结构71展示了伺服单元50到主控单元46的消息的数据结构。数据结构71包括伺服控制单元的地址72，非预定响应73，输入线电压高字节74，输入线电压低字节75，主直流总线电压高字节76，主直流总线电压低字节77，真空接触器线圈电流高字节78，真空接触器线圈电流低字节79，用户输入命令80，DIP开关输入81-84，故障/报警高字节85，故障/报警低字节86，CRC高字节87，CRC低字节88。

输入线电压74，75代表输入线电压的均方根值(“RMS”)。主直流总线电压76，77代表直流总线电压的电平。真空接触器线圈电流78，79代表真空接触器线圈电流的实时电平。

用户输入80包括代表开/关(OPEN，CLOSE)，以及这些辅助(AUX)输入的多个比特位，连同用于这些伺服控制单元50的模块/接触器(MODULE/CONTACTOR)状态中继器的状态。

DIP开关设置81，82，83以及84包括关于网络上不同DIP开关的位置的信息。

故障和报警85，86代表可能从这些伺服单元50传送到这些主机46的不同的消息。例如，无效指令，机械锁存器故障，接触器启用故障，接触器退出，长退出时间，以及其他此类报警可能被传送到这些主机46。最后，CRC 87，88代表包括一个消息，它包括，例如，一个校验和值，通过比较这一接收值和实时计算出来的值可以其中确定数据的完整性。

本发明所使用的消息结构的一个重要功能是每个此类消息的长度保持恒定，并因此对于消息以多大的频率发生是完全是可预测的，从而保证几乎不存在消息延时或抖动的不确定性。这是由其重要的因为如果有很多网络抖动，系统的运行将是高度不规则的并因此使其运行实质上不可靠。

现转向图4，在主机46与这些控制单元之间的一个单个传输周期90包括主机和一个第一伺服控制单元50之间的一个第一通信92。第一通信92包括一个第一主-从消息94和一个第一从-主响应96。总体上，第一通信92优先占用大概100ms。这些消息94和96各自进一步包括1ms之后的超时，此后如果没有收到对其响应则原始传输的发送者必须重传信息。优选地，该第一主-从消息94包括8字节数据，而从-主响应包括一个12字节的通信。当主机46在专用网络48上与这些单元50的每一个的通信完毕时该传输周期90结束。如图4所示，该传输周期进一步包括一个第二通信98，一个第三通信(未显示)，一个第四通信(未显示)，以及一个第五通信104，其中每个通信都与第一通信92结构相似，含一个主-从消息和一个从-主响应。

应理解的是从主机46到这些伺服控制单元50的不同通信每次实际上都与所有控制单元进行通信，然而，从主机46的每一次传输都被编码这样只有该次通信所针对的接受者做出响应。

现转向图5，在真空接触器106内检测触点关闭故障的一种方法包括一个测量步骤107，其中该伺服控制单元50测量接触器关闭实际需要的时间。随后，一个传输步骤108包括测量时间值的传输，作为一个到主控单元46的非预定传输。如果在测量步骤107内测量的时间超出一个预先设定的值，优选为150ms，那么主控单元46在一个决定步骤109内指示一个故障。如果没有超过预先设定的值，退出过程106。

现转向图6，本发明的控制系统40包括一个防轻触保护特征110，它保证了这些真空接触器12的主触点是关闭的并在允许它们打开之前被密封。该防轻触保护特征110被设计用来保证一旦一个接触器被命令关闭，则该接触器在关闭过程结束之前不能被命令打开。防轻触保护特征110包括一个第一步骤112，由主机46接收一个打开这些真空接触器之一的多个触点的命令。下一步，与该真空接触器12关联的伺服控制单元50在一个第二步骤114内感测该触点的当前状态。一旦伺服控制单元50获得该触点的状态，一个第三步骤116包括伺服控制单元50把状态值发送到主机46。最后，一旦主机46接受到一个这些触点当前被关闭的消息，主机46可向与该接触器关联的接触器12发出一个请求，要求打开这些触点，这作为第四步骤118。然而，如果当前这些触点是打开的，主机46不会发出请求来打开这些触点，并且防轻触步骤110被再次执行。

现参见图7，本发明的控制系统40包括一个防摆动保护特征120，用于防止由于错误或故障电路、一个故障保持线圈、故障电子设备或者锁存器机制适当接合的故障而引起接触器的快速打开和关闭。这样，在允许它发出另一个关闭命令之前要求有输入控制信号来打开然后再次关闭。如果该接触器收到一个关闭信号122，定时器在124开始。在发出一个打开指令126时，如果系统此后接受到另一个关闭命令128，该系统在130确定是否已经超过一个超时值。如果已经超过该超时值，那么该接触器将关闭，然而，如果没有，该关闭命令在132被移除。一旦关闭命令被移除，该接触器在发出另一个关闭命令之前不会再次关闭。

本发明的确切意图是不被局限于此处包含的这些实施方案和图解，而是包括那些实施方案的多种改进形式，其中包括在如下的权利要求范围之内的这些实施方案的多个部分以及不同实施方案中多个元素的多种组合。

Claims (9)

1.一种用于工业控制系统的真空接触器控制系统，包括：

多个真空接触器；

与这些真空接触器中的每一个相关联的多个伺服控制单元，每个控制单元包括一个处理器和一个存储器模块，以及至少一个传感器，该传感器被配置为监测相关联的真空接触器和多个输出线路的运行以便控制相关联的真空接触器以提供实时的运行数据；

一个专用网络，该专用网络连接这些伺服控制单元用于它们之间的通信，并且不连接该工业控制系统中的其他装置；

一个控制网络，该控制网络与该工业控制系统中其他装置通信；

一个主控单元，该一个主控单元包括与该专用网络以及该控制网络通信的一个处理器和存储器模块，用于它们之间交换信息；

其特征在于，这些伺服控制单元和该主控单元执行一个存储的程序，这样这些控制单元可以把实时运行数据传送到主控单元用于由主控单元协调多个真空接触器。

2.如权利要求1所述的真空接触器控制系统，其中该主控单元还与这些真空控制器中的一个相关联并且包括至少一个传感器，该传感器被配置为监测该相关联的真空接触器的运行以便提供该真空接触器和多个输出线路的实时运行数据以控制该相关联的真空接触器。

3.如权利要求1所述真空接触器控制系统，其中该主控单元被适配为处理来自这些真空接触器的实时运行数据并在控制网络中传送该处理的一个结果。

4.如权利要求1所述真空接触器控制系统，其中主控单元被适配为保证这些真空接触器的触点被关闭并在这些触点可以打开之前被密封。

5.如权利要求1所述真空接触器控制系统，其中该主控单元被适配为防止这些真空接触器的触点被快速打开和关闭。

6.如权利要求1所述真空接触器控制系统，其中该主控单元被配置为基于从这些伺服控制单元接受的信息预测这些真空接触器的触点的故障。

7.如权利要求1所述的真空接触器控制系统，其中一种通信协议传送至少以下一项：线电压，线圈电流，循环冗余校验，以及报警。

8.如权利要求1所述的真空接触器控制系统，其中该主控单元与一个可编程逻辑控制器(PLC)通信，其中该PLC被配置为在该主控单元与该控制网络上的多个装置之间进行通信。

9.如权利要求1所述的真空接触器控制系统，其中该专用网络包括多个RS-485串行连接。

Images