专利名称：一种开关控制器的输入输出模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电路领域，尤其涉及一种开关控制器的输入输出模块。
背景技术：
在电网等环境中，为了对电网实行有效监控，需要对电网中的各类信号进行统一 的采集和处理；有些情况下，还需要在不另外增加高处理能力的处理器的情况下，根据所采 集的信号进行一定范围的实时保护。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种开关控制器的输入输出模块，能够采集 环境中的各类信号，并对漏电或短路等紧急情况进行实时处理。 为了解决上述问题，本实用新型提供了一种开关控制器的输入输出模块，包括 数字信号处理器DSP ; 与所述DSP相连的数据传输接口和通道处理器； 三相电压输入接口 ，采集三相电压并发送给所述通道处理器； 三相电流输入接口 ，采集三相电流并发送给所述通道处理器； 零序电压输入接口，采集零序电压并发送给所述通道处理器； 零序电流输入接口 ，采集零序电流并发送给所述通道处理器； 附加直流输入接口，采集电网中的测试电阻中通过的附加直流电流并发送给所述 通道处理器； 所述通道处理器对接收的三相电压、三相电流、零序电压、零序电流、以及附加直 流电流进行放大或縮小，并进行滤波后发送给所述DSP ; 所述DSP将三相电压、三相电流、零序电压、零序电流、以及所述附加直流电流通 过所述数据传输接口发送给开关控制器中本输入输出模块以外的外界处理器；以及根据所 述零序电压和零序电流，或根据所述附加直流电流判断是否漏电；根据所述三相电压和三 相电流判断是否短路；当漏电或短路时发送中断给所述外界处理器。 进一步地，所述的输入输出模块还包括 数字信号输入接口，采集数字信号并发送给所述外界处理器； 模拟信号输入接口，采集模拟信号并发送给所述通道处理器； 系统电压输入接口，采集系统电压并发送给所述通道处理器； 所述通道处理器对接收的模拟信号以及系统电压进行通道处理后发送给所述 DSP ; 所述DSP将所述模拟信号和系统电压通过所述数据传输接口发送给所述外界处理器。
进一步地，所述数字信号输入接口包括10路数字信号输入通道； 所述模拟信号输入接口包括3路模拟信号输入通道；[0022] 进一步地，所述的输入输出模块还包括 数字信号输出接口 ，用于接收所述外界处理器的控制命令，根据该控制命令输出 数字信号。 模拟信号输出接口 ，用于接收所述外界处理器的控制命令，根据该控制命令输出 模拟信号。
进一步地，所述数字信号输出接口包括8路数字信号输出通道； 所述模拟信号输出接口包括1路模拟信号输出通道。 进一步地，各数字信号输出通道为常开型继电器； 所述模拟信号输出通道为输出直流0到10V的电压信号的通道。
进一步地，所述DSP具体包括 AD接口，用于接收所述附加直流电流、三相电压、三相电流、零序电压、和零序电 流； 存储器，用于暂存所述AD接口接收的数据，以及保存漏电阈值及短路阈值； 传输接口 ，用于将所述存储器暂存的数据通过所述数据传输接口发送给所述外界 处理器；以及通过所述数据传输接口接收所述外界处理器返回的漏电阈值及短路阈值，并 保存在所述存储器中； 控制器，用于将所述漏电阈值与所述零序电压和零序电流比较，或与所述附加直
流电流比较，判断是否漏电；以及将所述三相电压和三相电流判断是否短路；当漏电或短
路时通过所述传输接口和所述数据传输接口发送中断给所述外界处理器。 进一步地，所述控制器包括 —选择器、第一比较器和第二比较器； 所述传输接口还用于通过所述数据传输接口接收所述外界处理器返回的工作模 式信息，并保存在所述存储器中； 所述存储器还用于保存工作模式信息，包括总开关工作模式和分开关工作模式；
所述漏电阈值包括附加直流阈值、零序电压阈值、零序电流阈值和角度阈值； 所述选择器用于读取所述工作模式信息，如果为总开关工作模式则使能第一比较
器，如果为分开关模式则使能第二比较器； 所述第一比较器用于比较所述附加直流电流和所述附加直流阈值，如果所述附加 直流电流大于所述附加直流阈值，则通过所述传输接口和所述数据传输接口发送中断给所 述外界处理器； 所述第二比较器用于分别比较所述零序电流10和所述零序电流阈值，所述零序 电压UO和所述零序电压阈值，以及所述零序电流IO和所述零序电压UO之间的夹角e和 所述角度阈值；当所述零序电流IO大于所述零序电流阈值，所述零序电压UO大于所述零序 电压阈值，P在角度阈值之内时通过所述传输接口和所述数据传输接口发送中断给所述外 界处理器。 进一步地，所述DSP还包括 功率计算器，根据所述三相电流和所述三相电压分别计算功率因数、三相有功功 率、三相总有功功率、三相无功功率、及三相总无功功率；其中，功率因数为电压和电流之间 的相位差的余弦值；并将得到的各功率值和功率因数保存在所述存储器中；[0043] 所述传输接口还用于将所述功率值和功率因数通过所述数据传输接口发送给所 述外界处理器。 进一步地，所述控制器还包括 第三比较器，用于分别将所述三相电流与所述短路阈值相比较，当任两相电流值 超过所述短路阈值时通过所述传输接口和所述数据传输接口发送中断给所述外界处理器。 本实用新型能够采集环境中的三相电压、三相电流、零序电压、零序电流、以及附 加直流电流，进行短路和漏电的保护；其优化方案还能采集数字信号、模拟信号、和系统电 压等；其优化方案还可以根据所采集的信号计算功率因数、功率值等，并和所采集的信号一
起提供给处理器，并根据处理器的处理结果输出控制信号。本实用新型可以用于煤矿井下 等周围介质中含有爆炸性气体的环境中，在中性点不接地的三相电网中，作为配电总开关 或分支开关的输入输出模块使用，驱动井下用电设备，性能可靠，动作准确。
图1为实施例一中的输入输出模块的结构框图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本实用新型的技术方案进行更详细的说明。 实施例一，一种开关控制器的输入输出模块，如图l所示，包括DSP(digital
singnal processor,数字信号处理器)，与所述DSP相连的数据传输接口和通道处理器、分
别与所述通道处理器相连的零序电流输入接口 、零序电压输入接口 、三相电压输入接口 、及
三相电流输入接口。 所述三相电压输入接口采集三相电压UA、 UB、 UC，并发送给所述通道处理器；各相 电压的大小分别为交流0到14V。 所述三相电流输入接口采集三相电流IA、 IB、 IC，并发送给所述通道处理器。 所述零序电压输入接口采集零序电压UO，并发送给所述通道处理器；所述零序电 压为交流0到40V。 所述零序电流输入接口采集零序电流IO，并发送给所述通道处理器。 考虑到电网若发生漏电故障，最容易检测到的是电网各相对地绝缘电阻的下降，
因此可以在三相电网中附加一独立的直流电流，使之作用于三相电网与大地之间。这样在
三相对地的测试电阻上将有一直流电流通过，该电流的大小的变化直接反应了电网对地的
测试电阻的变化，有效地检测和利用该电流，就可以构成附加电源直流检测式漏电保护。所
述测试电阻为大地和通过滤波网络连接到三相电网人为中心点之间的电阻。 所述输入输出模块还包括一与所述通道处理器相连的附加直流输入接口 ，采集电
网中的测试电阻中通过的附加直流电流并发送给所述通道处理器。 所述通道处理器对接收的三相电压、三相电流、零序电压、零序电流、以及所述附 加直流电流进行通道处理后发送给所述DSP ;所述通道处理包括信号调理(放大或縮小，调 理成所述DSP的AD接口电路所能测量的电压范围)，滤波(滤除干扰信号)，还可以包括保 护(防止不正常信号或干扰烧毁10板内部电路)等。 所述DSP将三相电压、三相电流、零序电压、零序电流、以及所述附加直流电流通过所述数据传输接口发送给开关控制器中本输入输出模块以外的外界处理器；以及根据所 述零序电压和零序电流，或根据所述附加直流电流判断是否漏电；根据所述三相电压和三 相电流判断是否短路；当漏电或短路时发送中断给所述外界处理器。 本实施例中，所述输入输出模块还可以包括数字信号输出DO接口、模拟信号输出 AO接口 、数字信号输入DI接口 ，分别与所述通道处理器相连的模拟信号输入AI接口 、以及 系统电压输入接口。 所述数字信号输入DI接口采集数字信号，并发送给所述外界处理器；本实施例 中，所述数字信号输入DI接口可包括10路数字信号输入通道，各通道采集的数字信号的电 压可以但不限于为直流24V。 所述模拟信号输入AI接口采集模拟信号，并发送给所述通道处理器；本实施例 中，所述模拟信号输入AI接口可包括3路模拟信号输入通道；在有的实施方式中，还可以另 外包括2路备用的模拟信号输入通道，这2路所采集的模拟信号的电压大小可以但不限于 为直流0到10V。 所述系统电压输入接口采集系统电压USYS，并发送给所述通道处理器；所述系统 电压为交流0到14V。 所述通道处理器对接收的模拟信号以及系统电压进行通道处理后发送给所述 DSP。 所述DSP将所述模拟信号和系统电压通过所述数据传输接口发送给所述外界处理器。 所述数字信号输出DO接口接收所述外界处理器的控制命令，根据该控制命令输 出数字信号；本实施例中，所述数字信号输出DO接口可包括8路数字信号输出通道，各数字 信号输出通道可以但不限于为常开型继电器，其开关容量为交流250V， 3A，或直流30V， 3A。 所述模拟信号输出AO接口接收所述外界处理器的控制命令，根据该控制命令输 出模拟信号；本实施例中，所述模拟信号输出AO接口可包括l路模拟信号输出通道，该通道 输出的可以但不限于为直流O到10V的电压信号。 本实施例中，所述三相电压输入接口 、三相电流输入接口 、零序电压输入接口 、零 序电流输入接口和系统电压输入接口所采集的信号的频率为47到63Hz。 本实施例中，所述DSP包括 AD接口，用于接收所述附加直流电流、三相电压、三相电流、零序电压、和零序电 流；还可以接收所述模拟信号和系统电压； 存储器，用于暂存所述AD接口接收的数据，以及保存漏电阈值及短路阈值； 传输接口 ，用于将所述存储器暂存的数据通过所述数据传输接口发送给所述外界 处理器；以及通过所述数据传输接口接收所述外界处理器返回的漏电阈值及短路阈值，并 保存在所述存储器中； 控制器，用于将所述漏电阈值与所述零序电压和零序电流比较，或与所述附加直 流电流比较，判断是否漏电；以及将所述三相电压和三相电流判断是否短路；当漏电或短 路时通过所述传输接口和所述数据传输接口发送中断给所述外界处理器。 本实施例中，所述外界处理器可为开关控制器中的一 CPU板，或一 PLC等具备处理 能力的设备；当所述外界处理器为CPU板，所述数字信号输出DO接口根据所述CPU板的数字逻辑信号导通或断开，所述模拟信号输出AO接口根据所述CPU板SPI 口数据输出电压。 本实施例中，所述控制器具体包括一选择器、第一比较器和第二比较器。 所述传输接口还用于通过所述数据传输接口接收所述外界处理器返回的工作模 式信息，并保存在所述存储器中。 所述存储器还用于保存工作模式信息，包括总开关工作模式和分开关工作模式；
所述漏电阈值包括附加直流阈值、零序电压阈值、零序电流阈值和角度阈值。 所述选择器用于读取所述工作模式信息，如果为总开关工作模式则使能第一比较
器，如果为分开关模式则使能第二比较器。 所述第一比较器用于比较所述附加直流电流和所述附加直流阈值，如果所述附加 直流电流大于所述附加直流阈值，则通过所述传输接口和所述数据传输接口发送中断给所 述外界处理器； 所述第二比较器用于分别比较所述零序电流10和所述零序电流阈值，所述零序
电压UO和所述零序电压阈值，以及所述零序电流IO和所述零序电压UO之间的夹角e和
所述角度阈值；当所述零序电流IO大于所述零序电流阈值，所述零序电压UO大于所述零序
电压阈值，13在角度阈值之内(比如135° < |3 < 180° )时通过所述传输接口和所述数
据传输接口发送中断给所述外界处理器。 实际应用时，各阈值可以根据需要设置。 本实施例中，所述DSP还包括一功率计算器，用于根据所述三相电流和所述三相
电压分别计算功率因数及以下功率值 A、B、C相有功功率PA、PB、PC ; 三相总有功功率P; A、B、C相无功功率QA、QB、QC ;及 三相总无功功率Q。 其中，功率因数为电压和电流之间的相位差的余弦值。 所述功率计算器将得到的各功率值和功率因数保存在所述存储器中； 所述传输接口还用于将所述功率值和功率因数通过所述数据传输接口发送给所
述外界处理器。 本实施例中，所述控制器还可以包括第三比较器。 所述第三比较器用于分别将所述三相电流与所述短路阈值相比较，当任两相电流 值超过所述短路阈值时通过所述传输接口和所述数据传输接口发送中断给所述外界处理 器。 当然，本实用新型还可有其他多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的 情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些 相应的改变和变形都应属于本实用新型的权利要求的保护范围。
权利要求一种开关控制器的输入输出模块，其特征在于，包括数字信号处理器DSP；与所述DSP相连的数据传输接口和通道处理器；三相电压输入接口，采集三相电压并发送给所述通道处理器；三相电流输入接口，采集三相电流并发送给所述通道处理器；零序电压输入接口，采集零序电压并发送给所述通道处理器；零序电流输入接口，采集零序电流并发送给所述通道处理器；附加直流输入接口，采集电网中的测试电阻中通过的附加直流电流并发送给所述通道处理器；所述通道处理器对接收的三相电压、三相电流、零序电压、零序电流、以及附加直流电流进行放大或缩小，并进行滤波后发送给所述DSP；所述DSP将三相电压、三相电流、零序电压、零序电流、以及所述附加直流电流通过所述数据传输接口发送给开关控制器中本输入输出模块以外的外界处理器；以及根据所述零序电压和零序电流，或根据所述附加直流电流判断是否漏电；根据所述三相电压和三相电流判断是否短路；当漏电或短路时发送中断给所述外界处理器。
2. 如权利要求1所述的输入输出模块，其特征在于，还包括 数字信号输入接口，采集数字信号并发送给所述外界处理器； 模拟信号输入接口 ，采集模拟信号并发送给所述通道处理器； 系统电压输入接口，采集系统电压并发送给所述通道处理器；所述通道处理器对接收的模拟信号以及系统电压进行通道处理后发送给所述DSP ; 所述DSP将所述模拟信号和系统电压通过所述数据传输接口发送给所述外界处理器。
3. 如权利要求2所述的输入输出模块，其特征在于 所述数字信号输入接口包括10路数字信号输入通道； 所述模拟信号输入接口包括3路模拟信号输入通道；
4. 如权利要求1所述的输入输出模块，其特征在于，还包括数字信号输出接口 ，用于接收所述外界处理器的控制命令，根据该控制命令输出数字 信号。模拟信号输出接口 ，用于接收所述外界处理器的控制命令，根据该控制命令输出模拟信号。
5. 如权利要求4所述的输入输出模块，其特征在于 所述数字信号输出接口包括8路数字信号输出通道； 所述模拟信号输出接口包括1路模拟信号输出通道。
6. 如权利要求4所述的输入输出模块，其特征在于各数字信号输出通道为常开型继电器；所述模拟信号输出通道为输出直流0到10V的电压信号的通道。
7. 如权利要求1所述的输入输出模块，其特征在于，所述DSP包括AD接口 ，用于接收所述附加直流电流、三相电压、三相电流、零序电压、和零序电流； 存储器，用于暂存所述AD接口接收的数据，以及保存漏电阈值及短路阈值； 传输接口 ，用于将所述存储器暂存的数据通过所述数据传输接口发送给所述外界处理 器；以及通过所述数据传输接口接收所述外界处理器返回的漏电阈值及短路阈值，并保存在所述存储器中；控制器，用于将所述漏电阈值与所述零序电压和零序电流比较，或与所述附加直流电 流比较，判断是否漏电；以及将所述三相电压和三相电流判断是否短路；当漏电或短路时 通过所述传输接口和所述数据传输接口发送中断给所述外界处理器。
8. 如权利要求7所述的输入输出模块，其特征在于，所述控制器包括 一选择器、第一比较器和第二比较器；所述传输接口还用于通过所述数据传输接口接收所述外界处理器返回的工作模式信 息，并保存在所述存储器中；所述存储器还用于保存工作模式信息，包括总开关工作模式和分开关工作模式；所述 漏电阈值包括附加直流阈值、零序电压阈值、零序电流阈值和角度阈值；所述选择器用于读取所述工作模式信息，如果为总开关工作模式则使能第一比较器， 如果为分开关模式则使能第二比较器；所述第一比较器用于比较所述附加直流电流和所述附加直流阈值，如果所述附加直流 电流大于所述附加直流阈值，则通过所述传输接口和所述数据传输接口发送中断给所述外 界处理器；所述第二比较器用于分别比较所述零序电流和所述零序电流阈值，所述零序电压和所 述零序电压阈值，以及所述零序电流和所述零序电压之间的夹角P和所述角度阈值；当所 述零序电流大于所述零序电流阈值，所述零序电压大于所述零序电压阈值，P在角度阈值 之内时通过所述传输接口和所述数据传输接口发送中断 给所述外界处理器。
9. 如权利要求8所述的输入输出模块，其特征在于，所述DSP还包括 功率计算器，根据所述三相电流和所述三相电压分别计算功率因数、三相有功功率、三相总有功功率、三相无功功率、及三相总无功功率；其中，功率因数为电压和电流之间的相 位差的余弦值；并将得到的各功率值和功率因数保存在所述存储器中；
10. 如权利要求9所述的输入输出模块，其特征在于，所述控制器还包括第三比较器， 用于分别将所述三相电流与所述短路阈值相比较，当任两相电流值超过所述短路阈值时通 过所述传输接口和所述数据传输接口发送中断给所述外界处理器。
专利摘要一种开关控制器的输入输出模块，包括数字信号处理器DSP；与所述DSP相连的数据传输接口和通道处理器；分别采集三相电压、三相电流、零序电压、零序电流、附加直流电流并发送给所述通道处理器的三相电压输入接口、三相电流输入接口、零序电压输入接口、零序电流输入接口及附加直流输入接口；所述通道处理器对接收的信号进行放大或缩小，并进行滤波后发送给所述DSP，由所述DSP通过所述数据传输接口发送给外界处理器，以及根据所述零序电压和零序电流，或根据所述附加直流电流判断是否漏电；根据所述三相电压和三相电流判断是否短路；当漏电或短路时发送中断给所述外界处理器。本实用新型能采集各类信号并对紧急情况进行实时处理。
文档编号H02H3/08GK201533149SQ200920222948
公开日2010年7月21日 申请日期2009年9月25日 优先权日2009年9月25日
发明者侯爱林, 张军, 徐昌荣, 徐毓军, 王国锋, 石鹏 申请人:北京和利时自动化驱动技术有限公司