专利名称：二总线短路保护隔离装置以及二总线短路保护隔离的方法
技术领域：
本发明涉及一种二总线短路保护隔离装置二总线短路保护隔离的方法，该二总线短路保护隔离装置使得保护电流可根据保护区域设备工作电流的大小进行调整，可应用于大功率并网型风机智能消防系统中的温感探测器、烟感探测器的短路保护。
背景技术：
近年来，兆瓦级风力发电机组迅速发展。目前路上风力发电机组的消防设备基本上都是手提式灭火器。由于这个原因，一旦风力发电机组在无人的情况下发生火灾，可能会面临被全部烧毁的事故，造成极大的经济损失。因此一套稳定、可靠的风机智能消防系统对于风力发电机组设备来说尤其重要。通常采用二总线通信方式在风机智能消防系统控制器与探测器之间进行通信，探测器分布于风力发电机组的不同区域，当某一区域的探测器出现短路时，会导致整条二总线回路通信瘫痪。因此，需要用较低的成本设计出符合要求、抗干扰性强、短路保护功能完备的保护
隔离装置。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种二总线短路保护隔离装置，该装置包括控制单元；短路信号采集和保护单元，包括多个短路信号采集和保护模块，每个短路信号采集和保护模块通过支路二总线与一个探测器连接，每个短路信号采集和保护模块确定其所连接的探测器是否发生短路，如果确定探测器发生短路，则短路信号采集和保护模块将报警信号发送到控制单元；二总线收发单元，将二总线连接到控制单元，使得控制单元与探测器通信，其中，如果控制单元接收到报警信号，则控制单元将控制信号输出到所述多个短路信号采集和保护模块中的相应一个，所述相应一个短路信号采集和保护模块根据控制信号断开支路二总线，以将发生短路的探测器与二总线总回路断开。二总线短路保护隔离装置还可包括二总线电压采集单元，采集二总线的总线电压，将二总线的总线电压转换为预定范围内的值，并且将转换的电压发送到控制单元。如果控制单元确定转换的电压高于预定阈值，则控制单元可断开支路二总线与探测器的连接。二总线短路保护隔离装置还可包括发光二极管指示单元，连接到控制单元，当探测器发生短路时，包括在发光二极管指示单元中的相应发光二极管发光，以发出警报。每个短路信号采集和保护模块可包括继电器，支路二总线中的第一支路总线和第二支路总线中的一个连接到所述继电器；正温度系数器件，正温度系数器件的一端连接到继电器，正温度系数器件的另一端连接到探测器；电桥，电桥的一端连接到正温度系数器件；光耦器件，连接到电桥的另一端。当探测器发生短路时，流经正温度系数器件的电流增大，导致正温度系数器件的内部阻抗增大，引起正温度系数器件两端出现电压差，所述电压差通过电桥使光耦器件的发光二极管导通，光耦器件将报警信号输出到控制单元，控制单元将控制信号输出到继电器，断开连接到继电器的第一支路总线和第二支路总线中的一个，以将发生短路的探测器与二总线总回路断开。二总线电压采集单元可包括彼此串联的第一分压电阻器和第二分压电阻器，第一分压电阻器的一端接地，第一分压电阻器的另一端连接到第二分压电阻器的一端，第二分压电阻器的另一端连接到包括在二总线收发单元中的电桥的正极，所述电桥的正极的输出电压作为总线电压提供给总线电压采集单元，第一分压电阻器和第二分压电阻器之间的节点的电压被发送到控制单元。第二分压电阻器的电阻值可以是第一分压电阻器的电阻值的5倍。发光二极管指示单元可包括并联的多个发光二极管，当探测器发生短路时，控制单元将控制信号施加到所述多个二极管中的相应一个，使得所述相应一个发光二极管发光，以发出警报。根据本发明的另一方面，提供一种使用二总线短路保护隔离装置实现二总线短路保护隔离的方法，所述二总线短路保护隔离装置包括控制单元、短路信号采集和保护单元和二总线收发单元，短路信号采集和保护单元包括多个短路信号采集和保护模块，二总线收发单元将二总线连接到控制单元，所述方法包括每个短路信号采集和保护模块确定其所连接的探测器是否发生短路；如果确定探测器发生短路，则短路信号采集和保护模块将报警信号发送到控制单元；如果控制单元接收到报警信号，则控制单元将控制信号输出到所述多个短路信号采集和保护模块中的相应一个；所述相应一个短路信号采集和保护模块根据控制信号断开支路二总线，以将发生短路的探测器与二总线总回路断开。每个短路信号采集和保护模块可包括继电器，支路二总线中的第一支路总线和第二支路总线中的一个连接到所述继电器；正温度系数器件，正温度系数器件的一端连接到继电器，正温度系数器件的另一端连接到探测器；电桥，电桥的一端连接到正温度系数器件；光耦器件，连接到电桥的另一端，其中，当探测器发生短路时，流经正温度系数器件的电流增大，导致正温度系数器件的内部阻抗增大，引起正温度系数器件两端出现电压差，所述电压差通过电桥使光耦器件的发光二极管导通，光耦器件将报警信号输出到控制单元，控制单元将控制信号输出到继电器，断开连接到继电器的第一支路总线和第二支路总线中的一个，以将发生短路的探测器与二总线总回路断开。
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中图1是示出根据本发明的二总线短路保护隔离装置的系统框图；图2是示出根据本发明的短路信号采集和保护单元中的第一短路信号采集和保护模块的电路图；图3是示出根据本发明的短路信号采集和保护单元中的第二短路信号采集和保护模块的电路4是示出根据本发明的二总线收发单元的电路图5是示出根据本发明的总线电压采集单元的电路图；图6是示出根据本发明的控制单元和LED指示单元的电路图。
具体实施例方式下面参照附图来描述本发明的实施例。二总线是一种高可靠性、用于自动同步编码解码通信的总线，可以对现场节点的数据进行远距离串行传输。各种探测器(诸如温感探测器、烟感探测器)分布于作业现场(例如，风力发电机组、各种矿井)的不同区域，通过二总线连接到控制器，探测器可将探测数据(例如作业现场的实时状态信息)经由二总线发送到控制器，以实现实时监控。在本发明中，为了避免某一区域的探测器出现短路导致整条二总线回路通信瘫痪的情况发生，对每个区域的探测器通过总线隔离装置进行保护，将短路区域从二总线隔离， 从而实现对控制单元的二总线总回路的保护。同时，为了减少布线的复杂性，总线隔离装置采用了二总线供电方式。图1是示出根据本发明的二总线短路保护隔离装置的系统框图。参照图1，二总线短路保护隔离装置包括控制单元11、短路信号采集和保护单元 12以及二总线收发单元13。短路信号采集和保护单元12可包括多个短路信号采集和保护模块，每个短路信号采集和保护模块通过支路二总线与一个探测器连接。即，可以从二总线总回路分支出多个支路二总线，每个支路二总线可连接一个探测器。每个短路信号采集和保护模块确定其所连接的探测器是否发生短路，如果确定探测器发生短路，则短路信号采集和保护模块将报警信号发送到控制单元11。如果控制单元11接收到报警信号，则控制单元11将控制信号输出到短路信号采集和保护单元12中的相应短路信号采集和保护模块，所述相应短路信号采集和保护模块根据控制信号断开支路二总线，以将发生短路的探测器与二总线总回路断开，从而保护二总线总回路。二总线收发单元13将二总线连接到控制单元11，使得控制单元11与各个探测器
ififn。二总线短路保护隔离装置还可包括二总线电压采集单元14。二总线电压采集单元14采集二总线的总线电压，将二总线的总线电压转换为预定范围内的值，并且将转换的电压发送到控制单元11。如果控制单元11确定转换的电压高于预定阈值，则控制单元断开支路二总线的连接，以保护相应的探测器不受损坏。此外，二总线短路保护隔离装置还可包括LED (发光二极管)指示单元15。LED指示单元15连接到控制单元11，当探测器发生短路时，包括在LED指示单元中的相应LED发光，以发出警报，表明存在发生短路的探测器。下面参照图2至图5详细描述二总线短路保护隔离装置的各个模块单元。图2是示出根据本发明的短路信号采集和保护单元中的第一短路信号采集和保护模块的电路图。参照图2，第一短路信号采集和保护模块包括继电器JK1、正温度系数(PTC)器件Fl、电桥和光耦器件01。继电器JKl可采用双线圈磁保持继电器。双线圈磁保持继电器的动作电流低，其触点断开/闭合状态在常态时由永磁体产生的磁力所保持。当磁保持继电器的触点需要断开/闭合时，只需要用正(反)直流脉冲电压激励线圈，磁保持继电器在瞬间就可完成了断开/闭合的状态转换。当触点处于保持状态时，线圈不需要持续通电，仅通过永磁体的磁力就可保持继电器的状态不变。根据磁保持继电器的操作特点，可从二总线上直接取电就可以使其动作，不需通过外部供电，降低了布线难度。参照图2，支路二总线中的第一支路总线BUSl和第二支路总线BUS2中的一个连接到继电器JKl。虽然图2中示出了第一支路总线BUSl连接到继电器JKl，但是也可以将第二支路总线BUS2连接到继电器JKl。探测器的两端可分别连接到第一支路总线BUSl和第二支路总线BUS2。PTC器件Fl的一端连接到继电器JKl，PTC器件Fl的另一端连接到探测器，PTC器件Fl的另一端被施加支路二总线信号BUSl_0utl。电桥的一端连接到PTC器件F1。电桥可包括第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3和第四二极管VD4，第一二极管VDl与第二二极管VD2串联，第三二极管VD3 和第四二极管VD4串联，第一二极管VDl和第二二极管VD2与第三二极管VD3和第四二极管VD4并联。光耦器件01连接到电桥的另一端。当被保护的探测器发生短路时，流经PTC器件Fl的电流瞬间增大，导致PTC器件Fl的内部阻抗增大，引起PTC器件Fl两端出现电压差，该电压差通过电桥使光耦器件 01的发光二极管导通，光耦器件01将报警信号SUBSBAD1输出到控制单元11，报警信号 SUBSBAD1由先前的高电平变成低电平。控制单元11检测到报警信号SUBSBAD1变低电平后，将控制信号输出到继电器JK1，断开连接到继电器JKl的第一支路总线BUSl和第二支路总线BUS2中的一个，以将发生短路的探测器与二总线总回路断开，从而保护二总线总回路。具体地，控制信号可包括第一控制信号CHANNEL10和第二控制信CHANNEL11，可通过第一三极管Ql将第一控制信号CHANNEL11发送到继电器JKl，可通过第二三极管Q2将第二控制信号CHANNEL10发送到继电器JKl。第二控制信号CHANNEL10可用于复位操作，第一控制信号CHANNEL11可用于断开操作。图3是示出根据本发明的短路信号采集和保护单元中的第二短路信号采集和保护模块的电路图。第二短路信号采集和保护模块包括继电器JK2、正温度系数(PTC)器件F2、电桥和光耦器件02。支路二总线中的第一支路总线BUSl和第二支路总线BUS2中的一个连接到继电器JK1。第一支路总线BUSl和第二支路总线BUS2可分别连接到探测器的两端。PTC器件F2的一端连接到继电器JK2，PTC器件F2的另一端连接到探测器，被施加支路二总线信号BUSl_0ut2。光耦器件01连接到电桥的另一端。当被保护的探测器发生短路时，光耦器件02将报警信号SUBSBAD2输出到控制单元11，报警信号SUBSBAD2由先前的高电平变成低电平。控制单元11检测到报警信号 SUBSBAD2变低电平后，将控制信号(CHANNEL20和第二控制信CHANNEL21)输出到继电器 JK2，断开连接到继电器JK2的第一支路总线BUSl和第二支路总线BUS2中的一个，以将发
7生短路的探测器与二总线总回路断开，从而保护二总线总回路。第二控制信号CHANNEL20 可用于复位操作，第一控制信号CHANNEL21可用于断开操作。第二短路信号采集和保护模块与参照图2所描述的第一短路信号采集和保护模块的结构和操作相同，这里不再详述。如上所述，短路信号采集和保护单元12可包括多个短路信号采集和保护模块。每个短路信号采集和保护模块的结构和操作相同，例如，第η短路信号采集和保护模块包括继电器JKru正温度系数(PTC)器件1 、电桥和光耦器件On。每个短路信号采集和保护模块通过支路二总线与一个探测器连接。这里不再重复米描述每个短路信号采集和保护模块的结构和操作。图4是示出根据本发明的二总线收发单元的电路图。二总线收发单元13可采用带供电功能的仪表总线从机芯片(例如型号为XY001 的仪表总线从机芯片)，仪表总线从机芯片自身功耗低，采用无极性接线方式，抗干扰能力强。仪表总线从机芯片可提供5V稳压电源以向控制单元11供电；仪表总线从机芯片的第 7管脚从总线接收到数据，然后将该数据发送到控制单元11的串口接收管脚；仪表总线从机芯片的第4管脚将来自控制单元11的串口数据发送到总线。如图4所示，二总线收发单元13可包括电桥(由多个二极管VD9-VD13构成)，电桥正极的输出电压(图4中的+20V) 作为总线电压提供给下面将要描述的总线电压采集单元。图5是示出根据本发明的总线电压采集单元的电路图。总线电压采集单元14包括彼此串联的第一分压电阻器R9和第二分压电阻器R10， 第一分压电阻器R9的一端接地，第一分压电阻器R9的另一端连接到第二分压电阻器RlO 的一端，第二分压电阻器RlO的另一端连接到包括在二总线收发单元13中的电桥的正极， 所述电桥的正极的输出电压作为总线电压提供给总线电压采集单元14。第一分压电阻器 R9和第二分压电阻器RlO之间的节点的电压SPOWER被发送到控制单元11。在正常情况下，二总线的总线电压随着负载的不同在12-24V的范围内，总线电压通过第一分压电阻器R9和第二分压电阻器RlO进行1/6分压(即，第二分压电阻器RlO的电阻值是第一分压电阻器R9的电阻值的5倍)，在总线电压工作范围内使分压值小于5V， 从而满足控制单元11进行模数(AD)采样的要求。如上所述，如果控制单元11确定转换的电压(分压后的电压)高于预定阈值，则控制单元断开支路二总线与探测器的连接，以保护相应的探测器不受损坏。图6是示出根据本发明的控制单元和LED指示单元的电路图。控制单元11可采用单片机、微处理器、可编程逻辑控制器等。在图5中，控制单元 11采用了单片机PIC16F690-I/SS。控制单元11可对多个探测器的短路状态进行检测。如上所述，当被保护的探测器发生短路时，控制单元11可将控制信号输出到多个短路信号采集和保护模块中的相应一个，断开发生短路的探测器所连接的支路二总线，以将所述发生短路的探测器与二总线总回路断开，从而保护二总线总回路。LED指示单元15可包括并联的多个LED。当被保护的探测器发生短路时，控制单元11可将控制信号施加到多个LED中的相应一个，使得所述相应一个LED发光，以发出警报。多个可LED发射不同颜色的光，例如，第一 LED可发射绿光，第二 LED可发射红光等，以表明发生短路的探测器所在的区域。
下面描述使用根据本发明的上述二总线短路保护隔离装置来实现二总线短路保护隔离的方法，所述方法可包括如下步骤每个短路信号采集和保护模块确定其所连接的探测器是否发生短路；如果确定探测器发生短路，则短路信号采集和保护模块将报警信号发送到控制单元；如果控制单元接收到报警信号，则控制单元将控制信号输出到所述多个短路信号采集和保护模块中的相应一个；所述相应一个短路信号采集和保护模块根据控制信号断开支路二总线，以将发生短路的探测器与二总线总回路断开。在本发明中，使用了 PTC器件和光耦器件实现对探测器短路的检测，使用了磁保持继电器实现对二总线总回路的保护，使用了 LED对短路状态进行指示，利用磁保持继电器的低功耗特性，内置了多路保护功能电路，降低了使用成本。根据本发明的二总线短路保护隔离装置可广泛应用于各种作业现场(例如，风力发电机组、各种矿井等)，可提高实施监控的稳定性和安全性。尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。
权利要求
1.一种二总线短路保护隔离装置，包括控制单元；短路信号采集和保护单元，包括多个短路信号采集和保护模块，每个短路信号采集和保护模块通过支路二总线与一个探测器连接，每个短路信号采集和保护模块确定其所连接的探测器是否发生短路，如果确定探测器发生短路，则短路信号采集和保护模块将报警信号发送到控制单元；二总线收发单元，将二总线连接到控制单元，使得控制单元与探测器通信，其中，如果控制单元接收到报警信号，则控制单元将控制信号输出到所述多个短路信号采集和保护模块中的相应一个，所述相应一个短路信号采集和保护模块根据控制信号断开支路二总线，以将发生短路的探测器与二总线总回路断开。
2.根据权利要求1所述的二总线短路保护隔离装置，还包括二总线电压采集单元，采集二总线的总线电压，将二总线的总线电压转换为预定范围内的值，并且将转换的电压发送到控制单元。
3.根据权利要求2所述的二总线短路保护隔离装置，其中，如果控制单元确定转换的电压高于预定阈值，则控制单元断开支路二总线与探测器的连接。
4.根据权利要求2所述的二总线短路保护隔离装置，还包括发光二极管指示单元，连接到控制单元，当探测器发生短路时，包括在发光二极管指示单元中的相应发光二极管发光，以发出警报。
5.根据权利要求1所述的二总线短路保护隔离装置，其中，每个短路信号采集和保护模块包括继电器，支路二总线中的第一支路总线和第二支路总线中的一个连接到所述继电器；正温度系数器件，正温度系数器件的一端连接到继电器，正温度系数器件的另一端连接到探测器；电桥，电桥的一端连接到正温度系数器件；光耦器件，连接到电桥的另一端。
6.根据权利要求5所述的二总线短路保护隔离装置，其中，当探测器发生短路时，流经正温度系数器件的电流增大，导致正温度系数器件的内部阻抗增大，引起正温度系数器件两端出现电压差，所述电压差通过电桥使光耦器件的发光二极管导通，光耦器件将报警信号输出到控制单元，控制单元将控制信号输出到继电器，断开连接到继电器的第一支路总线和第二支路总线中的一个，以将发生短路的探测器与二总线总回路断开。
7.根据权利要求2所述的二总线短路保护隔离装置，其中，二总线电压采集单元包括彼此串联的第一分压电阻器和第二分压电阻器，第一分压电阻器的一端接地，第一分压电阻器的另一端连接到第二分压电阻器的一端，第二分压电阻器的另一端连接到包括在二总线收发单元中的电桥的正极，所述电桥的正极的输出电压作为总线电压提供给总线电压采集单元，第一分压电阻器和第二分压电阻器之间的节点的电压被发送到控制单元。
8.根据权利要求7所述的二总线短路保护隔离装置，其中，第二分压电阻器的电阻值是第一分压电阻器的电阻值的5倍。
9.根据权利要求4所述的二总线短路保护隔离装置，其中，发光二极管指示单元包括并联的多个发光二极管，当探测器发生短路时，控制单元将控制信号施加到所述多个二极管中的相应一个，使得所述相应一个发光二极管发光，以发出警报。
10.一种使用二总线短路保护隔离装置实现二总线短路保护隔离的方法，所述二总线短路保护隔离装置包括控制单元、短路信号采集和保护单元和二总线收发单元，短路信号采集和保护单元包括多个短路信号采集和保护模块，二总线收发单元将二总线连接到控制单元，所述方法包括每个短路信号采集和保护模块确定其所连接的探测器是否发生短路；如果确定探测器发生短路，则短路信号采集和保护模块将报警信号发送到控制单元；如果控制单元接收到报警信号，则控制单元将控制信号输出到所述多个短路信号采集和保护模块中的相应一个；所述相应一个短路信号采集和保护模块根据控制信号断开支路二总线，以将发生短路的探测器与二总线总回路断开。
11.根据权利要求10所述的二总线短路保护隔离方法，其中，每个短路信号采集和保护模块包括继电器，支路二总线中的第一支路总线和第二支路总线中的一个连接到所述继电器；正温度系数器件，正温度系数器件的一端连接到继电器，正温度系数器件的另一端连接到探测器；电桥，电桥的一端连接到正温度系数器件；光耦器件，连接到电桥的另一端，其中，当探测器发生短路时，流经正温度系数器件的电流增大，导致正温度系数器件的内部阻抗增大，引起正温度系数器件两端出现电压差，所述电压差通过电桥使光耦器件的发光二极管导通，光耦器件将报警信号输出到控制单元，控制单元将控制信号输出到继电器，断开连接到继电器的第一支路总线和第二支路总线中的一个，以将发生短路的探测器与二总线总回路断开。
全文摘要
提供一种二总线短路保护隔离装置以及二总线短路保护隔离的方法，所述装置包括控制单元；短路信号采集和保护单元，包括多个短路信号采集和保护模块，每个短路信号采集和保护模块通过支路二总线与一个探测器连接，每个短路信号采集和保护模块确定其所连接的探测器是否发生短路，如果确定探测器发生短路，则短路信号采集和保护模块将报警信号发送到控制单元；二总线收发单元，将二总线连接到控制单元，使得控制单元与探测器通信，如果控制单元接收到报警信号，则控制单元将控制信号输出到所述多个短路信号采集和保护模块中的相应一个，所述相应一个短路信号采集和保护模块根据控制信号断开支路二总线，以将发生短路的探测器与二总线总回路断开。
文档编号H02H3/08GK102437549SQ20111043988
公开日2012年5月2日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者兰川, 张森枝, 朱超林, 袁伟, 陈辉 申请人:北京天源科创风电技术有限责任公司