专利名称：可编程分段式电流控制方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电器设备电流控制领域， 一种可编程分段式电流控制装置，以 及该装置的控制方法。
背景技术：
分段式电流控制——电气设施运行时，按照其动态电流大小与额定电流之
比PI，可以将其定量分类出几个我们感兴趣的运行区段;分析电器设施工作电流 的运行区段，可以评价其运行工况，并指导实施合适的控制策略。
例如某设备按工作电流的大小，定义如下需保护工作区段 IIS〉 (PI〉110%); I2S〉 (PI>150%);
I3S〉 (PI>200%)。
并制定如下控制策略
3工作于I1S〉时，发出报警信号，并启动反时限控制器；
4工作于I2S〉时，发出报警信号，延时1秒钟后，启动跳闸动作； 5工作于I3S〉时，立即启动跳闸动作。
分段式电流控制在供电线路保护、电机控制等技术领域得到广泛应用。 分段式电流控制的应用范围相当广泛，但由于不同应用领域可能需要不同
的控制策略，使得大多数应用产品仅局限于一种特定的应用。即便如此，特定
产品仍有不能满足客户特殊需求的可能。
开发一种满足分段式电流控制功能的通用产品是很有意义的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种分段式电流控制的方法和装置，为分段式电流控制技术的应用提供一个技术通用、开发高效、使用灵活的平台。 所述分段式电流控制装置包括
电流信号输入模块，用于对三相模拟电流信号进行数字化采样，根据上述 电流信号采集器输出的采样样本，计算出三相模拟电流的幅度，比较计算出一 组分段电流信号的实时状态；开关量输入接口模块，用于反映外部物理量状态 信号的引入，接口电路由光耦器件将输入信号隔离变换后，与MCU的输入接口 连接；开关量输出接口模块，用于实现控制器对外界物理量的控制，继电器通 过此模块与MCU的输出接口连接；存储模块，用于装置可调整控制参数、用户 应用程序、分段电流定值表等非易失性数据的存储需求；微处理器MCU模块， 根据上述电流信号输入模块输入信号的实时状态，按照预定的逻辑控制方案， 输出一组逻辑信号，通过输出驱动元件，对被控电气设施实施控制。
优选地，所述装置还包括通信接口模块，与微处理器MCU模块串行通讯 接口相连，提供与外部网络通讯的通道。
优选地，，用户可以通过通信接口模块将预定的逻辑控制方案提交给微处理 器MCU模块，控制器装置按照此逻辑控制方案，输出逻辑信号，对被控电器设 备实施控制。
优选地，，所述电流信号输入模块包括电流信号采集器，用于对三相模拟 电流信号的滤波及数字化采样；分段电流定值表，用于存储一组分段电流变量 的定义，该表格是由用户提交可编程分段式电流控制器的；分段电流状态比较 器，根据上述电流信号采集器输出的采样样本，计算出三相模拟电流的幅度并 且对照上述分段电流定值表，比较计算出一组分段电流信号的实时状态。
优选地，所述微处理器MCU模块包括控制逻辑变量PLM状态表，用于登 记PLM可管理的全部变量当前状态；应用逻辑构造表，存储用户设定的应用程序；PLM通讯服务器，提供用户远程编程访问的服务，包括读取、更新应用逻辑 构造表、分段电流定值表等服务；应用逻辑操作器，根据应用逻辑构造表，操 作用户应用程序。
优选地，所述PLM可管理的变量包括输入到PLM的分段电流类信号、开 入类信号，PLM输出的开出类信号，及PLM提供的寄存器类变量等；每一个PLM 变量用一个唯一的PLM编号标识。
优选地，所述存储模块使用EEPR0M，该模块通过I2总线与MCU相连。 优选地，所述装置还包括信号灯驱动器模块，用于连接LED指示灯，指示 某些物理变量状态。
所述分段式电流控制方法具有如下步骤
(1) 将反映被控电气设施三相工作电流的模拟信号进行数字化采样，转化 为一组称为分段电流的逻辑信号，每一个分段电流信号的状态代表实 际电流是否工作于某个区段；
(2) 将上述分段电流信号、通过开关量输入接口模块输入的反映其它物理 变量状态的开关逻辑信号输入给微处理器MCU模块；
(3) 微处理器MCU模块根据上述输入信号的实时状态，按照预定的逻辑控 制方案，输出一组逻辑信号，通过开关量输出接口模块，对被控电气 设施实施控制。
优选地，所述方法还包括如下步骤用户通过通信接口模块将预定的逻辑 控制方案提交给微处理器MCU模块，控制器装置按照此逻辑控制方案，输出逻 辑信号。
与目前现有技术相比，本发明通过分段式电流控制，使得不同领域的电 气设备，可以采用不同的控制策略，从而本申请的产品不仅仅局限于一种特定的应用，用户还可以将自己的特殊处理逻辑方案发送到微处理器MCU模块
中，从而满足特殊客户的特殊需求。
图1是本发明所述可编程分段式电流控制装置的功能结构示意图； 图2是本发明所述可编程分段式电流控制装置结构图； 图3是本发明所述可编程分段式电流控制装置的软件工作流程图； 图4是本发明所述PLM变量编号与PLM变量名映射表图。
具体实施例方式
本实施例提供的一种可编程分段式电流控制器的装置，包括由三只变比为
5A/0.35MA的电流互感器构成装置上三相电流信号采集模块的前端；上述电流 互感器一次侧通过装置上的接线端子与反映外部电气设施工作电流、变比为 1/5A的外部电流互感器连接；前述电流互感器二次侧通过信号滤波、变换电路 与微处理器单元(MCU)的A/D接口连接；装置配置8个开关量输入接口，用于反 映外部物理量状态信号的引入；接口电路由光耦器件将输入信号隔离变换后， 与MCU的输入接口连接；装置面板上配置8个LED信号指示灯，用于某些物理变量 状态的指示；LED指示灯由MCU的输出接口通过驱动元件相连接；装置配置8个输 出继电器，以实现控制器对外界物理量的控制，继电器通过驱动元件与MCU的输 出接口连接；装置配置32K的EEPR0M存储模块用于装置可调整控制参数、用户应 用程序、分段电流定值表等非易失性数据的存储需求，该模块通过I2总线与MCU 相连；装置内与MCU串行通讯接口相连的485驱动模块，提供与外部网络通讯的 通道；装置内装的电源模块对上述硬件提供工作电源。
下面对照附图，通过对实施例的描述，对一种可编程分段式电流控制装置 各部分的作用及原理、方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确的理解。
图l是本发明实施的一种可编程分段式电流控制装置的功能结构示意图。其
中
S01表示电流信号采集器； S02表示电流分段状态比较器； S03表示电流分段定值表； S04表示开关信号采集器； S05表示485通讯收发器；
S06表示继电器驱动器； S07表示信号灯驱动器； S08表示节拍发生器； P01表示PLM变量状态登记表；
P02表示PLM通讯服务器；
P03表示应用逻辑操作器；
P04表示应用逻辑构造表。
分段式电流控制的基本思想是将被控电气设施的工作电流，按幅度分类
成若干个工作阶段，以表示其处于不同的工作状态，本实施例分别用
IAS1-IAS10; IBS1-IBS10; ICS1-ICS10等30个逻辑变量表示三相电流所处的工
作状态，上述变量称为分段电流变量。
S03存储有各分段电流变量的用户定义，表中记录包含如下的信息域-1:电流相线标识被比较的相电流； 2:设定值； 3:返回定值；4:比较条件分大于/小于两类 5:比较时间；
6: PLM变量编号该分段电流变量在PLM变量中的编号。
S01对输入三相电流ia、 ib、 ic信号进行数字化采集。
S02计算各分段电流变量的实时状态，包括以下步骤的操作
1:由S01输出的采样样本，计算出三相电流的实时幅度IA， IB， IC。
2:对S03中的每一条记录实施以下步骤的操作
根据电流相线标识域，确定待比较的对象IX (IA/IB/IC); 由PLM变量编号域，向PLM读取本分段电流变量的当前状态；
如果当前状态=0，则将IX与设定值比较(比较条件即比较条件域定义)
当满足比较条件时，记录满足条件的次数，达到比较时间值时，则通知PLM将本 变量的状态记录为l;当不满足比较条件时，满足条件的次数清零；
如果如果当前状态=1，则将IX与返回定值比较(比较条件与比较条件域定 义相反)当满足比较条件时，记录满足条件的次数，达到比较时间值时，则通 知PLM将本变量的状态记录为O;当不满足比较条件时，满足条件的次数清零。
304用于对输入开关信号1^0，....107状态的采集，结果通知PLM更新 inO， ...in7变量的状态。
S05表示的485通讯收发器，负责收发PLM与485总线间交换的M0DBUS数据帧， 包括下述步骤
若接收到一个有效的MODBUS帧，
则
将该帧递交PLM的通讯服务器； 待PLM返回响应帧时，发送该响应帧至485总线；否则继续接收总线上的数据。
S06表示的继电器驱动器，用于对PLM输出控制信号Ox的驱动，使输出继电 器元件可以按延时、电平，脉冲，连续脉冲的动作模式操作，其中动作模式是 用户可编程设定的。
S07表示的指示灯驱动器用于对PLM输出指示灯LEDx信号的驱动，使显示
输出元件可以按电平，脉冲，连续脉冲的动作模式操作，其中动作模式是用户 可编程设定的。
上述动作模式的设定方法见关于PLM的说明。
上述部分涉及的PLM，其构成包括
PO1表示的PLM变量状态登记表；
P02表示的应用逻辑构造表；
P03表示的PLM通讯服务器；
P04表示的应用逻辑操作器。
PLM用有限的命名逻辑变量(称为PLM变量)，提供给用户作为可编程控制的 资源，包括
1: INx:开关量输入类变量，经开关信号采集器处理后得到的逻辑变量； 2: IASx、 IBSx、 ICSx:分段电流类变量，由外部输入的电流信号，经电流 信号采集器及分段电流比较器变换后得到的一组逻辑变量；
3: LEDx:指示灯类变量，由PLM构造的一组反映物理量状态的逻辑变量； 4: Ox:开关量输出类变量，由PLM构造的一组对外部事物实施控制的逻辑
5: RTx:通过通讯设施传入的一组遥控、遥信信息的逻辑变量；
6: REGx:寄存器类变量，由PLM构造的一组逻辑变量，其用途是方便复杂控制程序的设计。
上述每一个PLM变量用一个唯一的PLM编号标识，PLM变量与PLM编号的映射 关系见图4。
PLM负责对上述变量进行管理，并接受用户的编程访问请求，以及实现用户
设定应用程序的操作。其中
PLM变量状态登记表P01用于记录上述各PLM变量的实时状态； 应用逻辑构造表P02用于存储用户输入的应用程序，包括下述内容 每一个用户可控的PLM变量(包括LEDx,Ox，REGx)在表中都有且只有一条
记录，记录内容包括以下的域
1: PLM变量编号，待计算的PLM变量的编号；
2:逻辑表达式(该PLM变量状态变化所依赖的逻辑条件)，其特征在于-逻辑条件式中仅包含与、或、非三种运算符；
运算变量用PLM变量的编号表示；
逻辑运算式用后缀运算式组织，#为结束符；
空的逻辑条件式必须包含一个tt结束符；
3:动作模式(输出的动作方式延时，电平，脉冲，连续脉冲)； 4:延时时间(为延时、脉冲、连续脉冲动作模式的时间参数)； 上述动作模式、延时时间域的内容决定S06、 S07的操作方式；
记录的内容可以被用户更新。
PLM通讯服务器P03负责装置的用户可编程访问，使用户可以通过网络在上
位计算机上完成对装置的编程访问，包括以下步骤的操作
分析通讯收发器S05传入的有效M0DBUS请求帧；是电流分段记录更新请求，则更新电流分段定值表相应的记录，并构造响应
帧交通讯收发器发送；
是电流分段记录读请求，则将电流分段定值表相应的记录内容交通讯收发 器发送；
是应用逻辑表达式更新请求，则更新应用逻辑构造表相应记录，并构造响 应帧交通讯收发器发送；
是应用逻辑表达式读请求，则将应用逻辑构造表相应记录内容交通讯收发 器发送；
是遥信、遥控变量状态更新请求，则更新PLM变量状态登记表相应记录状态， 并构造响应帧交通讯收发器发送；
是PLM变量状态读请求，则将PLM变量状态登记表相应记录内容交通讯收发 器发送。
应用逻辑操作器P04负责对用户应用程序的操作，包括如下步骤
对应用逻辑构造表中的每一条记录，实施下述步骤的操作 根据P01记录的PLM变量当前状态，计算P03记录中给定的逻辑表达式； 由P03记录中的PLM变量编号域为索引 用运算结果更新P01表相应记录的状态； 是Ox变量，则将运算结果输出给继电器驱动器S06处理； 是LEDx变量，则将运算结果输出给信号灯驱动器S07处理。 S08表示的节拍发生器用于控制、同步上述各功能部件的操作时机，产生 的节拍包括-
1-采样节拍用于同步SOl、 S04的操作； 2:比较节拍用于同步S03的操作；3:操作节拍用于同步P4的操作。 不难看出，由上述方法及步骤构造的分段式电流控制器具备可编程控制的 能力。
图2所示， 一种可编程分段式电流控制装置结构图，包括与图2各模块 相连的电源模块;片上包含A/D转换、I2C总线控制等接口的微处理器IOI(MCU)， MCU型号为PHILIPS公司的产品LPC2136;开关量输出模块104;开关量输入模 块103;指示灯模块105;电流信号变换、滤波模块102; 485通讯接口模块107; EEPROM存储模块106。
所述MCU1:其A/D引脚，通过电流信号变换、滤波模块102，与外部引入 的反映被控设施三相工作电流的信号线相连；其通用10 口引脚与开关量输出模 块104、开关量输入模块103、指示灯模块105相连；而其I2C接口引脚与EEPROM 存储模块106相连；其通用串行通讯引脚则与通讯接口模块107连接；
上述通讯接口模块通过485总线将本装置与其它计算机或设备互联，通讯 协议采用MODBUS协议。
上述接入装置的反映三相工作电流的信号必须是0-5A量程的标准电流信
号；
与开关量输入模块103相连的外部开入信号，可以为任意物理量的开关状 态信号；
开关量输出模块104的输出用继电器常开接点的动作反映；
指示灯模块通过LED的状态反映装置中物理量的状态；
EEPROM存储模块用于存储用户对装置输入的应用程序及分段电流定值表等 数据的存储；MCU运行所使用的程序及数据则存储在MCU内嵌的FLASH及SRAM 中。构成装置软件系统的方法
本装置对实时电流信号的测量采用交流采样、计算均方根值的方式； 上述处理方式，需要系统产生一个50周/秒工频整数倍的时钟节拍，以控
制采样动作的频率；
本装置选择采样节拍为1.25MS，以同步电流信号采集器的操作； 装置系统将比较节拍定为5MS，以同步分段电流比较器的操作； 装置的将操作节拍定为5MS，以同步应用逻辑操作器的操作； 装置通过与用户的交互，获得用户期望的控制需求；利用装置的通讯设施，
使用户可以在上位机与装置交互信息；有关上位机的相关处理方法，不属本发
明讨论的范畴，本发明仅提供相关的访问装置的协议规范。
图3所示本发明实施的一种可编程分段式电流控制装置软件系统工作流程
图，它描述了 一种可编程分段式电流控制装置软件系统的基本实施架构。 系统上电初期，MCU首先开始系统任务的操作，包括以下步骤 步骤200，操作开始；
步骤201， MCU首先初始化I2C总线控制器，然后将EEPR0M存储器中的预 存系统管理表格的副本(包括应用逻辑构造表、电流分段定值表，以及系统其 他管理数据)，拷贝到系统各数据表格中；
步骤202， MCU初始化其内部的定时器TO，使其产生1.25MS的连续时钟节 拍，且每个节拍触发一次MCU的快速中断请求(FIQ)。优先级别最高的FIQ中 断，安排为系统的采样节拍。另外MCU初始化20号中断向量，使其可由软件触 发其中断请求。
步骤203， MCU按系统管理表格预定的控制要求，初始化其内部的串行通讯控制器UART0，并使能通讯中断；
步骤204， MCU初始化其通用10 口 ，完成各引脚的输入/输出功能定义等事 务；同时使能中断控制器工作；
步骤205，是一个无限循环的任务，当MCU没有任何中断事件需要响应时， MCU将在此处循环操作，主要是将开入信号、继电器输出状态等实时信息，通过 面板上的LED指示灯进行显示。
当FIQ中断事件到来，开始一个新的采样节拍周期；MCU响应FIQ中断，实 施以下操作步骤
步骤210，操作开始；
步骤211，实施电流信号采集器(见SOl的说明)的操作，并将样值插入样 本队列Q0;
步骤212，实施开关信号采集器(见S04的说明)的操作； 步骤213，将节拍计数器变量加一；
步骤214，比较步骤213的结果，如果是4，则进入步骤215，否则进入步 骤217;
步骤215，启动20号向量中断，产生一个新的比较节拍； 步骤216，节拍计数器置O; 步骤217， FIQ响应结束;
当20号向量中断到来，开始一个比较节拍周期；MCU响应该中断，实施以 下操作步骤-
步骤220，操作开始；
步骤221，从样本队列QO中取出最近的16条记录；
步骤222，实施电流分段状态比较器的操作(操作步骤见S02的说明)；步骤223，实施应用逻辑操作器的操作(操作步骤见P04的说明)； 步骤224,中断响应结束；
当通讯事件引起UARTO 口中断时，MCU响应该中断，实施以下步骤的操作 步骤230，操作开始； 、 步骤231，判断是否收到有效的MODBUS访问帧如果是，则进入232步骤; 否则进入步骤233;
步骤232，实施PLM通讯服务器操作(操作步骤见P03的说明)，操作结束 进入步骤236;
步骤233，判断是否收到错误帧如果是，则进入234步骤操作；否则，进 入步骤235操作；
步骤234，构造出错响应帧，发送响应帧，而后进入步骤236; 步骤235，继续收发数据的操作； 步骤236，响应结束。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的权利要求书， 而本发明的技术思想可广泛地被用于其它类似的系统上，因此凡是在未脱离本 发明所公开的精神下所完成的等效改变或修改，均应包含在权利要求书的范围 内。
权利要求
1、一种可编程分段式电流控制器装置，其特征在于包括电流信号输入模块，用于对三相模拟电流信号进行数字化采样，根据上述电流信号采集器输出的采样样本，计算出三相模拟电流的幅度，比较计算出一组分段电流信号的实时状态；开关量输入接口模块，用于反映外部物理量状态信号的引入，接口电路由光耦器件将输入信号隔离变换后，与MCU的输入接口连接；开关量输出接口模块，用于实现控制器对外界物理量的控制，继电器通过此模块与MCU的输出接口连接；存储模块，用于装置可调整控制参数、用户应用程序、分段电流定值表等非易失性数据的存储需求；微处理器MCU模块，根据上述电流信号输入模块输入信号的实时状态，按照预定的逻辑控制方案，输出一组逻辑信号，通过输出驱动元件，对被控电气设施实施控制。
2、 如权利要求1所述的可编程分段式电流控制器装置，其特征在于，所述 装置还包括通信接口模块，与微处理器MCU模块串行通讯接口相连，提供与外部网络通 讯的通道。
3、 如权利要求2所述的可编程分段式电流控制器装置，其特征在于，用户 可以通过通信接口模块将预定的逻辑控制方案提交给微处理器MCU模块，控制 器装置按照此逻辑控制方案，输出逻辑信号，对被控电器设备实施控制。
4、 如权利要求1所述的可编程分段式电流控制器装置，其特征在于，所述 电流信号输入模块包括电流信号采集器，用于对三相模拟电流信号的滤波及数字化采样；分段电流定值表，用于存储一组分段电流变量的定义，该表格是由用户提 交可编程分段式电流控制器的；分段电流状态比较器，根据上述电流信号采集器输出的采样样本，计算出三 相模拟电流的幅度并且对照上述分段电流定值表，比较计算出一组分段电流信 号的实时状态。
5、 如权利要求1所述的可编程分段式电流控制器装置，其特征在于，所述 微处理器MCU模块包括控制逻辑变量PLM状态表，用于登记PLM可管理的全部变量当前状态；应用逻辑构造表，存储用户设定的应用程序； PLM通讯服务器，提供用户远程编程访问的服务，包括读取、更新应用逻辑 构造表、分段电流定值表等服务；应用逻辑操作器，根据应用逻辑构造表，操作用户应用程序。
6、 如权利要求5所述的可编程分段式电流控制器装置，其特征在于，所述 PLM可管理的变量包括输入到PLM的分段电流类信号、开入类信号，PLM输出的开出类信号，及 PLM提供的寄存器类变量等；每一个PLM变量用一个唯一的PLM编号标识。
7、 如权利要求l-6中任一项所述的可编程分段式电流控制器装置，其特征 在于，所述存储模块使用EEPR0M，该模块通过12总线与MCU相连。
8、 如权利要求1所述的可编程分段式电流控制器装置，其特征在于，所述 装置还包括信号灯驱动器模块，用于连接LED指示灯，指示某些物理变量状态。
9、 一种可编程分段式电流控制方法，其特征在于，具有如下步骤(1)将反映被控电气设施三相工作电流的模拟信号进行数字化采样，转化为一组称为分段电流的逻辑信号，每一个分段电流信号的状态代表实 际电流是否工作于某个区段；(2) 将上述分段电流信号、通过开关量输入接口模块输入的反映其它物理 变量状态的开关逻辑信号输入给微处理器MCU模块；(3) 微处理器MCU模块根据上述输入信号的实时状态，按照预定的逻辑控 制方案，输出一组逻辑信号，通过开关量输出接口模块，对被控电气 设施实施控制。
10、如权利要求9所述的可编程分段式电流控制方法，其特征在于，还包 括如下步骤用户通过通信接口模块将预定的逻辑控制方案提交给微处理器MCU模块， 控制器装置按照此逻辑控制方案，输出逻辑信号。
全文摘要
本发明涉及一种可编程分段式电流控制装置和方法。所述分段式电流控制装置包括电流信号输入模块，用于对三相模拟电流信号进行数字化采样，比较计算出一组分段电流信号的实时状态；开关量输入接口模块，用于反映外部物理量状态信号的引入，与MCU的输入接口连接；开关量输出接口模块，用于实现控制器对外界物理量的控制；存储模块，用于装置可调整控制参数、用户应用程序、分段电流定值表等非易失性数据的存储需求；微处理器MCU模块，根据上述电流信号输入模块输入信号的实时状态，按照预定的逻辑控制方案，输出一组逻辑信号，通过输出驱动元件，对被控电气设施实施控制。
文档编号G05F1/12GK101436079SQ20081013652
公开日2009年5月20日 申请日期2008年12月15日 优先权日2008年12月15日
发明者宛玉超, 张全有, 束龙胜 申请人:安徽鑫龙电器股份有限公司