控制与保护开关电器人机交互系统的制作方法

本实用新型涉及低压电器领域，具体涉及一种控制与保护开关电器人机交互系统。

背景技术：

在很多工业应用环境中，都需要利用人机交互(Human-computer interaction，简称HCI)系统，以完成对工业设备的监视、控制及数据采集、分析等工作。

现有的一种人机交互系统，其包括控制与保护开关电器(Control and Protective Switching Devices，简称CPS)和人机接口(Human Machine Interface，简称HMI)设备。其中，控制与保护开关电器往往由一控制保护模块/电路及与该控制保护模块/电路相连的电器装置组成，包括诸如罩壳、触头灭弧系统、操作机构、控制电磁铁、脱扣电磁铁、电流互感器、电子组件板等；人机接口设备是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现了信息的CPS内部形式与人类可以接受形式之间的转换。

这种现有的人机交互系统主要存在以下缺陷：

1.HCI系统只能通过有线通信方式工作，需要大量的现场布线工作。

2.一部分HMI设备只支持柜门使用方式，不方便用户的远距离操作；另一部分HMI设备虽然支持柜门使用和手持使用两种方式，但两种使用方式的主体是相互独立的，不能灵活切换。

3.一部分HMI设备只能从被控主体取电，无法在主体不工作的情况下查看历史记录等信息；另一部分HMI设备采用一次性电池供电，在电池电量用尽的情况下，不能通过外部电源供电。

4.用户不能根据不同使用场合和工作环境，自主选择HMI设备的通信方式和供电方式。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种控制与保护开关电器人机交互系统，其通信方式灵活，便于用户根据场合和工作环境的不同进行自主选择，而且可以实现控制与保护开关电器的远程控制。

为实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种控制与保护开关电器人机交互系统，其包括人机接口设备以及至少一组与人机接口设备相连的控制与保护开关电器；

所述控制与保护开关电器包括第一无线通信模块、第一RS485接口和第二RS485接口；所述人机接口设备包括显控模块，显控模块包括第二无线通信模块和第三RS485接口；

所述控制与保护开关电器通过第一无线通信模块、第二无线通信模块的配合与显控模块进行无线通信，或者控制与保护开关电器通过第二RS485接口、第三RS485接口的配合与显控模块进行有线通信；所述控制与保护开关电器通过第一RS485接口与上位机监控系统相连。

优选的，所述人机接口设备包括显控模块、手持模块和柜门模块，手持模块包括可充电电池，柜门模块包括转接组件和电源适配器；

所述显控模块可通过柜门模块安装在控制与保护开关电器的柜门上；所述显控模块与手持模块相连，可充电电池为显控模块供电，或者显控模块安装在柜门模块上，电源适配器为显控模块供电；所述显控模块可通过第一无线通信模块、第二无线通信模块的配合和控制与保护开关进行无线通信，或者显控模块可通过第二RS485接口、转接组件、第三RS485接口的配合和控制与保护开关电器进行有线通信。

优选的，所述第一无线通信模块为自带Zigbee功能的单片机且内置第一PCB天线，第二无线通信模块为Zigbee收发单元且内置第二PCB天线。

优选的，所述第二RS485接口和第三RS485接口均采用标准RJ45端子。

优选的，所述显控模块包括主控单元，以及分别与主控单元相连的LCD显示单元、LED显示单元、按键输入单元、第二存储单元、第二无线通信模块、第三RS485接口。

优选的，所述第二无线通信模块为Zigbee收发单元，主控单元通过第三隔离RS485收发单元与第三RS485接口相连，LED显示单元包括5个LED指示灯，按键输入单元包括四个按键。

优选的，所述手持模块包括可充电电池、第二电压转换单元、电池充电单元和第二外部电源接口，第二外部电源接口通过电池充电单元为可充电电池充电，第二外部电源接口、可充电电池均通过第三电压转换单元与显控模块相连，为显控模块供电。

优选的，所述手持模块还包括快速编程键盘和无线辅助模块。

优选的，所述控制与保护开关电器包括第一控制单元，以及分别与第一控制单元相连的第一无线通信模块、第一RS485接口、第二RS485接口、第一存储单元、第一外部电源接口和LCD/LED显示及按键输入单元。

优选的，所述第一控制单元分别通过第一隔离RS485收发单元、第二隔离RS485收发单元与第一RS485接口、第二RS485接口相连；所述第一外部电源接口通过第一电压转换单元与第一控制单元相连，且通过DC-DC转换单元分别与第一隔离RS485收发单元、第二隔离RS收发单元相连；所述第一控制单元通过SPI总线与无线通信芯片相连；所述第一无线通信模块包括第二控制单元、外围电路单元和内置的第一PCB天线，第二控制单元通过外围电路单元与第一PCB天线相连。

优选的，所述人机接口设备包括独立的显控模块、独立的手持模块和独立的柜门模块；所述显控模块与手持模块装配连接，手持模块为显控模块供电；或者显控模块通过柜门模块安装在控制与保护开关电器的柜门上，柜门模块为显控模块供电；或者显控模块与手持模块固定连接后，通过柜门模块安装在控制与保护开关电器的柜门上，柜门模块与显控模块相连为显控模块供电，柜门模块与手持模块相连为手持模块充电。

优选的，所述显控模块3底部设有连接凹槽301，显控模块3还设有第一接口31和第一电源接口303，手持模块4顶部凸出设有与连接凹槽301安装配合的安装板42，连接凹槽301内设有用于安装第一接口31的安装凸起32，安装凸起32的两侧设有限位凹槽302，安装板42朝向与连接凹槽301安装配合的的一侧两端凸出设有与限位凹槽302安装配合的限位凸起403，手持模块4还设有第二接口41，第二接口41设于安装板42朝向连接凹槽301的中部；

所述柜门模块5包括用于与控制与保护开关电器的柜门连接的柜门本体52，柜门本体52的内侧底部侧壁设有与显控模块3的第一接口31连接的第三接口55，第一接口31的上方设有与手持模块4的第二接口41连接的第四接口56，柜门本体52的另一端顶部设有与控制与保护开关电器通讯的第二通信接口523，第二通信接口523与显控模块3的第三RS485接口304连接，柜门本体52的一侧设有与外部电源连接的第三外部电源接口524，第三外部电源接口524与第一电源接口303连接。

本实用新型的控制与保护开关人机交互系统，其显控模块可与控制与保护开关电器进行有线通信或无线通信，有利于用户根据不同使用场合和工作环境，自主选择人机接口设备的通信方式；且其上位机监控系统可实现对于控制与保护开关电器的远程控制。此外，本实用新型的控制与保护开关电器人机交互系统，通过其手持模块和柜门模块，实现了显控模块在手持使用、柜门使用两种方式间的灵活切换，提高了人机接口设备的通用性，且手持模块、柜门模块均可以为显控模块供电，便于用于根据不同使用场合和工作环境，自主选择人机接口设备的供电方式。

附图说明

图1A是本实用新型控制与保护开关电器人机交互系统的框架示意图，人机接口设备通过有线方式与控制与保护开关电器通信；

图1B是本实用新型控制与保护开关电器人机交互系统的框架示意图，人机接口设备通过无线方式与控制与保护开关电器通信；

图2是本实用新型控制与保护开关电器的框架示意图；

图3是本实用新型手持模块和显控模块的框架示意图；

图4是本实用新型显控模块的正面结构示意图；

图5是本实用新型显控模块的背面结构示意图；

图6是本实用新型手持模块的示意图；

图7是本实用新型显控模块和手持模块的分解图；

图8是本实用新型显控模块和手持模块的组装图；

图9是本实用新型柜门模块的分解图；

图10是本实用新型柜门模块的组装图；

图11是本实用新型显控模块与柜门模块的分解图；

图12是本实用新型显控模块与柜门模块的组装图；

图13是本实用新型显控模块和手持模块卡扣连接示意图；

图14是本实用新型显控模块和手持模块卡扣连接另一方位示意图；

图15是本实用新型显控模块、手持模块和柜门模块安装示意图。

具体实施方式

以下结合附图1A-3给出的实施例，进一步说明本实用新型的控制与保护开关电器人机交互系统的具体实施方式。本实用新型的控制与保护开关电器人机交互系统不限于以下实施例的描述。

本实用新型的控制与保护开关电器人机交互系统，其包括人机接口设备以及至少一组与人机接口设备相连的控制与保护开关电器；

所述控制与保护开关电器包括第一无线通信模块、第一RS485接口和第二RS485接口；所述人机接口设备包括显控模块、，显控模块包括第二无线通信模块和第三RS485接口；

所述控制与保护开关电器通过第一无线通信模块、第二无线通信模块的配合和显控模块进行无线通信，或者控制与保护开关电器可通过第二RS485接口、第三RS485接口的配合和显控模块进行有线通信；且其上位机监控系统可实现对于控制与保护开关电器的远程控制。

本实用新型控制与保护开关电器人机交互系统，其显控模块可与控制与保护开关电器进行有线通信或无线通信，有利于用户根据不同使用场合和工作环境，自主选择人机接口设备的通信方式。

如图1A和1B所示，为本实用新型控制与保护开关电器人机交互系统的一种实施方式。

如图1A和1B所示，本实用新型控制与保护开关电器人机交互系统包括人机接口(Human Machine Interface，简称HMI)设备以及多组与人机接口设备相连的控制与保护开关电器(Control and Protective Switching Devices，简称CPS)，人机接口设备简称为“HMI设备”，控制与保护开关电器简称为“CPS”；所述HMI设备既可以通过有线方式与CPS通信，也可以通过无线方式与CPS通信。

所述CPS包括第一控制单元，以及分别与第一控制单元相连的第二RS485接口、第一无线通信模块。所述HMI设备包括显控模块、手持模块和柜门模块，显控模块可通过柜门模块安装在CPS的柜门上，显控模块包括第三RS485接口和第二无线通信模块，柜门模块包括转接组件。所述CPS的第一无线通信模块与HMI设备的显控模块的第二无线通信模块配合，实现HMI设备与CPS之间的无线通信，HMI设备的柜门模块的转接组件分别与第二RS485接口、第三RS485接口相连，实现HMI设备与CPS之间的有线通信，用户可通过HMI设备对CPS的进行控制，以及配置和读取CPS的内部参数。

优选的，所述CPS的第一无线通信模块为无线通信芯片，无线通信芯片为自带Zigbee功能的单片机，且内置第一PCB天线；所述HMI设备的第二无线通信模块为Zigbee收发单元且内置第二PCB天线。

优选的，所述Zigbee收发单元也是自带Zigbee功能的单片机。

需要指出的，所述HMI设备还可以通过蓝牙方式、WiFi与CPS进行无线通信。

优选的，所述第二RS485接口、第三RS485接口均采用标准RJ45端子。

所述手持模块包括为显控模块供电的蓄电池单元，柜门模块还包括为显控模块供电的电源适配器。

以下将结合说明书附图和具体实施方式，对本实用新型HMI设备的各组成部分、CPS的各组成部分作进一步说明。

如图2所示，所述CPS包括第一控制单元，以及分别与第一控制单元相连的第一无线通信模块、用于与上位机监控系统相连的第一RS485接口、用于与HMI设备的显控模块相连的第二RS485接口、第一存储单元、第一外部电源接口、用于显示CPS状态和参数信息且进行参数设置的LCD/LED显示及按键输入单元。

优选的，所述第一控制单元、第二控制单元的产品型号均为CTU-1W32。

所述第一无线通信模块包括通过SPI总线与第一控制单元相连的第二控制单元、与第二控制单元相连的外围电路单元以及内置的与外围电路单元相连的第一PCB天线。所述第一控制单元分别通过第一隔离RS485收发单元、第二隔离RS485收发单元与第一RS485接口、第二RS485接口相连。所述第一外部电源接口通过第一电压转换单元与第一控制单元相连为其供电，且第一外部电源接口通过DC-DC转换单元分别与第一隔离RS485收发单元、第二隔离RS485收发单元相连。所述第一存储单元通过I²C总线与第一控制单元相连。

优选的，所述第一控制单元通过第一RS485接口与上位机监控系统相连，上位机监控系统可对CPS发送控制信号，以及设置、读取CPS的内部参数。

优选的，所述CPS还包括与第一控制单元相连的其他电路单元，第一外部电源接口通过第一电压转换单元与其他电路单元相连为其供电。

优选的，所述其他电路单元包括脱扣器电路、电流采集电路、外部接线端电路等安装在动力底座上的电路。

所述CPS还包括动力底座，动力底座内的主回路承载电流、传感器采集电流数据、机构执行分断命令、手柄与机构配合、电磁铁执行分合闸操作，动力底座内还集成有内部反馈、控制端口、通讯端口等。

所述HMI设备包括显控模块、手持模块和柜门模块。

优选的，所述显控模块、手持模块和柜门模块是分体式结构，便于用户携带和使用。当然，所述显控模块、手持模块和柜门模块也可以是一体式结构。

所述CPS的各构成部分的基本功能如下：

所述第一控制单元，用于控制两路RS485通信的数据交换和数据处理、接收第二控制单元发送的数据并对接收的数据进行处理，以及对第二控制单元发送数据。

所述第二控制单元，用于实现Zigbee无线通信、接收第一控制单元发送的数据，以及通过内置PCB天线向HMI设备发送数据。

所述第一RS485接口、第二RS485接口实现两路Modbus通信。

所述第一隔离RS485收发单元、第二隔离RS485收发单元，用于分别将第一RS485接口、第二RS485接口与第一控制单元隔离，二者并分别配有端口保护电路，防止外部环境的改变对CPS内部产生影响。

所述第一存储单元，用于存储第一控制单元发来的数据以及供第一控制单元读取数据。

如图3所示，所述显控模块包括主控单元以及分别与主控单元相连的按键输入单元、LCD显示单元、LED指示单元、第二无线通信模块、第二存储单、第三RS485接口，主控单元通过第三隔离RS485收发单元与第三RS485接口相连。

优选的，所述第二无线通信模块为Zigbee收发单元并内置有第二PCB天线，与CPS的第一PCB天线配合，LED指示单元包括5个指示灯，按键输入单元包括4个按键，用户可以通过按键输入单元通过HMI设备向CPS输入控制信号、配合CPS的内部参数，第三RS485接口采用自定义5.08mm端子。

优选的，所述主控单元和Zigbee收发单元的产品型号均为0T-1。

如图3所示，所述显控模块包括主控单元，以及分别与主控单元相连的LCD显示单元、LED指示单元、Zigbee收发单元、第二存储单元、按键输入单元、第三RS485接口。

优选的，所述主控单元通过第三隔离RS485收发单元与第三RS485接口相连；所述主控单元通过I²C总线与第二存储单元相连。

优选的，所述LED指示单元包括5个LED指示灯；所述按键输入单元包括4个按键；所述LCD显示单元包括一块单色液晶显示屏。

如图3所示，所述手持模块包括可充电电池、电池充电单元、第二外部电源接口和第二电压转换单元，可充电电池通过第二电压转换单元与显控模块的主控单元相连，为显控模块供电，第二外部电源接口通过电池充电单元与可充电电池相连，且与第二电压转换单元相连，外部电源可通过第二外部电源接口、电池充电单元为可充电电池充电，外部电源可通过第二外部电源接口、第二电压转换单元为显控模块供电。优选可充电电池为锂电池。

优选的，所述手持模块还包括快速编程键盘和无线辅助模块，二者分别与显控模块连接通信。

所示柜门模块包括电源适配器和转接组件，电源适配器与显控模块相连为其供电，CPS的第二RS485接口通过转接组件与显控模块的第三RS485接口相连。

优选的，所述可充电电池为可充电锂电池，电池充电单元为锂电池充电单元。

所述HMI设备的各组成部分的基本功能如下：

所述主控单元，用于通过工控网络对CPS发送控制信号、配置、读取CPS的内部参数。

所述Zigbee收发单元，用于与CPS的第一无线通信模块配合，实现HMI设备与CPS的无线通信。

所述第三RS485接口，用于实现HMI设备与一组或多组CPS的Modbus通信。

所述第三隔离RS485收发单元，用于将第三RS485接口与主控单元隔离，并配置有端口保护电路，有效防止外部电磁环境的干扰，以保护主控单元。

所述第二存储单元，用于存储由HMI设备从CPS读取的参数，便于对存储的参数进行分析和使用。

所述手持模块，用于与显控模块配合，以实现HMI设备的手持使用方式，且可通过可充电电池为显控模块充电。

如图4-15所示，为本实用新型HMI设备的一个实施例。

如图4和5所示，所述显控模块3的正面设有LCD显示单元的单色液晶显示屏35，单色液晶显示屏35的下方设有按键输入单元38，按键输入单元38包括4个按键，显控模块3的背部设有与CPS通信的第三RS485接口304，显控模块3的背部底端设有与手持模块4连接的第一接口31，显控模块3的一侧上端设有第一电源接口303，第一电源接口303与手持模块4的第二电压转换单元相连或与柜门模块的电源适配器相连。显控模块3的整体结构布局紧凑，有利于小型化设计。所述第一电源接口303为通用的标准接口，如手机充电器接口、USB接口、MiniUSB接口、TYPE-C接口等。所述第三RS485接口304为有线通信接口，显控模块3内部还设有第二无线通信模块。

下面结合说明书附图和具体实施例对HMI设备的手持使用和柜门使用方式作进一步说明。

如图6所示，所述手持模块4包括为显控模块3供电的可充电电池，手持模块4上设有与显控模块3的第一接口31连接的第二接口41。此外，手持模块4还包括快速编程键盘和无线辅助模块，快速编程键盘和无线辅助模块与显控模块3连接通信。手持模块4通过快速编程键盘、无线辅助模块对显控模块进行编程控制和通信辅助，扩充显控模块3的功能，使得显控模块3小型化，功能多样化。快速编程键盘和无线辅助模块通过第二接口41与手持模块4的主控单元连接，无线辅助模块设有与显控模块3的第三RS485接口304不同的辅助通信接口，便于手持使用方式下的HMI设备可与与不同接口的CPS通讯，优选的无线辅助模块设有第三无线通信模块，HMI设备可通过无线辅助模块实现与CPS的无线通信。

如图7和8所示，显控模块3和手持模块4连接为手持使用方式。

所述手持模块4的第二接口41和显控模块3的第一接口31相连，实现供电和通信，手持模块4和显控模块3的装配快捷。所述HMI设备在手持使用方式下，优选使用无线通信方式与CPS通信，当然也可以采用有线方式。所述显控模块3也可接入外部电源供电，也可通过手持模块4供电。

如图5和6所示，所述显控模块3的底部设有连接凹槽301，所述手持模块4的顶部凸出设有与连接凹槽301安装配合的安装板42，连接凹槽301内设有用于安装第一接口31的安装凸起32，安装凸起32的两侧设有限位凹槽302，安装板42朝向与连接凹槽301安装配合的一侧两端凸出设有与限位凹槽302安装配合的限位凸起403，第二接口41设于安装板42朝向连接凹槽301一侧的中部。安装时，手持模块4顶部的安装板42安装于连接凹槽301内，安装板42两侧的限位凸起403与安装凸起32两侧的限位凹槽302安装固定，显控模块3与手持模块4的安装结构稳固可靠。

如图9-15所示，是HMI设备的柜门使用方式。

所述显控模块3通过柜门模块5固定安装在CPS的柜门上。所述柜门模块5上设有与显控模块3的第一接口31连接的第三接口55，显控模块3的第一接口31用于与手持模块4的第二接口41连接，或者用于与柜门模块5的第三接口55连接。柜门模块5包括电源适配器，外部电源可通过电源适配器为显控模块3供电。进一步，所述柜门模块5还包括柜门辅助通讯模块，柜门模块5上还设有与显控模块3的第三RS485接口304不同的柜门辅助通讯接口，便于HMI设备与不同接口的CPS通讯。

如图9-12所示，为HMI设备的第一种柜门使用方式，显控模块3独自安装于柜门模块5内，然后装配到柜门上。

如图13-15所示，为HMI设备的第二种柜门使用方式，手持模块4卡置在显控模块3的后侧，且可以通过柜门模块5进行充电。

如图9和10所示，所述柜门模块5包括柜门本体52，柜门本体52安装在柜门的柜门板51上，显控模块3可以独自或者手持模块4卡置在显控模块3后侧，安装于柜门模块5内；所述柜门本体52的内侧底部侧壁设有与显控模块3的第一接口31连接的第三接口55，第一接口31的上方设有与手持模块4的第二接口41连接的第四接口56；所述柜门本体52的另一端顶部设有与CPS进行通信的第二通信接口523，第二通信接口523与显控模块3的第三RS485接口304连接，柜门本体52的一侧设有与外部电源连接的第三外部电源接口524，第三外部电源接口524与显控模块3的第一电源接口303连接。

如图9、10、13、15所示，所述显控模块3的背部与手持模块4的一侧卡扣连接并一起装入柜门模块5内，显控模块3的背部凸出设有与手持模块4卡扣连接的卡扣挂钩33，手持模块4的的一侧设有与卡扣挂钩33卡扣连接的卡扣凹槽44。卡扣挂钩33和卡扣凹槽44卡扣连接，显控模块3和手持模块4的安装连接快捷，结构稳定可靠。

具体地，如图13和14所示，所述卡扣挂钩33包括凸出设于显控模块3背部的卡扣臂341和卡扣臂341的端部向一侧延伸设置的卡扣弯钩342，所述卡扣凹槽44包括与扣臂341安装配合的凹槽本体441和凹槽本体441的边缘向凹槽本体441内凸出设有与卡扣弯钩342安装配合的卡扣凸起442。安装时，卡扣臂341伸入凹槽本体441，卡扣弯钩342和卡扣凸起442限位，卡扣挂钩33变形，卡扣弯钩342和卡扣凸起442相互卡扣限位，连接稳定可靠。

如图9和10所示，柜门模块5包括框型的柜门本体52，柜门本体52安装在柜门板51上，柜门板51上设有用于安装柜门本体52的安装通孔511，柜门本体52的一端开口，柜门本体52的底部从柜门板51的一侧安装于安装通孔511内与柜门板51安装配合，柜门本体52的一端端部向外延伸设有与柜门板51限位配合的限位边框521。如图7、8所示，柜门板51和柜门本体52通过卡紧柱522与卡紧锁合装置513锁合固定。所述限位边框521朝向柜门板51凸出设有卡紧柱522，柜门板51的另一侧在安装通孔511的周围凸出设有与卡紧柱522卡紧配合的卡紧锁合装置513，柜门本体52安装于柜门板51上后，卡紧柱522与卡紧锁合装置513锁合固定。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。