本发明涉及数字输出电路。
背景技术：
在功率分配网络中，通过相应的数字输出处理单独的设备项目(例如工厂项目或其它负载)的控制。各个这种数字输出通常采取开关元件的形式，开关元件可打开且可关闭以选择性地允许电流例如从电源流向设备项目，以致于设备项目可运行。
各个开关元件可为继电器触头或所谓的高速高断触头，高速高断触头通常由与电子开关元件(如呈晶体管形式的半导体开关元件)并联布置的继电器触头组成。
技术实现要素：
根据本发明的一个方面，提供一种用于控制功率分配网络内的设备项目的数字输出电路，其包括：
开关元件，其可打开且可关闭以选择性地允许电流流向在使用中由数字输出电路控制的设备项目；
电流采集电路，其用以测量流经开关元件的电流；和
状态监测电路，其布置成与电流采集电路通信，状态监测电路配置成记录当开关元件关闭时测量的流经开关元件的电流，并因此建立开关元件关闭标志。
包括状态监测电路允许监测由数字输出电路控制的设备项目的性能和任何劣化。这允许安排预测性的维护和/或在设备项目的正确运行受到不利影响之前检测到初发故障。
而且，提供这种状态监测，而不需要难以整合到整个控制系统的其余部分中的昂贵的外部监测装备。
优选开关元件关闭标志表示受控制的设备项目的特定性能特征，并因此允许标识设备项目的问题。
仅仅根据开关元件关闭标志标识受控制的设备项目的潜在问题的能力是非常有益的，因为其可允许进行预先的维护或维修。
可选地，状态监测电路布置成还与关闭标志评估单元通信，关闭标志评估单元配置成将开关元件关闭标志与已知的基准标志作比较并且基于比较而指示设备项目何时存在特定问题。
这种布置提供受控制的设备项目的问题的及时的、精确的和可重复的标识。
在本发明的优选实施例中，关闭标志评估单元配置成当开关元件关闭标志偏离基准标志达预定程度时指示设备项目存在特定问题。
具有如此配置的关闭标志评估单元提供忽略相对于参考标识的微小偏离的选择能力，并因此帮助减少关于设备项目存在问题的错误指示的可能性。
在本发明的另一优选的实施例中，状态监测电路包括缓冲器，以记录测量的流经开关元件的电流。
包括这种缓冲器提供记录由电流采集电路提供的测量的电流样本的方便且简洁的方式。
缓冲器可配置成将记录的测量的电流样本传输到关闭标志评估单元。
这种布置允许评估由数字输出电路控制的设备项目的任何劣化，并因此帮助标识设备项目的可能的问题，诸如增加的触头电阻、机械磨损、污染和/或电气缺陷。
随后用户或某自动化系统可作出例如安排设备项目的维护或使设备项目停止服务以进行紧急维修的建议。
优选当开关元件打开时，缓冲器清空。
这种缓冲器允许状态监测电路为开关元件关闭的下一情形重新做好准备，以致于在那时再次提供设备项目的所需的状态监测。
在本发明的又一优选实施例中，电流采集电路包括电流传感器。
这种电流传感器能够精确地并可靠地测量流经开关元件的电流。
可选地，电流采集电路另外包括调节模块，以过滤并放大由电流传感器提供的测量的电流。
调节模块优选包括模拟-数字转换器，以将测量的电流转换成单独的测量的电流样本。
包括这种特征合乎人意地提供适合于下游处理的测量的电流样本。
在本发明的另一优选实施例中，电流采集电路包括辅助保护电路，其配置成当测量的流经开关元件的电流超出规定的限度时促使打开开关元件。
在电流采集电路内包括辅助保护电路在发生例如短路故障的情况下提供开关元件和由数字输出电路控制的设备项目二者的即时保护，即，通过促使打开开关元件。
附图说明
现在接下来是参照图1的本发明的作为非限制性示例的优选实施例的简要描述，图1示出根据本发明的第一个实施例的数字输出电路的示意图。
具体实施方式
根据本发明的第一实施例的数字输出电路大体上由参考标号10表示。
数字输出电路10包括开关元件12，其可打开且可关闭以选择性地允许电流i流向设备项目14，例如负载16，设备项目14在使用中与数字输出电路10连接并由数字输出电路10控制。数字输出电路10在使用中还与电源18连接，电源18供应用于由设备项目14使用的前述电流i。
在示出的实施例中，开关元件12为高速高断触头20，其由常规的继电器触头22制成，继电器触头22布置成与呈绝缘栅双极型晶体管(igbt)23形式的半导体开关元件并联。其它形式的半导体开关元件诸如场效应晶体管(fet)以及其它类型的开关元件诸如机电开关也是可行的。
数字输出电路10还包括电流采集电路24，以测量流经开关元件12的电流i。
电流采集电路24包括电流传感器26，在示出的实施例中，其采取与开关元件12串联连接的阻抗28的形式。然而其它类型的电流传感器26是可行的，其包括例如分开的感测组件，如场效应传感器(例如霍尔效应传感器))或电流变压器。可处理直流电流(dc)并具有宽频响应以致于能够测量快速的电流瞬变的任何电流传感器将是适合的。
同时前面提及的分开的或远程的感测组件不必须要被整合到数字输出电路10内，而是可将测量的电流im提供至数字输出电路10。
除了前述之外，电流采集电路24还包括调节模块30，以过滤并放大由电流传感器26提供的测量的电流im。
更具体而言，调节模块30包括模拟-数字转换器(adc)32，以将测量的电流im转换成单独的测量的电流样本is。adc32转换并缩放测量的电流im，且adc32的分辨率和采样速率使得在电流和时间二者方面，在被数字输出电路10内的其它电路使用的最终测量的电流样本is中存在充分的分辨率。
在这点上，示出的数字输出电路10进一步包括可选的主保护电路34和状态监测电路36二者，其各自布置成与电流采集电路24通信，且更具体而言，其各自布置成接收来自电流采集电路24的相应的测量的电流样本is。
主保护电路34配置成基于测量的流经开关元件12的电流im建立电流跳脱特性。主保护电路34还配置成当电流跳脱特性超出预定的阈值时促使打开开关元件12。
更具体而言，主保护电路34配置成建立基于电流平方时间的电流跳脱特性i2t(但是，其他的(例如任意的)跳脱特性也是可行的)，且其包括下面的电路元件以实现这一点：第一缓冲器38，其在使用中以保留由电流采集电路24提供的单独的测量的电流样本is；和积分器40，其将在第一缓冲器38中保留的电流样本is加和并提供电流样本is的平均数。
在示出的实施例中，第一缓冲器38为旋转缓冲器42，其布置成使得当新的测量的电流样本is保留在其中时，缓冲器42中最旧的测量的电流样本is被覆盖。
另外，各个测量的电流样本is进行平方。这可通过adc32(如在示出的实施例中的情形那样)或通过旋转缓冲器42完成。而且，以固定的速率(例如，由adc32的采样速率确定的速率)得到测量的电流样本is，使得通过积分器生成的平均数具有期望的基于电流平方时间的特性，其又建立类似地赋有的电流跳脱特性i2t。
每当新的测量的电流样本is保留在旋转缓冲器42中时，积分器40读出旋转缓冲器42的内容，并之后将单独的样本加和以给出全部存储的样本序列的积分数(即平均数)。而且，因为第一缓冲器38为旋转缓冲器42，所以通过积分器40生成的平均数为滚动平均数，使得电流跳脱特性i2t类似地跟踪滚动平均值。
第一缓冲器38的长度(即，旋转缓冲器42的长度)和第一缓冲器38保留单独的测量的电流样本is的速率各自是可调节的。例如，第一缓冲器38保留单独的测量的电流样本is的速率可通过更改adc32的采样速率调节。
以前述的方式，根据主保护电路34的期望的电路中断特性操纵电流跳脱特性i2t是可行的。例如，快的采样速率和短的第一缓冲器38将提供快速的保护，即，较快促使打开开关元件12，而慢的采样速率和长的第一缓冲器38将提供慢速的保护，即较慢促使打开开关元件12。
第一缓冲器38的长度l优选地通过l=fs*tt给出
其中
fs为例如adc32d的采样速率；和
tt为跳脱时间，即，当开关元件12传送标称跳脱电流inom时，完全打开开关元件12所需要的时间量。
主保护电路34还包括阈值比较器44以将电流跳脱特性i2t与预定的阈值进行比较。
预定的阈值t可通过t=l*inom2给出
其中
l为第一缓冲器38的长度；且
inom2为前面提及的标称电流inom的平方。
除了上述之外，主保护电路34另外配置成当电流跳脱特性i2t落在预定的阈值以下时促使关闭开关元件12，即，将数字输出电路10复位成其正常的运行配置。
同时，状态监测电路36配置成记录当开关元件关闭时测量的流经开关元件12的电流is并因此建立开关元件关闭标志，即，表示为由数字输出电路10控制的设备项目14的特定的性能特征的独特的电流特性。
更具体而言，状态监测电路36布置成与关闭标志评估单元54通信，关闭标志评估单元54可以是处理器，诸如计算机或其它微处理器，且其在任何情况下都配置成将开关元件关闭标志与已知的基准标志进行比较，并基于比较，例如当开关元件关闭标志偏离基准标志达预定的程度时，而指示设备项目14存在特定问题。
状态监测电路36包括呈状态缓冲器46的形式的缓冲器，以记录测量的流经开关元件12的电流im。更具体而言，状态缓冲器46为快速缓冲器，其记录开关元件12在遵循关闭开关元件12的指令的运行的前几毫秒期间的测量的电流样本is(即,由电流样本电路24提供的)。
状态缓冲器46还配置成将记录的测量的电流样本ir传输至关闭标志评估单元54。记录的测量的电流样本的这种传输可例如在状态缓冲器46满了的时候进行。
此外，状态缓冲器46还配置成当开关元件12再次打开时清空，使得状态缓冲器46然后能够再次进行前面提及的状态监测功能。
与上面提及的前述特征一样，电流采集电路24还包括辅助保护电路(未示出)，其配置成当测量的流经开关元件12的电流im超出规定的限度时(例如在发生短路故障的情况下可能出现的那样)促使打开开关元件12。
示出的数字输出电路10还包括开关控制模块48，其依据各自来自电流采集电路24和主保护电路34的命令信号起作用，以根据所需打开或关闭开关元件。
数字输出电路10还包括接口模块50，其建立数字输出电路10和较高级别控制器52(如保护继电器控制器或机架控制计算机)之间的通信。在数字输出电路10的正常运行期间，接口模块50还将其从较高级别控制器52接收的命令信号发送至开关控制模块48以控制开关元件12的打开和关闭。在本发明的一些实施例中，较高级别控制器52可与前面提及的关闭标志评估单元54合为一体。
在使用中，数字输出电路10如下运行。
在数字输出电路10的正常运行期间，开关控制模块48响应于由接口模块50提供的命令信号，致使选择性地打开和关闭开关元件12(即，其中的继电器触头22和igbt23)，接口模块50又从较高级别控制器52接收这些信号。该选择性地打开和关闭开关元件12控制从电源18流向设备项目14的电流i，并因此控制设备项目14的运行。
同时，电流采集电路24且更具体而言为其中的电流传感器26(即其中串联连接的阻抗28)测量流经开关元件12的电流i。
如果测量的电流im的水平超过规定的限度，电流采集电路24将命令信号发送到开关控制模块48以促使打开开关元件12。这保护开关元件12和受控制的设备项目14二者免于过量的电流的影响，否则可出现过量的电流，且过量的电流致使开关元件12和设备项目14的一个或两个损坏。
通过电流传感器26测量的电流im传到电流采集电路24的调节模块30，在此处，其被过滤并放大，之后通过adc32被采样以形成单独的测量的电流样本is。另外adc32在将测量的电流样本is发送至主保护电路34之前对其进行平方。
主保护电路34基于测量的电流样本is建立滚动的电流跳脱特性i2t。主保护电路34通过在第一缓冲器38中保留相应的测量的电流样本is和使用积分器以将单独的样本加和而给出整个存储的样本序列的积分数(即，平均数)而完成这一点。
主保护电路34内的阈值比较器将滚动电流跳脱特性i2t与预定的阈值进行比较，并在电流跳脱特性i2t超出预定阈值(其表示故障)时经由发送至开关控制模块48的命令信号促使打开开关元件12。
在故障为瞬态的情况下，一旦滚动电流跳脱特性i2t落回预定的阈值以下，则经由发送至开关控制模块48的另一命令信号，主保护电路34能够促使关闭开关元件12。
以这种方式，主保护电路34和相关的开关元件12提供电路中断功能，其能够保护开关元件12和由数字输出电路10控制的设备项目14二者免于过量电流和可能的相关损坏的影响。而且，在相关的故障为瞬态的情况下，这种电路中断功能可被取消(即被移除)。
同时，通过adc32生成的测量的电流样本is的平方也被发送至状态监测电路36。
当促使关闭开关元件12的命令信号生成时，状态监测电路36的状态缓冲器46开始记录这种测量的电流样本is的平方的序列，并因此建立开关元件关闭标志。
通过状态缓冲器46将该关闭标志传输至关闭标志评估单元54，关闭标志评估单元54可能形成或可能不形成较高级别控制器52的一部分。在任何情况下，关闭标志评估单元54将关闭标志与基准标志进行比较，并且如果关闭标志偏离基准标志达预定程度，则标识由数字输出电路10控制的设备项目14的运行的问题。
当开关元件12再次打开时，状态缓冲器46清空。