一种智能化大功率整流设备监测与控制系统的制作方法

本实用新型涉及控制领域，特别涉及一种智能化大功率整流设备监测与控制系统。

背景技术：

大功率晶闸管整流设备主要用于有色金属冶炼、化学工业、热工实验、造纸等，如：电解铝、镁、锌、铜等有色金属及化工食盐电解(隔膜、离子膜)、水电解等各类大电流直流电源且稳流精度较高的场合。

近年来，冶金和化工等行业的客户对大功率整流设备的要求越来越高，特别是对于铝电解行业来说，直流电流的平稳度是影响铝电解产量的重要因素之一。铝电解中，阳极效应能引起系列电流大幅度波动；若无稳流措施，铝液面会出现振摆，易造成极间短路。为正常生产，必须加大电解槽极距，结果导致槽电压上升、电耗增多、槽温过高和电流效率降低等不良局面发生，稳流控制就成了铝冶炼中不可缺少的重要环节，而长期倍受关注。目前市场上存在模拟的、半模拟半数字、全数字的大功率整流控制系统，但其稳定性和可靠性不高。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种智能化大功率整流设备监测与控制系统，其具有较高的稳定性和可靠性。

本实用新型的解决方案是这样实现的：一种智能化大功率整流设备监测与控制系统，包括远程监测装置和大功率整流设备控制系统，所述远程监测装置通过网络与至少1个所述大功率整流设备控制系统远程连接，所述大功率整流设备控制系统包括电源模块、DSP控制模块、CPLD驱动模块、数据交换模块和同步检测模块，其中：

所述电源模块，为所述DSP控制模块、CPLD驱动模块、数据交换模块和同步检测模块供电；

所述DSP控制模块通过数据交换模块与所述CPLD驱动模块连接，用于与CPLD驱动模块进行数据交换，以及实现整流设备控制系统的通讯；

所述CPLD驱动模块与所述DSP控制模块、数据交换模块和同步检测模块连接，用于与DSP控制模块进行数据交换，以及整流设备控制系统的同步信号采样；

所述数据交换模块连接所述DSP控制模块和CPLD驱动模块，用于DSP控制模块和CPLD驱动模块之间的数据交换；

所述同步检测模块连接所述CPLD驱动模块，用于将外部输入的交流电压信号转换为CPLD能接收的同步信号。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述大功率整流设备控制系统还包括光脉冲输出模块，所述光脉冲输出模块与所述CPLD驱动模块连接，用于产生脉波触发脉冲。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述脉波触发脉冲，通过电光转换电路转换为光信号，光信号通过光纤传输至光功放板，再通过光电转换电路转换为电信号，用于驱动晶闸管。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述电源模块包括电源转换电路，所述电源转换电路用于将外部输入的24V电源分别转换为±15V、5V、3.3V、1.9V、隔离的5V和/或隔离的24V电源。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述DSP控制模块包括DSP芯片、DSP外围电路、AD采样电路、热备冗余切换电路和通讯电路；

所述DSP外围电路包括晶振电路和拨码开关电路，所述晶振电路用于为DSP芯片提供基本的时钟信号，所述拨码开关电路用于设置所述大功率整流设备的PI参数和作为从站通讯的从站地址；

所述AD采样电路用于采样输出直流电流或直流电压；

所述热备冗余切换电路用于A通道和B通道之间的热备冗余主从通道仲裁以及主从通道的切换；

所述通讯电路用于整流设备控制系统和PLC或DCS通讯。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述AD采样电路包括电流采样电路和电压采样电路；

所述电流采样电路，用于从直流电流传感器送过来的直流电流采样信号，通过采样电路，再通过外部AD采样芯片，将模拟量信号转换成数字量信号；

所述电压采样电路，用于从直流电压传感器送过来的直流电压采样信号，通过采样电路，再通过外部AD采样芯片，将模拟量信号转换成数字量信号。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述通讯电路包括两路RS485通讯、一路工业以太网通讯和一路CAN总线通讯；

所述两路RS485通讯，用于整流设备控制系统和PLC或DCS的RS485通讯，两路为热备用；

所述一路工业以太网通讯，用于英特网网络互联，通过手机APP或电脑上在IE浏览器上查看整流器运行状态，或定时将运行状态信息发送至手机或监控设备；

所述一路CAN总线通讯，用于A、B通道之间的DSP控制模块的CAN总线通讯，实现数据交换。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述CPLD驱动模块包括CPLD芯片、晶振电路和拨码开关电路；

所述晶振电路用于为CPLD芯片提供基本的时钟信号；

所述拨码开关电路用于设置该大功率整流设备的同步信号参数。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述数据交换模块为双口RAM电路，用于DSP控制模块和CPLD驱动模块之间的数据交换。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述同步检测模块包括两路同步信号，用于实现信号双同步。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述智能化大功率整流设备监测与控制系统还包括光脉冲输出模块，所述光脉冲输出模块与CPLD驱动模块连接，用于产生12脉波触发脉冲，并通过电光转换为光信号，通过光纤传输至光功放板，再通过光电转换为电信号驱动晶闸管。这样，光纤具有更强的抗干扰能力，采用光电脉冲触发和磁隔离技术，使主回路与触发脉冲控制器完全电气隔离，提高了控制器的抗电磁和瞬间高压的冲击能力。

本实用新型所述的智能化大功率整流设备监测与控制系统，其包括远程监测装置和大功率整流设备控制系统，所述大功率整流设备控制系统采用DSP+CPLD的架构，主控芯片可以采用功能强大的DSP控制器，例如TMS320F28335，与现有技术中常用的89C52、80C196等单片机相比，DSP的运算速度更快、触发脉冲精度高、功耗小、外设集成度高、数据以及程序存储量大、可以实现复杂的控制算法，也可以实现多路MODBUS、PPI、MPI通讯，CAN总线通讯和以太网通讯等，芯片内的控制程序集成了嵌入式WEB功能，可以通过电脑的IE浏览器查看整流系统运行状态；移相和触发芯片采用功能强大的复杂可编程逻辑器件CPLD，实现同步信号采集和产生移相触发脉冲的功能，提高整流设备控制系统的稳定性和可靠性。另外，通过采用双通道热备份技术，容错性高，双通道之间可以无扰动切换，可带电更换主板，不影响正常运行，维护方便；通讯电路包括两路RS485通讯、一路工业以太网通讯和一路CAN总线通讯，具有网络互联的功能，可通过手机APP或在全球任意地方的电脑上通过IE浏览器查看整流器运行状态，也可以定时将运行状态信息发送至手机或监控设备上，使用便捷。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型一种实施例所述智能化大功率整流设备监测与控制系统的结构框图；

图2为图1中所示智能化大功率整流设备监测与控制系统中大功率整流设备控制系统的原理框图；

图3为图2中所示大功率整流设备控制系统的结构框图；

图4为图2中所示大功率整流设备控制系统中光电脉冲的传输示意图；

图5为图2中所示大功率整流设备控制系统中电源模块的电路原理图；

图6为图2中所示大功率整流设备控制系统中DSP控制模块的电路原理图；

图7为图2中所示大功率整流设备控制系统中CPLD驱动模块的电路原理图；

图8为图2中所示大功率整流设备控制系统中同步检测模块的电路原理图；

图9为图2中所示大功率整流设备控制系统中脉冲输出模块的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本实用新型的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。

本实用新型所述的智能化大功率整流设备监测与控制系统，如图1至图4所示，一种智能化大功率整流设备监测与控制系统，包括远程监测装置和大功率整流设备控制系统，所述远程监测装置通过路由器和网络与多个所述大功率整流设备控制系统远程连接。如图2所示，所述大功率整流设备控制系统包括电源模块、DSP控制模块、CPLD驱动模块、数据交换模块和同步检测模块，其中：

所述电源模块，为所述DSP控制模块、CPLD驱动模块、数据交换模块和同步检测模块供电；

所述DSP控制模块通过数据交换模块与所述CPLD驱动模块连接，用于与CPLD驱动模块进行数据交换，以及实现整流设备控制系统的通讯；

所述CPLD驱动模块与所述DSP控制模块、数据交换模块和同步检测模块连接，用于与DSP控制模块进行数据交换，以及整流设备控制系统的同步信号采样；

所述数据交换模块为双口RAM电路，连接所述DSP控制模块和CPLD驱动模块，用于DSP控制模块和CPLD驱动模块之间的数据交换；

所述同步检测模块连接所述CPLD驱动模块，用于将外部输入的220V交流电压信号转换为CPLD能接收的同步信号。

优选的是，大功率整流设备控制系统采用A通道和B通道构成的双通道热备份系统，这样可以提高系统的可靠性。

所述A通道的DSP控制模块和B通道的DSP控制模块，通过CAN总线进行通讯；所述A通道的CPLD驱动模块和B通道的CPLD驱动模块信号连接。

在上述实施例的基础上，本实用新型另一实施例中，所述智能化大功率整流设备监测与控制系统还包括光脉冲输出模块，所述光脉冲输出模块与CPLD驱动模块连接，用于产生12脉波触发脉冲，并通过电光转换为光信号，通过光纤传输至光功放板，再通过光电转换为电信号驱动晶闸管。

如图3所示，A通道的12脉波控制器A的DSP产生12路脉冲作为整流器A的触发脉冲外，同时通过CPLD将12路脉冲整合成1路有规律的脉冲信号送给B通道的控制器B的CPLD，控制器B的CPLD监测该脉冲是否正常，如果不正常且电流异常则B通道的控制器B切换为主站；同理，控制器B工作过程相同。这样，整流控制器采用双通道热备份，提高了系统的可靠性。

所述DSP控制模块，通过外部16位A/D芯片对电流、电压等进行采样，根据电流设定值和采样的实际电流值，按照自适应PI控制算法，计算出当前的控制角，产生相应的触发脉冲，并通过CPLD驱动模块、12脉波触发脉冲，通过光纤经光功放板将触发脉冲输出至功放电路驱动晶闸管。

如图4所示，所述智能化大功率整流设备监测与控制系统，采用光电脉冲触发和磁隔离技术，在主板上产生触发脉冲，并实现电光转换，再通过光纤传输到光功放板，进行光电转换后，通过功放电路输出，经脉冲变压器调整后驱动晶闸管，使主回路与触发脉冲控制器完全电气隔离，提高了控制器的抗电磁和瞬间高压的冲击能力。

在上述实施例的基础上，本实用新型另一实施例中，所述电源模块包括电源转换电路，所述电源转换电路用于将外部输入的24V电源分别转换为±15V、5V、3.3V、1.9V、隔离的5V和/或隔离的24V电源。

在上述实施例的基础上，本实用新型另一实施例中，所述DSP控制模块包括DSP芯片、DSP外围电路、AD采样电路、热备冗余切换电路和通讯电路；

所述DSP外围电路包括晶振电路和拨码开关电路，所述晶振电路用于为DSP芯片提供基本的时钟信号，所述拨码开关电路用于设置所述大功率整流设备的PI参数和作为从站通讯的从站地址；

所述AD采样电路用于采样输出直流电流或直流电压；

所述热备冗余切换电路用于A通道和B通道之间的热备冗余主从通道仲裁以及主从通道的切换；

所述通讯电路用于整流设备控制系统和PLC或DCS通讯。

在上述实施例的基础上，本实用新型另一实施例中，所述AD采样电路包括电流采样电路和电压采样电路；

所述电流采样电路，用于从直流电流传感器送过来的直流电流采样信号，通过采样电路，再通过外部16位的AD采样芯片，将模拟量信号转换成数字量信号；

所述电压采样电路，用于从直流电压传感器送过来的直流电压采样信号，通过采样电路，再通过外部16位的AD采样芯片，将模拟量信号转换成数字量信号。

在上述实施例的基础上，本实用新型另一实施例中，所述通讯电路包括两路以上的RS485通讯、一路工业以太网通讯和一路CAN总线通讯；

所述两路RS485通讯，用于整流设备控制系统和PLC或DCS的RS485通讯，两路为热备用，可与西门子、AB等PLC进行MODBUS、PPI、MPI等通讯；

所述一路工业以太网通讯，用于英特网网络互联，通过手机APP或电脑上在IE浏览器上查看整流器运行状态，或定时将运行状态信息发送至手机或监控设备，其中网络通讯芯片可以采用ARM处理器STM32F407，其可以轻松实现多路MODBUS、PPI、MPI通讯，CAN总线通讯和以太网通讯等，可以和西门子、莫迪康等PLC进行Profinet、MODBUS/TCP通讯；

所述一路CAN总线通讯，用于A、B通道之间的DSP控制模块的CAN总线通讯，实现数据交换。

在上述实施例的基础上，本实用新型另一实施例中，所述CPLD驱动模块包括CPLD芯片、晶振电路和拨码开关电路；

所述晶振电路用于为CPLD芯片提供基本的时钟信号；

所述拨码开关电路用于设置该大功率整流设备的同步信号参数。

在上述实施例的基础上，本实用新型另一实施例中，所述同步检测模块包括两路同步信号，用于实现信号双同步。

另外，如图5所示，为本专利一种实施例所述智能化大功率整流设备控制系统中电源模块的电路原理图。24V+、24V-作为DC24V的输入，通过滤波电容E21，再经URB2405YMD-10WR3电源模块，再经滤波电容E13后产生5V电源；通过滤波电容E9，再经URB2415YMD-10WR3电源模块，再经滤波电容E15后产生-15V电源，经滤波电容E17后产生+15V电源；通过滤波电容E19，再经URB2424YMD-10WR3电源模块，再经滤波电容E20后产生25V电源KV24。

如图6所示，为本专利一种实施例所述智能化大功率整流设备控制系统中DSP控制模块的电路原理图。其中，DSP芯片，选用TMS320F28335芯片。

如图7所示，为本专利一种实施例所述智能化大功率整流设备控制系统中CPLD驱动模块的电路原理图。其中，CPLD选用EPM1270T14415N芯片。

如图8所示，为本专利一种实施例所述智能化大功率整流设备控制系统中同步检测模块的电路原理图。其主要将外部交流220V用变压器变为交流15V，再通过74LVC1G123转成方波信号。

如图9所示，为本专利一种实施例所述智能化大功率整流设备控制系统中脉冲输出模块的电路原理图。脉冲输出模块包含上面的驱动电路12个，其中DS75451是增强驱动能力，HFBR-1414是电光信号转换头。

本实用新型所述的智能化大功率整流设备监测与控制系统，其包括远程监测装置和大功率整流设备控制系统，所述大功率整流设备控制系统采用DSP+CPLD的架构，主控芯片可以采用功能强大的DSP控制器，例如TMS320F28335，与现有技术中常用的89C52、80C196等单片机相比，DSP的运算速度更快、触发脉冲精度高、功耗小、外设集成度高、数据以及程序存储量大、可以实现复杂的控制算法，也可以实现多路MODBUS、PPI、MPI通讯，CAN总线通讯和以太网通讯等，芯片内的控制程序集成了嵌入式WEB功能，可以通过电脑的IE浏览器查看整流系统运行状态；移相和触发芯片采用功能强大的复杂可编程逻辑器件CPLD，实现同步信号采集和产生移相触发脉冲的功能，提高整流设备控制系统的稳定性和可靠性。另外，通过采用双通道热备份技术，容错性高，双通道之间可以无扰动切换，可带电更换主板，不影响正常运行，维护方便；通讯电路包括两路RS485通讯、一路工业以太网通讯和一路CAN总线通讯，具有网络互联的功能，可通过手机APP或在全球任意地方的电脑上通过IE浏览器查看整流器运行状态，也可以定时将运行状态信息发送至手机或监控设备上，使用便捷。

上述只是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。