本發明涉及控制領域，特別涉及一種智能化大功率整流設備監測與控制系統。

背景技術：

大功率晶閘管整流設備主要用于有色金屬冶煉、化學工業、熱工實驗、造紙等，如：電解鋁、鎂、鋅、銅等有色金屬及化工食鹽電解(隔膜、離子膜)、水電解等各類大電流直流電源且穩流精度較高的場合。

近年來，冶金和化工等行業的客戶對大功率整流設備的要求越來越高，特別是對于鋁電解行業來說，直流電流的平穩度是影響鋁電解產量的重要因素之一。鋁電解中，陽極效應能引起系列電流大幅度波動；若無穩流措施，鋁液面會出現振擺，易造成極間短路。為正常生產，必須加大電解槽極距，結果導致槽電壓上升、電耗增多、槽溫過高和電流效率降低等不良局面發生，穩流控制就成了鋁冶煉中不可缺少的重要環節，而長期倍受關注。目前市場上存在模擬的、半模擬半數字、全數字的大功率整流控制系統，但其穩定性和可靠性不高。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：提供一種智能化大功率整流設備監測與控制系統，其具有較高的穩定性和可靠性。

本發明的解決方案是這樣實現的：一種智能化大功率整流設備監測與控制系統，包括遠程監測裝置和大功率整流設備控制系統，所述遠程監測裝置通過網絡與至少1個所述大功率整流設備控制系統遠程連接，所述大功率整流設備控制系統包括電源模塊、dsp控制模塊、cpld驅動模塊、數據交換模塊和同步檢測模塊，其中：

所述電源模塊，為所述dsp控制模塊、cpld驅動模塊、數據交換模塊和同步檢測模塊供電；

所述dsp控制模塊通過數據交換模塊與所述cpld驅動模塊連接，用于與cpld驅動模塊進行數據交換，以及實現整流設備控制系統的通訊；

所述cpld驅動模塊與所述dsp控制模塊、數據交換模塊和同步檢測模塊連接，用于與dsp控制模塊進行數據交換，以及整流設備控制系統的同步信號采樣；

所述數據交換模塊連接所述dsp控制模塊和cpld驅動模塊，用于dsp控制模塊和cpld驅動模塊之間的數據交換；

所述同步檢測模塊連接所述cpld驅動模塊，用于將外部輸入的交流電壓信號轉換為cpld能接收的同步信號。

本發明的另一技術方案在于在上述基礎之上，所述大功率整流設備控制系統還包括光脈沖輸出模塊，所述光脈沖輸出模塊與所述cpld驅動模塊連接，用于產生脈波觸發脈沖。

本發明的另一技術方案在于在上述基礎之上，所述脈波觸發脈沖，通過電光轉換電路轉換為光信號，光信號通過光纖傳輸至光功放板，再通過光電轉換電路轉換為電信號，用于驅動晶閘管。

本發明的另一技術方案在于在上述基礎之上，所述電源模塊包括電源轉換電路，所述電源轉換電路用于將外部輸入的24v電源分別轉換為±15v、5v、3.3v、1.9v、隔離的5v和/或隔離的24v電源。

本發明的另一技術方案在于在上述基礎之上，所述dsp控制模塊包括dsp芯片、dsp外圍電路、ad采樣電路、熱備冗余切換電路和通訊電路；

所述dsp外圍電路包括晶振電路和撥碼開關電路，所述晶振電路用于為dsp芯片提供基本的時鐘信號，所述撥碼開關電路用于設置所述大功率整流設備的pi參數和作為從站通訊的從站地址；

所述ad采樣電路用于采樣輸出直流電流或直流電壓；

所述熱備冗余切換電路用于a通道和b通道之間的熱備冗余主從通道仲裁以及主從通道的切換；

所述通訊電路用于整流設備控制系統和plc或dcs通訊。

本發明的另一技術方案在于在上述基礎之上，所述ad采樣電路包括電流采樣電路和電壓采樣電路；

所述電流采樣電路，用于從直流電流傳感器送過來的直流電流采樣信號，通過采樣電路，再通過外部ad采樣芯片，將模擬量信號轉換成數字量信號；

所述電壓采樣電路，用于從直流電壓傳感器送過來的直流電壓采樣信號，通過采樣電路，再通過外部ad采樣芯片，將模擬量信號轉換成數字量信號。

本發明的另一技術方案在于在上述基礎之上，所述通訊電路包括兩路rs485通訊、一路工業以太網通訊和一路can總線通訊；

所述兩路rs485通訊，用于整流設備控制系統和plc或dcs的rs485通訊，兩路為熱備用；

所述一路工業以太網通訊，用于英特網網絡互聯，通過手機app或電腦上在ie瀏覽器上查看整流器運行狀態，或定時將運行狀態信息發送至手機或監控設備；

所述一路can總線通訊，用于a、b通道之間的dsp控制模塊的can總線通訊，實現數據交換。

本發明的另一技術方案在于在上述基礎之上，所述cpld驅動模塊包括cpld芯片、晶振電路和撥碼開關電路；

所述晶振電路用于為cpld芯片提供基本的時鐘信號；

所述撥碼開關電路用于設置該大功率整流設備的同步信號參數。

本發明的另一技術方案在于在上述基礎之上，所述數據交換模塊為雙口ram電路，用于dsp控制模塊和cpld驅動模塊之間的數據交換。

本發明的另一技術方案在于在上述基礎之上，所述同步檢測模塊包括兩路同步信號，用于實現信號雙同步。

本發明的另一技術方案在于在上述基礎之上，所述智能化大功率整流設備監測與控制系統還包括光脈沖輸出模塊，所述光脈沖輸出模塊與cpld驅動模塊連接，用于產生12脈波觸發脈沖，并通過電光轉換為光信號，通過光纖傳輸至光功放板，再通過光電轉換為電信號驅動晶閘管。這樣，光纖具有更強的抗干擾能力，采用光電脈沖觸發和磁隔離技術，使主回路與觸發脈沖控制器完全電氣隔離，提高了控制器的抗電磁和瞬間高壓的沖擊能力。

本發明所述的智能化大功率整流設備監測與控制系統，其包括遠程監測裝置和大功率整流設備控制系統，所述大功率整流設備控制系統采用dsp+cpld的架構，主控芯片可以采用功能強大的dsp控制器，例如tms320f28335，與現有技術中常用的89c52、80c196等單片機相比，dsp的運算速度更快、觸發脈沖精度高、功耗小、外設集成度高、數據以及程序存儲量大、可以實現復雜的控制算法，也可以實現多路modbus、ppi、mpi通訊，can總線通訊和以太網通訊等，芯片內的控制程序集成了嵌入式web功能，可以通過電腦的ie瀏覽器查看整流系統運行狀態；移相和觸發芯片采用功能強大的復雜可編程邏輯器件cpld，實現同步信號采集和產生移相觸發脈沖的功能，提高整流設備控制系統的穩定性和可靠性。另外，通過采用雙通道熱備份技術，容錯性高，雙通道之間可以無擾動切換，可帶電更換主板，不影響正常運行，維護方便；通訊電路包括兩路rs485通訊、一路工業以太網通訊和一路can總線通訊，具有網絡互聯的功能，可通過手機app或在全球任意地方的電腦上通過ie瀏覽器查看整流器運行狀態，也可以定時將運行狀態信息發送至手機或監控設備上，使用便捷。

附圖說明

構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。

圖1為本發明一種實施例所述智能化大功率整流設備監測與控制系統的結構框圖；

圖2為圖1中所示智能化大功率整流設備監測與控制系統中大功率整流設備控制系統的原理框圖；

圖3為圖2中所示大功率整流設備控制系統的結構框圖；

圖4為圖2中所示大功率整流設備控制系統中光電脈沖的傳輸示意圖；

圖5為圖2中所示大功率整流設備控制系統中電源模塊的電路原理圖；

圖6為圖2中所示大功率整流設備控制系統中dsp控制模塊的電路原理圖；

圖7為圖2中所示大功率整流設備控制系統中cpld驅動模塊的電路原理圖；

圖8為圖2中所示大功率整流設備控制系統中同步檢測模塊的電路原理圖；

圖9為圖2中所示大功率整流設備控制系統中脈沖輸出模塊的電路原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進行詳細描述，本部分的描述僅是示范性和解釋性，不應對本發明的保護范圍有任何的限制作用。此外，本領域技術人員根據本文件的描述，可以對本文件中實施例中以及不同實施例中的特征進行相應組合。

本發明所述的智能化大功率整流設備監測與控制系統，如圖1至圖4所示，一種智能化大功率整流設備監測與控制系統，包括遠程監測裝置和大功率整流設備控制系統，所述遠程監測裝置通過路由器和網絡與多個所述大功率整流設備控制系統遠程連接。如圖2所示，所述大功率整流設備控制系統包括電源模塊、dsp控制模塊、cpld驅動模塊、數據交換模塊和同步檢測模塊，其中：

所述電源模塊，為所述dsp控制模塊、cpld驅動模塊、數據交換模塊和同步檢測模塊供電；

所述dsp控制模塊通過數據交換模塊與所述cpld驅動模塊連接，用于與cpld驅動模塊進行數據交換，以及實現整流設備控制系統的通訊；

所述cpld驅動模塊與所述dsp控制模塊、數據交換模塊和同步檢測模塊連接，用于與dsp控制模塊進行數據交換，以及整流設備控制系統的同步信號采樣；

所述數據交換模塊為雙口ram電路，連接所述dsp控制模塊和cpld驅動模塊，用于dsp控制模塊和cpld驅動模塊之間的數據交換；

所述同步檢測模塊連接所述cpld驅動模塊，用于將外部輸入的220v交流電壓信號轉換為cpld能接收的同步信號。

優選的是，大功率整流設備控制系統采用a通道和b通道構成的雙通道熱備份系統，這樣可以提高系統的可靠性。

所述a通道的dsp控制模塊和b通道的dsp控制模塊，通過can總線進行通訊；所述a通道的cpld驅動模塊和b通道的cpld驅動模塊信號連接。

在上述實施例的基礎上，本發明另一實施例中，所述智能化大功率整流設備監測與控制系統還包括光脈沖輸出模塊，所述光脈沖輸出模塊與cpld驅動模塊連接，用于產生12脈波觸發脈沖，并通過電光轉換為光信號，通過光纖傳輸至光功放板，再通過光電轉換為電信號驅動晶閘管。

如圖3所示，a通道的12脈波控制器a的dsp產生12路脈沖作為整流器a的觸發脈沖外，同時通過cpld將12路脈沖整合成1路有規律的脈沖信號送給b通道的控制器b的cpld，控制器b的cpld監測該脈沖是否正常，如果不正常且電流異常則b通道的控制器b切換為主站；同理，控制器b工作過程相同。這樣，整流控制器采用雙通道熱備份，提高了系統的可靠性。

所述dsp控制模塊，通過外部16位a/d芯片對電流、電壓等進行采樣，根據電流設定值和采樣的實際電流值，按照自適應pi控制算法，計算出當前的控制角，產生相應的觸發脈沖，并通過cpld驅動模塊、12脈波觸發脈沖，通過光纖經光功放板將觸發脈沖輸出至功放電路驅動晶閘管。

如圖4所示，所述智能化大功率整流設備監測與控制系統，采用光電脈沖觸發和磁隔離技術，在主板上產生觸發脈沖，并實現電光轉換，再通過光纖傳輸到光功放板，進行光電轉換后，通過功放電路輸出，經脈沖變壓器調整后驅動晶閘管，使主回路與觸發脈沖控制器完全電氣隔離，提高了控制器的抗電磁和瞬間高壓的沖擊能力。

在上述實施例的基礎上，本發明另一實施例中，所述電源模塊包括電源轉換電路，所述電源轉換電路用于將外部輸入的24v電源分別轉換為±15v、5v、3.3v、1.9v、隔離的5v和/或隔離的24v電源。

在上述實施例的基礎上，本發明另一實施例中，所述dsp控制模塊包括dsp芯片、dsp外圍電路、ad采樣電路、熱備冗余切換電路和通訊電路；

所述dsp外圍電路包括晶振電路和撥碼開關電路，所述晶振電路用于為dsp芯片提供基本的時鐘信號，所述撥碼開關電路用于設置所述大功率整流設備的pi參數和作為從站通訊的從站地址；

所述ad采樣電路用于采樣輸出直流電流或直流電壓；

所述熱備冗余切換電路用于a通道和b通道之間的熱備冗余主從通道仲裁以及主從通道的切換；

所述通訊電路用于整流設備控制系統和plc或dcs通訊。

在上述實施例的基礎上，本發明另一實施例中，所述ad采樣電路包括電流采樣電路和電壓采樣電路；

所述電流采樣電路，用于從直流電流傳感器送過來的直流電流采樣信號，通過采樣電路，再通過外部16位的ad采樣芯片，將模擬量信號轉換成數字量信號；

所述電壓采樣電路，用于從直流電壓傳感器送過來的直流電壓采樣信號，通過采樣電路，再通過外部16位的ad采樣芯片，將模擬量信號轉換成數字量信號。

在上述實施例的基礎上，本發明另一實施例中，所述通訊電路包括兩路以上的rs485通訊、一路工業以太網通訊和一路can總線通訊；

所述兩路rs485通訊，用于整流設備控制系統和plc或dcs的rs485通訊，兩路為熱備用，可與西門子、ab等plc進行modbus、ppi、mpi等通訊；

所述一路工業以太網通訊，用于英特網網絡互聯，通過手機app或電腦上在ie瀏覽器上查看整流器運行狀態，或定時將運行狀態信息發送至手機或監控設備，其中網絡通訊芯片可以采用arm處理器stm32f407，其可以輕松實現多路modbus、ppi、mpi通訊，can總線通訊和以太網通訊等，可以和西門子、莫迪康等plc進行profinet、modbus/tcp通訊；

所述一路can總線通訊，用于a、b通道之間的dsp控制模塊的can總線通訊，實現數據交換。

在上述實施例的基礎上，本發明另一實施例中，所述cpld驅動模塊包括cpld芯片、晶振電路和撥碼開關電路；

所述晶振電路用于為cpld芯片提供基本的時鐘信號；

所述撥碼開關電路用于設置該大功率整流設備的同步信號參數。

在上述實施例的基礎上，本發明另一實施例中，所述同步檢測模塊包括兩路同步信號，用于實現信號雙同步。

另外，如圖5所示，為本專利一種實施例所述智能化大功率整流設備控制系統中電源模塊的電路原理圖。24v+、24v-作為dc24v的輸入，通過濾波電容e21，再經urb2405ymd-10wr3電源模塊，再經濾波電容e13后產生5v電源；通過濾波電容e9，再經urb2415ymd-10wr3電源模塊，再經濾波電容e15后產生-15v電源，經濾波電容e17后產生+15v電源；通過濾波電容e19，再經urb2424ymd-10wr3電源模塊，再經濾波電容e20后產生25v電源kv24。

如圖6所示，為本專利一種實施例所述智能化大功率整流設備控制系統中dsp控制模塊的電路原理圖。其中，dsp芯片，選用tms320f28335芯片。

如圖7所示，為本專利一種實施例所述智能化大功率整流設備控制系統中cpld驅動模塊的電路原理圖。其中，cpld選用epm1270t14415n芯片。

如圖8所示，為本專利一種實施例所述智能化大功率整流設備控制系統中同步檢測模塊的電路原理圖。其主要將外部交流220v用變壓器變為交流15v，再通過74lvc1g123轉成方波信號。

如圖9所示，為本專利一種實施例所述智能化大功率整流設備控制系統中脈沖輸出模塊的電路原理圖。脈沖輸出模塊包含上面的驅動電路12個，其中ds75451是增強驅動能力，hfbr-1414是電光信號轉換頭。

本發明所述的智能化大功率整流設備監測與控制系統，其包括遠程監測裝置和大功率整流設備控制系統，所述大功率整流設備控制系統采用dsp+cpld的架構，主控芯片可以采用功能強大的dsp控制器，例如tms320f28335，與現有技術中常用的89c52、80c196等單片機相比，dsp的運算速度更快、觸發脈沖精度高、功耗小、外設集成度高、數據以及程序存儲量大、可以實現復雜的控制算法，也可以實現多路modbus、ppi、mpi通訊，can總線通訊和以太網通訊等，芯片內的控制程序集成了嵌入式web功能，可以通過電腦的ie瀏覽器查看整流系統運行狀態；移相和觸發芯片采用功能強大的復雜可編程邏輯器件cpld，實現同步信號采集和產生移相觸發脈沖的功能，提高整流設備控制系統的穩定性和可靠性。另外，通過采用雙通道熱備份技術，容錯性高，雙通道之間可以無擾動切換，可帶電更換主板，不影響正常運行，維護方便；通訊電路包括兩路rs485通訊、一路工業以太網通訊和一路can總線通訊，具有網絡互聯的功能，可通過手機app或在全球任意地方的電腦上通過ie瀏覽器查看整流器運行狀態，也可以定時將運行狀態信息發送至手機或監控設備上，使用便捷。

上述只是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何形式上的限制。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍的情況下，都可利用上述揭示的技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應落在本發明技術方案保護的范圍內。