CN102252531A - 一种具有低压无功补偿和电极电流控制的矿热炉控制器 - Google Patents

Abstract

一种具有低压无功补偿和电极电流控制的矿热炉控制器，它由控制器硬件和控制软件两部分组成，控制软件控制和操纵控制器硬件；所述控制器硬件由电流互感器(1)、电压互感器(2)、高精度三相电能专用计量芯片(3)、ARM微控制器(4)、功率因数控制输出隔离接口(5)、电流控制输出隔离接口(6)、异常事件输入隔离接口(7)、模拟量输入接口(8)、键盘和LED指示灯(9)、LCD液晶显示器(10)和通讯接口(11)组成；所述控制软件，是针对各相电流和各相功率因数的控制；本发明对矿热炉的三相电源分相实施低压补偿，并控制电极电流在最佳值附近平衡运行，从而达到提高各相的功率因数和节能增效的目的。

Description

一种具有低压无功补偿和电极电流控制的矿热炉控制器

技术领域：本发明涉及一种矿热炉三相分相串行控制器，尤其涉及一种具有低压无功补偿和电极电流控制的矿热炉控制器，它是一种矿热炉节能增效控制器，属于工业电器设备技术领域。

背景技术

目前国内的矿热炉大多采用三相交流电作能源来进行冶炼生产。在炉体、材料配比、生产工艺、人员操作基本稳定的前提下，对矿热炉影响最大的莫过于能源电参数的变化。在电压基本稳定的前提下影响矿热炉节能增效的主要电参数是功率因素和三个电极电流的大小能否保持在最佳值附近运行。因为在使用过程中影响这些电参数的因素较多，致使它们经常变化、并且变化范围较大。而目前国内所使用的矿热炉在不采取补偿的情况下，其功率因数大多低于0.85，且三个电极的电流很难保持在最佳值附近运行，相互间差别也可能较大。

在未采取补偿措施的矿热炉仪表控制台上设计有三个手动开关，仪表操作员通过它们可以手动分别控制三个电极升降以达到分别控制三个电极电流大小的目的。但在仪表控制台上没有设计提高功率因数的手段。

为了提高其功率因数，必须另加设备。有的采用高压补偿(即在矿热炉变压器高压侧并联电容)；有的采用低压补偿(即在矿热炉变压器低压侧并联电容)；也有既采用高压补偿同时还采用低压补偿(即在矿热炉变压器高、低压侧都并联电容)。但这些补偿方案所用的控制器都未对三相电流作任何控制，在冶炼过程中仍然要依靠仪表员手动操作矿热炉仪表控制台上的三个手动开关来分别调节各相电流的大小，以维持三个电极的电流在最佳值附近基本平衡运行。目前也有控制三个电极升降来控制三个电极电流大小的控制器，但它们缺乏还能同时对功率因数实施自动控制的手段。

发明内容

发明目的：

本发明的目的是提供一种具有低压无功补偿和电极电流控制的矿热炉控制器(以下简称：控制器)，它可以对矿热炉所使用的三相电源分相实施低压补偿(即在矿热炉变压器低压侧分相、分组并联电容)来提高各相的功率因数，与此同时还分别控制三个电极升降来控制相应电极的电流大小，并维持三个电极的电流在最佳值附近基本平衡运行，以达到节能增效的目的。

技术方案：

本发明一种具有低压无功补偿和电极电流控制的矿热炉控制器，由控制器硬件和控制软件两部分组成。其间关系是：控制软件用于控制和操纵控制器硬件。

所述控制器硬件由1-电流互感器、2-电压互感器、3-高精度三相电能专用计量芯片、4-ARM微控制器、5-功率因数控制输出隔离接口、6-电流控制输出隔离接口、7-异常事件输入隔离接口、8-模拟量输入接口、9-键盘和LED指示灯、10-LCD液晶显示器和11-通讯接口组成。该控制器硬件的方块图如图一所示。

图1中，由电流互感器1、电压互感器2将矿热炉电能源的电流、电压变换成高精度三相电能专用计量芯片3相应输入口所需的信号，经高精度三相电能专用计量芯片3自动完成测量、变换、计算得到各相的电流、电压、功率因数，相角，有功功率、无功功率、视在功率，频率等参数，然后经过SPI总线送往ARM微控制器4。ARM微控制器4将这些送来的参数和从模拟量输入接口8获得的参数，送往LCD液晶显示器10进行显示，也可将这些参数经过通讯接口11发往其它用户。更重要的是将其中各相的电流、功率因数与通过键盘9设定的相应期望值进行比较，然后决定是否需要通过功率因数控制输出隔离接口5、电流控制输出隔离接口6对A相、B相、C相分别发出控制信号对功率因数、电流实施补偿和控制。通过异常事件输入隔离接口7输入的异常事件(例如：矿热炉短网电源系统失常，矿热炉短网冷却系统失常，晶闸管冷却系统失常，三相有功功率中的任意一相为负等)任何一个事件出现或面板上的紧急开关闭合时，控制器能够按照预先设定的程序、步骤切出从功率因数控制输出隔离接口5和电流控制输出隔离接口6输出的控制信号。模拟量输入接口8用于检测矿热炉变压器低压侧的电流和矿热炉控制器运行环境的各种物理参数(例如环境温度、环境大气压力)以及其他有研究、保存价值的参数。

1-电流互感器：在目前所有矿热炉电源变压器中都装有电流互感器，我们将这些电流互感器称为原有电流互感器，它们的输出信号已送到仪表操作台上供相关仪表使用。1-电流互感器是将矿热炉各相原有电流互感器输出的电流分别变换成本控制器中3-高精度三相电能专用计量芯片(ATT7026C)的模/数转换所需信号的大小。

2-电压互感器：在目前所有矿热炉电源变压器中都装有电压互感器，我们将这些电压互感器称为原有电压互感器，它们的输出信号已送到仪表操作台上供相关仪表使用。2-电压互感器是将矿热炉各相原有电压互感器输出的电压分别变换成本控制器中3-高精度三相电能专用计量芯片(ATT7026C)的模/数转换所需信号的大小。

3-高精度三相电能专用计量芯片：芯片型号是ATT7026C。将1-电流互感器、2-电压互感器送来的电流、电压信号经它自动完成测量、变换、计算得到各相的电流、电压、功率因数，相角，有功功率、无功功率、视在功率，频率等参数，然后经过SPI总线送往4-ARM微控制器。

4-ARM微控制器：ARM微控制器是对控制器实施管理、调度、检测、控制的核心部件。采用的芯片型号是LPC2214。它经过SPI总线接收由3-高精度三相电能专用计量芯片ATT7026C送来的电流、电压、功率因数，相角，有功功率、无功功率、视在功率，频率等参数和从8-模拟量输入接口获得参数，并将这些参数送往10-LCD液晶显示器进行显示，也可将这些参数经过11-通讯接口发往其它用户。更重要的是将其中各相的电流、功率因数值与通过9-键盘和LED指示灯设定的相应期望值进行比较，然后决定是否需要通过5-功率因数控制输出隔离接口、6-电流控制输出隔离接口对A相、B相、C相分别发出控制信号对功率因数、电流实施补偿和控制。功率因数补偿控制信号每相16路，某路控制信号由低变高表示投入此组电容；某路控制信号由高变低表示切出此组电容。电流控制信号每相有一路开关信号控制电极上升、另一路开关信号控制电极下降，这两路开关信号都是正脉冲信号，脉冲持续时间(Q)由9-键盘和LED指示灯设置。

5-功率因数控制输出隔离接口：由4-ARM微控制器对A相、B相、C相发出的功率因数补偿控制信号，每相16路经它输出。为了控制器的安全和提高控制信号强度，采用光电隔离电路输出，其光电隔离芯片是TLP521-4。但控制器通过该接口输出的投切电容信号往往不能直接用来投切电容补偿柜中的电容，还需要在它们之间增加一级电容投切驱动电路和开关。电容投切驱动电路和开关不属于本控制器的配置。

6-电流控制输出隔离接口：由4-ARM微控制器对A相、B相、C相发出的电流控制信号，每相一路控制信号控制电极上升、一路控制信号控制电极下降，经该接口输出。为了控制器的安全和提高控制信号强度，采用光电隔离电路输出，其光电隔离芯片是TLP521-4。但控制器通过该接口输出的升降电极信号不能直接用来驱动电极，也需要在它们之间增加一级电极升降驱动电路和开关。电极升降驱动电路和开关不属于本控制器的配置。

7-异常事件输入隔离接口：在某些异常事件(例如：矿热炉短网电源系统失常，矿热炉短网冷却系统失常，晶闸管冷却系统失常，三相有功功率中的任意一相为负)出现时，控制器能够按照预先设定的程序、步骤切出从5-功率因数控制输出隔离接口和6-电流控制输出隔离接口输出的控制信号。为了控制器的安全和提高控制信号强度，它们需经光电隔离电路输入，其光电隔离芯片是TLP521-4。检测异常事件所需的设备，不属于本控制器的配置。

8-模拟量输入接口：用于检测矿热炉变压器低压侧的电流，矿热炉控制器运行环境的环境温度、环境大气压力，其他有研究、保存价值的参数。为了ARM微控制器的安全和便于调整信号大小，在模拟量输入信号与ARM微控制器间采用了一级射极跟随电路进行隔离。所采用的隔离器件是：LM324。所需的检测设备，不属于本控制器的配置。

9-键盘和LED指示灯：是人机交换的窗口之一。键盘是操作人员对矿热炉控制器的运行状态进行人机对话和干预的工具。以便操作人员了解矿热炉控制器的运行状态及结果；在需要时进行参数设置和修改。LED指示灯用来显示各相所要求的补偿电容组投放情况和实际的投放结果。补偿电容组的实际投放结果可通过通讯接口获得。键盘和LED指示灯采用的芯片是ZLG7290。

10-LCD液晶显示器：是人机交换的重要窗口，它采取分页显示各个所需显示的参数。采用SMG240128A点阵图形液晶模块，点像素为240×128点，黑色字/白色底，STN液晶屏。

11-通讯接口：通讯接口是控制器与其他计算机用户进行数据交换的必备部件。具有两个工业控制系统中常用的RS-485接口和两个CAN总线接口，通过不同的跳线短接可选择RS-485接口或CAN总线。RS-485接口采用的芯片是RSM485，CAN总线接口所采用的芯片是CTM8251D。

图2是控制器与相关装置间的连接关系示意图。图中用虚线所画的装置不属于本控制器的配置，只是为了说明使用本控制器时他们相互间的连接关系。

所述控制器软件，由于本控制器选择了3-高精度三相电能专用计量芯片(ATT7026C)作为电参数测量芯片，只要将所需测量的各相电信号通过1-电流互感器、2-电压互感器变成它所要求的大小，按照它所规定的端口输入，它就能自动完成各相电流、各相电压、各相有功功率、各相无功功率、各相视在功率、各相因数功率、频率的测量、变换、计算，并将测量结果通过SPI接口送往后续的4-ARM微控制器。4-ARM微控制器可以直接使用其结果，这就使测量电路和相应的软件变得非常简单。

微控制器选择ARM微控制器，其原因除了芯片本身功能强大外，还有《嵌入式实时操作系统》支持。《嵌入式实时操作系统》是一个原码公开、可移植、可固化、可剪裁、占先式的实时多任务操作系统，它有多个不同的公司、不同的版本可供选择、购买、使用。这就减少了我们在软件开发中对系统的管理、调度、稳定性与可靠性的投入，并有大量成熟的应用程序可以直接使用。

鉴于以上原因，我们只需将软件的开发重点放在各相电流和各相功率因数的控制上。矿热炉的冶炼过程是一个非常复杂的过程，影响各相电流和功率因数的原因很多，它们相互间影响也较大，而且存在较大的惯性。所以我们采取了串行控制的方案，即对三相电源各相的电流和功率因数实施轮流串行循环控制，对每相的电流和功率因数也实施串行控制。在对每相的电流和功率因数实施串行控制时，最多可以对电流连续控制M次，每一次间可等待H秒，然后交给功率因数实施控制；最多对功率因数连续控制N次，每一次间可等待L秒，然后交给后续相控制。

对于每一相实施控制的具体控制策略都相同，我们以三相中的任一相为例来进行说明。

A、电流的控制策略：

若以Iop表示期望电流值，I表示该相的实测电流值，+ΔI表示允许的电流正误差，-ΔI表示允许的电流负误差。则：

当(I-Iop)＜-ΔI时，则控制器应将该相的电极下降，相应控制通道发出一个持续时间为Q的正脉冲控制信号，并通过6-电流控制接口相应的通道输出，经驱动电路、执行装置来降低一次电极行程；

当(I-Iop)＞+ΔI时，则控制器应将该相的电极上升，相应控制通道发出一个持续时间为Q的正脉冲控制信号，并通过6-电流控制接口相应的通道输出，经驱动电路、执行装置来提升一次电极行程；

当-ΔI＜(I-Iop)＜+ΔI时，则控制器对该相的上升、下降通道均无控制信号，保持电极原有行程。

B、低压无功补偿(在炉变低压侧投切电容)的控制策略：

若以COSΦop表示期望功率因数值，COSΦ表示该相的实测功率因数值，+ΔCOSΦ表示允许的功率因数正误差，-ΔCOSΦ表示允许的功率因数负误差。则：

当(COSΦ-COSΦop)＜-ΔCOSΦ时，则控制器应将该相的一路功率因数控制信号由低电平变为高电平，并通过5-功率因数控制接口相应的通道输出，再经驱动电路、开关、电容补偿柜来增加一组补偿电容；

当(COSΦ-COSΦop)＞+ΔCOSΦ时，则控制器应将该相的一路功率因数控制信号由高电平变为低电平，并通过5-功率因数控制接口相应的通道输出，再经驱动电路、开关、电容补偿柜来减少一组补偿电容；

当-ΔCOSΦ＜(COSΦ-COSΦop)＜+ΔCOSΦ时则控制器应维持该相原有的功率因数控制信号状态，保持该相原有的补偿电容量。

图3是控制器对每相电流和功率因数的控制流程图。

对每相的电流和功率因数实施串行控制。

控制开始，(1)、电流控制：进入电流控制后，先从相应寄存器中读取由9-键盘和LED指示灯置入的电流调整次数(N)、每次调整等待时间(H)、电流控制脉冲持续时间(Q)等参数。再判断电流是否是自动控制？①、若不是自动控制，则为手动控制。此时应判断是否要求手动增加？若要求手动增加，则按9-键盘和LED指示灯上的增加键，向电流控制输出接口发出一次电极下降指令，并通过6-电流控制接口输出信号，经驱动电路、执行装置来下降一次电极行程以增加电流；若不要求手动增加，还应判断是否要求手动减少，若要求手动减少，则按9-键盘和LED指示灯上的减少键，向电流控制输出接口发出一次电极上升指令，并通过6-电流控制接口输出信号，经驱动电路、执行装置来提升一次电极行程以减小电流；若手动控制既不要求增加电流也不要求减少电流，则直接交给该相的功率因数实施控制。②、若判断电流是自动控制，应从相应寄存器读取电流期望值(Iop)、允许的误差范围(±ΔI)、和该相的实测电流值(I)，并将该相的实测电流值(I)与9-键盘和LED指示灯置入的电流期望值(Iop)进行比较：当(I-Iop)小于-ΔI时，则控制器应该发出一次电极下降指令，并通过6-电流控制接口输出信号，经驱动电路、执行装置来降低一次电极行程以增加电流；当(I-Iop)大于+ΔI时，则控制器应该发出一次电极上升指令，并通过6-电流控制接口输出信号，经驱动电路、执行装置来提升一次电极行程以减小电流；当(I-Iop)在允许的误差范围(±ΔI)内，则控制器不发出任何改变电极行程的控制指令，电极维持原位不动，直接交给该相功率因数实施控制。无论是手动控制还是自动控制，每执行一次电极上升或下降后都需要等待H秒后再判断是否需要继续实施下一次电流控制。这样的重复控制最多只能进行M次，重复控制M次后，不管(I-Iop)的差值是否在允许的误差范围(±ΔI)内，都应该将控制权交给该相的功率因数实施控制。

(2)、功率因数控制：进入功率因数控制后，应先从相应寄存器中读取由9-键盘和LED指示灯置入的电容投切次数(M)、每次投切等待时间(L)等参数。再判断功率因数是否是自动控制？①、若不是自动控制，则为手动控制。此时应判断是否要求手动增加？若要求手动增加，则按9-键盘和LED指示灯上的增加键，向功率因数控制输出接口发出增加一路的控制指令，并通过5-功率因数控制接口输出信号，经驱动电路、开关，增加一路补偿电容；若不要求手动增加，还应判断是否要求手动减少，若要求手动减少，则按9-键盘和LED指示灯上的减少键，向功率因数控制输出接口发出减少一路的控制指令，并通过5-功率因数控制接口输出信号，经驱动电路、开关，减少一路补偿电容；若手动控制既不要求增加功率因数也不要求减少功率因数，则直接交给后续相控制。②、若判断功率因数是自动控制，应从相应寄存器读取功率因数期望值(COSΦ0p)、允许的误差范围(±ΔCOSΦ)和该相实测功率因数值(COSΦ)。并将该相的实测功率因数值(COSΦ)与9-键盘置入的功率因数期望值(COSΦop)进行比较。当(COSΦ-COSΦop)小于-ΔCOSΦ时，则控制器应该向该相的功率因数控制输出接口发出增加一路的控制指令，并通过5-功率因数控制接口输出信号，经驱动电路、开关，增加一路补偿电容；当(COSΦ-COSΦop)大于+ΔCOSΦ时，则控制器应该向该相的功率因数控制输出接口发出减小功率因数的指令，并通过5-功率因数控制接口输出信号，经驱动电路、开关，减少一路补偿电容；当(COSΦ-COSΦop)在允许的误差范围(±ΔCOSΦ)内，则控制器不发出任何改变功率因数控制指令，补偿电容保持原有大小不变，直接交给后续相控制。无论是手动控制还是自动控制，每增加或减少一路补偿电容后都需要等待L秒后再判断是否需要继续实施下一次功率因数控制。这样的重复控制最多只能进行N次，重复控制N次后，不管(COSΦ-COSΦop)的差值是否在允许的误差范围(±ΔCOSΦ)内，都应该交给后续相控制。

优点及功效：本发明一种具有低压无功补偿和电极电流控制的矿热炉控制器的优点是：

(1)、每台矿热炉只需一台控制器就可对三相电源各相的电流和功率因数实施分相串行补偿和控制，从而保证各相的电流和功率因数运行在设定的期望值附近。

(2)、各相电流和功率因数的控制模式可以根据需要分别选择手动控制或自动控制。

(3)、当出现异常事件或面板的紧急开关闭合时，控制器能够按照预先设定的程序、步骤切出对功率因数和电流的控制信号。

(4)、由于选用了高精度三相电能专用计量芯片、ARM微控制器及其操作系统，使该控制器的整个电路非常简洁；它的管理、调度、使用变得简单、便捷、稳定、可靠；测量精度优于0.5级；

(5)、控制器所有输入、输出接口都采用了隔离措施，有效的增加了控制器的硬件安全性。

(6)、具有通讯接口RS-485和CAN总线可供用户联网选择。

附图说明

图1本发明的控制器硬件的组成方块图

图2本发明控制器与相关装置间的连接关系图

图3控制器的控制软件流程图

图4电压互感器、电流互感器于原有的电压互感器、电流互感器间连线图

图5ARM微处理器与高精度三相电能专用计量芯片的连线图

图6功率因数控制输出隔离接口图。

图7用户需要不同的功率因数控制信号时的光电隔离接线图

图8电流控制输出接口图

图9异常事件输入接口接线图

图10模拟量输入接口接线图

图11键盘、LED发光二极管和ARM微处理器的接线图

图12LCD点阵液晶显示器画面图

图13LCD点阵液晶显示器与ARM微处理器的接线图

图14通讯接口与微处理器接线图

图15控制器面板的布局示意图

图16数据采集、显示、控制流程图

图17参数设置与修改流程图

图18控制器串行控制流程图

图中符号说明如下：

图1中：

1-电流互感器、2-电压互感器、3-高精度三相电能专用计量芯片、4-ARM微控制器、5-功率因数控制输出隔离接口、6-电流控制输出隔离接口、7-异常事件输入隔离接口、8-模拟量输入接口、9-键盘和LED指示灯、10-LCD液晶显示器、11-通讯接口。

图4中：

Z_I是原有电流互感器原有的负载Zv是原有电压互感器原有的负载；

图(A)为原有电流互感器、原有电压互感器原有的连线情况；

图(B)为与原有电流互感器、与原有电压互感器的连线情况。

图5中：

U18高精度三相电能专用计量芯片ATT7026C；D59发光二极管；R187-R216电阻；C59-C82电容；E1-E7电解电容；K1，K2跳线短接接插件；G2晶振。

图6中：

SC-1---SC1-16A相功率因数控制口对应接线端；J1-J2接线插座；

U1-U4光电隔离芯片TLP521-4-A；D1-D16发光二极管；R1-R48电阻；C1-C16电容；VCC接往电源VCC。

图7中：

SC1-1A相功率因数控制口对应接线端；J1，J2接线插座；U1光电隔离芯片TLP521-4-A；D1发光二极管；Ri，R2，R3电阻；C1电容。

图8中：

SI1-1A相电极上升控制口对应接线端；SI1-2A相电极下降控制口对应接线端；J7-J8接线插座；U13光电隔离芯片TLP521-4-A；D49-D50发光二极管；R145-R150电阻；C49-C50电容；VCC接往电源VCC。

图9中：

SX1-1--SX-4异常事件对应接线端；J13接线插座；U15光电隔离芯片TLP521-4-A；D55-D58发光二极管；R163-R170电阻；C54-C58电容；VCC接往电源VCC。

图10中：

AIN-0--AIN-3、AIN-6、AIN-7模拟量输入对应接线端；J14、J15接线插座；U16、U17运算放大器LM324；R171-R186电阻；VCC接往电源VCC

图11中：

D63-D126发光二极管(部分选用)；DD1-DD7二极管；U29芯片ZLG7290；R140-R159电阻；C92---C94电容；S1-S64键盘按钮(部分选用)；G3晶振。

图13中：

U28LCD点阵液晶显示器；R227-R239电阻；C91电容；W1电位计。

图14中：

K3、K4、K5、K6跳线短接接插件；U25、U27芯片RSM485；U26芯片CTM8251D。

具体实施方式

本发明一种具有低压无功补偿和电极电流控制的矿热炉控制器，由控制器硬件和控制软件两部分组成。其间关系是：控制软件控制、操纵控制器硬件。

1、控制器硬件：

本发明控制器的原理方块图如图1所示。

(1)、电流互感器1：

在矿热炉的电源变压器中一般都安装有自己的电流互感器(我们将它称呼为：原有电流互感器)，它的输出值是为了满足矿热炉仪表控制台上所装仪表的需要，不一定能满足本控制器的需要。为了满足本控制器的需要，在本控制器中我们设置了各相所需要的电流互感器。我们将它称呼为：电流互感器1。并以TI-A、TI-B、TI-C分别表示A、B、C相的电流互感器。它们的任务是将矿热炉各相原有电流互感器输出的电流分别变换成3-高精度三相电能专用计量芯片3中模/数转换所需的信号大小。各相电流互感器TI-A、TI-B、TI-C的原边串联到相应原有电流互感器的副边中。电流互感器的变比：其原边电流在3(安)∽25(安)，副边电压在0.1(伏)∽1.0(伏)间选择。如图4所示。

(2)、电压互感器2：

在矿热炉的电源变压器中一般都安装有自己的电压互感器(我们将它称呼为：原有电压互感器)，它的输出值是为了满足矿热炉仪表控制台上所装仪表的需要，不一定能满足本控制器的需要。为了满足本控制器的需要，在本控制器中我们设置了各相所需要的电压互感器。我们将它称呼为：电压互感器2。并分别以TV-A、TV-B、TV-C表示A、B、C相的电压互感器。它们的任务是将矿热炉各相原有电压互感器输出的电压分别变换成3-高精度三相电能专用计量芯片3中模/数转换所需的信号大小。在使用时将各相电压互感器TV-A、TV-B、TV-C的原边分别并联到相应原有电压互感器的副边。电压互感器的变比：其原边电压在80(伏)∽250(伏)，副边电压在0.5(伏)∽1.0(伏)间选择。如图4所示。

(3)、高精度三相电能专用计量芯片3(ATT7026C)

该芯片是钜泉光电科技(上海)有限公司的产品。它是一片高精度三相电能专用计量芯片，既适用于三相三线也适用于三相四线。

高精度三相电能专用计量芯片3(ATT7026C)的内部集成了六路二阶sigma-deltaADC、参考电压电路以及对各相有功功率、无功功率、视在功率、电流有效值、电压有效值、功率因数、频率等参数进行测量、变换和处理的电路。其测量精度优于0.5级。

它在本设计中的主要任务是根据电流互感器1和各相电压互感器2所提供的矿热炉三相电源的电流、电压信号，经芯片中模数转换器(ADC)完成模数转换，再由芯片内部的电路和软件自动完成各相的电流、电压有效值，功率因数、相角、有功功率、无功功率、视在功率，频率等参数的测量和计算，并将这些参数通过SPI通讯接口送到后续的ARM微控制器4中。

关于高精度三相电能专用计量芯片3对各相电流、电压有效值，功率因数、相角，有功功率、无功功率、视在功率，频率等参数的测量原理图和计算公式可查阅相应的芯片用户手册。

(4)、ARM微控制器4

ARM微控制器4是对矿热炉节能控制器实施管理、调度、控制的核心部件。它的主要任务是通过SPI接口获取高精度三相电能专用计量芯片3(ATT7026C)所测得的各相的电流、电压，有功功率、无功功率、视在功率，功率因数、相角、频率送来的参数和从8-模拟量输入接口获得的参数，除将它们送往液晶显示器显示外，与此同时还将这些测得的各相电流值(I)和功率因数值(COSΦ)分别与电流期望值(Iop)、功率因数期望值(COSΦ0p)进行比较，然后根据(I-Iop)的差值是否在允许的误差(±ΔI)范围内，来决定是否需要经过电流控制隔离接口输出信号来升降电极以达到调整电流值(I)的目的。再根据(COSΦ-COSΦ0p)的差值是否在允许的误差(±ΔCOSΦ)范围内，来决定是否需要经过功率因数控制隔离接口输出信号投切电容来调整其功率因数值(COSΦ)。ARM微控制器4还将这些数据经过通讯接口11送往其他需要这些数据的地方。

矿热炉节能控制器中的电流期望值(Iop)、功率因期望数值(COSΦop)和允许的电流误差值(±ΔI)，允许的功率因数误差值(±ΔCOSΦ)是通过键盘和LED指示灯9人工设定的，运行过程中若需要，也可通过键盘和LED指示灯9进行修改。

本控制器所采用的ARM微控制器4是LPC2214，它的资源特别丰富。它的脚数为144，片内RAM 16KB，片内Flash 256KB，8通道10位A/D，6通道PWM输出，具有112个可承受5V电压的常用的I/O接口，多个通讯接口(包括：2个16C550工业标准UART、高速I2C接口和2个SPI接口)。当采用这样一块功能强大的芯片后，矿热炉节能控制器的硬件电路就可以作得特别简单。有关ARM微控制器LPC2214的详细资料请参考该芯片的说明书。

ARM微控制器4与高精度三相电能专用计量芯片3间的SPI通讯是它们相互间的主要连接。

LPC2214 P0.25 (21)-----ATT7026C CS(35)

LPC2214 P0.4  (59)-----ATT7026C SCLK(36)

LPC2214 P0.5  (61)-----ATT7026C DOUT(38)

LPC2214 P0.6  (68)-----ATT7026C DIN(37)

LPC2214 P0.15 (99)-----ATT7026C SIG(2)

LPC2214 RESET (135)-----ATT7026C REST(1)

LPC2214 P0.7  (69)-----V_D0 3.3

图5是ARM微控制器4与高精度三相电能专用计量芯片3的连线图。

但当高精度三相电能专用计量芯片3检测到任意一相的有功功率为负时，它的第40脚(REVP)会输出高电平；检测到各相的有功功率都为正时，该引脚又将恢复到低电平。为此我们在高精度三相电能专用计量芯片第40脚(REVP)上设计了报警指示灯D59，还将此信号作为异常事件信号经过异常事件输入隔离接口7(J13-4)送往ARM微控制器4中。

(5)、功率因数控制输出隔离接口5

本控制器是采用分相低压补偿来提高功率因数的方案，即在矿热炉每相电极间分组并联电容来提高功率因数。A、B、C相每相最多可提供16路开关量输出信号，每一路开关量输出信号可控制一组补偿电容的投切。用户可根据矿热炉的大小在1到16路间选择所需的路数。

为了ARM微控制器4的安全，也为了提高输出信号的驱动能力，本控制器采用了光电隔离电路将ARM微控制器输出的功率因数控制信号经隔离后再供外界使用。

LPC2214 P3.0--P3.15--------------SC1-1---SC1-16 A相功率因数控制口

LPC2214 P3.16--P3.23-------------SC2-1---SC2-8；B相功率因数控制口

LPC2214 P0.17--P0.24------------ SC2-9---SC2-16 B相功率因数控制口

LPC2214 P2.8--P2.23--------------SC3-1---SC3-16 C相功率因数控制口

图6是A相功率因数控制输出隔离接口图。

本发明所采用的光电隔离器件是：TLP521-4。所设计的光电隔离电路可以满足用户对功率因数控制输出信号的不同要求。以A相第一输出通道为例：当用户需要控制信号为高电平时，只需将电阻R1短路，保留电阻R2，从J2-01和GND间输出信号即可，如图7(A)所示；当用户需要控制信号为低电平时，只需将电阻R2短路，保留电阻R1，从J1-01和GND间输出信号即可，如图7(B)所示；当用户需要控制信号为开关信号时(例如：无控制信号时开关为断开，有控制信号时开关为闭合)，只需将电阻R1和电阻R2都去掉，从J1-01和J2-01间输出即可，如图7(C)所示。

图7是用户需要不的功率因数控制信号时的光电隔离接线图。

(6)、电流控制输出隔离接口6

本矿热炉节能控制器是采用升降电极来控制电流大小的方案。三相电源三个电极中的每一个电极由一路开关量输出信号控制电极上升，另一路开关量输出信号来控制电极下降。矿热炉有三个电极，它们需要单独控制，共需要六路开关量输出信号来控制三个电极的升降。

LPC2214 P2.24，/P2.25--------------SI1-1，/SI1-2 A相电流控制电极升，/降接口

LPC2214 P2.28，/P2.29------------- SI2-1，/SI2-2 B相电流控制电极升，/降接口

LPC2214 P2.30，/P2.31------------- SI3-1，/S33-2 C相电流控制电极升，/降接口

图8是A相电流控制输出接口图。

本发明所采用的光电隔离器件是：TLP521-4。所设计的光电隔离电路可以满足用户对电流控制信号的不同要求。其使用方法与功率因数控制输出隔离接口相同，不再赘述。

(7)、异常事件输入隔离接口7

异常事件输入隔离接口7主要用于在某些紧急情况出现时，控制器能够按照预先设定的程序和步骤对所有的控制输出信号分别进行预期的处理。它有四个输入通道，允许同时出现四个异常事件(例如：矿热炉短网系统失常，矿热炉短网冷却系统工作失常，晶闸管冷却系统工作失常，三相有功功率中的任意一相为负)。

LPC2214 P0.10--------------SX-1矿热炉短网系统失常；

LPC2214 P0.11--------------SX-2矿热炉短网冷却系统工作失常

LPC2214 P0.12--------------SX-3晶闸管冷却系统工作失常

LPC2214 P0.13--------------SX-4三相有功功率中的任意一相为负

图9是异常事件输入接口接线图；

为了ARM微控制器4的安全，本控制器在异常事件输入信号与ARM微控制器4间也采用了光电隔离电路。所采用的光电隔离器件是：TLP521-4。

(8)、模拟量输入接口8

模拟量输入接口8主要是用于检测矿热炉变压器低压侧的电流，控制器运行环境的环境温度、环境大气压力和其他有研究、保存价值的参数。为了ARM微控制器4的安全和便于调整信号大小，本控制器在模拟量输入信号与ARM微控制器4间也采用了一级射极跟随电路进行隔离。所采用的隔离器件是：LM324。

图10是模拟量输入接口接线图。

LPC2214 P0.27------------------------------------AIN--0 矿热炉变压器低压侧A相电流

LPC2214 P0.28------------------------------------AIN--1 矿热炉变压器低压侧B相电流

LPC2214 P0.29------------------------------------AIN--2 矿热炉变压器低压侧C相电流

LPC2214 P0.30------------------------------------AIN--3 环境温度

LPC2214 P3.28------------- --- ------------------AIN--7 环境压力

LPC2214 P3.29---------------- -------------------AIN--6 待用

(9)、键盘和LED指示灯9

键盘和LED指示灯9是人机交换的窗口之一。键盘是操作人员对控制器的运行状态进行人机对话和干预的工具。以便操作人员了解控制器的运行状态及结果；在需要时进行参数设置和修改。

LED指示灯是采用发光二极管阵列，它用来显示各相所要求的补偿电容组投放情况和实际的投放结果。补偿电容组的实际投放结果可通过通讯接口11获得。

键盘和LED指示灯9与ARM微控制器4间采用芯片ZLG7290连接，可驱动64个按键和64只独立LED发光二极管。

LPC2214 P0.2----------------ZLG7290SCL (19)

LPC2214 P0.3----------------ZLG7290SDA (20)

LPC2214 P0.16---------------ZLG7290INT (14)

图11是键盘、LED发光二极管阵列和ARM微控制器的接线图

键盘有64个键可供选择、定义、使用。它应该包括功能键和数值键。主要功能键有：参数设置、控制模式、翻页、增加、减少、紧急开关、复位、光标移位、退出等；数值键有：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、小数点(。)等。

LED发光二极管阵列共有64个可以独立通断的发光二极管选择、定义、使用。它应该包括各相补偿电容组的实际投放情况，每相需要16个发光二极管，三相需要48个发光二极管。控制这些发光二极管的通断的数据可通过通讯接口11获得。

(10)、LCD液晶显示器10

LCD液晶显示器10也是人机交换的窗口，它采取分页显示。第一页为参数设置页，显示的参数有：电流期望值、电流允许误差值、电流控制延迟时间，电流控制信号持续时间，电流的控制次数；功率因数期望值，功率因数允许误差值，功率因数补偿控制延迟时间、功率因数的控制次数、电容投切最多路数；矿热炉变压器原边电压，原有电压互感器变比、原有电流互感器变比；控制器通讯地址、通讯波特率。如图12(A)所示。第二页为主要运行参数页，显示的参数有：各相电流控制模式、各相电流有效值，各相功率因数控制模式、各相功率因数值，各相电压有效值。如图12(B)所示。第三页为其他运行参数页，显示的参数有：各相有功功率、各相无功功率、各相视在功率，环境温度，控制器通讯地址、通讯波特率。如图12(C)所示。图12是LCD液晶显示器画面图

本控制器采用的是SMG240128A点阵图形液晶模块，点像素为240×128点，黑色字/白色底，STN液晶屏。LCD液晶显示器10与ARM微控制器4间的连接。

P2.0/D0    (98)--------------------------------SMG240128A DB0 (10)

P2.1/D1    (105)----- ---------- --------------SMG240128A DB1 (11)

P2.2/D2    (106)-------------------------------SMG240128A DB2 (12)

P2.3/D3    (108)-------------------------------SMG240128A DB3 (13)

P2.4/D4    (109)-------------------------------SMG240128A DB4 (14)

P2.5/D5    (114)-------------------------------SMG240128A DB5 (15)

P2.6/D6    (115)------------------------- -----SMG240128A DB6 (16)

P2.7/D7    (116)------------------------- -----SMG240128A DB7 (17)

P3.25/CS2  (35)----经     R239---    三极管-----SMG240128A LED^- (21)

P3.26/CS1  (30)------- -------------------------SMG240128A CE  (7)

P3.27/WE   (29)------- -------------------------SMG240128A WR  (5)

P3.30/BLS1 (97)------- -------------------------SMG240128A RD  (6)

P3.31/BLS0 (96)------- -------------------------SMG240128A C/D (8)

图13是LCD液晶显示器与ARM微控制器的接线图。

(11)、通讯接口11

通讯接口11是控制器与其他计算机用户进行数据交换的必备部件。在本控制器中具有两个工业控制系统中常用的RS-485接口和两个CAN总线接口，通过不同的跳线短接可选择RS-485接口或CAN总线。

本控制器中的RS-485接口所采用的芯片是RSM485，CAN总线接口所采用的芯片是CTM8251D。通过K3、K4和K5、K6的不同的跳线短接可选择RS-485接口或CAN总线，但最多只可以选择其中两个接口。它们与ARM微控制器4间的连接图如图14所示。

P0.0(42)-------------------------------------RSM485TXD (3)

P0.1(49)------ ------------------------------RSM485RXD (4)

P0.8(75)------------------------------------ CTM8251D TXD1 (4)

P0.9(76)------------------------------------ CTM8251D RXD2 (3)

注：当短路块K3、K4/K5、K6的1与2短路时，则选择的是RS-485，由接线端子J18/J21输出；

当短路块K3、K4/K5、K6的3与2短路时，则选择的是CAN总线，由接线端子J19/J20输出。

(12)控制软件流程：

控制器面板的布局示意图如图15所示。它包括四部分：LCD液晶显示器10、LED指示灯、键盘、紧急开关。LCD液晶显示器10显示矿热炉电能源相关参数和控制器各相电流和功率因数控制模式。LED指示灯显示各相功率因数和电流的控制信号和实际实施状态，以及是否存在异常事件。键盘用来设置参数和选择控制模式，它有参数设置、控制模式、光标移动、增加、减少、翻页、退出、数字、小数点键。紧急开关是在某些危急情况出现时，供操作人员快速切出控制器对矿热炉电能源的控制。

控制器上电复位后的工作过程如图16所示。第一次上电复位后，控制器中ARM微控制器4通过SPI总线从高精度三相电能专用计量芯片3(ATT7026C)获取矿热炉电能源相关数据和从8-模拟量输入接口获得参数，并将它们存放在相应的存储区内，也送往显示器进行显示。此时控制器根据矿热炉电能源的实时参数，按出厂约定的控制模式和参数对各相的电流和功率因数进行控制，并显示主参数页。当以后再上电复位后，控制器按上次设定的控制模式和参数进行控制，并显示主参数页，图12(B)。

控制器面板上有参数设置键、控制模式键可供操作人员选择。

当操作人员按下参数设置键时，LCD液晶显示器10显示参数设置页，图12(A)，操作人员可通过光标移动键移动光标到所需设置的参数上，再用数字键设置或修改参数并存入相应存储器中。所有参数设置完毕后操作人员可用退出键退出参数设置程序，此时所设置或修改的参数可供控制使用。图17是参数设置与修改的流程图。

当操作人员按下控制模式键时，LCD液晶显示器10显示主要参数显示页，图12(B)。在LCD液晶显示器10显示主要参数显示页，图12(B)上，操作人员可通过光标移动键移动光标到所需的控制模式项目上(项目仅限于：A相功率因数/B相功率因数/C相功率因数的手动控制或自动控制模式；A相电流/B相电流/C相电流的手动控制或自动控制模式)，此时光标在所选项目的控制模式(手动或自动)上闪烁，若需改变原有的控制模式，则按一次控制模式键，若不需要改变原有控制模式，则将光标移走。当某相的电流或功率因数选择了手动控制模式后，若需改变当前的电流或功率因数，可按增加/或减少键来发出电流或功率因数的手动控制信号。若选择的是手动控制某相的功率因数，当每按一次增加/或减少键时该相的电容投切控制信号隔离接口会输出一路相应的投入/或切出电容信号，同时该相会增加亮一盏/或减少灭一盏电容投切控制信号灯。若选择的是手动控制某相的电流，当每按一次增加/或减少键时该相的电流控制信号隔离接口会输出相应电极的上升/或下降信号。同时该相的电极上升或下降指示灯会闪烁一次，指示灯亮的时间是Q秒。

控制器对矿热炉三相电能源采取三相串行控制，每相的电流、功率因数也采取串行控制。其串行控制流程图如图18所示。控制开始，首先进入A相控制，A相控制完成，进入B相控制；B相控制完成，进入C相控制；C相控制完成，又进入A相控制。A、B、C相的控制流程与图3相同，并已在前面叙述过，此处不再重复。

Claims (8)

1.一种具有低压无功补偿和电极电流控制的矿热炉控制器，其特征在于：它由控制器硬件和控制软件两部分组成，控制软件用于控制和操纵控制器硬件；

所述控制器硬件由电流互感器(1)、电压互感器(2)、高精度三相电能专用计量芯片(3)、ARM微控制器(4)、功率因数控制输出隔离接口(5)、电流控制输出隔离接口(6)、异常事件输入隔离接口(7)、模拟量输入接口(8)、键盘和LED指示灯(9)、LCD液晶显示器(10)和通讯接口(11)组成；其间关系是：电流互感器(1)、电压互感器(2)将矿热炉电能源的电流、电压变换成高精度三相电能专用计量芯片(3)相应输入口所需的信号，经高精度三相电能专用计量芯片(3)自动完成测量、变换、计算得到各相的电流有效值、电压有效值、功率因数、相角、有功功率、无功功率、视在功率、频率参数，然后经过SPI总线送往ARM微控制器(4)；ARM微控制器(4)将这些参数和从模拟量输入接口8获得的参数送往LCD液晶显示器(10)进行显示，也将这些参数经过通讯接口(11)发往其它用户；并将其中的电流有效值、功率因数值与通过键盘和LED指示灯(9)设定的相应期望值进行比较，然后决定是否需要通过功率因数控制输出隔离接口(5)、电流控制输出隔离接口(6)对A相、B相、C相分别发出控制信息，对功率因数、电流实施补偿和控制；通过异常事件输入隔离接口(7)输入的异常事件出现时，控制器能够按照预先设定的程序、步骤切出从功率因数控制输出隔离接口(5)和电流控制输出隔离接口(6)输出的控制信号；模拟量输入接口(8)用于检测矿热炉变压器低压侧的电流、控制器运行环境的环境温度、环境大气压力；

该电流互感器(1)是将矿热炉各相原有电流互感器输出的电流信号变换成本控制器中高精度三相电能专用计量芯片(3)的模/数转换所需信号的大小；

该电压互感器(2)是将矿热炉各相原有电压互感器输出的电压信号变换成本控制器中高精度三相电能专用计量芯片(3)的模/数转换所需信号的大小；

该高精度三相电能专用计量芯片(3)将电流互感器(1)、电压互感器(2)送来的电流、电压信号经它自动完成测量、变换、计算得到各相的电流有效值、电压有效值、功率因数、相角、有功功率、无功功率、视在功率、频率参数，然后经过SPI总线送往ARM微控制器(4)；

该ARM微控制器(4)经过SPI总线接收由高精度三相电能专用计量芯片(3)送来的电流有效值、电压有效值、功率因数，相角，有功功率、无功功率、视在功率、频率参数和从模拟量输入接口8获得参数，并将这些参数送往LCD液晶显示器(10)进行显示，也将这些参数经过通讯接口(11)发往其它用户，还将其中的电流有效值、功率因数值与通过键盘和LED指示灯(9)设定的相应期望值进行比较，然后决定是否需要通过功率因数控制输出隔离接口(5)、电流控制输出隔离接口(6)对A相、B相、C相分别发出控制信息对功率因数、电流实施补偿和控制；

该功率因数控制输出隔离接口(5)：由ARM微控制器(4)对A相、B相、C相发出的功率因数补偿控制信号，每相16路经它输出，为了控制器的安全和提高控制信号强度，采用光电隔离电路输出，其光电隔离芯片是TLP521-4；

该电流控制输出隔离接口(6)：由ARM微控制器(4)对A相、B相、C相发出的电流控制信号，每相一路控制信号控制电极上升、一路控制信号控制电极下降，经该接口输出；为了控制器的安全和提高控制信号强度，采用光电隔离电路输出；

该异常事件输入隔离接口(7)：在某些异常事件出现时，控制器能够按照预先设定的程序、步骤切出从功率因数控制输出隔离接口(5)和电流控制输出隔离接口(6)输出的控制信号；为了控制器的安全和提高控制信号强度，它们需经光电隔离电路输入；

该模拟量输入接口(8)：用于检测检测矿热炉变压器低压侧的电流，控制器运行环境的环境温度、环境大气压力参数；为了ARM微控制器(4)的安全和便于调整信号大小，在模拟量输入信号与ARM微控制器(4)间采用了一级射极跟随电路进行隔离；

该键盘和LED指示灯(9)：是人机交换的窗口；

该LCD液晶显示器(10)：它是采取分页显示各个所需显示的参数，采用SMG240128A点阵图形液晶模块，点像素为240×128点，黑色字/白色底，STN液晶屏；

该通讯接口(11)：是控制器与其他计算机用户进行数据交换的部件，具有两个工业控制系统中常用的RS-485接口和两个CAN总线接口，通过不同的跳线短接选择RS-485接口、CAN总线；

所述控制器软件，是针对各相电流和各相功率因数的控制；这里采取了串行控制的方案，即对三相电源的电流和功率因数实施轮流串行循环控制，对每相的电流和功率因数实施串行控制；在对每相的电流和功率因数实施串行控制时，可以对电流连续控制M次，每一次间等待H秒，然后交给功率因数实施控制；对功率因数连续控制N次，每一次间等待L秒，然后交给后续相控制。

2.根据权利要求1所述的一种具有低压无功补偿和电极电流控制的矿热炉控制器，其特征在于：该高精度三相电能专用计量芯片(3)的型号是ATT7026C。

3.根据权利要求1所述的一种具有低压无功补偿和电极电流控制的矿热炉控制器，其特征在于：该ARM微控制器(4)采用的芯片型号是LPC2214。

4.根据权利要求1所述的一种具有低压无功补偿和电极电流控制的矿热炉控制器，其特征在于：该电流控制输出隔离接口(6)采用光电隔离电路输出，其光电隔离芯片是TLP521-4。

5.根据权利要求1所述的一种具有低压无功补偿和电极电流控制的矿热炉控制器，其特征在于：该异常事件输入隔离接口(7)采用光电隔离电路输入，其光电隔离芯片是TLP521-4。

6.根据权利要求1所述的一种具有低压无功补偿和电极电流控制的矿热炉控制器，其特征在于：该模拟量输入接口(8)在模拟量输入信号与ARM微控制器(4)间采用了一级射极跟随电路进行隔离，所采用的隔离器件是LM324。

7.根据权利要求1所述的一种具有低压无功补偿和电极电流控制的矿热炉控制器，其特征在于：该键盘和LED指示灯(9)采用的芯片是ZLG7290。

8.根据权利要求1所述的一种具有低压无功补偿和电极电流控制的矿热炉控制器，其特征在于：该通讯接口(11)中的RS-485接口采用的芯片是RSM485，CAN总线接口所采用的芯片是CTM8251D。

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