CN107450464A - 一种电弧炉控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电弧炉控制装置，包括高速控制单元、输入信号转换单元、输出信号转换单元、开关量输入隔离单元、开关量输出隔离单元。所述的高速控制单元包括电源模块、CPU模块、通讯模块、AI/AO模块和DI/DO模块，所述的CPU模块、通讯模块、AI/AO模块和DI/DO模块通过背板总线互相连接；AI/AO模块包括第一AI/AO模块和第二AI/AO模块。设计了一款高速控制单元，其CPU单元采用高速DSP芯片+CPLD芯片+FPGA芯片，用于高速运算和控制，同时自行设计的控制单元能够内嵌各种协议，可以与SVC直接进行通讯，提高的整个系统的运算速度，与SVC进行通讯连接，方便了数据交互，在对电弧炉控制的同时改善了系统的无功补偿效果，使电压闪变现象得到改善。
Description
技术领域
本发明涉及电弧炉控制及无功补偿技术领域，特别涉及一种电弧炉控制装置。
背景技术
目前电弧炉非线性冲击负荷引起的电压波动与闪变一直是电能质量问题的一个重要方面。为解决配电系统的电能质量问题，通常采取在系统中加装无功补偿装置对造成电压波动的负荷无功进行补偿。
目前，电弧炉控制器一般采用PLC控制，SVC无功补偿装置应用于电弧炉负荷时，由于PLC一般内嵌的是标准协议如：DP、MODBUS等，不能与SVC设备直接通讯，SVC设备与电弧炉的控制系统各自采用独立控制，且PLC计算速度较慢，SVC设备控制器从电弧炉的控制系统中采集电弧炉，运行电网的电压电流信号，部分现场同时采集了电弧炉电流信号，通过计算实现相应的无功补偿，提高了冶金负荷的供电功率因数；在此情况下，电压波动得到抑制，但电压闪变改善有限，偶见有放大现象，特殊现场闪变指标不能达到电网电能质量的要求。
发明内容
为了解决背景技术中所述问题，本发明提供一种电弧炉控制装置，设计了一款高速控制单元，其CPU单元采用高速DSP芯片+CPLD芯片+FPGA芯片，用于高速运算和控制，同时自行设计的控制单元能够内嵌各种协议，可以与SVC直接进行通讯，提高整个系统的运算速度，与SVC进行通讯连接，方便了数据交互，在对电弧炉控制的同时改善了系统的无功补偿效果，使电压闪变现象得到改善。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种电弧炉控制装置，包括高速控制单元、输入信号转换单元、输出信号转换单元、开关量输入隔离单元、开关量输出隔离单元。
所述的高速控制单元包括电源模块、CPU模块、通讯模块、AI/AO模块和DI/DO模块，所述的CPU模块、通讯模块、AI/AO模块和DI/DO模块通过背板总线互相连接；AI/AO模块包括第一AI/AO模块和第二AI/AO模块，其中，第一AI/AO模块的AI端口连接输入信号转换单元，第二AI/AO模块的AO端口连接输出信号转换单元。
所述的DI/DO模块包括第一DI/DO模块和第二DI/DO模块，其中，第一DI/DO模块的DI接口连接开关量输入隔离单元，第二DI/DO模块的DO接口连接开关量输出隔离单元；
所述的通讯模块的以太网接口通过网络交换机分别与外部的SVC装置、PLC和工控机进行通讯连接。
所述的高速控制单元的第一AI/AO模块通过输入信号转换单元接收电弧炉的弧压信号、弧流信号、系统母线电压和油压反馈信号，第二AI/AO模块通过输出信号转换单元输出电弧炉电极升降比例阀控制信号，第一DI/DO模块通过开关量输入隔离单元接收电弧炉的电极限位、合闸信号、电弧变压器及电抗器状态信号，第二DI/DO模块通过开关量输出隔离单元输出用于控制电弧炉的电弧变压器档位信号和跳闸及事故报警信号。
所述的高速控制单元的CPU模块包括主控DSP芯片、CPLD芯片、FPGA芯片、总线接口芯片、ROM和RAM，主控DSP芯片、CPLD芯片和FPGA芯片端口互相连接，进行高速运算和控制，同时主控DSP芯片、CPLD芯片还通过总线接口芯片连接背板总线，通过背板总线与通讯模块、AI/AO模块和DI/DO模块进行数据交互，主控DSP芯片连接有ROM，主控DSP芯片和FPGA芯片均连接有RAM。
所述的高速控制单元的通讯模块包括两个互相连接的FPGA芯片，其中一个FPGA芯片与背板总线连接，通过背板总线与CPU模块进行数据交互，另一个FPGA芯片分别连接以太网接口芯片、485/232驱动芯片和CF卡，以太网接口芯片连接以太网接口，485/232驱动芯片连接多个485/232通讯接口。
所述的高速控制单元的AI/AO模块包括DSP芯片、CPLD芯片、FPGA芯片、总线接口芯片、ADC芯片、DAC芯片、ROM和RAM，DSP芯片、CPLD芯片和FPGA芯片端口互相连接，进行高速运算，同时DSP芯片、CPLD芯片还通过总线接口芯片连接背板总线，通过背板总线与CPU模块进行数据交互，CPLD芯片连接ADC芯片和DAC芯片，通过ADC芯片连接AI端口，通过DAC芯片连接AO端口。
所述的高速控制单元的DI/DO模块包括FPGA芯片、第一光电隔离芯片、第二光电隔离芯片和输出驱动芯片，FPGA芯片连接第一光电隔离芯片和第二光电隔离芯片，第一光电隔离芯片连接32位DI端口，第二光电隔离芯片连接输出驱动芯片，输出驱动芯片连接32位DO端口，同时FPGA芯片还与背板总线相连接，通过背板总线与CPU模块进行数据交互。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的一种电弧炉控制装置，设计了一款高速控制单元，其CPU单元采用高速DSP芯片+CPLD芯片+FPGA芯片，用于高速运算和控制，同时自行设计的控制单元能够内嵌各种协议，可以与SVC直接进行通讯，提高的整个系统的运算速度，与SVC进行通讯连接，方便了数据交互，在对电弧炉控制的同时改善了系统的无功补偿效果，使电压闪变现象得到改善。
2、本发明的一种电弧炉控制装置，可方便地与现有SVC控制系统进行通讯，实现无功功率预测补偿，有效抑制电弧炉闪变。
3、本发明的一种电弧炉控制装置，兼容性好，与PLC实现通讯，以最少的更换量替代现场运行的电弧炉控制系统。
附图说明
图1为本发明的一种电弧炉控制装置结构框图；
图2为本发明的一种电弧炉控制装置的高速控制单元的CPU模块电路结构图；
图3为本发明的一种电弧炉控制装置的高速控制单元的通讯模块电路结构图；
图4为本发明的一种电弧炉控制装置的高速控制单元的AI/AO模块电路结构图；
图5为本发明的一种电弧炉控制装置的高速控制单元的DI/DO模块电路结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，一种电弧炉控制装置，包括高速控制单元、输入信号转换单元、输出信号转换单元、开关量输入隔离单元、开关量输出隔离单元。
所述的高速控制单元包括电源模块、CPU模块、通讯模块、AI/AO模块和DI/DO模块，所述的CPU模块、通讯模块、AI/AO模块和DI/DO模块通过背板总线互相连接；AI/AO模块包括第一AI/AO模块和第二AI/AO模块，其中，第一AI/AO模块的AI端口连接输入信号转换单元的输出端，第二AI/AO模块的AO端口连接输出信号转换单元。
所述的DI/DO模块包括第一DI/DO模块和第二DI/DO模块，其中，第一DI/DO模块的DI接口连接开关量输入隔离单元，第二DI/DO模块的DO接口连接开关量输出隔离单元；
所述的通讯模块的以太网接口通过网络交换机分别与外部的SVC装置、PLC和工控机进行通讯连接。
所述的高速控制单元的第一AI/AO模块通过输入信号转换单元接收电弧炉的弧压信号、弧流信号、系统母线电压和油压反馈信号，第二AI/AO模块通过输出信号转换单元输出电弧炉电极升降比例阀控制信号，第一DI/DO模块通过开关量输入隔离单元接收电弧炉的电极限位、合闸信号、电弧变压器及电抗器状态信号，第二DI/DO模块通过开关量输出隔离单元输出用于控制电弧炉的电弧变压器档位信号和跳闸及事故报警信号。
所述的输入信号转换单元为常规使用的4-20mA/0-10V转换电路。由于高速控制单元的AI/AO模块的AI接口只能接收0-10V的标准电压信号，因此，输入的AI信号需经过转换才能接入。电弧炉的弧压信号、弧流信号同来自其它仪表(包括母线电压变送器、油压变送器等)的4-20mA标准电流信号一起经过输入信号转换单元，由输入信号转换单元将4-20mA标准电流信号转换成0-10V的电压信号，交给高速控制单元的AI/AO模块。
所述的输出信号转换单元为常规使用的0-10V/4-20mA转换电路。输出信号转换单元将标准输出的0-10V电压信号转换成4-20mA标准电流输出信号，输出给控制器，即用于控制电弧炉电极升降的液压比例阀。
所述的开关量输入隔离单元由光耦隔离芯片构成，所述的开关量输出隔离单元由继电器构成。
所述的高速控制单元的CPU模块中内嵌与SVC系统相同的通讯协议，可以与SVC系统直接通讯。
如图2所示，所述的高速控制单元的CPU模块包括主控DSP芯片、CPLD芯片、FPGA芯片、总线接口芯片、ROM和RAM，主控DSP芯片、CPLD芯片和FPGA芯片端口互相连接，进行高速运算和控制，同时主控DSP芯片、CPLD芯片还通过总线接口芯片连接背板总线，通过背板总线与通讯模块、AI/AO模块和DI/DO模块进行数据交互，主控DSP芯片连接有ROM，主控DSP芯片和FPGA芯片均连接有RAM。
图2中，74LVC4245、MAX3378E、SN65HVD230为总线接口芯片，J2为背板总线接口，ROM和RAM芯片均与主控DSP芯片相连接，同时RAM芯片还与FPGA芯片相连接。
如图3所示，所述的高速控制单元的通讯模块包括两个互相连接的FPGA芯片，其中一个FPGA芯片与背板总线连接，通过背板总线与CPU模块进行数据交互，另一个FPGA芯片分别连接以太网接口芯片、485/232驱动芯片和CF卡，以太网接口芯片连接以太网接口，485/232驱动芯片连接多个485/232通讯接口。
图3中，BLVDS为背板总线接口。
如图4所示，所述的高速控制单元的AI/AO模块包括DSP芯片、CPLD芯片、FPGA芯片、总线接口芯片、ADC芯片、DAC芯片、ROM和RAM，DSP芯片、CPLD芯片和FPGA芯片端口互相连接，进行高速运算，同时DSP芯片、CPLD芯片还通过总线接口芯片连接背板总线，通过背板总线与CPU模块进行数据交互，CPLD芯片连接有ADC芯片和DAC芯片，通过ADC芯片连接AI端口，通过DAC芯片连接AO端口。
图4中，74LVC4245、MAX3378E、SN65HVD230为总线接口芯片，J2为背板总线接口，ROM和RAM芯片均与主控DSP芯片相连接，同时RAM芯片还与FPGA芯片相连接。与ADC芯片相连接的DB1为AI接口，与DAC芯片相连接的DB2为AO接口。
如图5所示，所述的高速控制单元的DI/DO模块包括FPGA芯片、第一光电隔离芯片、第二光电隔离芯片和输出驱动芯片，FPGA芯片连接第一光电隔离芯片、第二光电隔离芯片，第一光电隔离芯片连接32位DI端口，第二光电隔离芯片连接输出驱动芯片，输出驱动芯片连接32位DO端口，同时FPGA芯片还与背板总线相连接，通过背板总线与CPU模块进行数据交互。
图5中，BLVDS为背板总线接口。
通讯模块连接网络交换机，实现高速互连通讯，与人机接口工控机进行信息交换，与现场原有PLC接口单元通讯，并实现与SVC无功补偿设备进行高速数据共享。
人机接口为工业用一体化工控机，可实现监视电弧炉运行状态、进行控制方式选择、控制参数设置下传，故障信息显示、历史数据查询等功能。
PLC接口可以兼容厂内原有控制系统的PLC操作控制，可通过通讯交互电弧炉变压器档位信息、操作指令信息、运行状态与方式信息等。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
Claims (6)
1.一种电弧炉控制装置，其特征在于，包括高速控制单元、输入信号转换单元、输出信号转换单元、开关量输入隔离单元、开关量输出隔离单元；
所述的高速控制单元包括电源模块、CPU模块、通讯模块、AI/AO模块和DI/DO模块，所述的CPU模块、通讯模块、AI/AO模块和DI/DO模块通过背板总线互相连接；AI/AO模块包括第一AI/AO模块和第二AI/AO模块，其中，第一AI/AO模块的AI端口连接输入信号转换单元，第二AI/AO模块的AO端口连接输出信号转换单元；
所述的DI/DO模块包括第一DI/DO模块和第二DI/DO模块，其中，第一DI/DO模块的DI接口连接开关量输入隔离单元，第二DI/DO模块的DO接口连接开关量输出隔离单元；
所述的通讯模块的以太网接口通过网络交换机分别与外部的SVC装置、PLC和工控机进行通讯连接。
2.根据权利要求1所述的一种电弧炉控制装置，其特征在于，所述的高速控制单元的第一AI/AO模块通过输入信号转换单元接收电弧炉的弧压信号、弧流信号、系统母线电压和油压反馈信号，第二AI/AO模块通过输出信号转换单元输出电弧炉电极升降比例阀控制信号，第一DI/DO模块通过开关量输入隔离单元接收电弧炉的电极限位、合闸信号、电弧变压器及电抗器状态信号，第二DI/DO模块通过开关量输出隔离单元输出用于控制电弧炉的电弧变压器档位信号和跳闸及事故报警信号。
3.根据权利要求1所述的一种电弧炉控制装置，其特征在于，所述的高速控制单元的CPU模块包括主控DSP芯片、CPLD芯片、FPGA芯片、总线接口芯片、ROM和RAM，主控DSP芯片、CPLD芯片和FPGA芯片端口互相连接，进行高速运算和控制，同时主控DSP芯片、CPLD芯片还通过总线接口芯片连接背板总线，通过背板总线与通讯模块、AI/AO模块和DI/DO模块进行数据交互，主控DSP芯片连接有ROM，主控DSP芯片和FPGA芯片均连接有RAM。
4.根据权利要求1所述的一种电弧炉控制装置，其特征在于，所述的高速控制单元的通讯模块包括两个互相连接的FPGA芯片，其中一个FPGA芯片与背板总线连接，通过背板总线与CPU模块进行数据交互，另一个FPGA芯片还分别连接有以太网接口芯片、485/232驱动芯片和CF卡，以太网接口芯片连接以太网接口，485/232驱动芯片连接多个485/232通讯接口。
5.根据权利要求1所述的一种电弧炉控制装置，其特征在于，所述的高速控制单元的AI/AO模块包括DSP芯片、CPLD芯片、FPGA芯片、总线接口芯片、ADC芯片、DAC芯片、ROM和RAM，DSP芯片、CPLD芯片和FPGA芯片端口互相连接，进行高速运算，同时DSP芯片、CPLD芯片还通过总线接口芯片连接背板总线，通过背板总线与CPU模块进行数据交互，CPLD芯片连接ADC芯片和DAC芯片，通过ADC芯片连接AI端口，通过DAC芯片连接AO端口。
6.根据权利要求1所述的一种电弧炉控制装置，其特征在于，所述的高速控制单元的DI/DO模块包括FPGA芯片、第一光电隔离芯片、第二光电隔离芯片和输出驱动芯片，FPGA芯片连接第一光电隔离芯片和第二光电隔离芯片，第一光电隔离芯片连接32位DI端口，第二光电隔离芯片连接输出驱动芯片，输出驱动芯片连接32位DO端口，同时FPGA芯片还与背板总线相连接，通过背板总线与CPU模块进行数据交互。
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