CN110768323B - 一种脉冲源高压充电自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高压充电自动控制系统，包括：人机交互单元、调压器单元、高压变压器单元、警铃、机柜单元、屏蔽室，还包括自动控制功能实现单元、电压信号采集单元、电磁防护单元、通信单元、接地保护单元；本发明通过PLC模块(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)自动控制并监控整套高压充电系统，实现对脉冲源高压充电过程的远程自动控制和状态监控；通过采用综合电磁防护设计和反馈控制算法，保证了系统的抗电磁干扰能力和充电自动控制精度。

Description

一种脉冲源高压充电自动控制系统

技术领域：

本发明属于高压自动控制领域，具体涉及一种脉冲源高压充电自动控制系统。

技术背景：

脉冲源高压充电控制系统是控制高压直流电源给脉冲源进行充电的系统。国内高压直流电源发展相对成熟，基于PLC的控制系统在冶金、化工、机械制造等领域有着广泛应用，但是目前没有在公开发表的文献专利资料中发现针对于大型高压特种脉冲源的高压充电自动控制系统相关的资料。特种脉冲源对自动充电控制系统有着特殊要求，充电自动控制系统除了满足实现充电功能这一基本要求外，一方面需要具备在强电磁辐射环境工作的能力，另一方面还需保证操作人员免受强电磁辐射损伤。目前市场上的高压直流电源虽然能输出满足脉冲源充电需求的直流高压，但不具备抗强电磁干扰能力，也没有成熟的远程自动控制解决方案。

为满足给脉冲源高压充电的特殊要求，脉冲源高压充电自动控制系统高压输出端需要位于脉冲源附近的特定位置。脉冲源充电完成并触发后将产生强电磁辐射，故系统高压输出端将处于强电磁辐射环境中。为保证人员设备安全，系统控制端需要位于屏蔽室等安全环境中以实现操作人员对脉冲源充电过程的远程控制及状态监测。这就要求系统具备较强的抗电磁干扰能力，且能实现精确远程控制。

发明内容：

本发明的目的是解决处于强电磁辐射环境中的脉冲源高压充电自动控制系统如何设计的技术问题。

为解决上述技术问题提出如下技术方案：

本发明提供了一种高压充电自动控制系统，通过PLC模块(Programmable LogicController，可编程逻辑控制器)自动控制并监控整套高压充电系统，实现对脉冲源高压充电过程的远程自动控制和状态监控；通过采用综合电磁防护设计和反馈控制算法，保证了系统的抗电磁干扰能力和充电自动控制精度。

一种脉冲源高压充电自动控制系统，包括：人机交互单元(1)、调压器单元(3)、高压变压器单元(4)、警铃(9)、机柜单元(10)、屏蔽室(11)，其特征在于，还包括自动控制功能实现单元(2)、电压信号采集单元(5)、电磁防护单元(6)、通信单元(7)、接地保护单元(8)；

其中，自动控制功能实现单元(2)、调压器单元(3)、电压信号采集单元(5)中的低压采集单元、电磁防护单元(6)及通信单元(7)集成安装于室内机柜(101)中；人机交互单元(1)和室内机柜(101)位于屏蔽室(11)内；高压变压器单元(4)、电压信号采集单元(5)中的高压采集单元、接地保护单元(8)集成安装于室外机柜(102)中，室外机柜(102)和警铃(9)位于室外；

其中，人机交互单元用于操作人员对充电过程进行控制和状态监测；自动控制功能实现单元用于接收处理人机交互单元、电压信号采集单元的指令信息，实现对调压器单元、接地保护单元、警铃的控制；调压器单元根据自动控制功能单元指令对高压变压器单元原边电压进行控制调整；高压变压器单元对调压器单元的输出电压进行放大整流后输出至脉冲源充电端口；电压信号采集单元对调压器单元、高压变压器单元输出电压进行采集处理后传送给自动控制功能实现单元；电磁防护单元对系统的供电线路、信号线路进行电磁安全防护；通信单元用于自动控制功能实现单元与人机交互单元、电压信号采集单元、接地保护单元、警铃之间的指令、数据通信；接地保护单元用于高压变压器单元输出端的接地；警铃用于高压充电过程中的安全警示；机柜单元用于系统集成安装和系统防护；屏蔽室用于操作人员和室内机柜的安全防护。

进一步，人机交互单元包括有：控制软件和工业计算机。控制软件用于充电过程远程控制和监测；工业计算机用于控制软件运行和指令下发。

进一步，自动控制功能实现单元包括有：PLC模块、AD转换模块、DA转换模块、继电器、接触器等。PLC模块用于所有指令信息、采集数据的实时逻辑处理；AD/DA转换模块用于模拟量和数字量之间的转换；继电器等用于执行PLC下发的控制指令并对外部执行器件进行进一步控制。

进一步，调压器单元包括有：步进电机和单圈自耦调压器；步进电机根据继电器、接触器命令动作带动调压器电刷；单圈自耦式调压器输出电压作为变压器的输入电压。

进一步，高压变压器单元包括有：交流升压变压器、整流硅堆及限流电阻；变压器对调压器输入电压进行升压后经整流硅堆变成2路直流高压；限流电阻对高压直流分压限流。

进一步，电压信号采集单元包括有：低压采集单元、高压采集单元。低电压采集单元采集调压器输出电压(变压器输入电压)作为自动升压过程中的电压调节反馈信号；高压采集单元采集变压器输出电压，作为自动升压过程的监测信号。

进一步，电磁防护单元包括有：电源线路防护单元和信号线路防护单元。电源线路防护单元用于供电电路的电磁防护；信号线路防护单元用于信号线缆的电磁防护；空间防护单元通过空间结构设计实现空间电磁防护。

进一步，通信单元包括有：RS232通信模块、光纤、电缆等。RS232通信模块用于计算机下发指令；光纤用于人机交互单元和自动控制功能实现单元之间的隔离通信；电缆用于电压信号采集单元、调压器与自动控制功能实现单元之间的通信。

进一步，接地保护单元包括有：电动空压机、机械气缸结构单元、接地电极电路。电动空压机为机械气缸提供恒定的气压；机械气缸机构单元用于带动接地电极的离、合；接地电极电路用于变压器输出端的接地引流。

本发明的有效收益如下：

1、本发明提供了一种脉冲源高压充电自动控制系统，有效解决了特种脉冲源高压充电控制心系统的设计难题。

2、本发明通过基于PLC的自动控制模块实现了高压充电电压控制和监测。由于高压充电自动控制系统由人机交互单元、自动控制功能实现单元、调压器单元、高压变压器单元、电压信号采集单元、电磁防护单元、通信单元、接地保护单元、警铃、机柜单元、屏蔽室等组成，实现了系统对脉冲源高压充电过程的远程自动控制和电压值监测。

3、本发明采用了可靠的电磁防护设计，使系统具备在强电磁辐射环境中工作的能力；

4、由于采用了科学的充电反馈调节控制算法，保证了系统充电控制精度、提高了充电过程自动化程度。

附图说明：

图1为本发明提供的一种脉冲源高压充电自动控制系统整体的方框示意图；

图2为本发明提供的一种脉冲源高压充电自动控制系统的机柜布局示意图；

图3为本发明提供的一种脉冲源高压充电自动控制系统的电源线路电磁防护示意图；

图4为本发明提供的一种脉冲源高压充电自动控制系统的信号线路电磁防护示意图；

图5为本发明提供的一种脉冲源高压充电自动控制系统的高压变压器单元示意图。

其中，1-人机交互单元、2-自动控制功能实现单元、3-调压器单元、4-高压变压器单元、5-电压信号采集单元、6-电磁防护单元、7-通信单元、8-接地保护单元、9-警铃、10-机柜单元、11-屏蔽室、21-PLC模块、22-AD转换模块、23-DA转换模块、24-接触器、25-继电器、32-交流调压器、41-交流变压器、42-正向硅堆、43-反向硅堆、44-限流电阻、611-电涌保护器、612-隔离变压器、613-电源滤波器、614-开关模式电源、621-模拟量隔离模块、622-晶体管隔离放大器、72-通讯转换器、73-光纤、74-电缆、101-室内机柜、102-室外机柜、103-金属管

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种高压充电自动控制系统，通过PLC模块自动控制并监控整套高压充电系统，实现了对脉冲源高压充电过程的远程自动控制和状态监控；通过采用综合电磁防护设计和反馈控制算法，保证了系统的抗电磁干扰能力和充电自动控制精度。

本发明提供的一种脉冲源高压充电自动控制系统，通过以PLC为核心的自动控制功能实现单元控制和监控系统工作过程，如图1所示，包括：人机交互单元(1)、自动控制功能实现单元(2)、调压器单元(3)、高压变压器单元(4)、电压信号采集单元(5)、电磁防护单元(6)、通信单元(7)、接地保护单元(8)、警铃(9)、机柜单元(10)、屏蔽室(11)。人机交互单元(1)用于操作人员对充电过程进行控制和状态监测；自动控制功能实现单元(2)用于接收处理人机交互单元(2)、电压信号采集单元(5)的信息，实现对调压器单元(3)、接地保护单元(8)、警铃(9)的控制；调压器单元(3)根据自动控制功能实现单元(2)指令对高压变压器单元(4)原边电压进行控制调整；高压变压器单元(4)对调压器单元(3)的输出电压进行放大整流后输出至脉冲源充电端口；电压信号采集单元(5)对调压器单元(3)、高压变压器单元(4)输出电压进行采集处理后传送给自动控制功能实现单元(2)；电磁防护单元(6)对系统的供电线路、信号线路进行电磁安全防护；通信单元(7)用于自动控制功能实现单元(2)与人机交互单元(1)、电压信号采集单元(5)、电磁防护单元(6)、接地保护单元(8)、警铃(9)之间的指令、数据通信；接地保护单元(7)用于高压变压器单元(4)输出端的接地；警铃(9)用于高压充电过程中的安全警示；机柜单元(10)用于系统集成安装和系统防护；屏蔽室(11)用于操作人员和系统控制端安全防护。

其中，人机交互单元(1)包括子模块有：控制软件(011)和工业计算机(012)。控制软件(011)用于充电过程远程控制和监测，控制功能有：目标电压值设置、禁用/启用切换、接地、警铃、高压通/断、自动模式/手动模式切换、手动升压/降压等，显示监测信息有：预设充电电压值、实际充电电压值、原边电压值、高压状态指示、电压零位指示、通讯测试状态指示、接地状态指示等；控制软件采用反馈控制算法，通过“原边电压值”和“预设充电电压值”之间的数字量比较实现了电压的精确反馈调节。工业计算机(012)用于控制软件(011)运行和指令下发。

如图4所示，自动控制功能实现单元(2)包括有：PLC模块(21)、AD转换模块(22)、DA转换模块(23)继电器(24)、接触器(25)等。PLC模块(21)用于所有输入信息的处理并控制输出信息；转换模块(22)用于模拟量和数字量之间的转换；继电器(23)、接触器(24)根据PLC模块(21)下发的控制指令对调压器进行控制用于实现对变压器原边电压(输入电压)的控制。

PLC模块(21)需要处理的输入信息有：人机交互单元(1)所有的控制功能信号和电压采集单元的电压信号；PLC模块(21)需要控制的输出信息有：人机交互单元(1)所有的显示监测信息、人机交互单元(1)所有的控制功能响应信号、控制调压器电机动作的自动升压反馈调节信号。

调压器单元(3)包括有：单向同步电机(31)和交流调压器(32)；单向同步电机(31)根据继电器(24)、接触器(25)命令动作带动调压器电刷；交流式调压器)(32)输出电压作为高压变压器单元(4)的输入电压。

如图5所示，高压变压器单元(4)包括有：交流升压变压器(41)、正向整流硅堆(42)、反向整流硅堆)(43)及限流电阻(44)；交流升压变压器(41)对调压器单元(3)输入电压进行升压后经整流硅堆(42)变成2路直流高压；限流电阻(43)对高压直流分压限流。

电压信号采集单元(5)包括有：低压采集单元、高压采集单元。低电压采集单元采集调压器输出电压(变压器输入电压)作为自动升压过程中的电压调节反馈信号；高压采集单元采集高压变压器单元(4)输出电压，作为自动升压过程的监测信号。

电磁防护单元(6)包括有：电源线路防护单元(61)、信号线路防护单元(62)。电源线路防护单元(61)用于供电电路的电磁防护；信号线路防护单元(62)用于信号线缆的电磁防护。

如图3所示，电源线路防护单元(61)包括有：电泳保护器(611)、隔离变压器(612)、电源滤波器(613)、开关模式电源(614)。电泳保护器(611)用于对尖峰电流(电压)的导通分流，隔离变压器(612)用于隔离电源与负载，电源滤波器(613)用于消除线路中其他频率的电压信号，源开关模式电源(614)用于将220V交流市电转换为24V直流电，通过上述手段保证了电源线路中不会耦合干扰电压。

信号线路防护单元(62)包括有：模拟量隔离模块(621)和晶体管隔离放大器(622)。模拟量隔离模块(621)要用于消除PLC模块输入信号线路中的尖峰脉冲干扰，晶体管隔离放大器用于防止外部干扰进入PLC模块，通过上述措施保证了PLC模块不受外界电磁干扰。

通信单元(7)包括有：RS232通讯线(71)、通信转换器(72)、光纤(73)、电缆(74)。RS232通信线(71)用于计算机(012)、PLC模块(21)和通讯转换器之间的通信；光纤通信用于人机交互单元(1)和自动控制功能实现单元(2)之间的通信，并实现了两者之间的电隔离，保证了人员设备安全；电缆(74)用于自动控制功能实现单元(2)和电压信号采集单元(5)、调压器单元(3)之间的通信。

接地保护单元(8)包括有：电动空压机、机械气缸结构单元、接地电极电路。电动空压机为机械气缸提供恒定的气压；机械气缸机构单元用于带动接地电极的离、合；接地电极电路用于变压器输出端的接地引流。机械气缸接地装置相比于一般继电器控制的接地装置具有更高的可靠性；且在未充气状态下处于常接地状态，故在出现故障时能保持接地状态，增加了安全系数。

如图2所示，室内机柜(101)和室外机柜(102)之间的连接电缆布设于深埋于地下的金属管(103)中，以防止在强磁场环境中产生耦合电流。

本发明提供的一种脉冲源高压充电自动控制系统的工作过程为：首先，系统上电后，警铃(9)响起，控制功能实现单元(2)将与人机交互单元(1)、调压器单元(3)、高压变压器单元(4)、电压信号采集单元(5)、接地保护单元(8)之间持续进行数据通信检测，并将通信连接状态、接地状态显示于人机交互单元(1)。其次，当接地断开充电开始后，自动升压模式下，PLC模块将对预设目标电压值和电压信号采集单元(5)采集的原边电压值不断进行比较，同时将反馈控制信号输出至继电器、接触器等执行器件用来控制调压器单元(3)进行升压操作，当实际充电电压值接近预设目标电压值时，PLC模块对调压器单元(3)的反馈调节控制速度将变缓且升压步幅将降低以实现对电压的精确控制，当实际充电电压达到预设目标电压值后升压停止、电压保持恒定，等待脉冲源触发。升压过程中预设充电电压值、正(负)回路充电电压值、原边电压值、高压状态指示、电压零位指示、通讯测试状态指示、接地状态等信息将显示于人机交互单元(1)上。为防止自动控制功能失效，系统具备手动控制升压的功能，由操作人员控制升压替代系统反馈调节控制升压，提高了系统可靠性。

采用控制软件作为控制操作界面提升了控制便利性和控制精度。控制软件具有丰富的控制功能和显示功能，具备自动控制和手动控制两种控制模式，且设计了充电反馈调节算法，提高了系统控制的便利性、可靠性和精度。

采用“原边电压”作为与“预设充电电压值”进行比较的参数保证了反馈调节的精度。理论上原边电压值(变压器输入电压值)和实际充电电压值(变压器输出电压值)均可作为电压比较参数，但由于实际充电电压为高压，高压信号测量误差较大，因此选用低压“原边电压”作为比较参数，减小了因高压测量误差带来的影响，提高了系统充电控制精度。

采用电磁防护器件设计提高了系统核心部件的可靠性。通过在电源线路、信号线路中加装防护器件避免了自动控制功能实现单元受到外界电磁干扰的影响，提高了系统可靠性。

采用两个机柜分离布放的设计降低了电磁防护设计的困难。室内机柜位于屏蔽室内，室外机柜位于脉冲源轴线上，两机柜之间通过深埋于地下金属管中的连接电缆进行通信；对电磁干扰敏感的核心部件位于安全的室内机柜，室外机柜只包对电磁干扰不太敏感的必要部件，这大大降低了电磁防护设计困难，保证了系统在强电磁辐射环境中正常工作的能力。

采用气缸接地设计提高了接地控制可靠性。机械接地气缸相比于一般继电器接地结构具有更好的抗电磁干扰能力，这保证了接地控制的可靠性，增加了安全系数。

综上所述，本发明提供了一种高压充电自动控制系统，通过PLC模块自动控制并监控整套高压充电系统，实现了对脉冲源高压充电过程的远程自动控制和状态监控；通过采用综合电磁防护设计和反馈控制算法，保证了系统的抗电磁干扰能力和充电自动控制精度，满足了为脉冲源进行高压充电控制的要求。系统可在幅值为20kV/m的电磁脉冲环境中正常工作，电压调节误差小于1.5％。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种脉冲源高压充电自动控制系统，其特征在于，包括人机交互单元(1)、自动控制功能实现单元(2)、调压器单元(3)、高压变压器单元(4)、电压信号采集单元(5)、电磁防护单元(6)、通信单元(7)、接地保护单元(8)、机柜单元(10)、屏蔽室(11)；

其中，机柜单元(10)包括室内机柜(101)和室外机柜(102)，自动控制功能实现单元(2)、调压器单元(3)、电压信号采集单元(5)中的低压采集单元、电磁防护单元(6)及通信单元(7)集成安装于室内机柜(101)中；人机交互单元(1)和室内机柜(101)位于屏蔽室(11)内；高压变压器单元(4)、电压信号采集单元(5)中的高压采集单元、接地保护单元(8)集成安装于室外机柜(102)中，室外机柜(102)位于室外；

人机交互单元(1)用于操作人员对充电过程进行控制和状态监测；

自动控制功能实现单元(2)用于接收处理人机交互单元、电压信号采集单元的指令信息，实现对调压器单元(3)、接地保护单元(8)的控制；

调压器单元(3)用于根据自动控制功能单元指令对高压变压器单元原边电压进行控制调整；

高压变压器单元(4)用于对调压器单元的输出电压进行放大整流后输出至脉冲源充电端口；

电压信号采集单元(5)用于对调压器单元(3)、高压变压器单元(4)输出电压进行采集处理后传送给自动控制功能实现单元(2)；

电磁防护单元(6)用于对系统的供电线路、信号线路进行电磁安全防护；

通信单元(7)用于自动控制功能实现单元(2)与人机交互单元(1)、电压信号采集单元(5)、电磁防护单元(6)、接地保护单元(8)之间的指令、数据通信；

接地保护单元(8)用于高压变压器单元(4)输出端的接地；

机柜单元(10)用于系统集成安装和系统防护；

屏蔽室(11)用于操作人员和系统控制端的安全防护；

所述的高压变压器单元(4)还包括交流升压变压器、整流硅堆及限流电阻；变压器对调压器输入电压进行升压后经整流硅堆变成2路直流高压；限流电阻对高压直流分压限流。

2.根据如权利要求1所述的一种脉冲源高压充电自动控制系统，其特征在于，所述的人机交互单元(1)还包括有控制软件和工业计算机；控制软件用于充电过程远程控制和监测；工业计算机用于控制软件运行和指令下发。

3.根据如权利要求1所述的一种脉冲源高压充电自动控制系统，其特征在于，所述的自动控制功能实现单元(2)还包括PLC模块、AD转换模块、DA转换模块、继电器、接触器；PLC模块用于所有指令信息、采集数据的实时逻辑处理；AD/DA转换模块用于模拟量和数字量之间的转换；继电器、接触器用于执行PLC下发的控制指令并对外部执行器件进行进一步控制。

4.根据如权利要求1所述的一种脉冲源高压充电自动控制系统，其特征在于，所述的调压器单元(3)还包括步进电机和单圈自耦调压器；步进电机根据继电器、接触器命令动作带动调压器电刷；单圈自耦式调压器输出电压作为变压器的输入电压。

5.根据如权利要求1所述的一种脉冲源高压充电自动控制系统，其特征在于，所述的电压信号采集单元(5)还包括低压采集单元、高压采集单元；低电压采集单元采集调压器输出电压作为自动升压过程中的电压调节反馈信号；高压采集单元采集变压器输出电压，作为自动升压过程的监测信号。

6.根据如权利要求1所述的一种脉冲源高压充电自动控制系统，其特征在于，所述的电磁防护单元(6)还包括电源线路防护单元和信号线路防护单元及空间防护单元；电源线路防护单元用于供电电路的电磁防护；信号线路防护单元用于信号线缆的电磁防护；空间防护单元通过空间结构设计实现空间电磁防护。

7.根据如权利要求1所述的一种脉冲源高压充电自动控制系统，其特征在于，所述的通信单元(7)还包括有：RS232通信模块、光纤、电缆；RS232通信模块用于计算机下发指令；光纤用于人机交互单元和自动控制功能实现单元之间的隔离通信；电缆用于电压信号采集单元、调压器与自动控制功能实现单元之间的通信。

8.根据如权利要求1所述的一种脉冲源高压充电自动控制系统，其特征在于，所述的接地保护单元(8)还包括电动空压机、机械气缸结构单元、接地电极电路；电动空压机为机械气缸提供恒定的气压；机械气缸机构单元用于带动接地电极的离、合；接地电极电路用于变压器输出端的接地引流。

9.根据如权利要求1-8任一权利要求所述的一种脉冲源高压充电自动控制系统，其特征在于，还包括安装于室外的警铃(9)，用于高压充电过程中的安全警示。

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