CN201616012U - 一种用于高压变频器模块化设计的主控制器装置 - Google Patents

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朱卫东
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于广
李艳萍
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Abstract

本实用新型涉及一种用于高压变频器模块化设计的主控制器装置，包括安装于机箱(1)内的母线板，还包括电源插件MPSU(2)、主处理器插件HVF-MCU(7)、模拟量采集插件DCAI(3)、模拟量输出插件AO(4)、数字量输入插件DI(6)、数字量输出插件DO(5)和人机界面HMI；所述的主处理器插件HVF-MCU(7)由Coldfire5275 CPU板件及CPU扩展板件插接而成。本装置在高压变频器的应用中配置灵活、响应速度快、运行稳定可靠，完全替代了进口的PLC系统。

Description

一种用于高压变频器模块化设计的主控制器装置
技术领域：本实用新型涉及一种用于高压变频器的主控制器装置，具体地说是一种采用模块化设计的用于高压变频器的主控制器装置。
背景技术：目前，国内高压变频器控制部分主要采用国外的PLC系统，PLC的优点是：稳定可靠、组态灵活、扩展方便、应用简单；但它的缺点也是很明显的，由于没有自主知识产权，对于它的应用也只能限定在业已规定的范围之内，对应用厂家灵活多变的生成工艺和特殊要求，受到极大的限制，已不能满足越来越高的自动化控制的要求，另外它的使用、维护成本较高，更新换代慢，而且无法满足系统对于特殊功能扩充的要求。
实用新型内容：本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种用于高压变频器模块化设计的主控制器装置，提升系统的技术水平和运行可靠性、灵活性，提高设备运行效率，降低维修费用。
本实用新型的技术方案如下：
一种用于高压变频器模块化设计的主控制器装置，包括安装于机箱内的母线板，还包括电源插件MPSU、主处理器插件HVF-MCU、模拟量采集插件DCAI、模拟量输出插件AO、数字量输入插件DI、数字量输出插件DO和人机界面HMI；其特征在于：所述的电源插件MPSU、主处理器插件HVF-MCU、模拟量采集插件DCAI、模拟量输出插件AO、数字量输入插件DI、数字量输出插件DO前端连接信号线，后端分别通过插接件与母线板连接；模拟量采集插件DCAI、模拟量输出插件AO、数字量输入插件DI、数字量输出插件DO通过母线板上的三总线与主处理器插件HVF-MCU信号连接；所述的人机界面HMI通过接口与主处理器插件HVF-MCU连接。
所述的主处理器插件HVF-MCU采用CF卡存储数据和录波。
本实用新型的积极效果在于：
(1)、本实用新型采用模块化的设计思想，按照功能在硬件上对主控制器进行划分，把系统要求的基本功能(或固定功能)，包括通讯接口、数据存储管理、控制算法、逻辑算法、时间管理、软件程序等做成一种基本MCU插件，其它可变数量的I/O量按照不同功能兼顾信号量配置要求，做成不同功能的标准插件，每种插件按照“插件类型+地址”的识别模式，通过母线板上的电源及三总线(地址线、数据线、控制线)与主处理器插件HVF-MCU相连。利于系统根据工程要求随意组合，满足不同工程现场的要求。完全替代国外进口的PLC系统。
(2)、当系统某一部分有故障或者需要升级时，可以准确定位，只需更换相应功能插件即可，不需全部更换整个主控制器，使用户的利益最大化。
(3)、标准的总线定义将使系统扩充变得容易、经济。当需要增加新的功能时，只需按照总线定义标准，做成新的功能插件，插入母线板加入驱动软件，系统就可自动识别，便于系统新加功能的扩充。
(4)、系统EMC指标可以完全按照工业A级标准进行设计，在稳定可靠性方面得到提升。本装置具有超强的电磁兼容抗干扰性能，在国家电控配电设备质量监督检验中心的测试中，国家变频器行业标准要求为3级。
(5)、主处理器插件HVF-MCU采用CF卡存储数据和录波，存储的数据可以文件方式保存还能以图形方式显示。
附图说明：图1为主控制器的系统原理图。
图2为实用新型的外观结构图。
图3为Coldfire5275CPU板件的框架电路图。
图4为Coldfire5275CPU板件的电源电路原理图。
图5-1为Coldfire5275CPU板件的以太网电路原理图(一)。
图5-2为Coldfire5275CPU板件的以太网电路原理图(二)。
图6-1为Coldfire5275CPU板件的内存电路原理图(一)。
图6-2为Coldfire5275CPU板件的内存电路原理图(二)。
图7-1为Coldfire5275CPU板件的CPU电路原理图(一)。
图7-2为Coldfire5275CPU板件的CPU电路原理图(二)。
图8为Coldfire5275CPU板件的时钟电路原理图。
图9为CPU的扩展板件的串口电路原理图。
图10-1为CPU的扩展板件的CPU电路原理图(一)。
图10-2为CPU的扩展板件的CPU电路原理图(二)。
图11-1为模拟量输出插件AO的电路原理图(一)。
图11-2为模拟量输出插件AO的电路原理图(二)。
图12-1为模拟量采集插件DCAI的电路原理图(一)。
图12-2为模拟量采集插件DCAI的电路原理图(二)。
图12-3为模拟量采集插件DCAI的电路原理图(三)。
图13-1为数字量输入插件DI的电路原理图(一)。
图13-2为数字量输入插件DI的电路原理图(二)。
图14-1为数字量输出插件DO的电路原理图(一)。
图14-2为数字量输出插件DO的电路原理图(二)。
图15-1为母线板的电路原理图(一)。
图15-2为母线板的电路原理图(二)。
图15-3为母线板的电路原理图(三)。
图16为电源插件MPSU的电路原理图。
具体实施方式：下面结合附图对本实用新型做进一步描述。
如图1、2所示，本装置采用总线式插槽结构，插件按功能模块化结构设计，包括安装于机箱1内的母线板，母线板上插接电源插件MPSU 2、主处理器插件HVF-MCU 7、模拟量采集插件DCAI 3、模拟量输出插件AO 4、数字量输入插件DI 6、数字量输出插件DO 5，其它插件视系统需要再进行定义。其中除了电源插件MPSU 2、主处理器插件HVF-MCU 7占有固定插槽外，其它插件位置不需固定。系统内插件数量根据现场信号量的种类和数量灵活配置。所有插件都采用前出线，后母线的形式。前端为现场信号线(所谓的强电)，后端为系统内的控制线(所谓的弱电)，如数据线、地址线、控制线、电源等。这样从物理结构上就对系统进行了隔离，使系统具有良好的EMC能力。人机界面HMI通过接口与主处理器插件HVF-MCU 7连接。虚线框内是包含在高压变频器系统的其它子系统DCS、上位机等.通过接口或以太网与主处理器插件
HVF-MCU 7通讯。
各个插件功能描述如下：
主处理器插件HVF-MCU 7由两块板件插接而成，其中一块是Coldfire5275CPU板件，如图3-8所示，该板上集成32位MCU、程序存储芯片、数据存储介质、时钟管理芯片、看门狗、通讯接口芯片、总线驱动和管理芯片、插件驱动管理逻辑、电源变换芯片、系统所有软件等。另一块为CPU的扩展板件，如图9-图10-2所示，其主要完成译码逻辑、数据/地址控制线驱动、接口驱动等功能。主处理器插件HVF-MCU 7还包含4个串口，两个100M工业以太网，采用EEPROM、CF卡等存储设备。主要完成整个系统的控制、逻辑处理、通讯接口管理、时钟管理、任务调度、数据记录查询等功能。
如图13-1-图13-2所示，数字量输入插件DI 6：板上集成了总线驱动和接口芯片、输入信号滤波器件、光电隔离器件、电阻、电容、压敏电阻保护器件等。电压等级为24V(如果高于24V可外接光隔转换端子)，每块16路。主要完成现场开关信号的采集输入。
如图14-1-图14-2所示，数字量输出插件DO 5：板上集成了总线驱动和接口芯片、输出信号驱动器件、继电器等主要完成开关量信号的输出，所有节点为独立式常开节点，可以按照脉冲(时间可设)或电平方式输出。每块8路。
如图12-1-图12-3所示，模拟量采集插件DCAI 3：板上主要有电源变换器件、总线驱动和接口芯片、A/D转换器、运放、光电隔离器件、多路开关、保护器件等。8路双端直流模拟量输入，支持电压/电流方式，并可以通过跳线设置。电压0-10V、电流0-20mA/4-20mA。主要完成把现场模拟信号量转换成主处理器插件HVF-MCU 7能够接受的数字信号量，通过母线板上的QSPI总线传给主处理器插件HVF-MCU 7。
如图11-1-图11-2所示，模拟量输出插件AO 4：板上主要有电源变换器件、总线驱动和接口芯片、D/A转换器、运放、光电隔离器件、保护器件等。8路直流输出，可同时输出4路0-10V电压、4路4-20mA电流。电流负载能力500欧。主要完成数字量/模拟量的转换。即主处理器插件HVF-MCU 7通过母线板上QSPI总线，把需要输出的信号量通过数字形式传至模拟量采集插件DCAI 3，通过D/A变换输出模拟信号量。
人机界面HMI：为触摸式液晶显示屏，通过标准的RS232接口与主处理器插件HVF-MCU 7相连，所有人机交互动作都由此插件在主处理器插件HVF-MCU 7的控制下完成，用于变频的控制、状态监视，及参数设置和维护。
如图16所示，电源插件MPSU 2：板上集成了电源模块，保险、开关、滤波器件等。主要将DC24V变换为系统所需要的+5V电源。
如图15-1-图15-3所示，母线板：系统内部定义的总线标准，信号属性符合ISA总线标准。不同的插件遵循相同的总线接口定义，每种相同插件最多可配置8个。板上集成了板件连接插座，母线匹配器、电源线、数据线、地址线、控制线、QSPI总线等信号线。主要完成信息的连接和转接功能。
COM4是带隔离标准的RS232接口，负责与单元控制器通讯，DCS发出的命令经主处理器插件HVF-MCU中的主控制器发送给单元控制器，完成控制功率单元的工作，同时将单元控制器和功率单元的所有信息，通过此串口发送到主控制器进行处理。
COM3是带隔离标准的RS232接口，负责与人机界面HMI通讯，人机界面HMI是本地操作的人机接口，采用中(英)文界面，通过它可以方便的对变频器进行操作和进行参数设置，同时可以方便地查询事项记录、操作记录、历史数据、实时数据，系统时钟等各种信息。
COM2是带隔离标准的RS485接口，以Modubs或Profibus等协议与DCS通讯，这种方式这样既可以节省DCS的I/O模块和大量电缆，又可提高通信稳定性。
另外主处理器插件HVF-MCU 7插件还配备了两个10M/100M工业以太网，以太网1用于系统自身的维护接口，以太网2可以用于上位机的通讯。
所有插件模块化设计，除主处理器插件HVF-MCU 7、母线板、电源插件MPSU 2是唯一的外，其它插件均按照“插件类型+地址”模式进行识别，各自独立的程序模块代码，针对通讯接口，分别设计相应通讯协议，可以进行扩充，每类插件最大扩充数量为8个。
主处理器插件HVF-MCU 7中的主控制器采用Vxworks嵌入式实时多任务操作系统，运用优先级抢占和时间片轮询的调度策略，控制系统程序的执行。
整个系统工作方式可以描述为，主控制器在主处理器插件HVF-MCU 7的控制下，主要通过数字量输入插件DI 6采集系统开关量输入状态，以及由DCS通过I/O硬接口发出的命令；通过数字量输出插件DO 5输出控制开关量信号，向DCS反馈系统运行状态；通过模拟量采集插件DCAI 3采集系统由DCS给出的频率(模拟信号量)，以及单元柜、变压器温度等模拟信号；通过模拟量输出插件AO 4将系统运行频率、电流、电压、功率等变换成模拟信号反馈给DCS。
为了在工业现场使高压变频器主控制器的性能得到充分发挥和利用，在高压变频器主控制器内置了符合IEC61131-3标准的PLC功能，以及成套控制逻辑、和各种算法，可以高效地处理输入输出信号。同时为了满足不同用户的需求，还集成了可以选择的100多种通讯规约，方便了用户现场接口要求。
本装置中的上述功能插件既可单独使用，也可组合使用。真正体现了配置灵活，组合方便的特点。本装置的模块化结构设计应用在高压变频器行业，运用高性能微处理器，软件上采用VxWorks嵌入式实时多任务操作系统.主控制器单元以其超强的电磁兼容抗干扰性能，实时快速的事件处理能力、运算能力、通信能力，配合以实时多任务操作系统的调度，使其在高压变频器的应用中配置灵活、响应速度快、运行稳定可靠，完全替代了进口的PLC系统.此系统已经在DF5000高压变频器系统中得到了应用，同时也可以在其它工业应用领域得到广泛的应用。

Claims (2)

1.一种用于高压变频器模块化设计的主控制器装置，包括安装于机箱(1)内的母线板，还包括电源插件MPSU(2)、主处理器插件HVF-MCU(7)、模拟量采集插件DCAI(3)、模拟量输出插件AO(4)、数字量输入插件DI(6)、数字量输出插件DO(5)和人机界面HMI；其特征在于：所述的电源插件MPSU(2)、主处理器插件HVF-MCU(7)、模拟量采集插件DCAI(3)、模拟量输出插件AO(4)、数字量输入插件DI(6)、数字量输出插件DO(5)前端连接信号线，后端分别通过插接件与母线板连接；模拟量采集插件DCAI(3)、模拟量输出插件AO(4)、数字量输入插件DI(6)、数字量输出插件DO(5)通过母线板上的三总线与主处理器插件HVF-MCU(7)信号连接；所述的人机界面HMI通过接口与主处理器插件HVF-MCU(7)连接，所述的主处理器插件HVF-MCU(7)由Coldfire5275CPU板件及CPU扩展板件插接而成。
2.如权利要求1所述的用于高压变频器模块化设计的主控制器装置，其特征在于：主处理器插件HVF-MCU(7)采用CF卡存储数据和录波。
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