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网络控制技术在大功率整流设备中的应用
jiang_0514 发表于 2009/8/20 13:25:55 954 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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作者： 来源：输配电产品应用开关卷 总第78期
长沙有色冶金设计研究院 赖超 徐婷
摘要：本文介绍了微处理器的特点、网络控制技术在整流控制中的应用及网络控制器的发展趋势。
大功率整流设备是有色金属电解行业的重要设备，其可靠性要求非常高。随着整流技术的发展，整流装置也发生了巨大的变化，其主回路由早期的二极管发展到现在的可控硅，控制系统也由模拟控制系统发展到现在的全数字控制系统。近几年来随着电解规模的越来越大，网络控制系统已经开始使用，实现一个岗位控制数台整流控制器的功能。
1整流设备控制技术的发展现状
大功率整流设备控制技术的发展和其他控制技术的发展是一样的，它经历了分离元件的控制器、小规模集成电路的控制器、较大规模集成电路的控制器、以单片机为基础的控制器和基于网络控制技术的控制器。具体大功率整流设备的控制器发展过程可以参见以下框图。
目前大功率整流设备控制器的应用现状是模拟调节器与西门子的785触发器、锁相环触发器、单片机触发器组成的控制器占总应用控制器的75%～85%。而真正意义的网络控制器只占不到10%的应用量。这个现象反映了以下问题，其一，用户对网络控制器的优越性认识较低；其二，网络控制技术也是最近这几年才有了迅速的发展，这也是其应用量少的原因；其三，目前国内各生产厂家对网络控制技术的掌握差别较大，也给其推广应用带来不小的障碍；其四，虽然国内大型整流器制造厂家都使用网络控制器，但网络的通信标准不尽相同，很难与国际化产品联网，只能实现单机系统，这也降低了其应用和推广；其五，新型的网络控制器标准的统一，控制系统的标准化设计等问题是影响其应用推广的主要问题。
新型大功率整流设备网络控制器应该具备的性能：
1）可控硅触发器应该是基于单片机或DSP技术而设计。同步信号的选用与整流变压器的绕组移相无关，并带有电网频率自适应功能。
2）控制调节器也应是基于单片机或DSP技术而设计。所有的控制参数全为数字式，部分参数能做到在线修改。
3）所有采集模拟量都应做到标准化输入，检测的线性度和检测的精度要好，互换的备件一致性要统一。
4）网络通信的硬件标准和通信协议标准要统一，符合国际标准。这样才能完成与国际化的大型公司的设备联网。才能形成信息系网络、控制系网络和元器件系网络三个层次通信网络系统的现代控制系统。
在控制领域内的网络结构分为三个层次：
1）信息系统层次：它主要完成企业内部生产管理和设备运行管理。它们主要是基于以太网进行设计的，其信息主要有生产调度信息、设备运行信息、各种分析报表和操作指挥命令等。是整个企业指挥决策的中心。
2）控制系统网络：它主要包括各种自动化设备自己的内部网络系统。由于设备的不同其选择的网络也不同，目前主要是由国际上各大公司（如AB公司、SIEMENS公司、ABB、霍尼威尔、GE、OMRON、三菱等）所左右，但近几年的发展也在向统一的标准化迈进。当前网络有工业以太网络、现场总线网络。通信协议有TCP/IP协议、Modbus-RTU协议、DeviceNet协议、Profibus-DP协议和各个企业自己内部的协议等，总之种类繁多。
3）元器件系统网络：这层网络主要是各生产厂商自己内部的控制器或器件之间为了实现数据交换和控制而形成的网络。这部分网络大部分为非公开性网络。
2DSP技术
DSP（digitalsingnalprocessor）是一种独特的微处理器，有自己完整的指令系统，是以数字信号来处理大量信息的器件。一个数字信号处理器在一块不大的芯片内包括有控制单元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的存储单元等等，在其外围还可以连接若干存储器，并可以与一定数量的外部设备互相通信，有软、硬件的全面功能，本身就是一个微型计算机。DSP采用的是哈佛设计，即数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在两个分开的空间，允许取指令和执行指令完全重叠。也就是说在执行上一条指令的同时就可取出下一条指令，并进行译码，这大大提高了微处理器的速度。另外还允许在程序空间和数据空间之间进行传输，因此增加了器件的灵活性。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。由于它运算能力很强，速度很快，体积很小，而且采用软件编程具有高度的灵活性，因此为从事各种复杂的应用提供了一条有效途径。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点：
（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；
（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；
（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；
（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；
（5）快速的中断处理和硬件I/O支持；
（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；
（7）可以并行执行多个操作；
（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
DSP是一种快速强大的微处理器，独特之处在于它能即时处理资料，正是这项即时能力使得DSP最适合支援无法容忍任何延迟的应用。举例来说，您是否曾使用过一种不允许双方同时说话的手机？您必须等到对方把话说完后，您才能接着说；如果两个人同时讲话，讯号就会被切断，使您听不到对方声音。今日的数位手机则允许您以正常方式交谈，因为它采用了DSP技术。行动电话内的DSP能以超高速度处理语音，使您能即时听到对方的说话，完全感受不到任何延迟。再以相同应用为例，早期的行动电话常会出现回音，但现在数位行动电话却能将回音和通话停顿的现象完全消除。DSP会以声音之类的真实世界讯号为目标，透过数学运算改变它的特性，以便得到更佳音质；DSP还能压缩资料(如您的声音)，消除背景杂讯，使您的声音能以更高速率传送，进而提供清澈无比的通话品质，没有恼人的回声。这是DSP用途的最简单解释。要改善讯号，您需要数位讯号，然后对它进行处理，结果可能是更清晰的声音、更锐利的画面或是更快速的资料；而这项讯号加强能力也带来突破性的新应用，例如网路音乐和家庭宽频都因此得以实现。
3DSP处理器与通用处理器的比较
考虑一个数字信号处理的实例，比如有限冲击响应滤波器（FIR）。用数学语言来说，FIR滤波器是做一系列的点积。取一个输入量和一个序数向量，在系数和输入样本的滑动窗口间作乘法，然后将所有的乘积加起来，形成一个输出样本。类似的运算在数字信号处理过程中大量地重复发生，使得为此设计的器件必须提供专门的支持，促成了DSP器件与通用处理器（GPP）的分流。
为什么要用微处理器，而不是模拟器件来对信号做滤波呢？我们来看看其优越性：
项目 | 环境因素 | 特性的可修改性 | |
模拟滤波器 | 可靠性和可重复性 受环境温度、湿度、噪声、电磁场等的干扰和影响大。 | 一个模拟滤波器一旦制造出来，其特性（例如通带频率范围）是不容易改变的 | 集成度不高、功耗大、功能简单。 |
数字滤波器 | 不受以上这些因素的影响。 | 可以通过对其重新编程来改变滤波的特性。 | DSP器件体积小、功能强、功耗小、一致性好、使用方便、性能/价格比高 ，实时性好。 |
4整流控制系统的功能
丹霞冶炼厂一期电锌规模为15万吨/年，设计为一个电解系列，系列电流为240kA，系列电压为440V，共设4套整流机组为其供电。整流监控系统包括就地控制柜4台、总调控制柜1台、后台微机1套及通讯网络。控制可以实现上位PC远程通信控制、又可在就地控制柜直接控制。
丹霞冶炼厂整流设备的网络监控系统框图如下：
此控制监测系统采用全套SIEMENS的系统进行设计，其核心部件全部选用SIEMENS公司的产品。依据的标准为国际先进标准。其产品具有标准的结构和标准的硬件配置，真正做到控制屏是一张图纸。同一控制屏可以对应不同相位的整流主柜，可以任意互换，做到与国际化产品接轨。改变了国内众多厂家生产标准不一致、维护不方便的问题。
上述整流控制监测系统采用集散控制系统结构。以通讯网络为纽带，控制监测屏安装在整流柜附近，节省了大量的控制电缆。对整流设备的操作既可以在现场控制屏的触摸屏上直接完成，又可以在上位PC计算机上实现。由于采用网络结构，网络上的所有数据实现共享。控制网络采用工业级以太网（通讯协议TCP/IP），传输媒介采用光纤。
整流设备的标准化设计和服务的时效性。整流控制屏采用标准化的硬件，使得用户在硬件的更换上非常方便，还采用了异地维护服务网络技术，厂家工程技术人员在可以通过服务网络硬件平台对用户提供及时有效的服务。大大缩短了处理问题的时间，使用户避免或减少因故障停产时间太长带来的损失，同时也节省了厂家工程技术人员到现场的时间和旅差费用。
整流变压器和整流柜的保护是由SIEMENS的S7-200PLC完成，其主要任务是对整流变压器运行参数和状态进行监测，对整流柜的冷却系统进行监测和控制以及对整流柜内的快熔状态、水冷铜排的过温状态、冷却水进口水压和出口水温、直流刀开关状态、整流变压器有载开关档位和升降档控制等辅助系统进行监测。在综合上述信息后对整流系统进行全面保护。
5同步信号选用与移相无关
我们现在常用整流控制器的同步信号选用为PT信号、或着是与整流变压器同段的动力变压器(变电站所用变压器)信号。这种信号的选用都存在同样问题：就是当整流变压器设计形成多相整流方式时，我们的控制器内部都要进行针对性的移相设计或调整工作，每次在调试过程中相位和移相的确认工作占调试工作较大比例。如何选用新的同步信号源，避免上述问题也就成为新型控制器有待解决的重要问题，即同步信号与整流变压器移相无关。控制器新的同步信号源一般选取整流变压器的阀侧输出端电压。
丹霞冶炼厂整流柜的稳流控制器采用SIEMENS工业级的全数字6RA70控制器来完成对整流柜的相控稳流。此控制器具备的特点是：其一，相控的同步电源直接连接到整流变压器的阀侧出线上，避免高压PT和动力变压器与其他仪表和负荷连接时对整流稳流的干扰，这种干扰包含操作错误的干扰和新的负荷谐波对整流同步的干扰。将同步电源接于整流变压器的阀侧，既简化了线路又提高整流控制器的同步可靠性。控制器具有频率自动跟踪的功能，对电网的瞬变闪动具有适用作用。其二，硬件的标准和工业级的芯片，SIEMENS控制器是采用国际先进的工业级硬件进行标准化设计的控制器，控制器采用32位CPU。控制采用标准的硬件结构设计，用户完全可以直接向SIEMENS直接采购和培训。其三，本控制器的控制参数可以在线修改，由于数字化程度高，修改过程直观和方便。其四，控制器有很强的自诊断功能，当发生故障时，能准确地提供故障代码，帮助现场的工程技术人员及时地处理问题。就地控制屏的设计采用功能模块化设计，用户可以根据实际方便增减系统模块配置的数量，并可以优化系统结构。现场所有数据都可以数据共享，避免重复监测的投资。
6新型网络控制器的发展趋势
1）标准化问题：网络采用什么协议标准、硬件采用什么标准。可以肯定地说只有选用国际大公司应用比较好的一种或几种，才能真正实现标准化配置。
2）可靠性和稳流精度：从设计上要考虑系统的安全可靠性、硬件的选择和工艺处理。稳流精度一般要优于0.5%。
3）可视化和简捷使用操作：新型控制器的显示不再只有电流和电压，而是要增加控制器内部控制过程参量的显示(如整流控制角、变压器的阀侧电压、电网的频率等等)，使操作和维护人员感觉设备是透明或半透明的，设备更容易掌握。
4）维护方便和技术支持：在设备的设计时要充分考虑到设备的互换性，备件与运行设备的一致性，这将是运行企业今后应用的后顾之忧。由于目前整流企业存在的共同问题是技术人员流动性非常大，如果没有统一的标准和良好的互换性，万一由于人员的流动，而企业又有问题要处理，将会对企业带来很大的损失。