專利名稱：一種用于高壓變頻器模塊化設(shè)計的主控制器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于高壓變頻器的主控制器裝置，具體地說是一種采 用模塊化設(shè)計的用于高壓變頻器的主控制器裝置。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)高壓變頻器控制部分主要采用國外的PLC系統(tǒng)，PLC的優(yōu)點 是穩(wěn)定可靠、組態(tài)靈活、擴展方便、應用簡單；但它的缺點也是很明顯的，由于沒有自主知 識產(chǎn)權(quán)，對于它的應用也只能限定在業(yè)已規(guī)定的范圍之內(nèi)，對應用廠家靈活多變的生成工 藝和特殊要求，受到極大的限制，已不能滿足越來越高的自動化控制的要求，另外它的使 用、維護成本較高，更新?lián)Q代慢，而且無法滿足系統(tǒng)對于特殊功能擴充的要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種用于高壓變頻器模塊化設(shè)計 的主控制器裝置，提升系統(tǒng)的技術(shù)水平和運行可靠性、靈活性，提高設(shè)備運行效率，降低維 修費用。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種用于高壓變頻器模塊化設(shè)計的主控制器裝置，包括安裝于機箱內(nèi)的母線板， 還包括電源插件MPSU、主處理器插件HVF-MCU、模擬量采集插件DCAI、模擬量輸出插件AO、 數(shù)字量輸入插件DI、數(shù)字量輸出插件DO和人機界面HMI ；其特征在于所述的電源插件 MPSU、主處理器插件HVF-MCU、模擬量采集插件DCAI、模擬量輸出插件AO、數(shù)字量輸入插件 DI、數(shù)字量輸出插件DO前端連接信號線，后端分別通過插接件與母線板連接；模擬量采集 插件DCAI、模擬量輸出插件AO、數(shù)字量輸入插件DI、數(shù)字量輸出插件DO通過母線板上的 三總線與主處理器插件HVF-M⑶信號連接；所述的人機界面HMI通過接口與主處理器插件 HVF-MCU 連接。所述的主處理器插件HVF-MCU采用CF卡存儲數(shù)據(jù)和錄波。本發(fā)明的積極效果在于(1)、本發(fā)明采用模塊化的設(shè)計思想，按照功能在硬件上對主控制器進行劃分，把 系統(tǒng)要求的基本功能(或固定功能)，包括通訊接口、數(shù)據(jù)存儲管理、控制算法、邏輯算法、 時間管理、軟件程序等做成一種基本MCU插件，其它可變數(shù)量的I/O量按照不同功能兼顧信 號量配置要求，做成不同功能的標準插件，每種插件按照“插件類型+地址”的識別模式，通 過母線板上的電源及三總線(地址線、數(shù)據(jù)線、控制線)與主處理器插件HVF-MCU相連。利 于系統(tǒng)根據(jù)工程要求隨意組合，滿足不同工程現(xiàn)場的要求。完全替代國外進口的PLC系統(tǒng)。(2)、當系統(tǒng)某一部分有故障或者需要升級時，可以準確定位，只需更換相應功能 插件即可，不需全部更換整個主控制器，使用戶的利益最大化。(3)、標準的總線定義將使系統(tǒng)擴充變得容易、經(jīng)濟。當需要增加新的功能時，只需 按照總線定義標準，做成新的功能插件，插入母線板加入驅(qū)動軟件，系統(tǒng)就可自動識別，便 于系統(tǒng)新加功能的擴充。(4)、系統(tǒng)EMC指標可以完全按照工業(yè)A級標準進行設(shè)計，在穩(wěn)定可靠性方面得到 提升。本裝置具有超強的電磁兼容抗干擾性能，在國家電控配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的 測試中，國家變頻器行業(yè)標準要求為3級。(5)、主處理器插件HVF-MCU采用CF卡存儲數(shù)據(jù)和錄波，存儲的數(shù)據(jù)可以文件方式保存還能以圖形方式顯示。
圖1為主控制器的系統(tǒng)原理圖。圖2為發(fā)明的外觀結(jié)構(gòu)圖。
圖3為Coldfire5275CPU板件的框架電路圖。圖4為Coldfire5275CPU板件的電源電路原理圖。圖5-1為Coldfire5275CPU板件的以太網(wǎng)電路原理圖(一)。圖5-2為Coldfire5275CPU板件的以太網(wǎng)電路原理圖(二)。圖6-1為Coldfire5275CPU板件的內(nèi)存電路原理圖(一)。圖6-2為Coldfire5275CPU板件的內(nèi)存電路原理圖(二)。圖 7-1 為 Coldfire5275CPU 板件的 CPU 電路原理圖(一)。圖 7-2 為 Coldfire5275CPU 板件的 CPU 電路原理圖(二)。圖8為Coldfire5275CPU板件的時鐘電路原理圖。圖9為CPU的擴展板件的串口電路原理圖。圖10-1為CPU的擴展板件的CPU電路原理圖(一)。圖10-2為CPU的擴展板件的CPU電路原理圖(二)。圖11-1為模擬量輸出插件AO的電路原理圖(一)。圖11-2為模擬量輸出插件AO的電路原理圖(二)。圖12-1為模擬量采集插件DCAI的電路原理圖(一)。圖12-2為模擬量采集插件DCAI的電路原理圖(二)。圖12-3為模擬量采集插件DCAI的電路原理圖(三)。圖13-1為數(shù)字量輸入插件DI的電路原理圖(一)。圖13-2為數(shù)字量輸入插件DI的電路原理圖(二)。圖14-1為數(shù)字量輸出插件DO的電路原理圖(一)。圖14-2為數(shù)字量輸出插件DO的電路原理圖(二)。圖15-1為母線板的電路原理圖(一)。圖15-2為母線板的電路原理圖(二)。圖15-3為母線板的電路原理圖(三)。圖16為電源插件MPSU的電路原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述。如圖1、2所示，本裝置采用總線式插槽結(jié)構(gòu)，插件按功能模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括安 裝于機箱1內(nèi)的母線板，母線板上插接電源插件MPSU 2、主處理器插件HVF-MCU 7、模擬量 采集插件DCAI 3、模擬量輸出插件AO 4、數(shù)字量輸入插件DI 6、數(shù)字量輸出插件DO 5，其 它插件視系統(tǒng)需要再進行定義。其中除了電源插件MPSU 2、主處理器插件HVF-MCU 7占有 固定插槽外，其它插件位置不需固定。系統(tǒng)內(nèi)插件數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場信號量的種類和數(shù)量靈活 配置。所有插件都采用前出線，后母線的形式。前端為現(xiàn)場信號線(所謂的強電)，后端為 系統(tǒng)內(nèi)的控制線(所謂的弱電)，如數(shù)據(jù)線、地址線、控制線、電源等。這樣從物理結(jié)構(gòu)上就 對系統(tǒng)進行了隔離，使系統(tǒng)具有良好的EMC能力。人機界面HMI通過接口與主處理器插件 HVF-MCU 7連接。虛線框內(nèi)是包含在高壓變頻器系統(tǒng)的其它子系統(tǒng)DCS、上位機等.通過接 口或以太網(wǎng)與主處理器插件HVF-MCU 7通訊。
各個插件功能描述如下主處理器插件HVF-MCU 7由兩塊板件插接而成，其中一塊是Coldf ire5275CPU板 件，如圖3-8所示，該板上集成32位MCU、程序存儲芯片、數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)、時鐘管理芯片、看 門狗、通訊接口芯片、總線驅(qū)動和管理芯片、插件驅(qū)動管理邏輯、電源變換芯片、系統(tǒng)所有軟 件等。另一塊為CPU的擴展板件，如圖9-圖10-2所示，其主要完成譯碼邏輯、數(shù)據(jù)/地址 控制線驅(qū)動、接口驅(qū)動等功能。主處理器插件HVF-MCU 7還包含4個串口，兩個IOOM工業(yè) 以太網(wǎng)，采用EEPROM、CF卡等存儲設(shè)備。主要完成整個系統(tǒng)的控制、邏輯處理、通訊接口管 理、時鐘管理、任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)記錄查詢等功能。如圖13-1-圖13-2所示，數(shù)字量輸入插件DI 6 板上集成了總線驅(qū)動和接口 芯片、輸入信號濾波器件、光電隔離器件、電阻、電容、壓敏電阻保護器件等。電壓等級為 24V (如果高于24V可外接光隔轉(zhuǎn)換端子)，每塊16路。主要完成現(xiàn)場開關(guān)信號的采集輸入。如圖14-1-圖14-2所示，數(shù)字量輸出插件DO 5 板上集成了總線驅(qū)動和接口芯 片、輸出信號驅(qū)動器件、繼電器等主要完成開關(guān)量信號的輸出，所有節(jié)點為獨立式常開節(jié) 點，可以按照脈沖(時間可設(shè))或電平方式輸出。每塊8路。
如圖12-1-圖12-3所示，模擬量采集插件DCAI 3 板上主要有電源變換器件、總 線驅(qū)動和接口芯片、A/D轉(zhuǎn)換器、運放、光電隔離器件、多路開關(guān)、保護器件等。8路雙端直流 模擬量輸入，支持電壓/電流方式，并可以通過跳線設(shè)置。電壓0-10V、電流0-20mA/4-20mA。 主要完成把現(xiàn)場模擬信號量轉(zhuǎn)換成主處理器插件HVF-MCU 7能夠接受的數(shù)字信號量，通過 母線板上的QSPI總線傳給主處理器插件HVF-MCU 7。如圖11-1-圖11-2所示，模擬量輸出插件AO 4 板上主要有電源變換器件、總線 驅(qū)動和接口芯片、D/A轉(zhuǎn)換器、運放、光電隔離器件、保護器件等。8路直流輸出，可同時輸出 4路0-10V電壓、4路4-20mA電流。電流負載能力500歐。主要完成數(shù)字量/模擬量的轉(zhuǎn) 換。即主處理器插件HVF-MCU 7通過母線板上QSPI總線，把需要輸出的信號量通過數(shù)字形 式傳至模擬量采集插件DCAI 3，通過D/A變換輸出模擬信號量。人機界面HMI 為觸摸式液晶顯示屏，通過標準的RS232接口與主處理器插件 HVF-MCU 7相連，所有人機交互動作都由此插件在主處理器插件HVF-MCU 7的控制下完成， 用于變頻的控制、狀態(tài)監(jiān)視，及參數(shù)設(shè)置和維護。如圖16所示，電源插件MPSU 2 板上集成了電源模塊，保險、開關(guān)、濾波器件等。主 要將DC24V變換為系統(tǒng)所需要的+5V電源。如圖15-1-圖15-3所示，母線板系統(tǒng)內(nèi)部定義的總線標準，信號屬性符合ISA總 線標準。不同的插件遵循相同的總線接口定義，每種相同插件最多可配置8個。板上集成 了板件連接插座，母線匹配器、電源線、數(shù)據(jù)線、地址線、控制線、QSPI總線等信號線。主要 完成信息的連接和轉(zhuǎn)接功能。 COM4是帶隔離標準的RS232接口，負責與單元控制器通訊，DCS發(fā)出的命令經(jīng)主處 理器插件HVF-MCU中的主控制器發(fā)送給單元控制器，完成控制功率單元的工作，同時將單 元控制器和功率單元的所有信息，通過此串口發(fā)送到主控制器進行處理。
COM3是帶隔離標準的RS232接口，負責與人機界面HMI通訊，人機界面HMI是本地 操作的人機接口，采用中(英)文界面，通過它可以方便的對變頻器進行操作和進行參數(shù)設(shè) 置，同時可以方便地查詢事項記錄、操作記錄、歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)，系統(tǒng)時鐘等各種信息。
COM2是帶隔離標準的RS485接口，以Modubs或Profibus等協(xié)議與DCS通訊，這種 方式這樣既可以節(jié)省DCS的I/O模塊和大量電纜，又可提高通信穩(wěn)定性。另外主處理器插件HVF-MCU 7插件還配備了兩個10M/100M工業(yè)以太網(wǎng)，以太網(wǎng)1用于系統(tǒng)自身的維護接口，以太網(wǎng)2可以用于上位機的通訊。所有插件模塊化設(shè)計，除主處理器插件HVF-MCU 7、母線板、電源插件MPSU 2是唯 一的外，其它插件均按照“插件類型+地址”模式進行識別，各自獨立的程序模塊代碼，針對 通訊接口，分別設(shè)計相應通訊協(xié)議，可以進行擴充，每類插件最大擴充數(shù)量為8個。主處理器插件HVF-MCU 7中的主控制器采用Vxworks嵌入式實時多任務(wù)操作系 統(tǒng)，運用優(yōu)先級搶占和時間片輪詢的調(diào)度策略，控制系統(tǒng)程序的執(zhí)行。整個系統(tǒng)工作方式可以描述為，主控制器在主處理器插件HVF-MCU 7的控制下， 主要通過數(shù)字量輸入插件DI 6采集系統(tǒng)開關(guān)量輸入狀態(tài)，以及由DCS通過I/O硬接口發(fā)出 的命令；通過數(shù)字量輸出插件DO 5輸出控制開關(guān)量信號，向DCS反饋系統(tǒng)運行狀態(tài)；通過 模擬量采集插件DCAI 3采集系統(tǒng)由DCS給出的頻率(模擬信號量)，以及單元柜、變壓器溫 度等模擬信號；通過模擬量輸出插件AO 4將系統(tǒng)運行頻率、電流、電壓、功率等變換成模擬 信號反饋給DCS。為了在工業(yè)現(xiàn)場使高壓變頻器主控制器的性能得到充分發(fā)揮和利用，在高壓變頻 器主控制器內(nèi)置了符合IEC61131-3標準的PLC功能，以及成套控制邏輯、和各種算法，可以 高效地處理輸入輸出信號。同時為了滿足不同用戶的需求，還集成了可以選擇的100多種 通訊規(guī)約，方便了用戶現(xiàn)場接口要求。本裝置中的上述功能插件既可單獨使用，也可組合使用。真正體現(xiàn)了配置靈活，組 合方便的特點。本裝置的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計應用在高壓變頻器行業(yè)，運用高性能微處理器，軟 件上采用VxWorks嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng).主控制器單元以其超強的電磁兼容抗干擾 性能，實時快速的事件處理能力、運算能力、通信能力，配合以實時多任務(wù)操作系統(tǒng)的調(diào)度， 使其在高壓變頻器的應用中配置靈活、響應速度快、運行穩(wěn)定可靠，完全替代了進口的PLC 系統(tǒng).此系統(tǒng)已經(jīng)在DF5000高壓變頻器系統(tǒng)中得到了應用，同時也可以在其它工業(yè)應用領(lǐng) 域得到廣泛的應用。
權(quán)利要求
一種用于高壓變頻器模塊化設(shè)計的主控制器裝置，包括安裝于機箱(1)內(nèi)的母線板，還包括電源插件MPSU(2)、主處理器插件HVF-MCU(7)、模擬量采集插件DCAI(3)、模擬量輸出插件AO(4)、數(shù)字量輸入插件DI(6)、數(shù)字量輸出插件DO(5)和人機界面HMI；其特征在于所述的電源插件MPSU(2)、主處理器插件HVF-MCU(7)、模擬量采集插件DCAI(3)、模擬量輸出插件AO(4)、數(shù)字量輸入插件DI(6)、數(shù)字量輸出插件DO(5)前端連接信號線，后端分別通過插接件與母線板連接；模擬量采集插件DCAI(3)、模擬量輸出插件AO(4)、數(shù)字量輸入插件DI(6)、數(shù)字量輸出插件DO(5)通過母線板上的三總線與主處理器插件HVF-MCU(7)信號連接；所述的人機界面HMI通過接口與主處理器插件HVF-MCU(7)連接，所述的主處理器插件HVF-MCU(7)由Coldfire5275CPU板件及CPU擴展板件插接而成。
2.如權(quán)利要求1所述的用于高壓變頻器模塊化設(shè)計的主控制器裝置，其特征在于主 處理器插件HVF-MCU(7)采用CF卡存儲數(shù)據(jù)和錄波。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種用于高壓變頻器模塊化設(shè)計的主控制器裝置，包括安裝于機箱(1)內(nèi)的母線板，還包括電源插件MPSU(2)、主處理器插件HVF-MCU(7)、模擬量采集插件DCAI(3)、模擬量輸出插件AO(4)、數(shù)字量輸入插件DI(6)、數(shù)字量輸出插件DO(5)和人機界面HMI；所述的主處理器插件HVF-MCU(7)由Coldfire5275CPU板件及CPU擴展板件插接而成。本裝置在高壓變頻器的應用中配置靈活、響應速度快、運行穩(wěn)定可靠，完全替代了進口的PLC系統(tǒng)。
文檔編號H02M1/00GK101833291SQ201010142328
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月3日
發(fā)明者于國先, 于廣, 任志遠, 宋衛(wèi)東, 施明賢, 朱衛(wèi)東, 李艷萍, 杜剛強, 欒曉亮, 畢明新, 田洪平, 趙建偉, 鄭永志 申請人:東方電子股份有限公司