CN1835147A - 有线分布式微机防误闭锁系统 - Google Patents

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吕茅利
邓飞
陈永金
陈家贤
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Abstract

本发明涉及电力系统防误闭锁技术领域，特别涉及一种应用于电厂或者电站等配送电厂站为防止误操作而使用的微机防误闭锁系统。一种有线分布式防误闭锁系统，其包括五防主机和至少一个锁具，其特征在于，该闭锁系统还包括CAN总线适配器、通讯介质和至少一个电磁锁单元控制器，该锁具为电磁锁，每个电磁锁单元控制器可连接至少一个电磁锁，电磁锁单元控制器通过通讯介质连接于CAN总线适配器，该CAN总线适配器与五防主机连接并可交互信息。本发明采用CAN现场总线技术应用于变电站监视与控制设备防误操作的自动解锁与闭锁，并将给予闭锁设备的各类数码锁直接并入CAN总线，有效提高了现有系统的实时性、可靠性。

Description

有线分布式微机防误闭锁系统
技术领域
本发明涉及电力系统防误闭锁技术领域，特别涉及一种应用于电厂或者电站等配送电厂站为防止误操作而使用的微机防误闭锁系统。
背景技术
目前，微机防误闭锁系统在电厂或者电站等配送电厂站应用十分广泛，发展也比较迅速，虽然各厂家的产品各有其特色，但基本原理和采用的技术手段大致相同，装置主要由智能模拟屏、工控机、电脑钥匙和各种锁具(数码锁)组成。通过在智能模拟屏上模拟试操作，由工控机内预先存储的逻辑规则和状态对每步操作进行判断，并通过串行接口通讯将操作步骤输入电脑钥匙中，然后由电脑钥匙打开装于现场相应设备上的编码锁，进行倒闸操作。该种微机防误闭锁系统的优越性在于：操作方便、维护简单、性能可靠、造价相对较低，但由于其主要部件——电脑钥匙不能与现场设备及系统内其他部分实时交换数据(状态)，而使其防误功能及范围受到极大限制，无法满足事故情况及检修预试时的防误需要而不得已使用无任何防误功能的紧急解锁，给电力安全运行带来极大隐患。在正常操作过程中必须依赖于人为的状态核对，不仅给使用人员带来了过重的负担，而且由于受主观因素的影响，其闭锁的可靠性受到很大影响，也同样由于数据不能实时交换，给大型变电站(升压站)的闭锁操作带来了沉重负担，无法实现多组同一任务的并行操作，对于复杂操作需要花费过多操作时间，使操作效率变低，停电时间拉长，从而使微机闭锁的应用受到一定的限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，本发明的有线分布式防误闭锁系统可保证运行设备状态信息可实时传递给五防主机，增强系统的实时性。
本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：一种有线分布式防误闭锁系统，其包括五防主机和至少一个锁具，其特征在于，该闭锁系统还包括CAN总线适配器、通讯介质和至少一个电磁锁单元控制器，该锁具为电磁锁，每个电磁锁单元控制器可连接至少一个电磁锁，电磁锁单元控制器通过通讯介质连接于CAN总线适配器，该CAN总线适配器与五防主机连接并可交互信息。
本发明有线分布式防误闭锁系统采用CAN现场总线技术应用于变电站监视与控制设备防误操作的自动解锁与闭锁，并将给予闭锁设备的各类数码锁直接并入CAN总线，构成先进的模块化多计算机完全分布监视与控制及检测方式，有效提高了现有系统的实时性、可靠性。
附图说明
图1为本发明有线分布式防误闭锁系统整体结构图；
图2为本发明有线分布式防误闭锁系统CAN总线通讯适配器硬件电路部分结构图；
图3为本发明有线分布式防误闭锁系统电磁锁单元控制器硬件电路部分结构图；
图4为本发明有线分布式防误闭锁系统电磁锁单元控制器中电磁锁驱动模块原理图；
图5为本发明有线分布式防误闭锁系统电磁锁单元控制器中验电检测模块电路框图。
具体实施方式
参见图1，一种有线分布式防误闭锁系统，其包括五防主机和多个锁具，另外，该闭锁系统还包括CAN总线适配器、通讯介质、开关闭锁单元控制器、多个中继器和多个电磁锁单元控制器，该锁具为电磁锁，每个电磁锁单元控制器可连接8个电磁锁，电磁锁单元控制器通过通讯介质连接于CAN总线适配器，该开关闭锁单元控制器可采集各辅助节点的状态，其通过通讯介质连接于CAN总线适配器并可将各辅助节点状态信息反馈至CAN总线适配器；各中继器可连接至少一开关闭锁单元控制器或电磁锁单元控制器或其他中继器；该CAN总线适配器与五防主机连接并可交互信息。
下面对上述CAN总线适配器和电磁锁单元控制器作详细介绍：
CAN总线通讯适配器的设功能是在五防主机与系统中的各单元控制器建立一个通讯桥梁。它包括硬件电路部分和软件部分。
参见图2，硬件电路部分主要由电源模块、通讯模块、核心控制模块、扩展部分四个功能模块组成，以下对各模块进简要介绍：
a.核心控制模块
核心控制模块用于实现CAN总线通讯适配器的所有软件功能，采用LPC2119微处理器进行设计，LPC2119采用的是ARM7TDMI内核，具有32位的CPU，通过内部倍频控制CPU工作频率可以达到60Mhz，同时在芯片内部集成了128K的FLASH存储器做为程序存储器，为程序设计提供了有利的条件。16K的SRAM可做为数据存储，在进行通讯处理时可开辟大量的数据缓存区。两路CAN2.0标准的CAN总线，只需扩展两片CAN总线驱动器即可。两路标准UART串行口收发器。一路标准的I2C总线。较多的GPIO接口。由于在LPC2119片内具备以上资源，使得电路设计上可达到较高的集成度。
b.通讯模块
通讯模块实现适配器通讯硬件上的电平转换及总线驱动功能。在该模块中设计了两路标准的RS232通讯接口，其中一路可以通过跳线实现全/半双工的RS485通讯接口。另一路RS232接口在板内预留接口，做为智能卡模块或其它RS232接口模块的控制口。
在两路RS232的前端均设计有光电隔离电路，使得在CAN适配器与所接设备不共地的情况进行通讯。两路串口波特率可以达到115200Bps，通过软件设计两路RS232端口可进行RTU规约转换。其中一路RS232接口做为ISP升级复用口。
在通讯模块中还有两路CAN2.0总线接口，其中对CAN总线驱动芯片进行供电隔离及控制线的光电隔离，对总线进行防雷处理，采用隔离措施后可以保证总线上的各个节点不会受到其它节点的电源干扰，外来干扰电压不能串入适配器内部。CAN总线驱动器采用TJA1050进行设计，该芯片是CAN总线的标准驱动芯片，且在功能上有以下特点：1、总线与电源地之间能有短路保护；2、具有宽共模范围的差动接收能力，在强电磁干扰下可以正常接收；3、未上电节点不会干扰总线；4、过热保护等。通讯模块以LED方式显示其通讯状况。
c.电源模块
电源模块输入电压为220V AC采用外置式变压器将电压降低至9V DC输入到适配器，适配器内部将输出输出分为为三组：+5V+3.3V+1.8V。其中+5V电压给CAN驱动器供电，采用低压差DC/DC隔离模块，隔离电压为1000V。3.3V 1.8V分别给中央处理器LPC2119的片内外设及CPU内核供电，采用低压差稳压集成块进行设计。
d.扩展部分
在扩展部分考虑加入USB接口、LCD点阵显示器、键盘接口、EEPROM存储器。在适配器设计的第一个阶段完成后可首先考虑加入USB接口，因为USB接口的通讯速率较高，可减少适配器在进行CAN报文数据转发时花费在通讯时的时间，一旦CAN总线上的终端类型及数量增多后，在数据转发时RS232很有可能是通讯过程的一个瓶颈，影响整个CAN网的实时性能。加入LCD点阵显示器、键盘接口、EEPROM是考虑可以将CAN总线通讯适配器的硬件做为某些需要用户进行操作的智能终端设备或终端控制器，例如：带有串行总线的测控终端等、智能卡终端、指纹识别终端等。
CAN总线通讯适配器的软件平台采用ADS1.2编译环境，程序代码主要由C语言编写，大约10％的软件代码采用汇编编写，汇编部分主要实现LPC2119程序堆栈控制及操作系统的汇编移植部分。软件运行的嵌入式操作系统为UCOS2，采用操作系统的编程方式使得CPU处理事件的整体能力得到较大提高，同时UCOS2也使得程序可可维护性得到较大的提高。在设计时将各个总线接口的控制程序做成独立的中间件驱动程序以方便程序的裁减及移植。
电磁锁单元控制器的功能是在五防主机的控制之下完成对现场电磁锁的控制以及对现场刀闸位置的采集。电磁锁单元控制器也是由硬件电路部分和软件部分组成。
参见图3，硬件电路部分主要由电源模块、通讯模块、核心控制模块、电磁锁驱动控制模块、验电模块五个功能模块组成，以下对各模块进简要介绍：
a.核心控制模块
核心控制模块用于实现电磁锁单元控制器的所有软件功能，采用AT89S52微处理器进行设计，AT89S52具有价格低廉使用方便等优点，而且它的处理能力可以完全满足电磁锁单元控制器。而且AT89S52具备ISP在线升级功能。
b.CAN总线通讯模块
CAN总线通讯模块主要采用SJA1000+TJA1050组成，SJA1000是飞利浦公司所生产的CAN协议芯片，内部集成了复杂的CAN总线底层协议，完全支持CAN2.0通讯标准。在编程使用时较为方便，成本也较低。
在通讯口保护方面采用与CAN适配器同样的方法，1)在总线驱动器与SJA1000之间加入光电隔离、2)对总线驱动器进行隔离供电、3)加入防雷保护。
c.电磁锁驱动控制模块
电磁锁单元控制器内驱动电路提供多种电压输出及多个位置检测输入，在此设计驱动电路有8路±12--24V的直流电压输出，每个输出口最大输出电流为0.8A-1.6A，在五防主机的控制命令下进行电压控制，每个端口均有负载检测功能，负载检测可以实现电磁锁的自动搜寻及操作过程的动作检测，其中一路的驱动电路如图4所示，对于电磁锁的解锁操作流程如下：
(1)、收到CAN总线上的解锁命令后，单元控制器控制输出口C点+5V电压输出，双色发光二极管LED1发出红色预操作信号。
(2)、操作人员到现场解锁，操作时按压电磁锁帽，使锁帽位置检测2处的干簧管吸合，单元控制器检测到该信号后即给A点接入+15V电压，此时电磁铁吸合锁销，使刀闸锁在反弹的过程中沿V形槽运动到开锁位置，同时双色发光二极管绿色管发光，整个发光管呈黄色。(加入这个操作步骤的好处是：缩短了电磁铁吸合时间，使得电磁铁器件损耗减少到最低程度，当然，由于现场的闭锁情况较为复杂，不排处一些人为的违规操作，因此电磁铁设计为长期通电型)。
(3)、操作人员将刀闸扳至预定位置，此时刀闸位置干簧管状态与原来状态不一致，单元控制器检测到设备变位后点亮绿色发光二极管。
(4)、操作人员将锁重新锁上，并将锁帽再次按压，如果此时单元控制器检测到刀闸确实到位则锁帽将会沿V形槽自动回到关闭状态，单元控制器将刀闸的变位信息发送给五防主机，五防主机根据单元控制器上传的遥信信息判断预定解锁完成，并给单元控制器发禁止解锁命令，单元控制器控制A点+15V电压截止，电磁锁销靠弹簧力将刀闸锁锁定，绿发光管熄灭，解锁过程结束。
d.验电检测模块
验电检测模块采用RS485总线方式与电磁锁单元控制器进行连接，其内部的控制器为89LPC904该单片机为51内核，采用8脚封装，内部有两路8bit的A/D转换及一个UART。采用总线方式传输可以很容易的做到将该模块与单元控制器隔离，并且可将RS485总线功能进行进一步的延伸，使之能够接更多类型的验电检测模块。采用RS485总线传输可以使验电单元就近与设备安装，这样避免了由于信号线过长导致的电压干扰影响。
验电检测模块设计的电压输入范围为0→+-300V，输入电压频率为0→1KHZ。
由于采用了A/D转换做为验电检测，其采集数据具有一定的准确性，五防主机可将验电数据读取进行显示或作其它用途。在应用中也可对模拟量设定一定的门限值，将模拟量转换为遥信信息。验电检测模块内的电路框图如图5所示。
e.电源模块
电源模块输入电压为220V AC采用外置式变压器将电压降低至12--24V DC输入到单元控制器，控制器内部将输出输出分为为三组：+5V、+5V和+15V(-15V)。其中一路+5V电压给CAN驱动器及RS485供电，采用低压差DC/DC隔离模块，隔离电压为1000V。另一路+5V也进行DC/DC隔离，给CPU及所有的内部集成电路、光隔低压输入/输出端供电，+15V(-15V)整流滤波后直接给电磁锁驱动部分供电。
另外，由于电磁锁单元控制器安装于户外，外壳考虑采用铁箱制作，在各个接口部分采用橡胶垫片封闭以处理防水问题；对外接口采用导轨式接线端子排。
电磁锁单元控制器软件平台采用KEIL C51编译环境，程序代码由C语言编写，由于考虑到89C52及资源配置的特点，软件运行结构采用前/后台方式，中断部分主要处理CAN报文的收发工作及RS485总线的数据收发，主循环程序负责处理对设备的驱动控制及数据装配等。
本发明有线分布式防误闭锁系统采用CAN现场总线技术应用于变电站监视与控制设备防误操作的自动解锁与闭锁，并将给予闭锁设备的各类数码锁直接并入CAN总线，构成先进的模块化多计算机完全分布监视与控制及检测方式，有效提高了现有系统的实时性、可靠性。
本发明还有其他一些变形或者改进。如果本技术领域的技术人员受到本发明的启发做出的显而易见的非实质性的改变或者改进，均属于本发明权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1、一种有线分布式防误闭锁系统，其包括五防主机和至少一个锁具，其特征在于，该闭锁系统还包括CAN总线适配器、通讯介质和至少一个电磁锁单元控制器，该锁具为电磁锁，每个电磁锁单元控制器可连接至少一个电磁锁，电磁锁单元控制器通过通讯介质连接于CAN总线适配器，该CAN总线适配器与五防主机连接并可交互信息。
2、根据权利要求1所述的有线分布式防误闭锁系统，其特征在于，其还包括至少一个开关闭锁单元控制器，该开关闭锁单元控制器可采集各辅助节点的状态，其通过通讯介质连接于CAN总线适配器并可将各辅助节点状态信息反馈至CAN总线适配器。
3、根据权利要求1或2所述的有线分布式防误闭锁系统，其特征在于，该闭锁系统还包括至少一个中继器，各中继器可连接至少一开关闭锁单元控制器或电磁锁单元控制器或其他中继器。
4、根据权利要求1或2所述的有线分布式防误闭锁系统，其特征在于，该CAN总线适配器包括硬件电路部分和软件部分，硬件电路部分包括电源模块、通讯模块、核心控制模块、扩展部分四个功能模块，其中，核心控制模块用于实现CAN总线适配器的所有软件功能；通讯模块实现适配器通讯硬件上的电平转换及总线驱动功能；电源模块为各模块供电；扩展部分提供外设接口。
5、根据权利要求4所述的有线分布式防误闭锁系统，其特征在于，电源模块将220V交流输入电压降低至9V直流电压输入到CAN总线适配器，CAN总线适配器内部将输出分为为三组：+5V、+3.3V和+1.8V。
6、根据权利要求4所述的有线分布式防误闭锁系统，其特征在于，扩展部分可加入USB接口、LCD点阵显示器、键盘接口、EEPROM存储器。
7、根据权利要求1或2所述的有线分布式防误闭锁系统，其特征在于，该电磁锁单元控制器包括硬件电路部分和软件部分，该硬件电路部分包括电源模块、通讯模块、核心控制模块、电磁锁驱动控制模块和验电模块。
8、根据权利要求1或2所述的有线分布式防误闭锁系统，其特征在于，磁锁单元控制器外壳采用铁箱制作，在各个接口部分采用橡胶垫片封闭，对外接口采用导轨式接线端子排。
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