CN85204759U - 电脑智能模拟盘 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种带微处理机的模拟盘。此种模拟盘取代了发电厂或变电站的原有的模拟盘后，不但可以显示变电站一次设备的运行状态和进行操作预演，在预演的同时微处理机还自动根据预先存储好的技术原则判别操作的正确性，操作错误时可发出报警信号，操作结束后可以打印出正确的操作顺序。此种模拟盘与电磁闭锁装置连接后可实现开关对位、检验操作票、打印操作票和控制电磁锁四项功能。

Description

本实用新型提供一种新型的带微处理机的模拟盘，它属于电力系统的二次设备。

目前，发电厂或变电站使用的模拟盘的主要作用是显示站内一次设备的运行状态和进行操作预演，操作的正确性只能靠运行人员的记忆和经验来进行判断，即使操作预演时发生错误，也往往被忽略，以致引起电气误操作的严重后果。另外，现有的模拟盘不能和闭锁装置连接。

本实用新型的任务是提供一种新型的模拟盘，它不但具有原来的模拟盘的所有功能，在操作预演的同时还可以用灯光和音响信号来指示操作的正确性。如果需要，在操作完毕后可以打印出正确的操作顺序。此种模拟盘可以和闭锁装置连接起来，成为防止电气误操作闭锁装置的核心设备，保证基本无误操作的电气运行。

本实用新型是这样实现的：首先，模拟盘上所有需要操作的模拟元件应采用有接点的模拟元件，将所有的接点经过二级管隔离后连成一个矩阵（称为输入矩阵）与微处理机相连，这样微机就可以检测输入矩阵上各元件的状态。另外，在微处理机的存储器中预先存储好拉合每个元件应具备的逻辑条件。操作预演时，微处理机对整个矩阵进行扫描，逐行将输入矩阵的状态采入计算机，并与原来的状态进行比较，以判断有无操作。若检测到某一行的状态与原来的状态不一致时，说明该行中有某一元件变位，经过异或运算就可以确定变位发生在哪一列，从而唯一地确定发生操作的元件的编号。根据模拟盘的状态和变位的元件编号就可以确定操作的具体内容。假定刚才已经确定了发生操作的元件的编号是X，且X号元件现在是闭合的，这就可以确定刚才进行的操作是合X号元件。根据操作内容就可以检索预先存储好的该项操作内容所对应的逻辑条件。若条件满足，说明操作正确，这时微处理机首先通过音响单元发出一个操作正确的音响信号，随后将该项操作内容存储起来；若条件不满足，说明是误操作，这时微处理机通过音响单元发出断续急促的报警信号，并通过显示器闪光显示发生误操作的开关编号。显示开关编号和报警的同时，微处理机检测刚才操作的元件是否回位，一直到操作元件回位后再解除报警。整个操作结束后，微处理机将操作过程中存储好的正确的操作顺序送到微型打印机中去打印出来。

采用本实用新型提供的电脑智能模拟盘，能够大大减轻运行人员的脑力负担，而且经过检验的操作票准确无误。能够有效地减少由于开错操作票造成的电气误操作事故。此种电脑智能模拟盘与闭锁装置相连后，它就成为闭锁装置的核心设备，它能够严格控制电气操作的顺序，防止各种误操作事故的发生，保证基本无误操作的电气运行。

图1是此种电脑智能模拟盘的硬件原理图。

图4是在此种模拟盘上运行的程序的粗框图。

下面根据附图对此种模拟盘的原理作进一步的介绍。

参照图1，这实际上是一个较典型的计算机系统，按照微机的结构化分，它又可以分为微处理器，存储器，输入输出接口电路和外围电路四部分。下面详述各部分的结构及工作过程。

一.电路结构

1.微处理机

微处理机是本发明的核心器件，实施时应从性能和价格两方面综合考虑。从目前的器件的水平来看，以选择八位机或十六位机为宜。由于本发明中的微处理机用于监视或控制的对象的工作速度都不高，执行过程中的内部操作也不复杂，故可以采用较低的时钟频率。如1MHZ以下。

2.存储器

对用于发电厂或变电站的模拟盘，由于操作元件的数量较少，所需要存储器数量也不多，故采用内部存储器已足够了，不必增加外存储器。为了满足存放数据及中间结果状态的需要，应同时具备只读存储器（EPROM）和读写存储器（RAM）。随发电厂或变电站的规模的大小不同，EPROM的存储量可选择在4KB～32KB之间。RAM的容量选择在2KB以下就足够了。由于RAM的存储量不大，为简化电路结构，以选择静态RAM为宜。

3.输入输出接口电路

接口电路应采用并行接口，具体选择芯片时应从微处理机和外围电路两方面进行考虑，在可靠的前提下，尽量减少辅助的逻辑电路。

4.外围电路

（1）.音响单元

这个单元的用途是在微处理机的控制下，产生音响信号，可以用以下两种方法实现：

①.单元中包括一个振荡器，振荡器的起振或停振由微处理机控制。这种方法的优点是程序设计比较简单，缺点是声音的频率不能改变且电路较复杂。

②.单元中没有振荡器，它本身只是一个工作在开关状态的功率放大器，当微机通过接口电路将一定频率的开关信号加在它的输入端时，就可以产生一定频率的音响信号。此种方法的优点是声音的频率容易改变且电路简单，缺点是程序设计较复杂。

（2）.显示单元

显示单元的作用是在操作预演过程中显示操作错误的开关编号以便纠正。由于开关编号基本上是由0－9阿拉伯数字组成的，故采用七段或八段结构的数码显示器就可以了。显示器的位数应由开关编号的最大长度来决定，一般选择6－8位即可。

至于采用的显示器件的类型可以有以下几种：

①.荧光数码管显示器。

②.发光二极管显示器。

③.等离子显示器。

④.液晶显示器。

以上四种显示器中，①、②、③适用于光线较暗或光线中等强度的环境。④适用于光线较强的环境。

显示器的工作方式可以是扫描方式，也可以是锁存方式。若采用前3种显示器，且现场的光线较强，应该使显示器工作在锁存方式，这样有较高的亮度。

（3）.微型打印机

微型打印机用来打印一次设备的操作程序。常用的击打式或描绘式的打印机都能满足要求。

微处理机与打印机之间交换数据的方式应选择查询方式或中断方式，因为这两种方式的接口电路较简单，已完全能够满足速度方面的要求，而不应选择较复杂的DMA方式。

（4）.输入矩阵

图2为输入矩阵的原理图。图中行线接到微机的一个输出端口，列线接到微机的输入端口，这样，当微机向此输出端口输出一个信号使得某一根行线为高电平时，在列线所接的输入端口上就得到了该行上所接模拟元件的状态。

设计输入矩阵时应注意以下几点：

①.这里所用的矩阵与一般键盘上采用的矩阵不同。键盘上平时所有的接点都是断开的，使用时任一瞬间只允许按下一个键，即只有一组接点闭合，各接点之间不会有牵扯。而模拟盘上各元件的状态是千变万化的，若不采取措施，就会互相牵扯。必要的措施是在每组接点上串连一个隔离二极管。

②.图2所示电路的列线应该经电阻下拉到0V。若用电阻上拉到正电源，这样，平时应保持所有行线为高电平，图2中的二极管应反接。使其中一行线为低电平，列线上就得到此行的状态。

以上两种方法效果相同，但若用器件的逻辑电平为TTL电平，宜采用下拉到0V的电路，如图2所示。这是因为若采用上拉电路，其列线上得到的低电平为：驱动电路的饱和压降＋隔离二极管的正向压降≈0.5V＋0.7V＝1.2V，已接近TTL器件的转换电平1.3V，若行线本身接隔离二极管，低电平为1.9V，不能正常工作。

③.在驱动器允许的范围内，应尽量采用小阻值的下拉或上拉电阻，以减少干扰。

④.若现场的干扰较强，可以在行线及列线与微机之间增加一级光电隔离电路。实施例如图3所示。

⑤.选择行线和列线数时应尽量选择列线数等于微处理器的外部数据总线的宽度，如输入矩阵的开关量的最多点数为256点，采用的微处理器的外部数据总线的宽度为8位，则可以选择输入矩阵的列线数为8根，行线数32根。

⑥.为了节省输出端口的线数，可以在输出端口与驱动器之间增加一个译码器。如上例中若输出端口与驱动器直接相连，端口的线数应等于行线数，即等于32根。如增加一个5－32线的译码器，可使端口线数减至5根。

二.工作过程

图4是本发明的程序流程图。加电后，首先进行初始化。初始化包括以下几方面的工作：

1.各可编程序接口芯片的工作状态的设定，例如显示接口和输入矩阵的引线对应的接口应为输出方式，输入矩阵列线对应的接口应为输入方式等。

2.CPU的工作方式的设定，如中断的屏蔽或允许，中断方式的设定等。

3.将模拟盘上现有的状态输入微机存储。输入时，首先把一个输入指针指向预先规定好的RAM的区域，然后用一条输出指令使第一根线为高电平，再用输入指令将列线上的信息输入微处理机，经输入指针传送到指定区域的第一个单元，就完成了第一行状态的输入。输入第二行时，先将指针加1，再使第二根行线为高电平，用同样方法将第二行的状态输入指定区域的第二个单元存储。依上述过程就可以将输入矩阵的所有行的状态一一对应地存入RAM中指定的存储单元。

为了提高可靠性，在软件上可以采取以下措施：

①.每输入一行的状态时，将同一信号连续输入几次，只有几次采入的信号完全一致时才把这个信号送到RAM存储，若其中有一次采入的信号不一致，就将这一行的状态作废，重新输入。

②.整个输入过程完成以后，依同样过程再核对一遍或几遍。

初始化完成后，就可以进行检验操作票的工作了。实际上，整个初始化的过程是几十至几百毫秒以内完成的，从使用此种模拟盘的角度来看，开机后，马上就可以进行检验操作票。检验操作票时，操作人员按照操作票的内容在模拟盘上进行操作预演。预演时，微机循环扫描输入矩阵，每次输入一行的状态，并与初始化过程中存储好的该行的状态进行比较，以便判断有无操作发生。比较可以用一条异或运算的指令实现的，当某一行的状态与内存中存储的状态进行异或运算后，其结果为零，说明两者状态一致，该行没有操作发生；若结果不为零，则说明有操作发生。

参照图4，若已判别出有操作，下一步的工作是找到开关编号。开关编号是预先规定好的，它与元件在输入矩阵上的位置有关。例如：对于32行×8列的输入矩阵来说，可以这样来规定开关编号，编码由八位二进制数组成，正好是一个字节，字节的高5位是元件的行号，低3位是矩阵的列号。按照此种编码方法，第0行第0列的元件的编码为00H，第4行第7列的元件的编码为00100111B即27H等等。规定了开关编码，就可以在确定了有操作发生后，很快找到了这个编码。刚才在扫描输入矩阵时已确定了发生操作的元件的行号，异或的结果不为零，且只有发生操作的元件所在的列对应的电平为1，只要将这个结果连续左移或右移，用时检验移出的数据是否为1，若测得移出的数据是1，根据左移或右移的次数就可得到元件的列号，有了行号和列号就可将它们拼在一起，形成发生操作的元件的开关编码。

找到开关编码后，下一步的工作是确定具体的操作内容是什么，即是拉开关还是合开关。这项工作实际上很简单，只要知道操作前或操作后的操作元件的状态就可以判别。假定规定“1”表示开关闭合，“0”表示开关断开，当已知操作前开关的状态是“1”，就可判断进行的操作是拉开关。所以确定操作内容的工作可以用两种方法实现，一是先修改内存中的状态，在进行判断，二是先进行判断，再修改内存中的状态。

前面已经介绍了，在内存中预先还存储了拉合每一个元件时应满足的逻辑条件，逻辑条件的内容是电力系统运行方式及安全规程方面的问题，请参阅有关资料，这里就不介绍了。元件的编号应用相应的编码来存储，这样可以节省内存。

为了能根据操作的具体内容找到对应的逻辑条件，还应建立一个拉开关的跳转地址表。例如：已知操作的具体内容是合编码为27H的开关，每一个跳转地址占2个字节，则先把一个指针指向合开关的跳转地址表的首地址，再将元件编码27H乘以2就得到跳转的偏移量，将指针加上偏移量就得到了该项操作的跳转地址的存放地址，此地址的内容就可以作为检验逻辑条件的操作指针。

再下一步的工作就是根据逻辑条件来检验操作是否正确。因为内存中已经有了输入矩阵的状态表，所以检验时只要根据逻辑条件逐项核对即可。若逻辑条件得每一项都与状态表的内容一致，说明操作正确，反之为误操作。

参照图4，若条件满足，下一步的工作是存储操作内容，存储操作内容的目的是记录一个正确的操作顺序，以便打印操作票或扩充功能后控制电磁锁用。存储时应将操作的元件编号和操作内容都存储起来。

操作内容存好以后，发出一个操作正确的音响信号，这有两个好处，一是能让操作人员知道此项操作已检验完了可以进行下一项操作，二是检验了模拟元件本身是好的，没有损坏，因为模拟元件是易损的元件，若没有此信号，很容易由于元件损坏造成错误。

发出音响信号后，就返回扫描输入矩阵的程序，继续检测有无操作发生。

若逻辑检验时条件不满足，则应发出报警信号，同时闪光显示此项操作的开关编号，指示操作人员将此模拟元件回位。

报警信号很好实现，只要预先根据音响单元的硬件结构编写一段音响子程序，程序执行到此的时候直接调用这段子程序就可以产生音响信号。

显示操作元件的开关编号，需要预先将模拟盘上的所有元件的开关编号以ASCII码或其它形式存储在EPROM中，存储时，可以按照各元件本身的编码的顺序存储，即编码为00H的开关编号放在表顶，编码为01H的开关编号放在其次，依此类推。需要显示时，先将一个指针指表顶，然后将操作元件的开关编码乘以每个开关编号所占的字节数得到一个偏移量，将表顶加上偏移量就得到该操作元件的编码存放首址。将此址开始的内容传送到一个显示缓冲区，传送的字节数应等于开关编号的长度。最后调用一个显示子程序就可以将此编号显示出来。

为了实现断续的音响和闪光显示，可以设计音响和显示交替进行，已判别出操作错误后首先调用音响子程序。音响时间约0.5秒左右，然后调用显示子程序，显示时间也为0.5秒左右，最后将发生变位的行的状态输入计算机与内存中的状态比较，若二者一致说明操作错误的元件已经回位，返回继续扫描输入矩阵。若二者不一致则说明操作错误的元件还没有回位，重新交替地调用音响和显示子程序，这样，只要错误操作的元件不回位，就可以发出断续急促的音响报警信号，同时，闪光显示错误操作的开关编号。待操作元件回位后，音响和显示同时消失，可以继续进行操作。

当操作票的所有内容都预演完了以后，应该退出扫描，开始打印操作票。为了向微处理机发出操作结束的信号，可以装设一个小型开关或按钮，它的接点接在输入矩阵上，当微机处在扫描输入矩阵的状态时，一但检测到这个元件发生变位，就立即结束扫描，开始打印操作票。

打印操作票时，首先将一根指针指向记录正确操作顺序的表格的表顶，依次取出元件编码和状态。打印时，应将元件的编码变换成元件的开关编号，变换的过程与显示开关编号时是一样的。元件的拉合状态应变换为相应的缩写字母或汉字，如用“H”或“合”表示合开关，用“L”或“拉”表示拉开关。因为只有两种状态，故用一条比较指令配合转移指令就可以实现程序的转移。若要打印汉字，就要编一段子程序，根据条件直接调用即可。

此种模拟盘若不与闭锁装置相连，打印完操作票就可以关机了，平时保持模拟盘的电源断开有利于延长它的寿命和节省能源。

如果此种模拟盘与闭锁装置相连，则打印操作票结束后，就自动开始对闭锁的执行元件进行控制。一般情况，闭锁油开关可以采用中间继电器在手动操作回路进行闭锁，闭锁隔离刀闸，则可以在刀闸的操作手柄上加装电磁锁来实现。

控制电路的结构可以由I／O接口、光电隔离、驱动器、继电器等环节实现。为了节省电缆，现场的继电器可接成矩阵形式。构成一个输出矩阵。图5为一种与闭锁装置连接的电路的框图。

控制过程是这样实现的：根据预演时正确操作的记录，先将第一项操作的元件编码变换成为输出编码，这个输出编码输出后，经过隔离、驱动等环节后使输出矩阵上的一个对应的继电器动作，从而开放与第一个操作元件对应的设备的闭锁回路，此时，该设备的闭锁执行元件与操作电源接通，辅助接点与一根和微机连通的检测总线接通。闭锁回路开放后，微机就以查询方式检测该设备的辅助接点是否变位。一但辅助接点变位，就表明操作已完成，经一段适当的延时后，输出下一项操作的输出编码，第一个闭锁回路关闭，第二个闭锁回路开放，依此过程循环，直至操作结束为止。

从以上的控制过程可以看出，微机中的每一项记录都是经过预演时检验过的，所以是无误的，控制过程又依照预演时正确操作的顺序开锁，每一瞬间，最多只开放一个闭锁回路，从而使得各种误操作都无法进行。

图6和图7为此种模拟盘的一种实施例的详图。请参照图面说明。

三、图面说明

图1为电脑智能模拟盘的硬件框图。图中以微处理机为核心连成一个微型计算机系统。存储器有读写存储器（RAM）和只读存储器两种。4个接口用于外围设备与微处理机的连接。外围设备有音响单元、显示器、打印机和输入矩阵四部分。

图2是输入矩阵的原理图。从微处理机输出的信号经过接口后加到译码驱动器上，译码驱动器的输出成为输入矩阵的行线，矩阵的列线用电阻下拉到OV，并且直接引到微处理机的输入端口。所有的接点都用二极管隔离后接到矩阵的交点上。

图3是带有光电隔离的输入矩阵原理图。与图2不同的是从微处理机输出的信号是经过光电隔离后，才加到译码驱动器上，从输入矩阵列线上返回的信息也是经过光电隔离后才输入微处理机的。

图4是电脑智能模拟盘的程序流程图。在说明书中已作详细说明，请参照工作工程一段。

图5是电脑智能模拟盘与闭锁装置相连接的一种电路的框图。从微处理机I／O接口输出的信号经光电隔离后加到一个译码驱动器上，然后驱动一个继电器矩阵。

图6为电脑智能模拟盘的一种实施例的微机部分的电原理图。

图6中的微处理机采用了功能较强Z80八位CPU，时钟频率为2MHZ。

存储器采用了一片2764EPROM，容量为8K×8位，一片6116RAM，存储容量为2K×8位。由于采用的芯片数量较少，故省去了存储器译码电路，直接用Z80CPU的MREQ信号线作为6116及2764的片选信号，用Z80CPU的地址线A13作为2764的输出允许信号，A13经过非门后作为6116的输出允许信号，这样只要有存储器的读号操作，MREQ变低时，2764及6116同时被选中，但是，能否向数据总线输出信号还取决于A13的电平，若A13＝0，则2764输出信号，若A13＝1，则6116输出或输入信号。6116的WE信号直接连接至CPU的WR。

以上存储器电路的特点是简单，但存储地址发生重叠。

I／O接口部分操作采用了3片Z80PIO，Z80PIO是一种功能很强使用很方便的可编程序接口芯片。

其中PI01的口地址为7CH～7FH，A口工作在位控方式，I／O选择字为FOH，高四位为输入，低四位为输出，实际上只利用了PA0和PA7两根线，PA0接到音响单元的输入端，PA7接到PP40微型打印机的BUSY信号输出端。B口工作在输出方式，PB0～PB6用以向PP40传送数据，而PB7用作打印机发出选通脉冲STROBE。

PI02的口地址为BCH～BFH，A口工作在输出方式用于显示器的字型选择，B口用作扩充功能用，例如控制电磁锁的功能。

PI03的口地址为DCH～DFH，A口工作在输入方式，PA0～PA4输出的信号经译码驱动后控制输入矩阵的行线，B口工作在输入方式，用以检测输入矩阵的列线的状态。

以上的I／O接口电路没有采用I／O译码器，直接地址线作为片选信号。缺点是地址重叠和损耗增加。

图7为电脑智能模拟盘的外围电路的原理图。图的上部为输入矩阵及行线的译码驱动器电路，图中的译码器由1片74LS154及1片74LS138组成。从PI03的A口低5位输二进制编码00000～10111时就可以使译码器输的24根出线之一为低电平，而其余的线为高电平，译码器的输出经驱动器驱动和二极管隔离后，加至行线，列线经电阻下拉到OV，下拉电阻的阻值为680，图中的驱动器的三极管采用PNP型硅管2N9015C，译码器输出低电平时（一行中的八个开关全闭合），三极管导通，基极电流为6mA左右，最坏情况下的集电极电流约为40mA。

图的中部为显示器电路，显示器件采用8只共阳极的LED显示器，字型控制由PI02，A口输出经七只2N9014三极管驱动后，加至显示器件各段的负极，每只显示器的相同的段都联在一起，各显示器件的阴极分别接到输入矩阵的前8行H0～H7的行线上，这样可以省去字位选择电路。由于字型信号同时加在所有的显示器件的负极上，各位显示器没有独立的存储器，所以此种电路只能工作在扫描方式，每一位的显示时间选择在1mS左右较合适。

图的下部为音响单元。由于PI01的PA0输出的信号经两极放大后驱动一个80mm8Ω的电动式扬声器。声音频率及音响的持续时间均由软件控制实现。

Claims (5)

1、一种发电厂或变电站使用的模拟盘，其主要特征是：

a.在电路结构上包括一套微型计算机系统。

b.盘面上的所有需要操作的模拟元件都有接点，这些接点经二极管隔离后，联成矩阵形式与计算机相连。

2、根据权利要求1所述的模拟盘，其特征是所述的计算机系统的CPU的外部字长为八位或十六位。

3、根据权利要求1所述的模拟盘，其特征是所述的计算机系统可以连接一台打印机，打印方式是击打式或描绘式，它与主机交换数据的方式为查询方式或中断方式。

4、根据权利要求1所述的模拟盘，其特征是所述的计算机系统可以连接一个显示器，显示器件采用LED数码管、荧光数码管、等离子体显示屏或液晶显示屏四种器件之一。

5、根据权利要求1所述的模拟盘，所述的模拟盘可以外接或包含一个电路，使之能够控制电磁锁，这个电路的特征是：由光电隔离电路、译码器、驱动器和继电器矩阵组成。

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