基于CAN總線和單總線的在線式防誤閉鎖系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對在線式防誤閉鎖系統(tǒng)的特點和目前研究中存在的連接復(fù)雜、不易擴展等問題，提出了一種基于CAN總線和單總線的在線式防誤閉鎖系統(tǒng)新方案，并在可行性分析的基礎(chǔ)上，給出了具體的設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：CAN總線；單總線網(wǎng)絡(luò)；智能電磁鎖；防誤閉鎖

0 引言

變電站在線式五防系統(tǒng)是充分利用變電站自動化系統(tǒng)的全站監(jiān)控功能，通過集成在自動化系統(tǒng)后臺軟件中的五防模塊和測控裝置中的間隔五防模塊，來對電氣操作防誤閉鎖進行實時判斷，以便在滿足防誤閉鎖操作條件時，使電氣設(shè)備開放操作的一套防誤閉鎖系統(tǒng)。本系統(tǒng)取消了電腦鑰匙和機械鎖具，可實現(xiàn)操作票的逐項開放和閉鎖。

在線式五防系統(tǒng)充分利用已完成綜自改造的變電站可全站監(jiān)控的特點，多數(shù)的開關(guān)和刀閘的狀態(tài)可在線監(jiān)控，但在實際的五防改造過程中，仍存在一定的問題。如有少量變電站未實現(xiàn)刀閘電動操作和接地樁的監(jiān)測等，實際上，對于這些手動操作設(shè)備，可以使用電磁鎖來實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測。通過在電磁鎖回路中串接五防節(jié)點，這樣，用后臺監(jiān)控機就可以控制電磁鎖是否可以打開。

一般而言，一個間隔大約需要配置這佯的電磁鎖3～7把，每把電磁鎖所實現(xiàn)的功能可能需要多個開入開出量，這樣，一個間隔的開入信號和開出信號大約有十幾個到幾十個。如果每個信號都通過單獨的兩條電纜傳遞，則間隔內(nèi)將需要布置大量的電纜，系統(tǒng)實現(xiàn)的難度較大，很難得到廣泛應(yīng)用。本文針對這一問題，提出了一種智能電磁鎖解決方案。

1 智能電磁鎖

本文設(shè)計的這種智能化電磁鎖，可將開入開出信息在電磁鎖內(nèi)轉(zhuǎn)化成某一類信號，然后再通過共用的通訊電纜傳遞到控制器，從而使電纜數(shù)量減少到原來一把電磁鎖所需要的數(shù)量。

單總線技術(shù)的提出使得這一想法的實現(xiàn)成為可能。單總線技術(shù)足MAXIM全資子公司DALLAS公司開發(fā)的一種專利技術(shù)，該技術(shù)通過一根線解決了地址、數(shù)據(jù)、控制和供電等問題，從而降低了系統(tǒng)成本并簡化了設(shè)計。單總線器件可按照串行協(xié)議進行供電和數(shù)據(jù)通信，能夠為系統(tǒng)增添特定功能，大大簡化了系統(tǒng)的連接方式。單總線技術(shù)的主要特點如下：

(1)只需一根信號線和一根地線就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)、地址、控制信號和電源的傳輸，接線非常簡單；

(2)每條單總線上可以連接一個單總線器件，也可以同時連接幾十個單總線器件來組成單總線網(wǎng)絡(luò)；

(3)每個單總線器件都有唯一的64位光刻ROM碼，可以從網(wǎng)絡(luò)上選出特定器件進行操作；

(4)單總線芯片接口可提供額外的ESD保護，而且遠程通訊時，具有較高的抗干擾性能。

單總線技術(shù)將通訊、信號的輸入輸出及控制等功能集中到了一個芯片內(nèi)。采用單總線芯片來設(shè)計電磁鎖，不僅能很好地實現(xiàn)上述功能，而且電磁鎖的復(fù)雜度增加不大，并能較好地控制設(shè)備成本，可以說是電磁鎖智能解決方案的首選。一般情況下，智能電磁鎖的設(shè)計思路具有以下幾種：

第一，在線式五防要求取消傳統(tǒng)的五防電惱鑰匙，而電磁鎖不受任何電腦鑰匙的控制。其解決方案是在智能電磁鎖的控制回路中串入由監(jiān)控后臺控制的五防節(jié)點，因此，電磁鎖解鎖必須首先滿足五防邏輯，然后在其控制回路中再串入一個由鎖具本體的按鈕控制的節(jié)點。只有當(dāng)操作滿足五防邏輯且五防節(jié)點閉合后，由運行人員按下鎖具本體按鈕，鎖具才能開。

第二，使用智能電磁鎖的狀態(tài)來反應(yīng)手動設(shè)備的狀態(tài)。

如接地樁所配的電磁鎖有兩個狀態(tài)，1代表所監(jiān)控設(shè)備為合位，0代表所監(jiān)控設(shè)備為分位。

第二，電磁鎖與后臺監(jiān)控機可以實時通訊，以便將設(shè)備的實時信息通過網(wǎng)絡(luò)傳給監(jiān)控機，同時也可以按照監(jiān)控機的命令開放或閉鎖設(shè)備。

以間隔為單位設(shè)置五防控制器，由五防控制器負(fù)責(zé)與后臺監(jiān)控機的通訊，向其傳送電磁鎖的實時數(shù)據(jù)并接收監(jiān)控機的命令。間隔內(nèi)的電磁鎖串接于一根單總線上，五防控制器通過單總線讀取間隔內(nèi)電磁鎖狀態(tài)或向電磁鎖發(fā)送監(jiān)控機下達的命令。圖1所示是采用單總線技術(shù)前間隔內(nèi)的接線圖，圖2所示則是采用單總線技術(shù)后的間隔內(nèi)接線圖。

2 間隔控制器與監(jiān)控機的連接

由于現(xiàn)場總線技術(shù)在減少系統(tǒng)線纜，簡化系統(tǒng)安裝、維護和管理，降低系統(tǒng)投資和運行成本，增強系統(tǒng)性能等方面具有很大的優(yōu)越性，間隔內(nèi)的控制器與監(jiān)控機的連接可選用現(xiàn)場總線。

目前，工控領(lǐng)域己發(fā)展出多種現(xiàn)場總線，各現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)也有較大差別，其用途也不盡相同，主要有基金會現(xiàn)場總線、CAN總線、Lon Works總線和HART總線。

通過對以上幾種總線的比較可以發(fā)現(xiàn)，LonWorks比較適用于一些大型的，對響應(yīng)時間要求不太高的分布式控制系統(tǒng)，比如智能大廈控制系統(tǒng)；而HART總線是一種模擬和數(shù)字信號混合的總線，是一種過渡型總線，多用于一些4～20 mA的舊式儀表的連接：而基金會現(xiàn)場總線在對距離和實時性的滿足上不夠；CAN總線則能適用小型的，實時性要求比較高的系統(tǒng)。

防誤操作閉鎖系統(tǒng)中，一般有幾十個節(jié)點，而且對傳輸距離和實時性要求都較高，采用CAN總線完全可以滿足規(guī)模上的要求，并且可以將CAN總線實時性強的特點充分發(fā)揮出來。因此，本系統(tǒng)采用CAN總線作為網(wǎng)絡(luò)通訊方式。

3 防誤閉鎖系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖3所示是本文昕設(shè)計的防誤閉鎖系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。其中監(jiān)控主機是整個系統(tǒng)的核心，在監(jiān)控主機上運行著防誤系統(tǒng)應(yīng)用軟件。監(jiān)控主機能夠采集和記錄整個系統(tǒng)的設(shè)備信息，包括系統(tǒng)連接的控制器數(shù)、控制器通訊狀態(tài)、控制器連接的電磁鎖數(shù)以及每把電磁鎖的閉鎖狀態(tài)和通訊狀態(tài)等，并把這些信息保存到數(shù)據(jù)庫中以供查詢。另外，主機針對操作票的每一項操作，首先要進行五防邏輯判斷，若操作符合防誤邏輯，則主機發(fā)送相應(yīng)鎖具的解鎖命令，否則對相應(yīng)的操作予以閉鎖，防止誤操作的發(fā)生。

系統(tǒng)中的防誤控制器是聯(lián)系主機和電磁鎖的紐帶，控制器的結(jié)構(gòu)包括電源電路、CAN網(wǎng)絡(luò)通訊電路、單總線網(wǎng)絡(luò)通訊電路、實時鐘電路等幾部分?？刂破鞑捎镁哂袕娍垢蓴_能力的工業(yè)級單片機設(shè)計而成，負(fù)責(zé)把接收到的主機命令轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的電磁鎖，以完成解閉鎖相關(guān)設(shè)備的功能。除了負(fù)責(zé)將主機的解鎖命令轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)鎖具外，控制器還負(fù)責(zé)本間隔的單總線網(wǎng)絡(luò)的管理?？刂破鬟€會定時對單總線執(zhí)行搜索命令，通過搜索命令可以檢測到單總線連接的設(shè)備情況，然后將搜索結(jié)果與控制器內(nèi)保存的設(shè)備信息進行比較，就可以發(fā)現(xiàn)新連接列單總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，也可以發(fā)現(xiàn)已接入設(shè)備的通訊異常狀態(tài)。智能電磁鎖是防誤閉鎖的具體執(zhí)行機構(gòu)。對于手動操作的設(shè)備，一般需要在操作把手上安裝電磁鎖。所有的鎖具都采用單總線芯片設(shè)計，故能方便地通過一條單總線連成單總線網(wǎng)絡(luò)。實際上，整個間隔內(nèi)的接線非常簡潔。

4 電磁鎖的配置

在已有的在線式設(shè)計方案中，對開關(guān)和電動刀閘的閉鎖通常通過在其測控屏串入監(jiān)控五防閉鎖節(jié)點和測控五防閉鎖節(jié)點來實現(xiàn)。本文主要討論對手動刀閘、接地樁和網(wǎng)門的閉鎖。

對手動刀閘閉鎖時，可在手動刀閘的操作把手上加裝智能電磁鎖。當(dāng)需要對刀閘進行操作時，由后臺監(jiān)控機先進行五防邏輯判斷，當(dāng)滿足操作條件時，向間隔控制器發(fā)解鎖信號，由間隔控制器將電磁鎖解鎖，然后才能操作。開鎖后，電磁鎖的狀態(tài)置為0。

對于接地樁的閉鎖，由于接地樁是為臨時接地線配置的接地端，可在接地樁上加裝一個接地箱，再配一把電磁鎖。當(dāng)需要接地時，電磁鎖只有滿足五防邏輯時才能打開，此時電磁鎖的狀態(tài)置為1；需要拆除接地線送電時，必須真正拆除接地線后，接地箱才能關(guān)閉，關(guān)閉后，電磁鎖的狀態(tài)置為0。此時后臺監(jiān)控機才會開放接下來需要操作的電磁鎖，這樣可有效防止帶接地線合斷路器的惡性誤操作的發(fā)生。

網(wǎng)門的閉鎖與手動刀閘相同，存此不再贅述。

5 結(jié)語

隨著變電站自動化技術(shù)的不斷推廣和運行管理模式的進步，防誤閉鎖技術(shù)也面臨許多新的要求，在這些需求的推動下，作為主流的微機防誤閉鎖技術(shù)也在不斷地改進，新的設(shè)計概念不斷出現(xiàn)。本文所做工作是在線式防誤閉鎖系統(tǒng)中電磁鎖與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)部分的設(shè)計。事實上，本系統(tǒng)還需進一步的完善和改進。另外，在線式防誤閉鎖系統(tǒng)要實現(xiàn)與操作票系統(tǒng)和變電站監(jiān)控系統(tǒng)的有效結(jié)合，還需對操作票系統(tǒng)和變電站監(jiān)控系統(tǒng)進行研究，只有在熟悉三個系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進一步加強結(jié)合，實現(xiàn)方案的整體設(shè)計目標(biāo)，才能使在線式防誤閉鎖系統(tǒng)更高效地防止電力系統(tǒng)誤操作事故的發(fā)生。