基于CAN總線和單總線的在線式防誤閉鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)在線式防誤閉鎖系統(tǒng)的特點(diǎn)和目前研究中存在的連接復(fù)雜、不易擴(kuò)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(jì)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(dòng)化系統(tǒng)的全站監(jiān)控功能，通過集成在自動(dòng)化系統(tǒng)后臺(tái)軟件中的五防模塊和測(cè)控裝置中的間隔五防模塊，來對(duì)電氣操作防誤閉鎖進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，以便在滿足防誤閉鎖操作條件時(shí)，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(jī)械鎖具，可實(shí)現(xiàn)操作票的逐項(xiàng)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(diǎn)，多數(shù)的開關(guān)和刀閘的狀態(tài)可在線監(jiān)控，但在實(shí)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(shí)現(xiàn)刀閘電動(dòng)操作和接地樁的監(jiān)測(cè)等，實(shí)際上，對(duì)于這些手動(dòng)操作設(shè)備，可以使用電磁鎖來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。通過在電磁鎖回路中串接五防節(jié)點(diǎn)，這樣，用后臺(tái)監(jiān)控機(jī)就可以控制電磁鎖是否可以打開。

一般而言，一個(gè)間隔大約需要配置這佯的電磁鎖3～7把，每把電磁鎖所實(shí)現(xiàn)的功能可能需要多個(gè)開入開出量，這樣，一個(gè)間隔的開入信號(hào)和開出信號(hào)大約有十幾個(gè)到幾十個(gè)。如果每個(gè)信號(hào)都通過單獨(dú)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(shí)現(xiàn)的難度較大，很難得到廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)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(jì)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(hào)，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(shí)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(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。單總線器件可按照串行協(xié)議進(jìn)行供電和數(shù)據(jù)通信，能夠?yàn)橄到y(tǒng)增添特定功能，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的連接方式。單總線技術(shù)的主要特點(diǎn)如下：

(1)只需一根信號(hào)線和一根地線就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、地址、控制信號(hào)和電源的傳輸，接線非常簡(jiǎn)單；

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

(3)每個(gè)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(jìn)行操作；

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

單總線技術(shù)將通訊、信號(hào)的輸入輸出及控制等功能集中到了一個(gè)芯片內(nèi)。采用單總線芯片來設(shè)計(jì)電磁鎖，不僅能很好地實(shí)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(jì)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(tái)控制的五防節(jié)點(diǎn)，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(gè)由鎖具本體的按鈕控制的節(jié)點(diǎn)。只有當(dāng)操作滿足五防邏輯且五防節(jié)點(diǎn)閉合后，由運(yùn)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(dòng)設(shè)備的狀態(tài)。

如接地樁所配的電磁鎖有兩個(gè)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(tái)監(jiān)控機(jī)可以實(shí)時(shí)通訊，以便將設(shè)備的實(shí)時(shí)信息通過網(wǎng)絡(luò)傳給監(jiān)控機(jī)，同時(shí)也可以按照監(jiān)控機(jī)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(tái)監(jiān)控機(jī)的通訊，向其傳送電磁鎖的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并接收監(jiān)控機(jī)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(jī)下達(dá)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(jī)的連接

由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在減少系統(tǒng)線纜，簡(jiǎn)化系統(tǒng)安裝、維護(hù)和管理，降低系統(tǒng)投資和運(yùn)行成本，增強(qiáng)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(jī)的連接可選用現(xiàn)場(chǎng)總線。

目前，工控領(lǐng)域己發(fā)展出多種現(xiàn)場(chǎng)總線，各現(xiàn)場(chǎng)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(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線、CAN總線、Lon Works總線和HART總線。

通過對(duì)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(duì)響應(yīng)時(shí)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(hào)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(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線在對(duì)距離和實(shí)時(shí)性的滿足上不夠；CAN總線則能適用小型的，實(shí)時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)，而且對(duì)傳輸距離和實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)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(jì)的防誤閉鎖系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。其中監(jiān)控主機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，在監(jiān)控主機(jī)上運(yùn)行著防誤系統(tǒng)應(yīng)用軟件。監(jiān)控主機(jī)能夠采集和記錄整個(gè)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(kù)中以供查詢。另外，主機(jī)針對(duì)操作票的每一項(xiàng)操作，首先要進(jìn)行五防邏輯判斷，若操作符合防誤邏輯，則主機(jī)發(fā)送相應(yīng)鎖具的解鎖命令，否則對(duì)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(jī)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(shí)時(shí)鐘電路等幾部分?？刂破鞑捎镁哂袕?qiáng)抗干擾能力的工業(yè)級(jí)單片機(jī)設(shè)計(jì)而成，負(fù)責(zé)把接收到的主機(jī)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(jī)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(huì)定時(shí)對(duì)單總線執(zhí)行搜索命令，通過搜索命令可以檢測(cè)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(jìn)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(jī)構(gòu)。對(duì)于手動(dòng)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(jì)，故能方便地通過一條單總線連成單總線網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上，整個(gè)間隔內(nèi)的接線非常簡(jiǎn)潔。

4 電磁鎖的配置

在已有的在線式設(shè)計(jì)方案中，對(duì)開關(guān)和電動(dòng)刀閘的閉鎖通常通過在其測(cè)控屏串入監(jiān)控五防閉鎖節(jié)點(diǎn)和測(cè)控五防閉鎖節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。本文主要討論對(duì)手動(dòng)刀閘、接地樁和網(wǎng)門的閉鎖。

對(duì)手動(dòng)刀閘閉鎖時(shí)，可在手動(dòng)刀閘的操作把手上加裝智能電磁鎖。當(dāng)需要對(duì)刀閘進(jìn)行操作時(shí)，由后臺(tái)監(jiān)控機(jī)先進(jìn)行五防邏輯判斷，當(dāng)滿足操作條件時(shí)，向間隔控制器發(fā)解鎖信號(hào)，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(duì)于接地樁的閉鎖，由于接地樁是為臨時(shí)接地線配置的接地端，可在接地樁上加裝一個(gè)接地箱，再配一把電磁鎖。當(dāng)需要接地時(shí)，電磁鎖只有滿足五防邏輯時(shí)才能打開，此時(shí)電磁鎖的狀態(tài)置為1；需要拆除接地線送電時(shí)，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(shí)后臺(tái)監(jiān)控機(jī)才會(huì)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(dòng)刀閘相同，存此不再贅述。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著變電站自動(dòng)化技術(shù)的不斷推廣和運(yùn)行管理模式的進(jìn)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(dòng)下，作為主流的微機(jī)防誤閉鎖技術(shù)也在不斷地改進(jìn)，新的設(shè)計(jì)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(jì)。事實(shí)上，本系統(tǒng)還需進(jìn)一步的完善和改進(jìn)。另外，在線式防誤閉鎖系統(tǒng)要實(shí)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(duì)操作票系統(tǒng)和變電站監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，只有在熟悉三個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加強(qiáng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)方案的整體設(shè)計(jì)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。