引言

　　本文設(shè)計(jì)的定時(shí)繼電器驅(qū)動(dòng)模板是一款嵌入式SCADA系統(tǒng)的一種插件,，稱為智能控制輸出板(IntelligentControl Output Board,，簡(jiǎn)稱C板),。該裝置主要用于電力系統(tǒng)和電動(dòng)馬達(dá)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與控制。

　　在電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域,，對(duì)發(fā)電廠／變電站控制對(duì)象的遠(yuǎn)方控制主要采用定時(shí)繼電器驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作,。鑒于電力系統(tǒng)的特殊性，對(duì)控制操作的安全可靠性有非常嚴(yán)格的要求,，一旦發(fā)生誤動(dòng),，將導(dǎo)致電力系統(tǒng)發(fā)生運(yùn)行事故，甚至造成大面積停電的重大事故,。為此,，在進(jìn)行智能控制輸出板設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)開(kāi)關(guān)量過(guò)程輸出通道進(jìn)行嚴(yán)格的安全設(shè)計(jì)，同時(shí)要按照電力調(diào)度遙控操作規(guī)程,，設(shè)計(jì)返校檢測(cè)閉鎖,、超時(shí)閉鎖等安全措施，防止裝置受到干擾以后產(chǎn)生錯(cuò)誤的控制輸出,，釀成事故,。本文主要就該模板的軟硬件設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)方法以及遙控過(guò)程的安全可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。

　　1 硬件設(shè)計(jì)

　　1．1 總體設(shè)計(jì)

　　C板以Philips LPC2138 ARM微控制器為核心,，完成8通道定時(shí)繼電器驅(qū)動(dòng)輸出,。作為嵌入式SCADA系統(tǒng)的一種插件，板上設(shè)計(jì)了一路RS422異步串行通信接口,，通過(guò)該接口與裝置的通信與管理模板(Communication andManagement Board,，簡(jiǎn)稱M板)通信，接收M板下達(dá)的控制輸出命令,，并執(zhí)行控制輸出操作,。由于M板要通過(guò)RS422總線管理多塊IIO板工作，M板采用主從方式實(shí)現(xiàn)與IIO板的通信連接,，為此各IIO板都設(shè)計(jì)了ID標(biāo)識(shí)地址進(jìn)行身份確定,。C板的ID標(biāo)識(shí)地址采用8位雙排跳線器設(shè)置，標(biāo)識(shí)地址范圍為01H～FFH,。此外,，模板還設(shè)計(jì)了一路為RS232接口，用于模板的檢測(cè)與調(diào)試,，以及LPC2138的軟件下載,。調(diào)試RS232接口是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的VTl00超級(jí)終端接口,，通過(guò)該接口可以與PC機(jī)進(jìn)行通信連接，使用Windows的超級(jí)終端仿真軟件可以十分方便地對(duì)該模板進(jìn)行調(diào)試和檢測(cè),。同時(shí)該串口也是LPC2138軟件的下載接口,，將編譯連接生成的軟件下載到LPC2138的FLASH存儲(chǔ)器。

　　板上定時(shí)繼電器驅(qū)動(dòng)過(guò)程通道由12個(gè)TQ2-24V繼電器和光電隔離達(dá)林頓繼電器驅(qū)動(dòng)電路,、狀態(tài)輸出鎖存電路,、狀態(tài)輸出邏輯閉鎖電路、繼電器狀態(tài)返校電路,、單穩(wěn)延時(shí)電路等部分組成,。其中狀態(tài)輸出鎖存電路、狀態(tài)輸出邏輯閉鎖電路,、繼電器狀態(tài)返校電路采用一片EPM7128CPLD編程實(shí)現(xiàn),，LPC2138通過(guò)I／O引腳訪問(wèn)CPLD內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的寄存器和鎖存器對(duì)繼電器進(jìn)行控制操作，實(shí)現(xiàn)模板的數(shù)字量輸出功能,。

　　為了保證模板運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性,，C板設(shè)計(jì)有硬件看門(mén)狗電路(HWDT)，軟件還設(shè)計(jì)了軟看門(mén)狗定時(shí)監(jiān)視器(SWDT),。軟硬看門(mén)狗協(xié)同工作,，在軟件“走飛”或局部”走死”之后自動(dòng)恢復(fù)模板運(yùn)行。C板的工作原理如圖1所示,。

　　1．2 定時(shí)繼電器輸出過(guò)程通道設(shè)計(jì)

　　如圖3所示,，定時(shí)繼電器輸出電路由輸出狀態(tài)鎖存器(LS273),、帶達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)光電隔離電路(TLPl27),、繼電器(TQ2-L-24v)三部分組成。板上的12個(gè)繼電器按功能劃分為對(duì)象,、性質(zhì),、執(zhí)行3類，其中JD1～8為對(duì)象(OBJ)繼電器,、JD9和JDl0分別為合分性質(zhì)繼電器(CA／0A),、JD11和JDl2分別為合分執(zhí)行繼電器(CE／OE)。CPU將鎖存器的對(duì)應(yīng)位設(shè)置為1,，光偶的達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通,，繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，反之亦反,。即cPU通過(guò)訪問(wèn)鎖存器,，控制繼電器動(dòng)作，從而達(dá)到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制操作的目的,。

　　模板上的繼電器觸點(diǎn)采用町洋2EHDRM／2ESDFM-18P接線端子從模板的后面板對(duì)引出,，與外部中間繼電器構(gòu)成執(zhí)行回路,。板上12個(gè)繼電器的觸點(diǎn)與接線端子的連接關(guān)系如圖4所示。

　　由于TQ2-L-24V繼電器觸點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)能力不夠,，不能直接驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作,，中間繼電器(至少3對(duì)觸點(diǎn))的體積太大，安裝不到電路板上,。為此,，中間繼電器安裝在機(jī)柜內(nèi)，與板上的繼電器觸點(diǎn)構(gòu)成控制回路,，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作,。

　　根據(jù)用戶需求，一塊C板可以實(shí)現(xiàn)對(duì)4／8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象進(jìn)行合分操作,?？刂?個(gè)對(duì)象合分操作時(shí)，OBJ1～4的輸出觸點(diǎn)并聯(lián),，再與CA,、CE的觸點(diǎn)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)4個(gè)合操作中間繼電器；0BJ5~8的輸出觸點(diǎn)并聯(lián),，再與0A,、0E的觸點(diǎn)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)4個(gè)分操作中間繼電器?？刂?個(gè)對(duì)象合分操作時(shí),，需要驅(qū)動(dòng)19個(gè)中間繼電器構(gòu)成控制回路，控制回路與中間繼電器觸點(diǎn)輸出連接如圖5所示,。

　　進(jìn)行電力系統(tǒng)斷路器分閘操作時(shí),，還需要設(shè)計(jì)專門(mén)的重合閘放電回路，避免分閘操作之后,，重合閘機(jī)構(gòu)再將斷路器合上,。

　　1．3 安全措施設(shè)計(jì)

　　安全、穩(wěn)定,、可靠是對(duì)C板設(shè)計(jì)提出的最重要的要求,，模板設(shè)計(jì)時(shí)需要采取一系列的安全措施防止裝置受到干擾后誤出口造成事故。首先,，按照規(guī)程的要求設(shè)計(jì)三個(gè)繼電器串聯(lián),、分步操作驅(qū)動(dòng)中間繼電器動(dòng)作，減少受干擾誤出口的概率,，如圖4,、5所示。其次,，根據(jù)EMS／SCADA系統(tǒng)遙控操作的特點(diǎn),，嚴(yán)格控制每次只允許1個(gè)通道控制輸出,。為了防止模板受干擾出現(xiàn)多個(gè)對(duì)象同時(shí)選中的情況，CPUD內(nèi)部設(shè)計(jì)有電路自動(dòng)檢測(cè)74LS273的8個(gè)輸出狀態(tài),，如果出現(xiàn)多于一個(gè)狀態(tài)為高電平,，則產(chǎn)生cIJR信號(hào)將74LS273的輸出狀態(tài)清除，禁止74LS273對(duì)繼電器操作,。模板復(fù)位時(shí),，也產(chǎn)生CLR信號(hào)清除74LS273的狀態(tài)，防止系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)74LS273的狀態(tài)不確定,，造成誤出口,。第三，板上12個(gè)繼電器都通過(guò)輔助觸點(diǎn)設(shè)計(jì)有狀態(tài)返校(RC)電路,，如圖3所示,。CPU通過(guò)CPLD內(nèi)部設(shè)計(jì)的狀態(tài)緩存器可以讀取繼電器的工作狀態(tài)，一旦檢測(cè)到繼電器工作狀態(tài)不正確,，立即執(zhí)行軟件清除指令,，將74LS273的狀態(tài)清零，并返回執(zhí)行出錯(cuò)指示,。第四,，根據(jù)控制操作執(zhí)行的時(shí)序規(guī)定，采用741LS123設(shè)計(jì)了控制過(guò)程時(shí)間限定電路,，從控制對(duì)象選擇開(kāi)始計(jì)時(shí),，如果在規(guī)定時(shí)間之內(nèi)控制過(guò)程還沒(méi)有完成執(zhí)行過(guò)程，硬件自動(dòng)撤消本次執(zhí)行操作,，即便軟件“走死”時(shí)也能自動(dòng)執(zhí)行閉鎖操作,。與此同時(shí)，軟件設(shè)計(jì)的定時(shí)器也監(jiān)視著遙控執(zhí)行過(guò)程,，一旦通信超時(shí),，遙控執(zhí)行確認(rèn)命令沒(méi)有收到,，立即執(zhí)行軟件清除指令,，取消本次操作。CPLD內(nèi)部設(shè)計(jì)的控制過(guò)程閉鎖電路如圖6所示,。第五,，M板在執(zhí)行主站下達(dá)的遙控命令時(shí)，也會(huì)自動(dòng)檢測(cè)控制對(duì)象的工作狀態(tài),，如果檢測(cè)到主站命令非法,，也將拒絕執(zhí)行命令。

　　在采取上述安全措施之后,，模板上的定時(shí)繼電器輸出過(guò)程通道的安全性可以做到萬(wàn)無(wú)一失了,。作者近18年遠(yuǎn)動(dòng)終端(RTU)的設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,，上述安全措施的可靠性非常高，至今沒(méi)有出現(xiàn)遙控誤出口的情況,。

　　2 軟件設(shè)計(jì)

　　模板軟件采用μC／OS—II作為操作系統(tǒng),，軟件的層次結(jié)構(gòu)如圖7所示。模板的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)主要工作包括目標(biāo)板底層驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)和模板I／O功能的設(shè)計(jì)編程兩部分工作,。

　　目標(biāo)板底層驅(qū)動(dòng)主要包括兩個(gè)異步串口中斷的中斷服務(wù)程序的編寫(xiě),，分別完成與M板報(bào)文通信和與PC機(jī)VTl00超級(jí)終端仿真軟件的通信。

　　模板應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)任務(wù)程序的編寫(xiě),，分別是看門(mén)狗定時(shí)器任務(wù),、與M板數(shù)據(jù)通信協(xié)議處理、VTl00超級(jí)終端命令處理等,?？刂戚敵鰣?zhí)行過(guò)程在與M板數(shù)據(jù)通信協(xié)議處理任務(wù)中實(shí)現(xiàn)。

　　限于論文的篇幅,，本文對(duì)模板軟件實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)不作詳細(xì)介紹,，僅將定時(shí)繼電器輸出過(guò)程算法提取出來(lái)進(jìn)行介紹。C板運(yùn)行過(guò)程中,，軟件靜態(tài)等待接收M板下發(fā)的輸出命令,，控制指定繼電器的輸出操作，并將執(zhí)行結(jié)果反饋給M板,。根據(jù)規(guī)程要求,，每個(gè)對(duì)象的控制輸出都嚴(yán)格按照如下三個(gè)步驟來(lái)操作：

　　(1) 選擇對(duì)象操作。操作方法為：驅(qū)動(dòng)指定的對(duì)象繼電器吸合,，并讀取該繼電器的工作狀態(tài)進(jìn)行返校,。如果返校結(jié)果正確，則允許進(jìn)行第二步操作,，否則自動(dòng)撤消本次命令,。

　　(2) 選擇性質(zhì)操作。操作方法為：先檢查第一步操作是否成功,，如果第一步操作失敗或沒(méi)有進(jìn)行過(guò)第一步操作,，則自動(dòng)撤消本次命令。如果第一步操作成功,，則驅(qū)動(dòng)指定的性質(zhì)繼電器吸合,，并讀取該繼電器的工作狀態(tài)進(jìn)行返校。如果返校結(jié)果正確則允許進(jìn)行第三步操作,，否則自動(dòng)撤消本次命令,。

　　(3) 執(zhí)行操作。操作方法為：先檢查前面兩步操作是否成功,，如果前兩步操作失敗或沒(méi)有進(jìn)行過(guò)第一,、二步操作,，則自動(dòng)撤消本次命令。如果前面兩步操作成功,，則驅(qū)動(dòng)指定的執(zhí)行繼電器吸合,，并讀取該繼電器的工作狀態(tài)進(jìn)行返校。如果返校結(jié)果正確,，則報(bào)告本次輸出操作成功,，否則報(bào)告本次輸出操作失敗?？刂戚敵霾僮鞯膱?zhí)行流程如圖8所示,。

　　3 結(jié)論

　　裝置定型開(kāi)發(fā)完成之后，在國(guó)電北侖電廠三期,、中山嘉明電廠二期UPS電源監(jiān)控和戶縣惠安化工廠19口水井的馬達(dá)自動(dòng)控制中投入使用,，運(yùn)行結(jié)果表明，c板定時(shí)繼電器驅(qū)動(dòng)的正確率和安全可靠性等性能指標(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求,，運(yùn)行穩(wěn)定可靠,，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。