摘要：基于Philips LPC2138 ARM微控制器設(shè)計(jì)了一塊8一通道定時(shí)繼電器驅(qū)動(dòng)模板。該模板主要用于電力系統(tǒng)遠(yuǎn)方遙控操作。主要就該模板軟硬件的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)方法，尤其是對遙控過程的安全可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。
0 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，對發(fā)電廠／變電站控制對象的遠(yuǎn)方控制主要采用定時(shí)繼電器驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場的執(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)要對開關(guān)量過程輸出通道進(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，通過該接口與裝置的通信與管理模板(Communication andManagement Board，簡稱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)識地址進(jìn)行身份確定。C板的ID標(biāo)識地址采用8位雙排跳線器設(shè)置，標(biāo)識地址范圍為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超級終端接口，通過該接口可以與PC機(jī)進(jìn)行通信連接，使用Windows的超級終端仿真軟件可以十分方便地對該模板進(jìn)行調(diào)試和檢測。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I／O引腳訪問CPLD內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的寄存器和鎖存器對繼電器進(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)有硬件看門狗電路(HWDT)，軟件還設(shè)計(jì)了軟看門狗定時(shí)監(jiān)視器(SWDT)。軟硬看門狗協(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象、性質(zhì)、執(zhí)行3類，其中JD1～8為對象(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，繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，反之亦反。即cPU通過訪問鎖存器，控制繼電器動(dòng)作，從而達(dá)到對現(xiàn)場執(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)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作，中間繼電器(至少3對觸點(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4／8個(gè)現(xiàn)場對象進(jìn)行合分操作。控制4個(gè)對象合分操作時(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。控制8個(gè)對象合分操作時(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信號將74LS273的輸出狀態(tài)清除，禁止74LS273對繼電器操作。模板復(fù)位時(shí)，也產(chǎn)生CLR信號清除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)了控制過程時(shí)間限定電路，從控制對象選擇開始計(jì)時(shí)，如果在規(guī)定時(shí)間之內(nèi)控制過程還沒有完成執(zhí)行過程，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)行過程，一旦通信超時(shí)，遙控執(zhí)行確認(rèn)命令沒有收到，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)檢測控制對象的工作狀態(tài)，如果檢測到主站命令非法，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)繼電器輸出過程通道的安全性可以做到萬無一失了。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，分別完成與M板報(bào)文通信和與PC機(jī)VTl00超級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，分別是看門狗定時(shí)器任務(wù)、與M板數(shù)據(jù)通信協(xié)議處理、VTl00超級終端命令處理等。控制輸出執(zhí)行過程在與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)繼電器輸出過程算法提取出來進(jìn)行介紹。C板運(yùn)行過程中，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)對象的控制輸出都嚴(yán)格按照如下三個(gè)步驟來操作：
??? (1) 選擇對象操作。操作方法為：驅(qū)動(dòng)指定的對象繼電器吸合，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有進(jìn)行過第一步操作，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有進(jìn)行過第一、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。控制輸出操作的執(zhí)行流程如圖8所示。
3 結(jié)論
??? 裝置定型開發(fā)完成之后，在國電北侖電廠三期、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。