《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種新型的防誤操作系統(tǒng)電腦鑰匙的設(shè)計

2009-08-04
作者:王義軍1, 王 琳1, 涂時

  摘 要: 論述了電力系統(tǒng)現(xiàn)有防誤操作系統(tǒng)中電腦鑰匙的功能,提出了基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的新型電腦鑰匙的設(shè)計方案,給出了電腦鑰匙的硬件電路以及軟件框架結(jié)構(gòu)。該電腦鑰匙可以滿足各種防誤操作的要求,具有很好的應(yīng)用前景。
  關(guān)鍵詞: 電腦鑰匙; 無線傳感器網(wǎng)絡(luò); CAN總線;? 操作系統(tǒng)?

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  微機防誤閉鎖系統(tǒng)的電腦鑰匙,用于在操作過程中接收“五防”主機發(fā)出的操作票,然后按照操作票內(nèi)容依次對電編碼鎖和機械編碼鎖進行解鎖操作,對運行人員的實際操作進行監(jiān)控。操作過程中,電腦鑰匙給出操作提示,運行人員按照電腦鑰匙的提示逐步進行正確操作。若運行人員的實際操作與電腦鑰匙的提示不符,則電腦鑰匙將發(fā)出報警并強制閉鎖,從而有效避免誤操作事故的發(fā)生。電腦鑰匙作為防止電力系統(tǒng)誤操作的終端設(shè)備,起著不可忽視的作用[1]。
  但是,這種基于離線式電腦鑰匙的微機防誤閉鎖裝置,由于技術(shù)條件和設(shè)計方案的限制還存在如下一些問題:
  (1)在很多情況下,無法防止誤入帶電間隔。
  (2)無法實現(xiàn)防誤操作系統(tǒng)對于集控站遙控操作的閉鎖。
  (3)在單人和檢修參與操作時,無法實現(xiàn)防誤系統(tǒng)對變電所解鎖操作遠程監(jiān)控功能。
??? (4)在實現(xiàn)系統(tǒng)操作時,無法完成聯(lián)絡(luò)線路兩側(cè)防誤聯(lián)鎖問題。
  (5)當(dāng)變電所操作量大時,無法解決多任務(wù)并行操作的問題[2]。
  上述存在的問題,癥結(jié)就在于離線式的電腦鑰匙。本文即根據(jù)現(xiàn)場存在的實際問題提出新一代電腦鑰匙的設(shè)計方案。把電腦鑰匙設(shè)計成CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、GSM網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的集線節(jié)點,以FREESCALE工業(yè)級MCP芯片作為中央處理器,配備自編的實時操作系統(tǒng),可以很好地滿足電力現(xiàn)場對于防誤操作系統(tǒng)的新要求。
1 電腦鑰匙硬件電路
  根據(jù)電力系統(tǒng)現(xiàn)場能否鋪設(shè)有線電纜的具體情況,按照與控制中心的聯(lián)絡(luò)方式不同設(shè)計了2種電腦鑰匙:一種是基于CAN現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò),另外一種是基于GSM無線通信網(wǎng)絡(luò)。 圖1為基于CAN現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)的電腦鑰匙硬件系統(tǒng)框圖。圖2為基于GSM無線通信網(wǎng)絡(luò)的電腦鑰匙硬件系統(tǒng)框圖。

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  硬件系統(tǒng)電路包含以下幾部分:中央處理器選用FREESCALE公司生產(chǎn)的工業(yè)級芯片MC9S08DZ32,該芯片帶有CAN控制器、SPI接口、SCI接口和鍵盤接口,處理器外圍擴展電路中無線傳感器模塊Chipcon CC2420和語音芯片ISD4002使用SPI總線連接,GSM模塊 TC35I和液晶顯示器模塊LCM12864通過擴展的CD4052數(shù)據(jù)分配器與SCI接口相連。
2 電腦鑰匙軟件設(shè)計
  電腦鑰匙軟件開發(fā)基于復(fù)旦大學(xué)嵌入式實驗室自行研發(fā)的FDCX08實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。FDCX08操作系統(tǒng)支持多至8個任務(wù)同時運行,采用優(yōu)先級任務(wù)調(diào)度方法,支持搶先調(diào)度,支持任務(wù)間通信,具有郵局通信和信號量控制功能;支持CAN通信、SCI通信、SPI通信,具有定時時鐘功能,可為各個任務(wù)提供定時和超時計數(shù)服務(wù);支持MC9S08DZ32的各種中斷,為各個任務(wù)提供中斷處理服務(wù)。操作系統(tǒng)的要求比較簡單,要求該操作系統(tǒng)最大程度地減少系統(tǒng)的開銷,將任務(wù)調(diào)度和系統(tǒng)調(diào)用的時間縮至最小。
  FDCX08的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。


  系統(tǒng)任務(wù)為最低優(yōu)先級,主要完成CAN總線、SCI、SPI通信、報警以及系統(tǒng)檢驗任務(wù);輸入任務(wù)包括遠方嵌入式“五防”主機(簡稱“五防”主機)下達的命令任務(wù),以及由智能鎖具傳來的狀態(tài)信息;每個控制任務(wù)代表一個控制通道,輸出任務(wù)是對不同輸入任務(wù)的響應(yīng)。圖4為電腦鑰匙的軟件結(jié)構(gòu)。


3 電腦鑰匙操作過程
  基于網(wǎng)絡(luò)的防誤操作系統(tǒng)對變電站所有開關(guān)、刀閘、接地線等進行統(tǒng)一編碼,使每個操作閉鎖項都具有一個唯一的ID號。為增加操作的可靠性,除識別鎖編碼外,還要檢測設(shè)備狀態(tài),當(dāng)這2個條件都滿足時,鎖才能被打開,設(shè)備才允許操作。
  操作過程需要模擬演示和實際操作二部分。當(dāng)進入仿真培訓(xùn)功能時,控制中心 “五防”主機自動將培訓(xùn)操作前的模擬屏狀態(tài)記憶下來,并將仿真培訓(xùn)狀態(tài)下模擬屏各元件的分、合閘位置建立一個虛擬的開關(guān)量狀態(tài)表,實現(xiàn)對仿真培訓(xùn)操作的綜合分析,判斷操作的正誤,給出操作信息,指導(dǎo)運行人員進行正確的操作,同時記錄錯誤的原因和性質(zhì),并打印出結(jié)果以供今后分析使用。退出仿真培訓(xùn)功能時,計算機會自動提示運行人員將改變過的模擬元件位置恢復(fù),強制運行人員將模擬屏狀態(tài)恢復(fù)至正確狀態(tài)。從而有效地保證了模擬屏狀態(tài)與現(xiàn)場設(shè)備實際位置嚴(yán)格保持一致。
  “五防”主機將標(biāo)準(zhǔn)票的操作項按照操作順序傳送給具體實施操作的電腦鑰匙。電腦鑰匙將接收來的操作數(shù)據(jù)有序地放在其內(nèi)部Flash存儲器中,并嚴(yán)格按此步驟識別待操作的設(shè)備編碼,只有設(shè)備與操作票相吻合時,電腦鑰匙才能打開編碼鎖,開放操作機構(gòu)或接通操作回路,允許對設(shè)備進行倒閘操作。當(dāng)設(shè)備完成倒閘操作并重新閉鎖好后,向電腦鑰匙發(fā)出響應(yīng)信號,表示該項操作完成,電腦鑰匙的操作項緩沖區(qū)指針將指向下一個操作項,直至整張操作票被逐項有序地執(zhí)行完畢,有效地避免了誤入間隔和走空程序的問題。電腦鑰匙在操作的全過程中,通過網(wǎng)絡(luò)實時地將操作設(shè)備的分、合閘動作反饋到主控制室,使主控制室工作人員能及時監(jiān)視到現(xiàn)場操作的每一步,從而進一步提高整個系統(tǒng)的綜合性能。
4 幾種特殊閉鎖方式的實現(xiàn)
  “五防”主機對設(shè)備狀態(tài)信息實時刷新,實時檢測開關(guān)、刀閘的狀態(tài)并據(jù)此隨時校驗操作步驟。下面為幾種特殊閉鎖方式的實現(xiàn):
  (1)線路側(cè)帶電時閉鎖線路接地刀(或接地線)
  通過電壓抽取裝置及狀態(tài)變換器將線路側(cè)帶電與否的信號加在機械鎖的狀態(tài)輸入端,當(dāng)電腦鑰匙操作此步驟時,首先識別鎖編碼,然后判斷線路狀態(tài),僅當(dāng)此狀態(tài)符合規(guī)程要求時,機械編碼鎖才可被打開,接地刀或接地線方可被操作。
  (2)對側(cè)接地刀閉合時閉鎖出線刀閘
  將對側(cè)接地刀狀態(tài)通過載波送到本側(cè),然后通過解碼設(shè)備分離出狀態(tài)信號,并送入出線刀閘機械鎖的狀態(tài)輸入端供電腦鑰匙檢測。當(dāng)對側(cè)接地刀狀態(tài)符合電腦鑰匙操作狀態(tài)要求時,機械鎖方可被打開,出線刀閘才能被操作。
  (3)集控站操作閉鎖
  系統(tǒng)采用遙控閉鎖繼電器對監(jiān)控操作實施硬接點強制閉鎖,在操作回路中串聯(lián)接入閉鎖常開接點,防止在集控站遠方操作或當(dāng)?shù)乇O(jiān)控操作中,由于運行人員操作不當(dāng)所造成的誤操作,也可解決當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)或通信系統(tǒng)由于雷擊或軟硬件故障、干擾等造成的誤動作。
  (4)防止誤入帶電間隔[3-4]
  利用傳感器位置信息的解析算法,簡單確定目標(biāo)是從2個電腦鑰匙一側(cè)通過還是之間通過,從而驗證現(xiàn)場操作員是否誤入帶電間隔。
  假定目標(biāo)作直線運動,則目標(biāo)運動軌跡相對于電腦鑰匙位置,只可能有2種情況:目標(biāo)從電腦鑰匙一側(cè)通過;目標(biāo)從2個電腦鑰匙之間通過,如圖5、圖6所示。


  假定目標(biāo)從如圖5所示的2個電腦鑰匙一側(cè)通過,則滿足:
  
  式中, di表示電腦鑰匙i與目標(biāo)運動軌跡之間的距離; D表示電腦鑰匙i與電腦鑰匙i+1之間的距離。這3個參數(shù)可以實測出來,這樣通過求解上式得到目標(biāo)距離帶電間隔的直線距離d。
  假定目標(biāo)從如圖6所示的2個電腦鑰匙之間通過時,目標(biāo)距離帶電間隔的直線距離d也可由上式計算。
  通過以上2 種目標(biāo)運動情況,分別對應(yīng)2 組目標(biāo)運動軌跡參數(shù),可以通過判斷d的大小和變化規(guī)律區(qū)分目標(biāo)的實際運行軌跡。
  采用了先進的計算機技術(shù),通信技術(shù)和抗干擾技術(shù)設(shè)計的基于網(wǎng)絡(luò)的防誤閉鎖系統(tǒng)電腦鑰匙,以防誤閉鎖為主,又有電力系統(tǒng)仿真培訓(xùn)及管理的實用功能,更能完成以往離線式電腦鑰匙不能解決的任務(wù),可以實現(xiàn)現(xiàn)場和集控2種操作方式下的防誤閉鎖。合理的網(wǎng)絡(luò)框架設(shè)計可以支持各種通信規(guī)約。
  這種防誤閉鎖系統(tǒng)電腦鑰匙,既可以解除運行人員長期以來沉重的誤操作思想包袱,大大減輕了運行人員發(fā)生誤操作的可能性,也為現(xiàn)代化運行操作方式提供了防誤閉鎖方法,可廣泛地應(yīng)用于各種電壓等級、各種復(fù)雜接線的發(fā)電廠和變電站,具有很好的發(fā)展前景。


參考文獻
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