基于ARM的定時繼電器驅動模板的設計

　　摘要：本文設計的定時繼電器驅動模板是一款嵌入式SCADA系統(tǒng)的一種插件，稱為智能控制輸出板（InligentControlOutputBoard，簡稱C板）。該裝置主要用于電力系統(tǒng)和電動馬達的實時數據采集與控制。

        引言
　　
　　本文設計的定時繼電器驅動模板是一款嵌入式SCADA系統(tǒng)的一種插件，稱為智能控制輸出板（InligentControlOutputBoard，簡稱C板）。該裝置主要用于電力系統(tǒng)和電動馬達的實時數據采集與控制。
　　
　　在電力系統(tǒng)自動化領域，對發(fā)電廠／變電站控制對象的遠方控制主要采用定時繼電器驅動現場的執(zhí)行機構進行操作。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格的要求，一旦發(fā)生誤動，將導致電力系統(tǒng)發(fā)生運行事故，甚至造成大面積停電的重大事故。為此，在進行智能控制輸出板設計時要對開關量過程輸出通道進行嚴格的安全設計，同時要按照電力調度遙控操作規(guī)程，設計返校檢測閉鎖、超時閉鎖等安全措施，防止裝置受到干擾以后產生錯誤的控制輸出，釀成事故。本文主要就該模板的軟硬件設計原理與實現方法以及遙控過程的安全可靠性設計進行了介紹。
　　
　　1、硬件設計
　　
　　1．1總體設計
　　
　　C板以PhilipsLPC2138ARM微控制器為核心，完成8通道定時繼電器驅動輸出。作為嵌入式SCADA系統(tǒng)的一種插件，板上設計了一路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（CommunicationandManagementBoard，簡稱M板）通信，接收M板下達的控制輸出命令，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板采用主從方式實現與IIO板的通信連接，為此各IIO板都設計了ID標識地址進行身份確定。C板的ID標識地址采用8位雙排跳線器設置，標識地址范圍為01H～FFH。此外，模板還設計了一路為RS232接口，用于模板的檢測與調試，以及LPC2138的軟件下載。調試RS232接口是一個標準的VTl00終端接口，通過該接口可以與PC機進行通信連接，使用Windows的終端仿真軟件可以十分方便地對該模板進行調試和檢測。同時該串口也是LPC2138軟件的下載接口，將編譯連接生成的軟件下載到LPC2138的FLASH存儲器。
　　
　　板上定時繼電器驅動過程通道由12個TQ2-24V繼電器和光電隔離達林頓繼電器驅動電路、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編程實現，LPC2138通過I／O引腳訪問CPLD內部實現的寄存器和鎖存器對繼電器進行控制操作，實現模板的數字量輸出功能。
　　
　　為了保證模板運行的穩(wěn)定可靠性，C板設計有硬件看門狗電路（HWDT），軟件還設計了軟看門狗定時監(jiān)視器（SWDT）。軟硬看門狗協(xié)同工作，在軟件“走飛”或局部”走死”之后自動恢復模板運行。C板的工作原理如圖1所示。　　
　　1．2定時繼電器輸出過程通道設計
　　
　　如圖3所示，定時繼電器輸出電路由輸出狀態(tài)鎖存器（LS273）、帶達林頓驅動光電隔離電路（TLPl27）、繼電器（TQ2-L-24v）三部分組成。板上的12個繼電器按功能劃分為對象、性質、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將鎖存器的對應位設置為1，光偶的達林頓驅動電路導通，繼電器的常開觸點閉合，反之亦反。即cPU通過訪問鎖存器，控制繼電器動作，從而達到對現場執(zhí)行機構控制操作的目的。　　
　　模板上的繼電器觸點采用町洋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成執(zhí)行回路。板上12個繼電器的觸點與接線端子的連接關系如圖4所示。　　
　　由于TQ2-L-24V繼電器觸點的驅動能力不夠，不能直接驅動現場執(zhí)行機構操作，中間繼電器（至少3對觸點）的體積太大，安裝不到電路板上。為此，中間繼電器安裝在機柜內，與板上的繼電器觸點構成控制回路，驅動現場執(zhí)行機構操作。
　　
　　根據用戶需求，一塊C板可以實現對4／8個現場對象進行合分操作。控制4個對象合分操作時，OBJ1～4的輸出觸點并聯(lián)，再與CA、CE的觸點串聯(lián)驅動4個合操作中間繼電器；0BJ5~8的輸出觸點并聯(lián)，再與0A、0E的觸點串聯(lián)驅動4個分操作中間繼電器。控制8個對象合分操作時，需要驅動19個中間繼電器構成控制回路，控制回路與中間繼電器觸點輸出連接如圖5所示。　　
　　進行電力系統(tǒng)斷路器分閘操作時，還需要設計專門的重合閘放電回路，避免分閘操作之后，重合閘機構再將斷路器合上。
　　
　　1．3安全措施設計
　　
　　安全、穩(wěn)定、可靠是對C板設計提出的zui重要的要求，模板設計時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)程的要求設計三個繼電器串聯(lián)、分步操作驅動中間繼電器動作，減少受干擾誤出口的概率，如圖4、5所示。其次，根據EMS／SCADA系統(tǒng)遙控操作的特點，嚴格控制每次只允許1個通道控制輸出。為了防止模板受干擾出現多個對象同時選中的情況，CPUD內部設計有電路自動檢測74LS273的8個輸出狀態(tài)，如果出現多于一個狀態(tài)為高電平，則產生cIJR信號將74LS273的輸出狀態(tài)清除，禁止74LS273對繼電器操作。模板復位時，也產生CLR信號清除74LS273的狀態(tài)，防止系統(tǒng)啟動時74LS273的狀態(tài)不確定，造成誤出口。第三，板上12個繼電器都通過輔助觸點設計有狀態(tài)返校（RC）電路，如圖3所示。CPU通過CPLD內部設計的狀態(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)行出錯指示。第四，根據控制操作執(zhí)行的時序規(guī)定，采用741LS123設計了控制過程時間限定電路，從控制對象選擇開始計時，如果在規(guī)定時間之內控制過程還沒有完成執(zhí)行過程，硬件自動撤消本次執(zhí)行操作，即便軟件“走死”時也能自動執(zhí)行閉鎖操作。與此同時，軟件設計的定時器也監(jiān)視著遙控執(zhí)行過程，一旦通信超時，遙控執(zhí)行確認命令沒有收到，立即執(zhí)行軟件清除指令，取消本次操作。CPLD內部設計的控制過程閉鎖電路如圖6所示。第五，M板在執(zhí)行主站下達的遙控命令時，也會自動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，模板上的定時繼電器輸出過程通道的安全性可以做到*了。作者近18年遠動終端（RTU）的設計與工程實踐經驗表明，上述安全措施的可靠性非常高，至今沒有出現遙控誤出口的情況。
　　
　　2、軟件設計
　　
　　模板軟件采用μC／OS—II作為操作系統(tǒng)，軟件的層次結構如圖7所示。模板的應用軟件設計主要工作包括目標板底層驅動程序的編寫和模板I／O功能的設計編程兩部分工作。　　　　目標板底層驅動主要包括兩個異步串口中斷的中斷服務程序的編寫，分別完成與M板報文通信和與PC機VTl00終端仿真軟件的通信。
　　
　　模板應用軟件設計主要包括3個任務程序的編寫，分別是看門狗定時器任務、與M板數據通信協(xié)議處理、VTl00終端命令處理等。控制輸出執(zhí)行過程在與M板數據通信協(xié)議處理任務中實現。
　　
　　限于論文的篇幅，本文對模板軟件實現的細節(jié)不作詳細介紹，僅將定時繼電器輸出過程算法提取出來進行介紹。C板運行過程中，軟件靜態(tài)等待接收M板下發(fā)的輸出命令，控制繼電器的輸出操作，并將執(zhí)行結果反饋給M板。根據規(guī)程要求，每個對象的控制輸出都嚴格按照如下三個步驟來操作：
　　
　　（1）選擇對象操作。操作方法為：驅動的對象繼電器吸合，并讀取該繼電器的工作狀態(tài)進行返校。如果返校結果正確，則允許進行第二步操作，否則自動撤消本次命令。
　　
　　（2）選擇性質操作。操作方法為：先檢查*步操作是否成功，如果*步操作失敗或沒有進行過*步操作，則自動撤消本次命。如果*步操作成功，則驅動的性質繼電器吸合，并讀取該繼電器的工作狀態(tài)進行返校。如果返校結果正確則允許進行第三步操作，否則自動撤消本次命令。
　　
　　（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行過*、二步操作，則自動撤消本次命令。如果前面兩步操作成功，則驅動的執(zhí)行繼電器吸合，并讀取該繼電器的工作狀態(tài)進行返校。如果返校結果正確，則報告本次輸出操作成功，否則報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口水井的馬達自動控制中投入使用，運行結果表明，c板定時繼電器驅動的正確率和安全可靠性等性能指標符合相關標準的要求，運行穩(wěn)定可靠，達到了預期的設計目的。