提高直流操作電源系統(tǒng)可靠性的技術(shù)措施

摘要：為保證直流操作電源微機(jī)控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行,對(duì)電源、輸入輸出通道、中央控制單元軟硬件

等采取相應(yīng)措施。

關(guān)鍵詞：可靠性瞬態(tài)抑制器濾波器看門狗軟件陷阱可編程邏輯器件

Technical Measures to Realize High－ reliability of MPU Controller for

the DC Operating Power Supply

Abstract: The method taken on the power supply, input and output channel, software and hardware of the central controller unit, to ensure the reliable operation of the microcomputer control system for the DC operating power supply

Keywords: Rreliability TSV Filter Watchdog Software trap ISP

　　直流操作電源（直流屏）設(shè)備是發(fā)電廠和變電站的二次電源，用于斷路器分合閘及二次回路的儀器儀表、繼電保護(hù)、控制、應(yīng)急燈照明等。

　　隨著科技的發(fā)展及用戶要求的提高，近年來電力操作電源的主電路已逐步由原來的晶閘管相控型發(fā)展為高頻開關(guān)型，而控制部分則由原來的模擬控制方式發(fā)展為由微機(jī)控制的數(shù)字控制方式，微機(jī)控制的應(yīng)用使電力操作電源的運(yùn)行自動(dòng)化程度大大提高，并可實(shí)現(xiàn)四遙聯(lián)網(wǎng)功能以滿足電站無人值守的需要。但電力系統(tǒng)首要的要求是安全性、可靠性，因此微機(jī)控制器的可靠性及抗干擾能力就顯得十分重要，筆者近年來一直從事電力操作電源微機(jī)控制器及其它微機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)研究工作，現(xiàn)就這一問題作一闡述。

1微機(jī)電源

　　電源是微機(jī)控制系統(tǒng)的能量供給源泉，電源的優(yōu)劣直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，同時(shí)電源也是外部干擾引入系統(tǒng)的主要途徑，所以對(duì)電源處理的好壞是系統(tǒng)可靠運(yùn)行的前提條件。控制器電源采用寬電壓輸入的直流進(jìn)線開關(guān)電源，這樣可由蓄電池直接供電，保證系統(tǒng)供電的不間斷性。為抑制外部各類干擾由電源引入系統(tǒng)采取了如下多項(xiàng)措施。

　　(1)TVP器件主要用于吸收電源網(wǎng)絡(luò)中的瞬時(shí)浪涌電壓，該器件在承受一個(gè)高能量的浪涌電壓時(shí)，其阻抗立即降至很低，允許大電流通過，同時(shí)把電壓鉗位到預(yù)定水平，其承受瞬時(shí)浪涌電流的峰值可達(dá)數(shù)百安培，能吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率。

　　(2)EMI濾波器主要用于抑制系統(tǒng)中的高頻干擾，對(duì)于共模噪聲，濾波器在電源線與地線間構(gòu)成通路，可以把噪聲電流引入大地。對(duì)于常模噪聲，濾波器在線間構(gòu)成通路，把噪聲電流在線間短路，使其不影響電路工作。

　　(3)鐵氧體磁珠濾波器鐵氧體對(duì)低頻電流幾乎沒有什么阻抗，而對(duì)于較高頻率的電流會(huì)產(chǎn)生較高的衰減作用。高頻電流在其中以熱量形式散發(fā)。

　　(4)自恢復(fù)保險(xiǎn)自恢復(fù)保險(xiǎn)與常規(guī)保險(xiǎn)的區(qū)別在于當(dāng)線路電流過大時(shí)，自恢復(fù)保險(xiǎn)的阻抗會(huì)大大提高，從而實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)功能，而當(dāng)線路電流正常時(shí)，又會(huì)恢復(fù)正常阻抗值，從而對(duì)瞬時(shí)干擾造成的線路過流具有很好的保護(hù)效果。

2模擬量通道

　　(1)現(xiàn)場(chǎng)模擬量輸入對(duì)于電力操作電源，現(xiàn)場(chǎng)模擬量主要包括：交流進(jìn)線和充電器的電壓、電流，直流母線電壓、電流，電池電壓，各點(diǎn)溫度以及對(duì)地絕緣等參數(shù)，由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，這些信號(hào)往往疊加有各種干擾成分，如將這些信號(hào)直接引入系統(tǒng)，將對(duì)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重影響，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)無法運(yùn)行，故這些信號(hào)在輸入系統(tǒng)前均通過隔離變送器，隔離變送器一方面將各種干擾成分隔離于系統(tǒng)之外，另一方面將這些信號(hào)調(diào)理成A/D轉(zhuǎn)換輸入的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。另外為防止變送器對(duì)系統(tǒng)電源的影響，變送器均選擇為前端無源型變送器。

　　(2)模擬量輸出直接控制充電器的工作參數(shù)，一旦出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將無法正常運(yùn)行，為保證其可靠性，采用隔離放大器輸出，同時(shí)對(duì)于D/A轉(zhuǎn)換寫入端加有硬件保護(hù)措施，保證只有當(dāng)CPU正常運(yùn)行時(shí)方可對(duì)D/A進(jìn)行改寫，當(dāng)CPU出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)對(duì)輸出造成影響，保證裝置輸出不至于出現(xiàn)混亂。

3開關(guān)量通道

　　現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)量輸入、輸出與模擬量相似，也疊加有各種干擾成分，為消除這些干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，必須采取隔離措施，開關(guān)量輸入輸出隔離一般采用光電隔離器件就可以取得很好的隔離效果。

4通訊口

　　通訊口為裝置與上位機(jī)聯(lián)絡(luò)的通道，是保證信息上傳與上位機(jī)控制的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)無人值守的保證。一般工作現(xiàn)場(chǎng)裝置與上位機(jī)都有一定的距離，為保證信息正確，硬件采用隔離防靜電的標(biāo)準(zhǔn)接口（接口硬件協(xié)議RS－485/RS－422），通訊軟件協(xié)議采用目前國內(nèi)電力系統(tǒng)常用的標(biāo)準(zhǔn)站控協(xié)議，具有完備的校驗(yàn)措施及明確的信息格式。

5中央控制器

　　中央控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)的所有功能都通過中央控制器及相關(guān)外圍電路完成，一旦出現(xiàn)故障整個(gè)控制器將無法工作，其可靠性是保證系統(tǒng)可靠性的決定因素，為此采取了如下多項(xiàng)技術(shù)措施。

　　(1)硬件看門狗技術(shù)：為防止CPU因外界強(qiáng)干擾的影響，造成程序跑飛導(dǎo)致系統(tǒng)死鎖。系統(tǒng)中為CPU專門設(shè)計(jì)有硬件看門狗電路，當(dāng)程序正常運(yùn)行時(shí)，看門狗電路進(jìn)行周期性復(fù)位，當(dāng)出現(xiàn)程序跑飛而軟件陷阱未能及時(shí)捕捉并處理而造成系統(tǒng)死鎖，則看門狗電路無法得到復(fù)位信號(hào)，看門狗電路會(huì)產(chǎn)生CPU硬件復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)復(fù)位重新起動(dòng)，恢復(fù)運(yùn)行。

　　(2)采用PSD、ISP器件：中央系統(tǒng)的基本構(gòu)成是由CPU、地址鎖存器、譯碼器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等構(gòu)成。常規(guī)硬件電路往往由多片TTL電路及EPROM、RAM構(gòu)成，器件數(shù)量較多，增加了系統(tǒng)的故障點(diǎn)。而PSD器件將地址鎖存器、譯碼器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器集成于一個(gè)芯片中，使器件數(shù)量成倍減少，增加了系統(tǒng)的可靠性。因直流操作電源控制相應(yīng)輸入輸出通道較多，如采用常規(guī)TTL或其它常規(guī)接口器件（如8155、8255），則使器件數(shù)量增多，為此采用了大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷↖SP），可大大降低器件數(shù)量，一片ISP（如ISP2064）可包含2000個(gè)門電路、64個(gè)寄存器。原用4片8D鎖存器（74LS373）、4片8位緩沖器完成32路輸入、輸出功能，現(xiàn)在只用一片ISP2064即可。另外ISP為可編程邏輯器件，也便于線路的修改、調(diào)試。

　　(3)軟件陷阱：當(dāng)CPU因外界強(qiáng)干擾的影響，造成程序跑飛時(shí)，在程序區(qū)中各地址區(qū)域設(shè)有軟件陷阱，當(dāng)程序未按正常順序執(zhí)行，軟件陷阱將錯(cuò)誤程序指令捕捉并自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

　　(4)重要數(shù)據(jù)多地址備份：程序運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)有可能使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器誤寫，為防止程序重新起動(dòng)運(yùn)行時(shí)的錯(cuò)誤，對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行至關(guān)重要的數(shù)據(jù)均在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器不同區(qū)域有多個(gè)數(shù)據(jù)備份，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)會(huì)自動(dòng)比較各數(shù)據(jù)的同一性，如有錯(cuò)誤可自動(dòng)取出正確數(shù)據(jù)使用。

　　(5)系統(tǒng)自恢復(fù)：對(duì)于操作電源控制器而言，其設(shè)備運(yùn)行必須保證其連續(xù)性，要求當(dāng)中央控制器非正常復(fù)位（如硬件看門狗動(dòng)作、人為誤操作、軟件陷阱重新起動(dòng)程序等）時(shí)，系統(tǒng)重新起動(dòng)后應(yīng)保持原有運(yùn)行狀態(tài)。針對(duì)這一要求在程序起動(dòng)時(shí)通過判斷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)特定的特征碼，可判斷是正常復(fù)位還是非正常復(fù)位，如為非正常復(fù)位可通過數(shù)據(jù)備份恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行，保證工作的連續(xù)性。

　　(6)系統(tǒng)自診斷：對(duì)于中央控制器的關(guān)鍵器件，如程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、CPU等，程序運(yùn)行中均定時(shí)對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行檢查，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，并作出相應(yīng)處理。

　　以上所述各項(xiàng)提高可靠性的措施，已成功運(yùn)用于我所MC－3型直流操作電源微機(jī)控制器中，均已在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)長期運(yùn)行，取得了良好的效果。