基于ARM的定時(shí)繼電器驅(qū)動(dòng)模板的設(shè)計(jì)

　　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(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(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。控制4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。