基于ARM的定時繼電器驅(qū)動模板的設計

　　0 引言

　　本文設計的定時繼電器驅(qū)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(IntelligentControl Output Board，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(shù)據(jù)采集與控制。

　　在電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)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(qū)動現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)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(guān)量過程輸出通道進行嚴格的安全設計，同時要按照電力調(diào)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(chǎn)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(xiàn)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Philips LPC2138 ARM微控制器為核心，完成8通道定時繼電器驅(qū)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(Communication andManagement Board，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(xiàn)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(diào)試，以及LPC2138的軟件下載。調(diào)試RS232接口是一個標準的VTl00超級終端接口，通過該接口可以與PC機進行通信連接，使用Windows的超級終端仿真軟件可以十分方便地對該模板進行調(diào)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(qū)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(qū)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(xiàn)，LPC2138通過I/O引腳訪問CPLD內(nèi)部實現(xiàn)的寄存器和鎖存器對繼電器進行控制操作，實現(xiàn)模板的數(shù)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(qū)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(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將鎖存器的對應位設置為1，光偶的達林頓驅(qū)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(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)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(guān)系如圖4所示。

　　由于TQ2-L-24V繼電器觸點的驅(qū)動能力不夠，不能直接驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)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(nèi)，與板上的繼電器觸點構(gòu)成控制回路，驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)操作。

　　根據(jù)用戶需求，一塊C板可以實現(xiàn)對4/8個現(xiàn)場對象進行合分操作?？刂?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(qū)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(qū)動4個分操作中間繼電器?？刂?個對象合分操作時，需要驅(qū)動19個中間繼電器構(gòu)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(gòu)再將斷路器合上。