基于CAN总线和单总线的在线式防误闭锁系统设计

摘要：针对在线式防误闭锁系统的特点和目前研究中存在的连接复杂、不易扩展等问题，提出了一种基于CAN总线和单总线的在线式防误闭锁系统新方案，并在可行性分析的基础上，给出了具体的设计方法。

关键词：CAN总线；单总线网络；智能电磁锁；防误闭锁

0 引言

变电站在线式五防系统是充分利用变电站自动化系统的全站监控功能，通过集成在自动化系统后台软件中的五防模块和测控装置中的间隔五防模块，来对电气操作防误闭锁进行实时判断，以便在满足防误闭锁操作条件时，使电气设备开放操作的一套防误闭锁系统。本系统取消了电脑钥匙和机械锁具，可实现操作票的逐项开放和闭锁。

在线式五防系统充分利用已完成综自改造的变电站可全站监控的特点，多数的开关和刀闸的状态可在线监控，但在实际的五防改造过程中，仍存在一定的问题。如有少量变电站未实现刀闸电动操作和接地桩的监测等，实际上，对于这些手动操作设备，可以使用电磁锁来实现状态监测。通过在电磁锁回路中串接五防节点，这样，用后台监控机就可以控制电磁锁是否可以打开。

一般而言，一个间隔大约需要配置这佯的电磁锁3～7把，每把电磁锁所实现的功能可能需要多个开入开出量，这样，一个间隔的开入信号和开出信号大约有十几个到几十个。如果每个信号都通过单独的两条电缆传递，则间隔内将需要布置大量的电缆，系统实现的难度较大，很难得到广泛应用。本文针对这一问题，提出了一种智能电磁锁解决方案。

1 智能电磁锁

本文设计的这种智能化电磁锁，可将开入开出信息在电磁锁内转化成某一类信号，然后再通过共用的通讯电缆传递到控制器，从而使电缆数量减少到原来一把电磁锁所需要的数量。

单总线技术的提出使得这一想法的实现成为可能。单总线技术足MAXIM全资子公司DALLAS公司开发的一种专利技术，该技术通过一根线解决了地址、数据、控制和供电等问题，从而降低了系统成本并简化了设计。单总线器件可按照串行协议进行供电和数据通信，能够为系统增添特定功能，大大简化了系统的连接方式。单总线技术的主要特点如下：

(1)只需一根信号线和一根地线就可实现数据、地址、控制信号和电源的传输，接线非常简单；

(2)每条单总线上可以连接一个单总线器件，也可以同时连接几十个单总线器件来组成单总线网络；

(3)每个单总线器件都有唯一的64位光刻ROM码，可以从网络上选出特定器件进行操作；

(4)单总线芯片接口可提供额外的ESD保护，而且远程通讯时，具有较高的抗干扰性能。

单总线技术将通讯、信号的输入输出及控制等功能集中到了一个芯片内。采用单总线芯片来设计电磁锁，不仅能很好地实现上述功能，而且电磁锁的复杂度增加不大，并能较好地控制设备成本，可以说是电磁锁智能解决方案的首选。一般情况下，智能电磁锁的设计思路具有以下几种：

第一，在线式五防要求取消传统的五防电恼钥匙，而电磁锁不受任何电脑钥匙的控制。其解决方案是在智能电磁锁的控制回路中串入由监控后台控制的五防节点，因此，电磁锁解锁必须首先满足五防逻辑，然后在其控制回路中再串入一个由锁具本体的按钮控制的节点。只有当操作满足五防逻辑且五防节点闭合后，由运行人员按下锁具本体按钮，锁具才能开。

第二，使用智能电磁锁的状态来反应手动设备的状态。

如接地桩所配的电磁锁有两个状态，1代表所监控设备为合位，0代表所监控设备为分位。

第二，电磁锁与后台监控机可以实时通讯，以便将设备的实时信息通过网络传给监控机，同时也可以按照监控机的命令开放或闭锁设备。

以间隔为单位设置五防控制器，由五防控制器负责与后台监控机的通讯，向其传送电磁锁的实时数据并接收监控机的命令。间隔内的电磁锁串接于一根单总线上，五防控制器通过单总线读取间隔内电磁锁状态或向电磁锁发送监控机下达的命令。图1所示是采用单总线技术前间隔内的接线图，图2所示则是采用单总线技术后的间隔内接线图。

2 间隔控制器与监控机的连接

由于现场总线技术在减少系统线缆，简化系统安装、维护和管理，降低系统投资和运行成本，增强系统性能等方面具有很大的优越性，间隔内的控制器与监控机的连接可选用现场总线。

目前，工控领域己发展出多种现场总线，各现场总线标准也有较大差别，其用途也不尽相同，主要有基金会现场总线、CAN总线、Lon Works总线和HART总线。

通过对以上几种总线的比较可以发现，LonWorks比较适用于一些大型的，对响应时间要求不太高的分布式控制系统，比如智能大厦控制系统；而HART总线是一种模拟和数字信号混合的总线，是一种过渡型总线，多用于一些4～20 mA的旧式仪表的连接：而基金会现场总线在对距离和实时性的满足上不够；CAN总线则能适用小型的，实时性要求比较高的系统。

防误操作闭锁系统中，一般有几十个节点，而且对传输距离和实时性要求都较高，采用CAN总线完全可以满足规模上的要求，并且可以将CAN总线实时性强的特点充分发挥出来。因此，本系统采用CAN总线作为网络通讯方式。

3 防误闭锁系统整体结构

图3所示是本文昕设计的防误闭锁系统的整体结构图。其中监控主机是整个系统的核心，在监控主机上运行着防误系统应用软件。监控主机能够采集和记录整个系统的设备信息，包括系统连接的控制器数、控制器通讯状态、控制器连接的电磁锁数以及每把电磁锁的闭锁状态和通讯状态等，并把这些信息保存到数据库中以供查询。另外，主机针对操作票的每一项操作，首先要进行五防逻辑判断，若操作符合防误逻辑，则主机发送相应锁具的解锁命令，否则对相应的操作予以闭锁，防止误操作的发生。

系统中的防误控制器是联系主机和电磁锁的纽带，控制器的结构包括电源电路、CAN网络通讯电路、单总线网络通讯电路、实时钟电路等几部分。控制器采用具有强抗干扰能力的工业级单片机设计而成，负责把接收到的主机命令转发给相应的电磁锁，以完成解闭锁相关设备的功能。除了负责将主机的解锁命令转发到相应锁具外，控制器还负责本间隔的单总线网络的管理。控制器还会定时对单总线执行搜索命令，通过搜索命令可以检测到单总线连接的设备情况，然后将搜索结果与控制器内保存的设备信息进行比较，就可以发现新连接列单总线网络的设备，也可以发现已接入设备的通讯异常状态。智能电磁锁是防误闭锁的具体执行机构。对于手动操作的设备，一般需要在操作把手上安装电磁锁。所有的锁具都采用单总线芯片设计，故能方便地通过一条单总线连成单总线网络。实际上，整个间隔内的接线非常简洁。

4 电磁锁的配置

在已有的在线式设计方案中，对开关和电动刀闸的闭锁通常通过在其测控屏串入监控五防闭锁节点和测控五防闭锁节点来实现。本文主要讨论对手动刀闸、接地桩和网门的闭锁。

对手动刀闸闭锁时，可在手动刀闸的操作把手上加装智能电磁锁。当需要对刀闸进行操作时，由后台监控机先进行五防逻辑判断，当满足操作条件时，向间隔控制器发解锁信号，由间隔控制器将电磁锁解锁，然后才能操作。开锁后，电磁锁的状态置为0。

对于接地桩的闭锁，由于接地桩是为临时接地线配置的接地端，可在接地桩上加装一个接地箱，再配一把电磁锁。当需要接地时，电磁锁只有满足五防逻辑时才能打开，此时电磁锁的状态置为1；需要拆除接地线送电时，必须真正拆除接地线后，接地箱才能关闭，关闭后，电磁锁的状态置为0。此时后台监控机才会开放接下来需要操作的电磁锁，这样可有效防止带接地线合断路器的恶性误操作的发生。

网门的闭锁与手动刀闸相同，存此不再赘述。

5 结语

随着变电站自动化技术的不断推广和运行管理模式的进步，防误闭锁技术也面临许多新的要求，在这些需求的推动下，作为主流的微机防误闭锁技术也在不断地改进，新的设计概念不断出现。本文所做工作是在线式防误闭锁系统中电磁锁与监控系统联网部分的设计。事实上，本系统还需进一步的完善和改进。另外，在线式防误闭锁系统要实现与操作票系统和变电站监控系统的有效结合，还需对操作票系统和变电站监控系统进行研究，只有在熟悉三个系统的基础上进一步加强结合，实现方案的整体设计目标，才能使在线式防误闭锁系统更高效地防止电力系统误操作事故的发生。