（控制理论与控制工程专业论文）电气化铁道牵引变电所集中控制系统研究.pdf

中文摘要 随着牵引供电系统运行、调度和管理工作的日益复杂，研制可靠性高、数据 处理功能强、人机联系手段齐全、兼备当地控制和远方监控功能的新型变电所微 机集中控制系统势在必行。 本文针对电气化铁道牵引变电所的特点，对微机集控系统进行了分析和研 究。介绍了采用板级设计和片级设计相结合的设计思路，利用s t d 工业控制机和 m c s 一5 1 单片机实现了一个主从式的多机牵引变电所监控系统方案。根据计算机 系统的主要构成形式，对监控系统进行了总体分析，并对系统的软件进行了分析 和设计，介绍了主要模块的实现，并分析了系统的抗干扰机理及其抗干扰措施。 本系统具有数据采集、处理、故障诊断、监测控制、绘制曲线及记录操作和打印 功能，既可在当地对变电所实行监控，又能作为远动系统的终端设备，对传输信 息进行预处理，提高远动系统的实时性和数据传输能力，同时在复线电气化铁道 上可作为站场隔离开关的二级调度端。该系统可使远动功能与当地控制功能有机 地形成一体，具有应用价值。 关键词：变电所；集中监控；系统设计；软件分析；抗干扰设计 a b s t r a c t w i t ht h eo p e r a t i o n ，d i s p o s a la n dm a n a g e m e n to ft h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m b e i n gm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d , i ti sm u c hm o r en e c e s s a r yt od e v e l o pan e w s u b s t a t i o no fc o n c e n w a t i n gc o n t r o ls y s t e mb yc o m p u t e rw i t hh i g h e rs e c u r i t y , m o l e p o w e r f u ld a t ap r o c e s s i n g ，m o r ee f f i c i e n tm a n m a c h i n ei n t e r f a c ea sw e l la sl o c a l c o n t r o la n dr e m o t em o n i t o r i n g i nt h ep a p e r , w eh a v ea n a l y z e da n ds t u d i e do nt h ec o n c e n t r a t i n gs y s t e mb y c o m p u t e r s ，c o n t r a p o s i n gt h ef e a t u r e so ft r a c t i o ns u b s t a t i o n sw i t he l e c t r i z e dr a i l w a y a n di ti n t r o d u c e dt h e d e s i g ni d e aw h i c hc o m b i n e db o a r d l e v e l e dd e s i g nw i t h s h i p - l e v e l e dd e s i g n a n o t h e ri st h a ti ta c h i e v e das c h e m eo fm a s t e r - s l a v em o d e m u l t i m a c h i n e dt r a c t i o ns u b s t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mb ya p p l y i n gs t di n d u s t r i a l c o n t r o l l e ra n dm c s - 5 1s i n g l e c h i p a c c o r d i n gt ot h em a i ns t r u c t u r eo fc o m p u t e r s y s t e m ，t h ep a p e rc o n d u c t e dag e n e r a l l ya n a l y s i so ft h em o n i t o r i n gs y s t e m ，a n da l s o s t u d i e da n da n a l y z e dt h es y s t e m ss o f t w a r e i nt h em e a n t i m e , i ti n t r o d u c e dt h e a c c o m p l i s h m e n to ft h ep r i n c i p a lm o d u l e sa n dp r e s e n t st h em e c h a n i s mo f a n t i i n t e r f e r e n c eo ft h es y s t e ma n ds u g g e s t e dt h em e a s u r e st or e s i s t i n t e r f e r e n c e t h es y s t e mh a st h ec a p a b i l i t yo fd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，f a u l td i a g n o s i s ， m o n i t o r i n gc o n t r o l ，c u r v e dl i n ed r a w i n g ，p e r f o r m a n c er e c o r d i n ga n dp r i n t i n ga sw e l l t h i ss y s t e mc a nm o n i t o rt h el o c a ls u b s t a t i o n si n r e a lt i m e ，a l s o a sat e r m i n a l e q u i p m e n to ft h ed i s t a n c em o t i v es y s t e m i ti sv a l i dt op r e p r o c e s st h et r a n s f o r m e d i n f o r m a t i o n ，t h u st oi m p r o v et h er e a l - t i m ea n dd a l at r a n s f o r m i n gc a p a c i t yo ft h e d i s t a n c em o t i v es y s t e m i na d d i t i o n , i tc o u l da l s o 船r v e sa sas e c o n d a r yd i s p o s a l t e r m i n a lo ft h es e g r e g a t i o ns w i t c ho nm u l t i t r a c ke l e c t r i z e dr a i l w a y i tc o n t r i b u t e st o t h eo r g a n i cc o m b i n a t i o no f t h ef u n c t i o n so f b o t ht h ed i s t a n c em o t i v ea n dl o c a lc o n t r o l w j t hp r a c t i c a l i t yv a l u e s k e yw o r d s ： e l e c t r i z e ds u b s t a t i o n ；c o n c e n t r a t i n g m o n i t o r i n g ；s y s t e md e s i g n ； s o f t w a r ea n a l y s i s ；a n t i - i n t e r f e r e n c ed e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：灸d j 采。签字日期： 。j 年6 旁工g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权岙望盘翌可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：久问j 久导师签名：壁崎像 签字日期： of 年，月3 8 日 签字日期：护0 年石月豺日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景及意义 电气化铁道在铁路运输及国民经济中的地位越来越显得重要，而牵引变电所 作为电气化铁道供电系统中的重要组成部分，其运行的好坏将直接关系到电气化 铁道的正常运行、铁路运营管理水平和运输效率的提高以及国民经济的发展l l j 。 近年来，微型计算机技术有了飞速发展，由于它具有存贮记忆和运算速度快， 数据处理能力强，性能价格比高，功能灵活可扩展等优势i ”。因此，微机在电气 化铁道供电系统中的应用越来越广泛，并且在某些方面已经取得了显著的经济效 益。许多发达国家已普遍将微型计算机技术应用于规模较大的变电所的控制和管 理工作中，现正在向集保护和控制为一体的综合自动化方向发展 3 1 。在我国将微 机应用于变电所的控制也是最近几年才开始其研制工作的。目前，国内牵引变电 所中仍普遍采用的集控装置均是以非智能化的机电逻辑电路构成的1 4 j ，虽然这些 装置也能实现对变电所内的断路器、隔离开关等被控对象的人工集中控制，继电 保护信号的显示，以及各种电量数据的人工读取，但其功能简单，系统可靠性差， 既不具备制表打印能力，又无统计等数据处理功能，而且在变电所的开关操作过 程中，易产生误操作，其事故记录分辨率和数据采集精度较低，在运行的实时性 和自动化程度上存在着较大的问题。另外，当牵引供电系统需配置远动装置时， 变电所内不得不使用远动系统的远方终端机1 5 j 。但是远动系统的远方终端不仅控 制功能与微机集控系统的控制功能重叠，而且其自身又无当地显示和控制等功 能。 因此，实现变电所微机集中控制具有以下的意义： 1 、可快速采集各种现场数据，并将这些数据信息传送给电力调度部门，便 于及时掌握电网和变电所的运行情况。 2 、通过采用远程控制、操作，提高其可靠性。 3 、可减少人为误操作，提高安全经济运行水平。 4 、通过微机集中控制可降低造价及运行成本。 因此，随着牵引供电系统运行、调度和管理工作的日益复杂，研制可靠性高、 数据处理功能强、人机联系手段齐全、兼备当地控制和远方监控功能的新型变电 所微机集控系统势在必行。 第一章绪论 1 2 国内外变电所微机集中控制的发展现状 1 2 1 国外变电所微机保护的发展概况 国外从7 0 年代末，8 0 年代初就开始进行保护和控制综合自动化、新技术的 开发和试验研究工作1 6 j 。如由美国西屋电气公司和美国电力科学研究院联合研制 的s p c s 变电所保护和控制综合自动化系统。由日本关西电力公司和三菱电气公 司共同研制的s d s - i ，i i 保护和空中综合自动化系统从1 9 7 7 - - 1 9 7 9 年进行了 现场试验及试运行，8 0 年代初交付商业运行1 7 j 。 目前，德国西门子公司、a e g 公司、日本日立、三菱公司、美国的通用电 气公司、西屋电气公司等许多国际著名大型电气公司都开发和生产了变电所综合 自动化系统( 微机集中控制装置) ，并取得了较为成熟的运行经验i s j 。总括起来 说：模件、串行传输总线、分层分布控制、以微处理机为核心等已成为国外变电 所自动化设备的特点。我国新建的哈大线( 哈尔滨至大连) 使用的就是德国西门 子公司研制的r e - 2 0 0 c 系统1 9 j 。 1 2 2 国内变电所微机保护的发展概况 我国变电所集中控制技术的起步比国外晚，1 9 7 2 年才建成第一条电气化铁 道。加之电气化铁道牵引变电所情况比电力系统变电所特殊、复杂，需要的电压 等级高( 额定电压2 7 5 k v ) ，环境复杂，所以铁道变电所的集中控制比电力系统 的集中控制又晚了许多年。但是，电力系统综合自动化技术的发展又为电气化铁 道牵引变电所的微机集中控制提供了技术保障。在电力系统中先后研制成电气集 中控制装置和“四合一”集控台t , o j 。随着微机在电力系统应用的日趋成熟，8 0 年代中期，我国亦开始研究变电所的微机集中控制技术 t i j 。 目前，国内的变电所集中控制归纳起来可分为三种类型1 2 1 ：第一种类型为 基于r t u 、变送器、继电保护与自动装置等设备的变电所自动化系统，如宝成 线等先期线路，该系统是在常规继电保护及二次界限的基础上增设r t u 装置以 实现“四遥”i o l ，实际上尚不能称为集中控制。第二种类型是系统由数据采集 单元、主机单元、遥控执行单元、保护单元组成，各功能单元通过通讯网络等手 段有机结合构成系统，具有较强的在线功能，且人机界面较好1 1 2 1 ( 如陇海线等) 。 第三种类型采用分层分布系统结构i l ”，此类系统实现了信息资源的共享以及保 护、监控功能的综合化，完全消除了设备之间错综复杂的二次线缆，大大提高了 整个系统的可靠性和可扩展性，该系统称为分层分布系统，成为今后发展的趋势。 目前的许昌继电器集团公司、南京自动化研究所、西南交通大学等单位致力于第 第一章绪论 三类型的研究，并取得了一定的进展。如西安铁路局部分变电所的改造采用深期 市物润电源有限公司开发的s t d 3 0 0 0 系列微机监控高频开关直流电源系统【1 1 。 1 3 本课题的提出及主要内容 本课题为了配合变电所的改造，推广计算机集中控制系统装置而提出的一 个研究内容，在西安铁路局西安供电段变电技术室的大力支持下，依据本局咸阳 西变电所的改造而进行了模拟设计。 在本课题中，具体研究内容是： ( 1 ) 根据计算机系统的主要构成形成，对监控系统进行了总体分析。 ( 2 ) 对系统的硬件构成作了较为详细的介绍。 ( 3 ) 对系统的软件进行了分析和设计，介绍了主要模块的实现。 ( 4 ) 分析了系统的抗干扰机理及其抗干扰措施。 第二章集控系统方案设计 第二章集控系统方案设计 随着计算机硬件技术的发展，计算机芯片技术水平的不断提高，人们构成计 算机应用系统的随意性不断加大。目前，基本上可以按照各种测量、控制功能的 要求，构成各种类型的计算机应用系统。 2 1 计算机应用系统的构成形式 在实际应用中，由于各种控制环境和功能要求不尽相同，为了与之相适应， 计算机应用系统不仅在规模上，而且在结构上存在着很大的差别。但按照硬件的 组合方式，计算机应用系统大致有以下几种形式： 2 1 1 通用计算机应用系统 该系统的计算机部分是通用的计算机系统，即利用通用计算机的扩展槽或扩 展区，设计应用系统的硬件模板，如a d 板、i 0 扩展板等测、控功能模板， 然后与通用计算机构成一个用于完成某些预定测控功能的计算机应用系统，这种 系统从硬件设计上讲，属于模板级或系统级设计的范畴。一般说来，它的特点是： ( 1 ) 系统具有较强的软、硬件支持。 ( 2 ) 应用系统的功能模板均由通用计算机的c p u 控制，而通用计算机大都具 有较完备的操作系统和较强的人机联系功能，因此具有自开发能力。 ( 3 ) 系统软硬件的应用配制比，即为满足应用系统功能要求所必须的软、硬 件设置与系统实际具有软、硬件规模之比较小，该比值愈小，系统构成的成本愈 高。 ( 4 ) 这种系统的运行、控制功能以及对现场环境的适应性完全取决于通用计 算机系统的水平。由于许多通用计算机不是专门针对某些工业测、控环境设计的 工业控制机，因此，不仅安放环境要求较高，而且在工业控制环境中运行的可靠 性较差。 2 1 2 专用计算机应用系统 这是一种采用通用c p u 及其外围芯片为实现某个测、控功能要求而专门设计 的计算机系统，其硬件设计基本上是以各种芯片为基础的，属于片级设计的范畴。 第二章集控系统方案设计 通常这种系统具有以下特点： ( 1 ) 系统不具备自开发功能，因此，系统的硬、软件开发必须借助于各种开 发工具，研制周期较长。 ( 2 ) 系统的硬、软件设计与配置规模都是以满足应用的功能要求为原则的。 因此，系统的硬、软件应用配制比接近于1 ，具有最佳的性能价格比，系统中 的软件一般都是应用程序。 ( 3 ) 由于系统是针对某些测、控环境而专门设计的，因此，系统在这些测、 控环境中运行的可靠性和对环境的适应性较好，使用方便。 ( 4 ) 由于结构、规模所限，这种系统适用于大批量使用的计算机应用系统。 对小批量而言，则显得成本偏高。 2 1 3 混合计算机应用系统 该系统是随着1 6 位单片机的出现而在计算机应用领域中迅速发展起来的应 用系统结构形式，它由通用计算机系统与专用计算机系统通过标准总线相连而 成。通常，这种应用系统是以主从式多机系统的形式出现，用来取代单机系统， 完成其难以实现的测、控功能。一般情况下，以功能较强的通用计算机系统作为 主机，承担应用系统的人机联系，大容量计算、记录、打印和图形显示等任务。 而针对性较强的专用计算机系统则作为从机系统，它是为完成系统数据采集、对 象控制等专用测、控功能要求而配置的，显然这种混合型计算机应用系统具有如 下的特点： ( 1 ) 由于系统带有通用计算机，因此通常具有自开发功能。 ( 2 ) 系统由于采用标准总线连接，因配置灵活，易构成各种大、中型测控系 统。 ( 3 ) 主机可离开现场而构成各种局部网络。 ( 4 ) 能充分利用主机资源，但又不会占用主机全部c p u 时间。 ( 5 ) 由于从机系统是一个独立的计算机系统，本身可以独自进行处理，因此， 运行时大大减轻了通讯工作量。 2 2 集中控制系统方案设计 从牵引变电所集控系统上讲，就是一个计算机应用系统，其结构形式不外乎 以上三种。因此，必须根据牵引变电所的特点和实际运行状况以及监控系统所要 实现的功能，合理地选择系统的硬件配置，力争达到以较小的成本代价，高质量 第二章集控系统方案设计 地完成各种测控功能的目的。 2 2 1 集中控制系统的功能 从实际应用来看，作为牵引变电所集控系统应该具备以下几个主要功能： ( 1 ) 数据采集和处理功能 要完成对牵引变电所的监控，就必须随时了解变电所的运行状态。因此，集 控系统不仅要实现对变电所中数量众多的开关量、模拟量和脉冲量信息的实时采 集，而且还要对采集到的数据进行必要的处理和分析，如：数字滤波、越限判断 和开关的变位判断等等，这是系统对变电所进行监控的基础和依据i l ”。 ( 2 ) 通讯功能 这个功能主要完成系统与远动系统的接口任务，一旦线路实现远动化，系 统必须保证能正确地接收和执行远方调度端的控制命令，并进行合理性判断， 同时还要保证将采集的数据和处理结果正确地传送给远方调度端，以便调度端 能随时监视变电所的运行状态。另外，当系统作为站场隔离开关的二级调度端 时，该功能还要实现系统与站场开关控制机的接口。 ( 3 ) 当地控制 由于系统需要随时对变电所的测控过程情况进行监视，因此为了使本地操作 人员能了解和干预操作过程，系统必须具备很强的人机联系能力，这样本地操作 人员既可通过c r t 显示系统采集的各种实时数据、控制的执行过程以及各种事故 信息，以获得变电所的实际运行状态；又可以通过键盘输入命令来采集指定的电 量数据或者控制变电所中各种开关的投切，同时为便于今后的分析，还可通过打 印机对某些必要的数据或事故状态进行打印、记录、并绘制各种曲线和报表。 ( 4 ) 自检功能 系统能不断对自身的工作状态进行监测和判断，一旦出现故障，能及时报警， 并加以排除。 可见，微机监控系统所完成的功能不是单一的，而是综合性的。对于这样一 个复杂的系统，如果采用传统的单机系统结构，则主机要分时去完成这些任务， 必然造成主机负担过重，因而其各个功能的实现都将处于一种低智能的水平，这 一切势必会影响系统容量和功能的扩展，降低系统运行的可靠性和实时性及事故 的分辩率，显然单机系统结构已很难满足牵引变电所集中监控系统的功能要求。 2 2 2 集中控制系统方案设计 根据功能要求以及单机系统结构的不足之处，变电所集中监控系统采用如下 的方案设计： 第二章集控系统方案设计 ( 1 ) 采用主从式多机系统构成1 1 , , 1 7 j 目前，多机系统存在着许多结构形式，主要分为：分布式和主从式两大类。 在分布式多机系统中，各计算机系统具有平等的地位，其结构和功能基本上相同， 而主从式结构的多机系统则由一台主机和多台负责专门测、控功能的从机构成。 虽然分布式多机系统也能克服单机系统的缺点，但构成比较复杂，且由于本系统 所担负的测、控任务主要是由模拟量输入、数字量输入输出、脉冲量输入等功 能子系统构成，而各个功能子系统的实现无论是硬件结构上还是在软件设计上都 存在着很大的差别，再加上系统的通讯和人机联系等功能，使得各个计算机在结 构和功能上不尽相同，因而也不会具备平等的地位。显然，这种系统不适合采用 分布式多机系统结构。相比之下，采用主从式多机系统，以一台计算机作为主机， 负责协调和控制各从机的运行状态，承担通讯和人机联系等任务，而各个专门的 测、控子系统则分别由一个独立的从机来实现，这样构成的系统主次分明，功能 划分明确。由于实现了功能分布，因此，不仅可以大大减轻主机的负担，使系统 的各个功能实现都表现出较高的智能水平，而且这种结构的多机系统构成比较简 单，有利于系统的实现和扩展。 ( 2 ) 主、从机系统构成采用混合型计算机应用系统形式 在主、从式多机系统中，由于从机所担负的功能相对比较单一，无须很强的 系统软、硬件支持。如果主、从机系统均采用通用计算机系统，则势必会产生大 材小用之嫌，造成极大的浪费，大大提高了系统的成本开支。而另一方面，由于 专用计算机系统一般都不具备很强的操作系统和人机联系手段，并且开发比较困 难。因此，如果主、从机都采用专用计算机则又将减弱系统对主机的功能要求， 而且将大大延长整个系统的开发周期。基于上述原因，我们在设计时，主机采用 功能较强的通用计算机系统，以充分利用其现有的良好人机接口和操作功能，而 从机部分则根据其完成的专f 3 i g 、控功能要求，进行专门设计和配置，以提高系 统的硬、软件应用配置比。显然，以混合形式构成的主从机系统不仅能满足系 统的功能要求，而且具有较高的性能价格比。 ( 3 ) 主、从机系统问采用串行总线方式连接 t s l 在主从式多机系统中，如何解决各主、从计算机之间的通讯连接是一个非常 重要的问题。从目前情况来看，主要有串行总线和并行总线两种连接方式。并行 总线传输速度快，但其连接距离较短，连接线较多，接口比较复杂，其稳定性和 可靠性较差，而串行总线的主要不足之处是数据的传输速度慢。由于本系统中， 从机数量不是很多，且各从机都具有独立的数据处理能力，从而减少了主、从机 问的通讯信息传输量，大大地缓和了通讯速率较低时出现的矛盾。另外，串行总 线连接距离较远，适合多位数据传输，结构简单、可靠，系统配置灵活、方便， 第二章集控系统方案设计 比较适合于功能分布的主从式多机系统。因此，采用串行总线不仅可以保证系统 的实时性要求，节省许多接口设备和电缆开支，而且可以保证系统在实现功能分 布的前提下，尽可能实现位置上的分布，以减少布线的难度，提高系统的可靠性 和干扰能力。 总之，本系统采用开放式的模块化结构来构成一个主从式多机系统，主、从 计算机问为串行总线式的松藕合连接方式，其方案设计以使用灵活、结构紧凑、 易于扩展、可靠性高和实时性强、维护方便为目标，采用板级设计和元件设计相 结合的设计原则，以提高整个系统的性价比。系统的硬件配置框图如2 l 图： 2 - 1 系统硬件配置框图 第三章集控系统的构建 第三章集控系统的构建 由前面已知，系统硬件设计是采用板级和元件级设计相结合的设计原则，构 成的一种结构紧凑，易于扩展的开放式模块化结构。 3 1 由s t d 工业控制机构成的主机系统硬件结构 主机作为牵引变电所集控系统的核心单元，地位极其重要。因此，主机的选 择必须满足系统的功能要求。 3 1 1 集控系统对主机的要求 集控系统除了要求主机具有较高的可靠性和较强的实时性外，还有以下几 个主要的要求： 1 要求有足够大的存贮容量，以存放大量的实时数据。 2 要求有完善的外围设备接口部件，以使操作管理人员能随时了解和监视 测控过程的实际情况。 3 要求有较强的环境适应能力，以保证在环境条件通常比较恶劣的工业控 制现场能正常地运行。 4 要求有丰富的软、硬件支持，以方便系统的开发功能的实现及扩展。 3 1 2 由s t d 工控机构成的主机系统硬件结构 根据上面的要求，经过反复比较，我们采用s t d 工业控制机作为本监控系统 的主机系统。该系统由五块模板( v 4 0 多功能板、显示键盘板、系统支持板、串 行通讯板、虚拟磁盘板) 和外设( 键盘、显示器、打印机) 组成，与i b mp c x t 兼容，而速度则是i b mp c x t 的1 8 倍，配备m s - - d o s 操作系统，功能相当 于p f o l o gs y s t e m 2 。具有可靠性高，功耗低，小板结构，板级功能分散，易于 扩展和维护等特点。 v 4 0 多功能扳：该板是一种具有多种功能的c p u 扳，它采用内部集成了 多种外围芯片的n e cv 4 0 作为c p u ，存贮容量可达到2 5 6 k br o m 和5 1 2 k br a m ， 可直接寻址1 m b 空间，并具有7 级可编程的优先级中断输入以及定时计数器和 通讯、打印接口。 显示键盘板：该板可以控制多种图形显示设备，还带有标准p c x t 键盘 接口和蜂鸣器驱动电路，以及光笔接口。 虚拟磁盘板：该板为系统提供虚拟磁盘支持，其虚盘映象到内存 9 0 0 0 0 h 9 f f f f h 。采用虚拟磁盘技术取代不适合恶劣工作环境运行的软、硬盘驱 第三章集控系统的构建 动器，可大大提高主机的抗干扰性能，降低对运行环境的温度、湿度及尘埃度的 要求。 系统支持板：该板为系统提供r c 无源终端网络、监视电路以及系统的 后备电源管理等必要的辅助电路，以保证系统长期可靠地运行。 串行通讯板：该板提供两个独立的全双工的r s 一2 3 2 c 串行通道，用来扩 展系统的通讯接口，满足其功能要求。 3 2 以单片机为核心的各功能模板结构 单片机是将中央处理单元、存贮器、输入输出接口、定时计数器以及时钟 电路等集成在一小块硅片上而组成的微型计算机。由于它具有体积小、集成度高、 功能强、应用灵活、指令丰富、适应环境广泛、面向工业过程控制等特点。因此， 广泛地应用于工业控制领域，作为各种测、控子系统的控制核心。 3 2 1 模拟量输入模板的构成 模拟量输入模板主要完成对牵引变电所中各种电流、电压等连续变化的模拟 信号的采集、计算、处理以及对主机控制命令的接收和执行等功能d ，l 。其硬件 由作为控制核心的8 0 3 1 的8 位单片机、a d 转换器、存贮单元以及译码和逻辑 控制单元组成。硬件结构框图如图3 1 所示： 图3 一l 模拟蕞输入模板的结构框图 由于8 0 3 1 单片机内只有1 2 8 个字节内部数据存贮器，没有内部程序存贮器， 第三章集控系统的构建 实际应用时必须进行扩展。因此，8 0 3 1 的瓦i 管脚要接地，保持低电平，以保证 单片机能访问扩展的外部程序存贮器f 1 9 j 。图3 _ _ 2 为单片机存贮扩展的连接图。 图3 - 2 单片机存贮器扩展连接图 扩展时，以单片机的p o 口( p 0 0 p o 7 ) 作为8 位低地址总线。由于p o 口 还要作为数据总线口，这样只能分时用作地址总线。因此，采用地址锁存器 7 4 l s 3 7 3 来锁存p 0 口输出的地址数据。锁存器的锁存控制信号为单片机的a l e 管脚输出的控制信号( 高电平有效) 。而单片机中具有输出锁存的p 2 口( p 2 0 h p 2 7 ) 则用作8 位高地址总线，其中的3 位最高地址线( p 2 5 p 2 7 ) 作为3 8 译码器7 4 l s l 3 8 的输入端，译码器的输出线则分别接到外扩的程序存贮器 2 7 6 4 ( 8 k b ) 和数据存贮器6 1 1 6 ( 2 k b ) 以及模数转换器a d 5 7 4 a 、多路转换开关等 外围芯片的片选端上，作为芯片的片选信号。此时2 7 6 4 和6 1 1 6 占用了p 2 口的 全部8 根口线，因此p 2 口将不再用作一般的i l o 口线。 单片机的p s e n 管脚为外部程序存贮器的读选通信号，直接接至2 7 6 4 的输出 使能( o e ) 端，以保证外部r o m 的读取控制，而单片机的“写”( w r ) 管脚 和“读”( r d ) 管脚则分别接至6 1 1 6 的输入使能( w e ) 端和输出使能端( o e ) 端，以保证外部r a m 的正确读写。 第三章集控系统的构建 本模板采用a d 5 7 4 a 型1 2 位逐次逼近式模数转换器，其片内具有三态输出缓 冲器。控制信号有片选一c s ，片使能c e ，数据读写转换r 石以及控制转换位数和 输出结果格式的a 。信号。其a d 5 7 4 a 真值表如下： 表一：a d 5 7 4 a 真值表 _ _ c e c s r c1 2 8 a o 工作状态 0x xxx 禁 止 x l xxx 禁止 1ooxo 启动1 2 位转换 lo0x1 启动1 2 位转换 1o1接1 脚( + 5 v ) x 1 2 位并行输出有效 1 o1接1 5 脚( o v )o 高8 位并行输出有效 l01接1 5 脚( 0 v )1 低4 位加上尾随4 个0 有效 单片机与模数转换器a d 5 7 4 a 的连接如图3 3 所示； 接译码嚣的y 瀚m 图3 - 38 0 3 1 与a d 5 7 4 a 的连接图 首先，单片机的一r d 和i i 丽信号作为与门的两个输入端，与门的输出端和 第三章集控系统的构建 一w r 信号经与非门与a d 5 7 4 a 的片使能c e 端相连，而片选信号石季端则直接接到 译码器的y 5 输出端。同时，为了保证转换的正确进行和结果的顺利输出，因此 使与门的另一个输出通过一个反相器与a d 5 7 4 a 的读写转换信号r c 端相连。 在进行a d 转换时，单片机使输出的最高三位地址变为：p 2 7 - - 1 、p 2 6 = 0 、 p 2 5 = 1 ，则译码器7 4 l s l 3 8 的y 5 输出有效，使片选端变为低电平( c s = o ) ，选 通a d 5 7 4 a ，而此时单片机的读信号无效( 即r d = 1 ) ，使与门开通。因此，利用 丽信号在一w r 信号有效以前，已经从低电平变为高电平这一特点，使与门的 输出经反相器后，将读写转换信号变为低电平，从而使a d 5 7 4 a 处于转换状态； 同时开通与门，当写信号有效( 即w r = 0 ) 时，则与非门的输出( 也就是片使能 c e 端) 将变为高电平，启动a d 5 7 4 a ，进入转换期间。为了表明转换的进程，a d 5 7 4 a 上的进程指示信号s t s 经过反相器和三态缓冲器后，接到数据总线的最高位上， 以作为状态信息供单片机查询。或门的输出只有在进行查询时，才能打开缓冲器， 而平时三态缓冲器主要起隔离作用，以避免s t s 信号对数据p o 7 的影响。在转 换开始后，s t s 信号将保持高电平，经过一段时间后，转换结束，此时s t s 信号 将呈现低电平，单片机查询到这一信息后，立即进入读数操作。 开始读数时，读信号r d 有效( r d = o ) ，从而使r c 端变为高电平，a d 5 7 4 a 处于读数状态。此时，a 0 和1 2 8 成为输出数据格式控制端。由于本模板中，1 2 位转换结果分高8 位和低4 位与单片机的p 0 口相连，因此，1 2 8 通过硬布线接 至0 v ，而a 。端则连到地址总线的最低位。当a 。= o 时，输出高8 位； 。= i 时，输 出低4 位。这可通过编程的方式来控制。 由于a d 5 7 4 a 的模拟输入信号是由变送器送来的o 5 v 直流信号因此，采用 单极性输入接法，可以通过电阻r i 、r 。对转换结果进行精度调节。 因为a d 5 7 4 a 只有一个输入通道，而牵引变电所中需要进行采集的模拟量信 号往往很多。如果对每个模拟量都单独使用一个a d 转换器来进行模数转换，则 势必增加硬件开销和电路的复杂程度。所以为了满足实际需要，本模板采用两片 八选一的c d 4 0 5 1 组成1 6 通道多路转换开关，实现了一个 d 转换器对多个模拟 量信号的转换。连接图如3 - 4 图。 实现时，将p o 口经锁存器锁存输出的8 位低地址中的最低三位地址 a 0 a 2 ( p 0 0 - - p 0 2 ) 分别接至c d 4 0 5 l 的a 、b 、c 三端，作为模拟开关的片内地 址选择线。由于1 6 路地址需占用4 根地址线，因此，高位地址线a 3 ( p 0 3 ) 经过 一个反相器分别与单片机的w r 信号和译码器的输出信号相或来作为两片 c d 4 0 5 l 的片选控制。当w r 信号和译码器输出信号有效( 低电平) ，且a 3 = 0 时， 选通c d 4 0 5 1 ( 1 ) ；而a 3 = l 时，c d 4 0 5 1 ( 2 ) 的片选端i n h = 0 有效，使该c d 4 0 5 1 选通。当w r 信号或译码器输出信号无效时，则所有模拟开关皆不通。故w r 信 第三章集控系统的构建 号和译码器输出信号的或逻辑输出为a d t1 6 路模拟开关的总控制端。 图3 - 41 6 通道多路开关的实现 对于大型变电所而言，如需进一步扩大模拟量采集的容量，则可通过增加模 拟开关芯片和控制电路来实现。图3 5 是在1 6 路通道的基础上进行的扩展。 图3 5 模拟蔗输入扩展电路 当c d 4 0 5 1 选通时，地址线a 3 通过一个反相器，使译码器7 4 l s l 3 8 ( 2 ) 有 第三章集控系统的构建 效。 若此时a o a 2 连有扩展电路的通道编码，则7 4 l s l 3 8 ( 2 ) 的输出和总控制 信号a d t 相或后，将选通相应的扩展模拟开关芯片。由于通道数量增加，因此用 地址线a 4 a 6 ( p o 4 p o 6 ) 作为扩展c d 4 0 5 1 的片内地址选择线。图示电路将 1 6 路通道扩展为3 7 路通道。 由于a d 转换是对信号的某一瞬间状态实现转换，丽a d 转换器又存在一定 的孔径时间，其最大相对误差为： 品= 2 妒1 0 0 ( 3 - 1 ) 当信号频率，较高时，由于孔径时间t 存在，必然会造成较大的转换误差。 但对于一般非快速过程的输入信号，则影响较小为了能使不同的用户对象均能 满足孔径误差要求，必须配置采样保持电路，以提高a d 转换的精度。其原理 图如图3 - 6 。 l 八。| 弋 。= r 露 图3 6 采样保持电路原理圈 基本的采样保持电路由模拟开关s ，保持电容c h 和缓冲放大器组成。其采样 保持控制信号接至a d 5 7 4 a 的s t s 端。当a i ) 5 7 4 a 转换开始时，s t s = i 。此时控制信号 为高电平，模拟开关s 断开，输出电压保持在模拟开关断开瞬间的输入信号值。 而当转换结束时，s t s = o ，此时控制信号为低电平，模拟开关s 导通，保持电容g _ 充电，输出电压将跟踪输入信号的变化。 本模板采用光电耦合器件t l p _ 5 2 l ，以去掉和受测现场相连的a d 转换 电路与单片机总路线问的公共地线，实现了光电隔离，避免了各种外部电磁干扰 和暂态过程对计算机系统的影响及破坏。 本模板芯片的地址译码如附录1 所示。 3 2 2 脉冲量输入模板的构成 脉冲量输入模板主要完成牵引变电所中电度脉冲的采集、计数和电度量的计 第三章集控系统的构建 算、以及电度量信息的预置和定时传递等功能。由于脉冲量采集的实时性要求较 高，而脉冲式电度表所发脉冲的频率较低( 一度发5 0 0 个脉冲，电度表安装在变 送器次边) 。因此，采用单片机定时器0 中断的方式定时对1 6 路脉冲量进行循环 采集，用软件计数。其硬件结构图如图3 7 所示： 圈3 _ - 7 脉冲量输入模板的构成 本模板中e p r o m2 7 6 4 的地址选择由经锁存器的p o 口和p 2 口中的低5 位地 址线构成，2 1 数据选择器采用7 4 l s 2 5 7 ，其选择s 端信号由单片机p 2 4 提供。 当p 2 4 = 0 时，选择输入口a ，p 2 4 = 1 时选择输入口b 。而输出控制信号g 则由 译码器的输出信号与r d 信号相或来提供。每次输入操作将读取四路脉冲量，经 p l 口的低四位( p 1 o p 1 3 ) 送入8 0 3 1 ，如图3 _ 8 所示： - p r o m 九进埔 图p 8 脉冲量采集的实现 第三章集控系统的构建 本模板所有芯片的地址译码如附录2 所示。 3 2 3 数字量输入输出模板的构成 在牵引变电所中，除了有模拟量和脉冲量信号外，还存在着大量的开关量， 这些变量是以二进制数字变化为特征的。由于开关的开、闭状态不仅直接反映了 牵引变电所工作状况的正常与否，而且在很大程度上决定了某些控制操作的执行 和顺序。因此，对开关量信息的正确处理是变电所监测系统的一个重要任务。数 字量输入输出模块的主要功能就是随时监测各种开关的状态变化，作出正确判 断，并且根据开关的实际状态以及调度端或当地控制命令，对开关进行投切控制， 以保证变电所各种设备的正常运行。数字量输入输出模板的总框图如图3 - 9 所 示： 图3 - - - 9遥信遥控模板的总框图 根据模板的功能分析，可将其分为蹰大部分： 1 数字量输入子系统 该子系统主要完成变电所中各种开关状态以及返送校核信息的采集和处理， 其结构框图如图3 _ 1 0 所示： 本模板具有六个字节输入通道，4 8 路开关量首先经过光电耦合器，由光电 耦合滤除外部共模干扰后，进入相应的数据缓冲器，而单片机则在程序的控制下， 不停地对各个数据缓冲器进行查询。查询时，单片机p 2 口输出的最高三位地址 信息p 2 5 p 2 7 ，使译码电路( 1 ) 中的一条输出线有效，经反相器选通译码电 路( 2 ) ，然后由p 2 口输出的p 2 2 p 2 4 三条地址线使译码器电路( 2 ) 的一条 输出线有效，该输出线作为逻辑控制电路的一个输入端，若此时作为逻辑控制电 路另r 一个输入端的单片机r d 信号有效，即r d = o ，则逻辑控制电路的输出端将 第三章集控系统的构建 打开八个缓冲器中的一个，单片机可通过数据总线p o 口从该数据缓冲器中一次 读入八个开关的状态信息。这个过程的不断往复，从而保证了单片机对所有开关 状态实时监涮。 当开关量较多时，可对数字量输入子系统进行适当的扩展。扩展时，译码电 路( 2 ) 的两条扩展输出分别接至下一级两个译码电路控制端，而这两个译码电 路的输出端则可经逻辑控制电路后作为1 6 个数据缓冲器的控制信号。故总的开 关量数目可达到1 6 8 + 4 8 = 1 7 6 个。如需进一步扩大容量，可按此法再增加芯片 和控制位数来实现。 接至被 控开关 对象及 数字量 输出子 系统的 返投信 号 出于幕统 3 - - - 1 0 遥信子系统结构框图 2 数字量输出子系统 数字量输出子系统的主要功能就是以译码形式输出开关量，控制继电器电 路，通过电磁隔离的继电器触点，实现对外部低压电路的通断控制，并保证各种 通断控制操作的正确执行。其结构框图如图3 - - 1 1 所示。 在进行开关的投切控制时，单片机首先输出开关对象的编码，经数据缓冲器 ( 1 ) 、数据锁存器( 1 ) 后，进入行、列译码电路，而数据缓冲器( 1 ) 和数据锁 存器( 1 ) 的状态则由逻辑控制电路和执一拒多保护电路的输出来控制，其接线 如图3 1 2 所示。 当单片机输出的最高6 位地址为i 1 0 0 0 0 时，地址译码电路( 3 ) 的y 叠禽出有效。 此时，单片机的写信号w r = o ，则或门( 1 ) 的输出使g 端变为低电平，选通缓冲 器7 4 l s 2 4 5 ( 1 ) ，因而单片机p o 口输出的开关编码经缓冲器进入数据锁存器 第三章集控系统的构建 7 4 l s 2 7 3 ( 1 ) 。由于这时行继电器和列继电器的所有辅助触点都处于断开状态，因 此，或门( 2 ) 被打开。当译码器输出y o ( 或w r ) 由低电平返回高电平时，该上升 沿将通过或门( 2 ) 触发7 4 l s 2 7 3 ( 1 ) ，使之输出开关编码。由于其输出的最高位 和最低位经反相器后将分别作为列、行译码的控制信号。因此，开关编码的格式 如图3 1 3 所示。 焉 a “苫西l r l l 捌i 8 mr _ 计 t 母l _ ，堡 一 t 1 6 开让 t 薯 耐t 电蠢 ：陋 警匕 篓l l 燃 图3 - - 11遥控子系统结构框图 量t 电鲁 量f 爿 w 母母积 毪警二嚣瞥二鬈警 譬警二譬警二麓 0 1 、 。 嚣之一 7 l h 尊一 纠 世 耱