电力QC作品《研发新型电能计量锁具》

研发新型电能计量锁具课题类型：创新型（一）小组简介一、小组概况表1

小组概况表小组名称AAAAQC小组成立日期1990.8.12发布人田甜所在部门营销部课题类型创新型组长吴AA注册号LDQ2013-044成员人数13人平均年龄31岁TQC教育学习情况人均60小时活动次数60活动时间9个月小组成员姓名性别年龄文化程度职务或职称小组职务组内分工吴XX女35本科工程师组长协调监督霍XX女36本科工程师组员组织实施陈X女40本科助理工程师组员技术指导田X女25本科助理工程师组员主要执笔曲XX女40本科助理工程师组员活动实施张X女24本科助理工程师组员活动实施杨X女26本科助理工程师组员活动实施李X男27本科助理工程师组员活动实施韩X男27大专助理工程师组员活动实施郭XX男36大专助理工程师组员活动实施谭XX女26本科助理工程师组员活动实施安X女33本科工程师组员活动实施程X男29本科助理工程师组员活动实施（二）历年获奖情况2009年“提高变电站电量采集成功率”荣获山东电力集团公司三等奖2010年“研制新型电能表周转箱”被评为全国电力行业优秀

QC小组2011年“研发智能电子铅封”被评为山东省优秀QC小组2012年“创新拆旧表码管理方式”被评为全国电力行业优秀QC小组图1

历年获奖情况P

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C一、小组概况近来,公司窃电现象屡禁不止，严重扰乱了供用电秩序,给公司造成了巨大的经济损失。为方便效果检查，小组选定了辖区，对试运行区域内2012年7-9月份的窃电情况按窃电方式进行了统计，结果如下：序号窃电方式次数（次）占比（%）1非法开启计量箱窃电4981.67线2绕越计量装置窃电46.673私自变更互感器铭牌11.674私自改变互感器匝数23.335损坏或变更互感器出23.336其他23.33二、选题理由（一）问题的提出小组成员将防止电能计量箱非法开启作为本小组着力解决的问题。确定需解决问题后,小组成员就如何防止电能计量箱非法开启进行了讨论分析，最后确定了以下三个课题方向：二、选题理由（二）确定课题方向课题名称课题分析是否选用加强电能计量箱管理实施性加强电能计量箱管理就要增加工人人员和工作时间。增加工作人员编制需经公司批准且无现成人员可用，实施难度较大。现有电能计量管理人员工作时间基本在7小时以上，增加工作时间同样难以实施。否有效性除非实现24小时不间断监控，否则效果很难达到预期目标经济性现人均管理计量箱241只，每日巡视检查设备1次，若改为每日巡视设备1次，管理费用将会增加30倍，投资较大更换新型电能计量箱（柜）实施性现有电能计量箱（柜）安装位置分散，且多为运行设备，更换需配置多种型号电能计量箱(柜)，需2-3年完成，因公司无投资资金，不易实施否有效性现有运行超过80%的电能计量箱（柜）材料、样式接近市场现有电能计量箱（柜），更换生效果不明显经济性电能计量箱造价从几百元到上万元，且数量较多。更换投资较大更换新型电能计量箱（柜）锁具实施性更换电能计量锁具操作简便，实施周期约为26天，且公司每年都会列电能计量锁具更新资金，实施难度小是有效性新型电能计量锁具材料坚固，且有较好的防非法开启性能，使用智能管理系统可以实现实时监控，可有效阻止不法分子非法开启电能计量箱行为经济性更换电能计量锁具投资较小二、选题理由（三）确定课题1、选择课题方向后，小组成员就现有电能计量箱锁具存在问题进行了调查研究，结果如下：问题一：防伪性能差，现有电能计量箱具钥匙极易复制。问题二：开启过程无记录。问题三：非法开启无法通知到管理人员。解决上述问题，只有更换具备防非法开启性能好、防伪性能好、自动记录开启情况、非法开启报警功能的电能计量箱锁具。针对上述需求，小组成员对现有市场进行调查。图2 同行业电能计量锁具调查分析图结论：电能计量箱多采用传统的普通挂锁，钥匙采用

一匙多开的梅花孔或多径孔，锁芯安全性能低，不具备非

法开启报警等功能，无法完

全满足工作需要。二、选题理由（三）确定课题2、查新小组成员于2013年1月30日赴山东省科学技术情报研究所进行课题查新，未发现专门用于创新计量箱锁具安全防护的文献报道。查新项目名称创新计量箱锁具安全防护查新人员吴丽静 陈慧芬查新机构山东省科学技术情报研究所查新时间2013．1．30一、查新目的项目鉴定二、查新范围中国电力科技成果数据库中文科技期刊全文数据库中国专利数据库中国企业产品数据库中国学术论文数据库三、查新点与查新要求运用新技术提高锁具安全性能，使其能验证权限、自动化开启，非正常开启报警，实现信息化集中管控，实时监督锁具状态。大大降低开启电表箱窃电次数，从而降低公司经济损失，保障计量用设备的资产安全。……七、查新结论

经查新表明，国内未见创新计量箱锁具安全防护的文献报道。小组确定本次活动的课题：研发新型电能计量锁具。三、确定目标及可行性分析（一）设定目标量化目标：非法开启报警率达到96%。非量化目标：成功研制具有分级授权、防非法开启报警的新型电能计量锁具。（二）可行性分析技术分析结

论量化目标电能计量QC小组成员熟悉电能计量器具的结构、工作原理和现场应用；部室每年都有针对锁具、铅封等设备的专用投资资金，用于更换锁具，资金充足。通过进一步调查发现，市面上门禁管理系统非法开启报警可实现96%，我们的设计和它的原理相似，由于工艺限制，目标值很难超越，但非法开启报警率达到96%的目标可行。门禁管理系统能够实现避免未授权人员进入，这种技术门槛没有壁垒，所以营销管理系统同样可赋予管理人员相应设备管理权限，若能将这两种技术结合进行系统开发，预定目标就可实现。目

标

可 行！非量化目标四、提出各种方案并确定最佳方案（一）方案提出确定课题后，小组成员就研发新型电能计量锁具进行了讨论分析，遵循安全、可靠等原则提出以下四种方案。表4 方案分析、评估及选定表课题名称课题分析是否选用机械式密码锁实施性1、无需改造现有电能计量箱，投资较小，较易实施。2、需加装拨码机构、密码校对系统、驱动装置，实施难度稍大。否有效性由于密码个数有限，防仿性能不如智能锁经济性造价低廉智能锁实施性锁体与现有电能计量箱（柜）锁具安装部位不匹配，且改造工程量大，较难实施否有效性电子钥匙防伪性能好，效果明显经济性锁体需求量大且造价较高，整体投资较大机械锁+智能电子钥匙实施性1、无需对现有电能计量箱（柜）进行改造安装工程量小，较易实施。2、需加装驱动系统和信号接收系统。否有效性智能电子钥匙具有较好的防伪性，效果明显经济性锁体造价偏低，电子钥匙造价偏高，但可用一把钥匙开多把锁方式，整体投资适中机械式密码锁+智能电子钥匙实施性无需对现有电能计量箱（柜）进行改造安装工程量小，较易实施，是有效性智能电子钥匙具有较好的防伪性，可大大加强防非法开启性能经济性锁体造价偏低，电子钥匙造价偏高，但可用一把钥匙开多把锁方式，整体投资适中四、提出各种方案并确定最佳方案（二）方案I级分解随后，小组成员围绕方案四展开讨论，进行了逐级分解：信号发射接收部分锁具智能电子钥匙机械锁+智能电子钥匙新型电能计量锁具管理系统四、提出各种方案并确定最佳方案结合现场实际，小组认为应具有以下功能：主站系统与智能电子钥匙配合实现权限验证、开（闭）锁状态实时反馈、非法开启报警等功能。这些功能的实现需要加入软件的设计与开发来达成。小组成员对管理系统进行了II级分解，结果如下：（三）方案II级分解1、管理系统软件设计接口设计管理系统管理系统要与现有营销系统进行数据共享，小组成员选用JAVA编程语言进行了程序的编写。四、提出各种方案并确定最佳方案（三）方案II级分解（三）方案II级分解接口设计经过分析讨论，小组成员为管理系统建立两个接口：一是与微机接口，此为物理接口，通过通讯电缆连接即可。二是与营销系统接口。对此接口，小组成员提出了三种方案并进行分析评估，结果如下：四、提出各种方案并确定最佳方案方案评价选择是否选用J2EE/EJB优点：不受限于特定的操作系统或硬件平台；提供对事务安全性以及持续性的支持；支持多种中间件技术。缺点：且资源占用量较大、容易受电磁干扰。否Web

Service优点：格式的转换基本不受限制，可以满足不同应用系统的需求。缺点：当XML内容较大时，解释程序的执行效率较低，一般不适合用于实现大批量数据交互的接口。是中间组件优点：开放的体系结构，满足大用户量与实时性的要求，提供交易的完整性、控制并发、交易路由和均衡负载的管理。缺点：处理大数据量交易效率不高。否四、提出各种方案并确定最佳方案（三）方案II级分解2、信号发射接收部分2.1信号发射接收介质小组成员对市场常用信号发射接收设备进行调研，统计出三种常用设备，对其工作原理进行分析评估，结果如下：读写设备优点缺点评估结果读写器（蓝点感应器）1、成本低；2、操作方便。1、接触读取；2、不能读取加密信息；3、接触面需要暴露。不选择RFID（射频识别）1、非接触无线即时读取；2、体积小型化、形状多样化；3、可无屏障阅读；4、数据记忆容量大。1、附属设备多，成本高；2、金属物件对RFID有影响；3、寿命小于10年4、防破坏性能低。不选择红外线1、寿命大于100年；2、成本低；3、非接触信息采集；4、金属物件不影响信息采集。5、适用环境更广泛。距离一般不超过7米选择结论：考虑到现场锁具放置环境的多样性，采用适用环境更广泛的红外线做为信号发射接收的介质。四、提出各种方案并确定最佳方案（三）方案II级分解2.2

驱动设备接收装置接收到信号后，驱动回路开关闭合，驱动电机启动开锁机构，锁具开启。待选方案方案评估评估结果直流伺服电机优点：1、转速高、带载能力强； 缺点：2、精度可达到；3、转矩恒定，噪音低；4、闭环控制，性能可靠。1、成本高；2、控制系统设计麻烦。选择步进电机优点：1、成本低；2、控制系统简单。缺点：1、高速下扭力极具减小，存在低频共振；2、负载大容易失步；3、开环控制，性能可靠性稍差。不选择四、提出各种方案并确定最佳方案（三）方案II级分解锁体损坏锁芯损坏钥匙被复制07422012年7-9月份非法开启电能计量箱锁具破坏情况上述结果表明，锁体材质满足现场需要，可依然采用挂式不锈钢，锁具研发重点部门应在

锁芯和钥匙。3、锁具四、提出各种方案并确定最佳方案（三）方案II级分解序号检验项目技术标准弹子锁杠杆锁叶片锁1抵抗非正常开启时间14min27min28.5min2防钻破坏时间18min26min31min3防锯破坏时间6.5min9min11min4防撬破坏时间15min32min32min5防拉破坏时间17min27.5min29min6防冲击破坏时间16min31min31.5min7防技术开启时间1min13min93min8互开率≤0.03%≤0.01%≤0.0004%表8 锁芯评估表为更好地考评各锁芯的技术性能，小组委托专业厂家对三种锁芯进行开启试验，厂家反馈测试结果如下：四、提出各种方案并确定最佳方案小组成员围绕方案Ⅱ级分解，确定智能电子钥匙的五个组成部件，并进行了详细的对比选择及相应评估。（三）方案II级分解4、智能电子钥匙单片机显示屏键盘电源通讯接口智能电子钥匙设计四、提出各种方案并确定最佳方案（三）方案II级分解4.1单片机4.2

显示屏方案评价选择是否选用CRT显示屏CRT映像管荧幕价格比LCD液晶显示屏便宜,焦距清楚,画质不太稳定,荧幕的体积比LCD液晶显示屏厚,画质不太清晰,用得太久眼睛会不舒适否LCD显示屏高亮度，可达250cd/m2；高对比，可视范围广，有汉字显示功能，讯号反应快速，低功耗、散热小、体积小、图像还原精确是单片机是整个门锁系统的总控制者和总操作者，负责读取电能计量锁具信息，同时负责与上位微机进行通信。方案评价选择是否选用PIC16C84执行效率高，速度快，存储器

利用率高，安全可靠，可直接

与继电器电路连接，使用方便。否指令丰富，功能性强，具有在线下载功能，开发容易，并且At89s52价格便宜，实用性能高，安全可靠，功耗低，自身资源基本满足设计要求功，但命令和程序执行采用流水线方式，需两是个及以上周期才能完成一个指令访问和操作。四、提出各种方案并确定最佳方案（三）方案II级分解4.3

键盘4.4

电源方案优点缺点评估结果电池1、易实施2、成本低存在因电池用完造成无法使用的可能不选择外接电源1、结构相对简单2、无需频繁购买电池，

无废旧电池，污染小；

3、可在有市电地方充电，操作方便存在因忘记充电造成无法使用的可能不选择电池+外接电源电池、电源互为备用，可靠性高制作工艺复杂。选择键盘作为人机接口常用的器件，通过它可以向计算机输入数据，传送命令，控制CPU的运行。方案评价选择是否选用编码式键盘响应速度快，但它以复杂的硬

件结构为代价，其复杂性随着

按键功能的增加而增加。而且，按键的代码是固定的，不易修

改和扩充。否非编码式键盘响应速度不如编码键盘快，但它可通过软件为按键重新定义其编码，为扩充键盘功能提供了极大的方便，因而得到广泛的使用。是四、提出各种方案并确定最佳方案（三）方案II级分解4.5通讯接口方案评价选择是否选用RS232可双工传输，但至少需要三根线，存在共地和噪声干扰问题。否RS485最高传输速度为10Mbps,接口电路不易损坏，抗干扰能力强，但只能半双工传输，收发不能同时进行。是RS422可双工工作互不影响，但传输速度受传输距离影响严重。否四、提出各种方案并确定最佳方案（三）方案II级分解5、确定最佳方案软件设计JAVA开发平台管理系统研发新型电能计量锁具信号发射接收部分锁具接口设计智能电子钥匙Web

Service信号发射接收介质红外线信号驱动设备直流伺服电机锁体设计挂式不锈钢锁体锁芯设计叶片锁芯单片机显示屏键盘电源通讯接口At89s52单片机LCD显示屏非编码式键盘电池+外接电源RS-485接口五、制定对策表14 对

策

表序号项目对策目标措施地点时间责任人1软件设计JAVA开发平台功能满足需要；系统数据传输正确率100%；系统运行可靠率100%。1、建立逻辑层次；2、编程；3、通讯和功能模拟测试。实训室4.11-5.17陈慧芬曲晓峰2接口设计Web

Service系统数据传输正确率100%。1、通过通讯电缆与微机接口连接；2、通过Web

Service与营销系统建立接口。3、系统数据传输测试。实训室5.17-5.21田甜李珂3信号发射接收介质红外线信号1m之内光束收敛/分散率为零；信号接收率

100%。1、购置红外线发射和接收装置组件；2、性能测试。创新室5.21-5.23谭嘉怡李珂4驱动设备直流伺服电机动作正确率100%。1、购置直流伺服电机驱动组件；2、确定工作原理；3、安装组件；4、驱动测试。实训室5.23-5.27陈慧芬韩冰5锁体设计挂式不锈钢锁体与计量箱匹配率100%；性能试验合格率100%。1、外观设计；2、测试。实验室5.27-5.30霍艳霞田甜6锁芯设计叶片锁芯开启时间大于1分钟。1、采购叶片锁芯；2、试验。实训室5.30-6.04吴丽静霍艳霞7单片机At89s52单片机数据传输的误码率≤10E-6。1、购置At89s52芯片单片机；2、绘制工作原理图；3、测试。创新室6.04-6.07田甜杨晶8显示屏LCD显示屏强光线和弱光线下内容清晰率为100%。1、购置LCD显示屏；2、绘制工作原理图；3、测试。创新室6.07-6.10陈慧芬程淼9键盘非编码式键盘按键正确动作率100%。1、购置非编码式键盘；2、绘制工作原理图；3、测试。创新室6.10-6.11吴丽静安莹10电源电池+外接电源保证设备工作12小时及以上。1、购置电源接口；2、测试。创新室6.11-6.12张雯杨晶11通讯接口RS-485接口通讯正常。1、购置RS-485接口；2、绘制连接图；3、通讯测试。创新室6.12-6.14吴丽静霍艳霞六、对策实施对策实施一：JAVA开发平台建立逻辑层次编程通讯和功能模块测试结论：系统数据传输正确率100%，系统运行可靠率100%，系统功能满足要求。六、对策实施对策实施二：Web

Service接口结论：系统数据传输正确率100%，满足要求。1、通过通讯电缆与微机接口连接；小组成员购买通讯电缆，将其与微机接口相连接。2、通过Web

Service与营销系统建立接口。

3、系统数据传输测试。接口连接成功后，通过模拟数据传输，均可正确接收。六、对策实施1、小组成员购置了红外线发射装置和接收装置，并将编码盘（模拟锁芯部分）与红外线接收装置进行了连接组成驱动装置。工作原理如下：编码盘上设置一序列卡槽，红外线发射装置发射的光束打在旋转的编码盘，根据打孔部位和未打孔部位反射光的强弱不同，形成序列，经过放大电路，通过数模转换，采集到一个唯一的密码。红外线接收装置内置芯片将采集到的密码与存储器中密码进行校对，结果一致则启动电机控制回路开启电能计量锁具，否则，电能计量锁具无法开启。对策实施三：红外线信号图4

开锁原理图 图5

接收模块电路图六、对策实施对策实施三：红外线信号小组成员在不同时间和不同地点对红外线接收装置分别做了60次信号接收测试，数据表明，满足需要。表16信号接收测试结果结论：红外线发射装置和接收装置配合良好，信号接收率为100%，满足需要。序号12345678910平均值正确开启次数6060606060606060606060六、对策实施对策实施四：直流伺服电机驱动设备直流伺服电机电功率较高，可减少智能电子钥匙耗电量，有效延长一次充电的工作周期。利用其PID反馈控制算法，实时校准智能电子钥匙的密码对位角度，就可实现锁具的智能化开启。小组成员对直流伺服电机驱动性能进行定位试验，结果统计如下：平均定位距离为0.00075mm,且每次均≤0.001mm,符合要求。序号12345678910平均定位距离

(mm)0.00080.00060.00070.00080.00070.00090.00080.00070.00080.00070.00075在锁体上双面雕刻图案与文字相结合的特有标识，来凸现公司标志。六、对策实施1、外观设计对策实施五：挂式不锈钢锁体小组采购了100把挂式不锈钢锁体，并进行了以下测试：2、测试根据调查结果，小组成员选择了挂式不锈钢40锁体。计量箱锁鼻半径（mm）81012数量（个）1496521结论：挂锁式40锁体外形与当前运行的计量箱（柜）相匹配率100%序号高压计量（柜）低压配电柜低压计量箱挂取方便是是是结论一：挂式不锈钢40锁体性能满足需要。序号12345678910拉力试验合格品（把）40404040404040404040扭力试验合格品（把）40404040404040404040耐受试验品（把）40404040404040404040六、对策实施对策实施六：叶片锁芯小组成员订制了40个叶片锁芯，并进行试验，试验结果如下：表21叶片式锁芯试验结果结论二：采购锁芯的性能满足需要。序号12345678910平均值平均每把锁用时（分）1.31.31.41.31.31.41.31.41.31.31.36对策实施七：At89s52芯片单片机图6

AT89S52单片机最小系统图7复位电路图AT89S52测试结果表明：单片机数据传输的误码率≤10E-6。六、对策实施对策实施八：LCD显示屏制图人：陈慧芬制图时间：2013.06.10小组委托厂家做专业测试，测试结果表明：强光线和弱光线下内容清晰度均为100%。图8显示屏电路图对策实施九：非编码式键盘图9非编码式键盘电路图小组委托厂家做专业测试，测试结果表明：非编码式键盘按键正确动作率100%。六、对策实施对策实施十：电池+外接电源要使整个系统使用市电作为电源，需要单独设计电源模块进行电源转换。转换后的电源输出应接近5V，且尽量无纹波，以保证单片机系统的正常工作。小组调查研究购置了采用220V—AC输入，6

V可调AC输出，可以供1000

mA电流的变压器作为前置电源，并在电路板上安排了一个集去纹波和稳压功能为一体的电源芯片AX603作为电源模块的输出节点。1、购置电源接口2、测试小组委托厂家做专业测试，测试结果表明：电池可保证设备工作12小时及以上。六、对策实施对策实施十一：RS-485接口1、购置RS-485接口2、绘制连接图。3、通讯测试结论：通过测试，RS485接口通讯通畅，满足设计要求。六、对策实施根据钥匙的工作原理，小组绘制系统图并采用购买组件完成智能电子钥匙的安装。整体组装，调试通过程序的编写和调试，智能电子钥匙制作成型，经过测试，满足要求。七、效果检查（一）目标检查1、新型电能计量锁具研发成功。图12锁具外观图2、实现功能图13实现功能示意图七、效果检查（一）目标检查七、效果检查（一）目标检查3、小组于2013年4月开始锁具加装同时与服务器整合，电能计量现场共安装新型锁具432把，运行3个月后，对所选试运行区域开启电表箱窃电次数占比进行了记录分析。表23

2013年7-9月窃电情况统计表序号窃电方式 次数（次）占比（%）1214.2881.67开启计%量箱锁具窃电2绕越计量装置窃电428.573私自变更互感器铭牌3