高壓母線控制柜無線門禁硬件系統的研制

劉 偉，李 晶

(1.吉林化工學院信息與控制工程學院吉林吉林132022;2.吉林信息工程學校電子教研組，吉林吉林132022)

目前，很多電廠以及變電所一個廠區具有上百個控制柜，每個控制柜對應一把鑰匙難于管理，一般均采用一把鑰匙開所有鎖的方案，極容易產生錯誤導致事故.高壓母線控制柜無線門禁系統主要是解決電廠中高壓母線控制柜在日常操作和維護維修中存在著錯誤授權或者誤開的問題;以保護現場操作人員的人身安全，并減少人為因素導致的電力系統事故.

1 系統方案

系統采用計算機軟件授權方式，采用無線手持控制器對電廠的高壓控制柜門禁進行控制，系統方案結構圖如圖1所示.

圖1 系統方案結構框圖

系統包括計算機授權管理系統、門禁無線手持控制器、門禁控制器、電磁鎖以及控制柜門狀態傳感器等單元組成，當電廠需要檢修線路時，通過計算機授權管理系統對門禁無線手持控制器進行授權，技術人員只能在授權時間內對被授權的控制柜進行操作，每個操作動作以及操作時間等均會被門禁無線手持控制器記錄，操作完成后，技術員可通過USB總線上傳操作記錄給管理系統.

2 無線通信電路的設計

在高壓控制柜無線門禁系統中，手持控制器與門禁控制器均采用無線方式進行通信，因此首先介紹無線通信電路的設計.

無線通信電路主要由SI4432芯片、振蕩電路、接口電路、RF濾波電路以及供電電路等組成，無線通信電路采用3.3V進行供電，并且接口采用SPI總線與CPU進行通信.電路如圖2所示.

圖2 SI4432無線通信模塊電路原理圖

Si4432是一款可以工作在470MHz高性能射頻收發器，適用于短距離無線通信，其發射功率可達+20dBm，接收靈敏度也在－121dBm左右，內部可提供對數據包處理、數據緩沖FIFO、接收信號強度指示(RSSI)、空閑信道評估(CCA)等功能［1］，可實現幾百米距離內的雙向數據傳遞.此電路采用3db增益是短天線測試，在波特率9600bps時室外開闊地通信距離可達300米以上，同時此芯片僅5元左右具有極高的性價比，并滿足系統要求.

3 手持控制器電路的設計

根據設計要求無線手持控制器要具有顯示、按鍵輸入、無線通訊、時鐘、記錄存儲數據以及USB通訊等功能，因此手持機結構框圖如圖3所示.

圖3 手持器結構框圖

為了實現低功耗和USB通訊功能無線手持器的處理器采用C8051F340增強型MCS51內核單片機，具有4K+256字節RAM，并集成有USB總線控制器以及1K FIFO RAM，可以十分容易的實現低功耗以及USB通訊［2］.

USB通信主要完成PC機的上位機電廠控制系統數據庫軟件對手持器的授權操作;并且在操作完成后，通過USB將手持器里的“操作記錄”反饋到PC機數據庫中，已被監控管理.手持機系統中“操作記錄”存儲在AT24C256串行I2C總線的32KB的EEPROM中，每條操作記錄由4個字節的“操作時間”、1個字節的“門禁操作”以及1個字節的“門禁狀態”組成，共計6個字節，操作記錄可存儲5 400余條.為了給使用人員提供時間，并且在操作時記錄操作的時間，手持系統電路中實時時鐘采用PCF8563 I2C串行RTC時鐘芯片實現，顯示電路采用LCD5110液晶實現，數據輸入鍵盤采用5*4矩陣鍵盤電路.手持機主控電路如圖4所示.

圖4 門禁無線手持控制器

4 電廠控制柜門禁控制器的設計

控制柜門采用電磁鎖進行控制并監測門的開關狀態，系統結構主要由CPU微處理器、無線通信電路、門禁狀態監測電路以及電子鎖控制電路等組成，電控柜門控制器結構圖5所示.

圖5 門禁控制器結構框圖

圖6 電子鎖控制器電路原理圖

電廠控制柜門禁控制器CPU采用C8051F330增強型MCS-51系列單片機，它內部有Flash存儲器8KB，RAM數據存儲器768字節，17個I/O接口，并采用DIP-20封裝［3］，便于焊接與調試，適合本系統使用.

電路中無線通信模塊依然采用SI4432無線通信模塊，電路中門狀態監測開關K1采用工控行程開關，當鎖門時，電磁鎖關閉是，也要行程開關同時監測到門已經關上，否則控制器會反饋給手持機報警信號，防止產生門鎖處于“鎖”狀態，但門卻沒關上的狀態出現.

門鎖采用成品電磁鎖，電磁鎖的控制采用繼電器JDQ1進行控制，為了降低電磁干擾對CPU的影響，控制電路采用U7光電耦合器進行隔離控制［4］，電路如圖 6 所示.

由于電磁鎖控制輸出電路采用光電隔離電路，因此供電電路要采用隔離電源進行控制，為了降低設備成本，電子鎖控制器供電采用工頻變壓器供電電源電路，電路如圖7所示.

圖7 電子鎖控制器供電電路原理圖

電源變壓器采用雙路輸出隔離變壓器一路采用AS1117進行穩壓對CPU以及無線模塊等系統電路進行供電［5］，另一路經過穩壓輸出供給光耦與繼電器隔離電路使用.

5 結 論

本系統采用SI4432設計470MH頻段無線模塊對電廠高壓控制柜的門禁進行控制與檢測，通過PC機對手持控制器進行限時授權方案對“操作”進行約束，并對未按規定或者門禁有問題的控制柜進行報警，極大的提高了電廠對高壓控制柜的控制安全性，本系統經在沈陽沙河變電站使用，工作穩定可靠，完全達到設計目標.

［1］ SI4432 手冊［DB/OL］.http://www.xhl.com.cn/upfile/Image/2011/5/20110504105625.pdf.

［2］ C8051F34x手冊［DB/OL］.http://www.xhl.com.cn/upfile/Image/2011/5/20110504085715.pdf.

［3］ C8051F33x手冊［DB/OL］.http://www.xhl.com.cn/upfile/Image/2011/4/20110428170621.pdf.

［4］ 童詩白.模擬電子技術基礎［M］.第 4版.北京:高等教育出版社，2006.

［5］ 艾學忠，劉偉，陳北辰.單片機原理及接口技術［M］.北京:中國機械出版社，2012.