一種新型解鎖器及鎖具的研究與應(yīng)用

薛志成　謝志毅　雷強(qiáng)　巫偉南

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種新型解鎖器及鎖具，可以整合防誤系統(tǒng)和門(mén)鎖管理系統(tǒng)。首先，充分分析了變電站現(xiàn)有運(yùn)維管理情況。在此基礎(chǔ)上，給出了一種“二合一”電腦鑰匙設(shè)計(jì)方案，包括機(jī)械鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及開(kāi)鎖器設(shè)計(jì)等。分析結(jié)果表明：該解鎖器和鎖具具有RFID標(biāo)識(shí)、智能語(yǔ)音提示、黑匣子記錄等功能。

[關(guān)鍵詞]鎖具解鎖器變電站

以傳統(tǒng)變電站為例，設(shè)備防誤操作管理方式主要有兩種：

（1）利用微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管控，以防止電氣設(shè)備誤操作;

（2）利用智能門(mén)鎖管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)管控，通過(guò)開(kāi)鎖范圍授權(quán)的方式避免工作人員擅自擴(kuò)大工作范圍、誤入帶電房間作業(yè)，以達(dá)到.開(kāi)鎖管理記錄可查、行為可控、效率大幅提高的目的。

對(duì)于微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng)，就是利用電腦防誤鑰匙對(duì)防誤鎖具進(jìn)行解閉鎖操作。對(duì)于智能門(mén)鎖管理系統(tǒng)，就是利用電腦鎖控鑰匙對(duì)門(mén)控鎖具進(jìn)行解閉鎖操作。兩套系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行及管理，若要執(zhí)行綜合業(yè)務(wù)，往往需要攜帶兩種不同的鑰匙，給維護(hù)工作帶來(lái)了極大的不便。這種分散的電腦鑰匙管理方式，運(yùn)行效率低下，無(wú)法滿足電網(wǎng)管理集約化和精益化的需求。在分析變電站目前運(yùn)行管理現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合兩套管理系統(tǒng)的操作流程，提出了一種“合二為一”的電腦鑰匙。所述電腦鑰匙硬件平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化，用戶只需使用同一把電腦鑰匙就可完成防誤、鎖控和檢修等作業(yè)，可有效解決攜帶不便和操作效率不高的問(wèn)題，從而提高電力生產(chǎn)管理效率。

1鎖具設(shè)計(jì)

1.1機(jī)械鎖

機(jī)械鎖采用單孔設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中1-碼片;2-鎖芯。所設(shè)計(jì)機(jī)械鎖具有防撥功能，鑰匙插入鎖體后才能識(shí)別碼片，即使受跌落、振動(dòng)影響機(jī)械鎖也不會(huì)自動(dòng)解鎖。

總體來(lái)說(shuō)，機(jī)械鎖配合電腦鑰匙，采用機(jī)械掛鎖方式對(duì)高壓電氣設(shè)備及其附屬裝置進(jìn)行開(kāi)、閉鎖。通過(guò)掛接方式，閉鎖設(shè)備或附件的鎖孔，達(dá)到閉鎖目的。電腦鑰匙根據(jù)任務(wù)，按步驟，插入機(jī)械編碼鎖掛接鎖孔，識(shí)別鎖具編碼正確后，開(kāi)放電腦鑰匙解鎖機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)打開(kāi)鎖具，解開(kāi)鎖具的閉鎖，復(fù)歸鑰匙機(jī)構(gòu)，拔出電腦鑰匙，取下掛鎖，開(kāi)放設(shè)備操作。開(kāi)鎖行程應(yīng)配合電腦鑰匙，確保鎖具打開(kāi)的同時(shí)，鑰匙能正確判斷鎖具已打開(kāi)。

1.2電氣鎖

電氣鎖結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中1-鎖體;2-電極;3-防塵蓋;4-鎖芯;5-碼片。電腦鑰匙插入鎖體后再識(shí)別碼片，兩側(cè)電極與接線端子直接連接，具有防短接功能。配合電腦鑰匙，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)斷路器、開(kāi)關(guān)等的電氣閉鎖和解鎖。

該鎖具通過(guò)接線端子（或電極）串入電氣設(shè)備控制回路。串入的電氣鎖斷開(kāi)了電氣設(shè)備分、合閘控制回路，以此達(dá)到閉鎖目的。電腦鑰匙根據(jù)任務(wù)，按步驟，插入電氣編碼鎖，識(shí)別鎖具編碼正確后，導(dǎo)通電氣編碼鎖兩級(jí)，此時(shí)處于解鎖狀態(tài)，可進(jìn)行設(shè)備進(jìn)行分、合電氣操作。電氣鎖閉鎖原理如圖3所示。

2開(kāi)鎖器設(shè)計(jì)

開(kāi)鎖器采用單極解鎖頭，兩側(cè)凸電極，支持機(jī)械鎖、電氣鎖開(kāi)鎖，且可檢測(cè)開(kāi)鎖動(dòng)作。“二合一”電腦鑰匙分為主控模塊、電源模塊、顯示模塊、解鎖模塊、讀碼檢測(cè)模塊、通訊模塊等幾個(gè)部分。硬件總體框架如圖4所示。2.1主控模塊

主控芯片，整個(gè)系統(tǒng)的核心，控制各子模塊。采用嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，具有開(kāi)發(fā)調(diào)試效率高與實(shí)時(shí)性強(qiáng)兩大優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)單易用，有效縮減開(kāi)發(fā)周期，可以同時(shí)運(yùn)行多函數(shù)或任務(wù)，運(yùn)行速度快，占用的MCU資源極少，滿足實(shí)時(shí)性要并降低了開(kāi)發(fā)成本。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用QSPI訪問(wèn)存儲(chǔ)技術(shù)，QSPI支持四線串行訪問(wèn)形式，硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，有效減少PCB面積，降低PCB設(shè)計(jì)復(fù)雜度，只需直接將QSPI的六根信號(hào)線與存儲(chǔ)器連接，成本更低。

2.2開(kāi)鎖模塊

控制開(kāi)鎖機(jī)構(gòu)的開(kāi)鎖操作。開(kāi)鎖位置檢測(cè)采用干簧管或霍爾傳感器，利用鎖頭旋轉(zhuǎn)來(lái)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)到位。采用單極兩側(cè)凸頭電極設(shè)計(jì)，通過(guò)兩側(cè)電極導(dǎo)通電氣編碼鎖兩級(jí)，此時(shí)回路處于開(kāi)鎖狀態(tài)，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)斷路器、開(kāi)關(guān)等的開(kāi)合操作，同時(shí)，可通過(guò)兩側(cè)電極檢測(cè)驗(yàn)電鎖是否帶電，可方便實(shí)現(xiàn)驗(yàn)電、防誤、鎖控的融合。

2.3電源模塊

控制各模塊的電源，包括充電、供電、LDO、DCDC等。

2.4讀碼檢測(cè)模塊

采用RFID專用無(wú)線基站芯片讀取鎖具的唯一編碼，兼容多種傳輸協(xié)議，工作頻率100kHz-150kHz，具有睡眠模式，與微控制器的接口簡(jiǎn)單，采用調(diào)幅同步解調(diào)技術(shù)。

2.5通訊模塊

負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交互，包括藍(lán)牙、USB、紅外、Zigbee、GSM通訊方式。USB、紅外模式均可用于充電與數(shù)據(jù)通訊，藍(lán)牙、Zigbee、GSM模式用于數(shù)據(jù)通訊。

2.6顯示模塊

顯示及界面操作的控制。采用TFT液晶屏，具有低壓應(yīng)用，低驅(qū)動(dòng)電壓，固體化使用安全性和可靠性提高;平板化又輕薄，節(jié)省了大量原材料和使用空間;低功耗，它的功耗約為CRT顯示器的十分之一，反射式TFT一LCD甚至只有CRT的百分之一左右，節(jié)省了大量的能源，強(qiáng)光下顯示效果較好。

3分析

為驗(yàn)證所述鎖具和解鎖器的可行性和有效性，文中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)鎖具和解鎖器具有以下功能：

（1）開(kāi)鎖機(jī)構(gòu)支持單孔解鎖模式;

（2）采用RFID讀碼技術(shù)，能夠?qū)︽i具進(jìn)行唯一識(shí)別認(rèn)證;

（3）具備智能語(yǔ)音提示功能;

（4）具有黑匣子記錄功能;

（5）每把智能解鎖鑰匙出廠時(shí)都具備唯一的ID碼;

（6）具有聲音提示功能，可根據(jù)聲音判斷鑰匙的使用狀態(tài);

（7）具備顯示各種使用狀態(tài)信息;

（8）能正確無(wú)誤地接收智能鎖具管理系統(tǒng)下裝的開(kāi)鎖票，能記憶存儲(chǔ)當(dāng)前執(zhí)行的開(kāi)鎖票，具有掉電保存功能。

通過(guò)相關(guān)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，所設(shè)計(jì)鎖具和解鎖器的技術(shù)指標(biāo)滿足：

（1）一次接收操作票項(xiàng)數(shù)：≥1024;

（2）內(nèi)存容量：≥1024KB;

（3）識(shí)別編碼鎖個(gè)數(shù)：2n（n≥12，n為整數(shù)）;

（4）不充電連續(xù)操作次數(shù)：≥256;

（5）電池連續(xù)工作時(shí)間：28h;

（6）壽命：≥50000次;

（7）平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）：50000h;

（8）防雨、防塵等級(jí)達(dá)到GB4208-84規(guī)定的IP54等級(jí)要求;

（9）抗沖擊強(qiáng)度：≥6g。

4結(jié)束語(yǔ)

為提高傳統(tǒng)變電站運(yùn)維管理效率，文中以鎖具和解鎖器為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種“二合一”電腦鑰匙。該解鎖器整合了防誤系統(tǒng)和門(mén)鎖管理系統(tǒng)。用戶僅需一把電腦鑰匙就可完成防誤、鎖控和檢修等作業(yè)，可有效解決攜帶不便和操作效率不高的問(wèn)題，從而提高電力生產(chǎn)管理效率。分析結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)鎖具和解鎖器功能齊全，技術(shù)指標(biāo)水平較高，能夠滿足變電站管理需求。

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