開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)智能開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)

開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)研究背景及意義

智能開(kāi)關(guān)是指利用控制板和電子元器件的組合及編程，以實(shí)現(xiàn)電路智能開(kāi)關(guān)控制的單元。人工開(kāi)關(guān)控制過(guò)程中，人要根據(jù)誤差及誤差變化趨勢(shì)來(lái)來(lái)選擇不同的開(kāi)關(guān)控制策略，例如在一個(gè)控制周期T內(nèi)，控制量輸出的時(shí)間根據(jù)需要是可調(diào)的。這種以人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際誤差變化規(guī)律及被控對(duì)象（或過(guò)程）的慣性，純滯后及擾動(dòng)等特性，按一定的模式選擇不同控制策略的開(kāi)關(guān)控制稱為智能開(kāi)關(guān)控制。

現(xiàn)代家庭中的閥門和開(kāi)關(guān)的控制至關(guān)重要，大量媒體報(bào)道過(guò)由于電源沒(méi)有關(guān)閉造成的漏電和火災(zāi)，或者冬天出門時(shí)候由于忘記關(guān)閉閥門而造成的水管破裂。采用自動(dòng)開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)后，人們不需要對(duì)家中的電氣開(kāi)關(guān)和閥門進(jìn)行控制，該系統(tǒng)的傳感器會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到家中的人數(shù)，從而對(duì)家中閥門和開(kāi)關(guān)的開(kāi)合進(jìn)行控制。智能開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)節(jié)省了勞動(dòng)力，增加了生活的安全性。

開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)智能家居控制系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)功能可劃分為智能控制中心部分，遙控部分和Zigbee開(kāi)關(guān)部分，其中控制中心和Zigbee開(kāi)關(guān)也可以集成在一起，因此在某些應(yīng)用上只包含兩套設(shè)備。

Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，主要用于近距離無(wú)線連接。

初始化時(shí)控制中心完成Zigbee網(wǎng)路組建、接收設(shè)定數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并將接收到的遙控指令發(fā)送到相應(yīng)的Zigbee開(kāi)關(guān)。遙控器用于無(wú)線控制根據(jù)Zigbee協(xié)議格式將遙控指令信息發(fā)送給控制中心或邦定的Zigbee開(kāi)關(guān)。Zigbee開(kāi)關(guān)作為智能開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的終端，負(fù)責(zé)執(zhí)行相應(yīng)的控制指令，可以對(duì)家庭中各種帶開(kāi)關(guān)量的設(shè)備的運(yùn)行. 如冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)、電視機(jī)、照明系統(tǒng)等的開(kāi)啟、關(guān)閉、定時(shí)等工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)。遙控器對(duì)智能開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)的控制信號(hào)頻率相對(duì)較低. 因此傳輸速率也可以比較低. 一般數(shù)十kb/s即可滿足要求。控制系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒅饕强刂菩畔⒁约耙恍┪锢砹康膮?shù)。但是信息傳輸?shù)目煽啃砸蟊容^高，因?yàn)樗鼈鬏數(shù)男畔⑹歉鞣N設(shè)備的控制信息. 錯(cuò)誤信息不僅可能導(dǎo)致設(shè)備的非正常工作. 而且可能導(dǎo)致設(shè)備的損壞。而Zigbee技術(shù)的低速率、可靠等優(yōu)點(diǎn)可滿足智能家居控制系統(tǒng)的要求。

開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4所示為一種典型智能開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

其中控制中心網(wǎng)關(guān)是智能開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的核心。由于通信距離的限制，為節(jié)約成本，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)控制中心將每個(gè)Zigbee開(kāi)關(guān)模塊連接起來(lái)，同時(shí)可增設(shè)中間協(xié)調(diào)器將彼此孤立分散的子網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)互聯(lián). 實(shí)現(xiàn)信息的交互和共享. 并將家庭內(nèi)網(wǎng)和外部網(wǎng)連接， 實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)互通和鑒權(quán)的設(shè)備。系統(tǒng)由如下幾部分組成。

開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)傳感器模塊

傳感器主要功能是要確定人行走的方向，可以用超聲波、紅外或者激光器件來(lái)檢測(cè)。超聲波器件的優(yōu)點(diǎn)是只需在一邊安裝傳感器的發(fā)射和接收裝置，在安裝上比較簡(jiǎn)潔；缺點(diǎn)是由于人衣服以及體型的變化，會(huì)造成嚴(yán)重的誤檢測(cè)。紅外傳感器可以采用漫反射和直射兩種安裝方式，優(yōu)點(diǎn)是肉眼看不見(jiàn)，不會(huì)打擾到人們的視線，缺點(diǎn)是無(wú)論用哪種安裝方式，失誤率也很高。激光傳感器可以選擇漫反射和直射兩種安裝方式。

開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)器件控制器

開(kāi)關(guān)器件控制器裝有對(duì)應(yīng)主板無(wú)線發(fā)射的接收模塊，該接收模塊有相應(yīng)的地址。當(dāng)發(fā)出的信號(hào)對(duì)應(yīng)接收端的地址后，該接收端的電平輸出端則會(huì)根據(jù)發(fā)送端輸出的信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器來(lái)控制開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)閉。如果控制端出現(xiàn)錯(cuò)誤，則可以啟動(dòng)開(kāi)關(guān)器件控制器上面的故障處理開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)以后，開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)閉完全靠手動(dòng)，不受任何信號(hào)的影響。

開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)節(jié)能以及故障處理模塊

系統(tǒng)的節(jié)能模塊會(huì)檢測(cè)門的打開(kāi)和關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)門處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，需要檢測(cè)人的進(jìn)出，傳感器和主板處于完全工作狀態(tài)。當(dāng)每次有數(shù)據(jù)改變時(shí)，單片機(jī)就將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ROM中，方便掉電存儲(chǔ)。當(dāng)門開(kāi)關(guān)傳感器感應(yīng)到門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，此時(shí)不需要檢測(cè)人的進(jìn)出，傳感器和主板可以完全斷電，等到檢測(cè)到門開(kāi)啟的時(shí)候，主板和傳感器同時(shí)供電，主板中芯片從上次存儲(chǔ)的ROM 中讀取數(shù)據(jù)后繼續(xù)上次工作狀態(tài)運(yùn)行。

當(dāng)傳感器計(jì)數(shù)出現(xiàn)錯(cuò)誤的時(shí)候，有兩種故障處理方式，一種是軟處理，另外一種是硬處理。軟處理不需要影響到程序的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)按鈕按下時(shí)，故障程序啟動(dòng)，故障程序會(huì)根據(jù)按下的時(shí)間改變?nèi)藬?shù)，直到改變成正常的人數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)程序上面不可避免的錯(cuò)誤時(shí)，需要用復(fù)位按鈕從程序上復(fù)位，程序所有數(shù)據(jù)清零從頭開(kāi)始重新計(jì)數(shù)；當(dāng)系統(tǒng)的硬件出現(xiàn)不可恢復(fù)的故障時(shí)，按下硬故障按鈕，系統(tǒng)就可以繞過(guò)控制器件手動(dòng)控制。

開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)研究背景

接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)(隔離開(kāi)關(guān)或負(fù)荷隔離開(kāi)關(guān))系電氣化鐵道牽引供電的重要裝置之一，一般設(shè)置在區(qū)間和站場(chǎng)接觸網(wǎng)交接的咽喉處、股道之間和線群之間接觸網(wǎng)的聯(lián)接處。

對(duì)單線電氣化區(qū)段而言，接觸網(wǎng)上開(kāi)關(guān)均采用隔離開(kāi)關(guān)。而在有“V停反行”要求的復(fù)線電氣化區(qū)段，為節(jié)省投資，慣用的做法是在站場(chǎng)的一側(cè)使用隔離開(kāi)關(guān)，另一側(cè)安裝負(fù)荷隔離開(kāi)關(guān)(這種開(kāi)關(guān)有負(fù)荷開(kāi)關(guān)和隔離開(kāi)關(guān)的雙重功能)。無(wú)論是隔離開(kāi)關(guān)還是負(fù)荷隔離開(kāi)關(guān)，其作用都是保證接觸網(wǎng)停電檢修和實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)故障隔離。由于接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)安裝位置遠(yuǎn)離車站，且通常采用人工操作方式，因此天窗時(shí)間也得不到充分利用，故障隔離功能難以實(shí)現(xiàn)。

隨著近年來(lái)電氣化鐵道承擔(dān)運(yùn)量的日益增加，相應(yīng)運(yùn)營(yíng)部門對(duì)牽引供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量和供電水平的要求也愈來(lái)愈高，特別是復(fù)線區(qū)段“V型天窗”和“反向行車”要求的提出，使得接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)動(dòng)化已成為必然趨勢(shì)。

開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)技術(shù)要求

因接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)的運(yùn)行與鐵路行車關(guān)系極為密切，故其控制系統(tǒng)必須滿足以下技術(shù)要求：

(1)沿線路分布的接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)必須由鐵路分局電力調(diào)度直接進(jìn)行集中監(jiān)控，以便和行車調(diào)度有機(jī)配合。

(2)對(duì)接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)的控制必須與牽引變電所(開(kāi)閉所或分區(qū)亭)饋線斷路器實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖，以防止違反供電規(guī)則的誤操作。即只有將接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)的控制系統(tǒng)作為子系統(tǒng)納入現(xiàn)行牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中，聯(lián)鎖功能才能實(shí)現(xiàn)。需要說(shuō)明，若接觸網(wǎng)上全部配置負(fù)荷隔離開(kāi)關(guān)，則無(wú)此要求。

(3)接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)作為控制目標(biāo)，呈帶狀分布。不但點(diǎn)多，而且分散，通訊網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)系統(tǒng)控制方式

接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)的設(shè)置因單、復(fù)線而異，車站的等級(jí)和作用不同，網(wǎng)上開(kāi)關(guān)的配置亦不相同。對(duì)一般站場(chǎng)來(lái)說(shuō)，單線每側(cè)一臺(tái)，復(fù)線每側(cè)兩臺(tái)，開(kāi)關(guān)安裝位置距車站中心約為1.5~2km，而大型編組場(chǎng)的接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)可多達(dá)20臺(tái)左右，且分布在5~10km的半徑內(nèi)。根據(jù)接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)的設(shè)置特點(diǎn)，對(duì)其控制有三種方式，即集中控制方式、分散控制方式和無(wú)線電控制方式，如圖3所示。

所謂集中控制方式，是將本應(yīng)在車站兩側(cè)的接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)通過(guò)高壓供電線集中在車站附近進(jìn)行控制。分散控制則是在車站處安裝被控終端，而將控制及信號(hào)電纜引至開(kāi)關(guān)處。集中控制和分散控制均屬有線控制。

無(wú)線電控制方式，其實(shí)現(xiàn)方法是在車站處設(shè)置無(wú)線通訊控制器(RCC)，而在每臺(tái)開(kāi)關(guān)支柱的下方安裝無(wú)線遙控執(zhí)行單元(REU)。對(duì)于集中控制方式，其優(yōu)點(diǎn)在于接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)的集中設(shè)置，便于管理和控制。缺點(diǎn)是受高壓供電線路徑和開(kāi)關(guān)場(chǎng)地的限制，在山區(qū)極難實(shí)現(xiàn)。分散控制雖無(wú)需架設(shè)高壓線路，但要把若干控制和信號(hào)電纜從車站分別引至開(kāi)關(guān)處。由于電纜要沿線路并穿越股道敷設(shè)，故施工成本較高，且不易維護(hù)。而無(wú)線遙控方式，則完全克服了有線控制的缺點(diǎn)，既不需架設(shè)高壓線路，又不需建設(shè)低壓控制與信號(hào)電纜，從而大大降低了施工難度和成本，且易實(shí)現(xiàn)。

開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)是由設(shè)在中心控制室的主控制器(MCU)和分布設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字控制單元(DCU)組成。一個(gè)MCU可同時(shí)控制多個(gè)DCU的工作，MCU能發(fā)出控制數(shù)據(jù)，其中含有地址信息，控制命令信息和控制參數(shù)等，DCU收到數(shù)據(jù)信息后，核對(duì)地址，只有當(dāng)收到的地址與自身地址相符時(shí)，才按收到的命令及參數(shù)控制設(shè)備工作。該系統(tǒng)MCU和DCU均以單片機(jī)為中心處理器，該系統(tǒng)采用無(wú)線發(fā)送和接收控制命令，控制距離可達(dá)數(shù)十千米，這很好地解決了DCU距離遠(yuǎn)，布局分散等問(wèn)題，有很高的實(shí)用價(jià)值。另外，發(fā)送控制單元還可作為通信通道適配器與微型計(jì)算機(jī)相連，借助一定的軟件支持，不僅可為操作人員提供友好的界面，還使該系統(tǒng)的控制內(nèi)容，控制規(guī)模及控制處理能力都大為提高。

開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)主控制器(MCU)設(shè)計(jì)

中心控制室的中心控制單元框圖如圖1所示，主控制器由單片機(jī)，輸入鍵盤電路，顯示電路，微型機(jī)接口和發(fā)送驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。其中微型機(jī)作為單片機(jī)的擴(kuò)展，用來(lái)提高該系統(tǒng)的處理能力。

電路采用9位數(shù)碼顯示管來(lái)顯示控制命令，前三位為欲控制的數(shù)控接收單元的地址，第四、五位為繼電器控制位，其后3位為控制開(kāi)或關(guān)的時(shí)間，最后一位是控制命令，該系統(tǒng)有四種命令A(yù)、B、C和D，分別代表:恒開(kāi)、開(kāi)一定時(shí)、恒關(guān)、關(guān)—定時(shí)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路，其觸發(fā)時(shí)間由其外圍的電容和電阻確定，它是用來(lái)控制蜂鳴器、指示燈等，只要由單片機(jī)在觸發(fā)端發(fā)一個(gè)負(fù)脈沖，則在輸出端就能輸出一個(gè)一定延時(shí)的脈沖。微機(jī)接口通過(guò)數(shù)據(jù)分離器來(lái)控制數(shù)據(jù)傳送的方向，利用電平轉(zhuǎn)換芯片，保證單片機(jī)與微機(jī)的通信。當(dāng)啟動(dòng)發(fā)送程序后，串行數(shù)據(jù)送到電臺(tái)，并觸發(fā)控制電臺(tái)開(kāi)關(guān)，數(shù)字調(diào)頻電臺(tái)開(kāi)始發(fā)射數(shù)據(jù);當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，電臺(tái)自動(dòng)停止工作。這保證只有在發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)才開(kāi)啟電臺(tái)，節(jié)省了能源。

開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)數(shù)控接收單元(DCU)設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)控接收單元(DCU)原理框圖如圖2所示。以單片機(jī)為中心，包括無(wú)線接收、數(shù)碼顯示、繼電器組、按鍵組和指示燈部分。繼電器由P2口驅(qū)動(dòng)，可根據(jù)需要控制的繼電器數(shù)，加入擴(kuò)展電路。主控制器發(fā)送來(lái)的控制命令經(jīng)解調(diào)器接收后，變成數(shù)字信號(hào)送到數(shù)據(jù)接收單元，一幀控制命令共13個(gè)ASCII字符，一個(gè)起始符“@”，9個(gè)信息符，2個(gè)校驗(yàn)符和一個(gè)終止符(回車符)。只有把所有一幀命令全收到后，校驗(yàn)正確，并且數(shù)據(jù)位前四位與該接收單元的地址相符時(shí)，它才按命令執(zhí)行，否則不執(zhí)行。

對(duì)地址和繼電器工作狀態(tài)的設(shè)置是由兩個(gè)按鍵通過(guò)單片機(jī)的兩個(gè)外部中斷輸入的，每按一下鍵，產(chǎn)生一次中斷。每產(chǎn)生一次INT0中斷，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前設(shè)置位的跳變，三位地址位與兩位繼電器位循環(huán)跳變，同時(shí)指示燈與數(shù)碼顯示管顯示當(dāng)前設(shè)置位的值;每產(chǎn)生一次中斷，當(dāng)前設(shè)置位的值自動(dòng)加1，對(duì)于設(shè)置地址，其值加到10后變?yōu)榧?，?duì)于繼電器位，則每產(chǎn)生一次中斷，其值取反。每次設(shè)置完畢，重新設(shè)置的地址和狀態(tài)存入非易失存儲(chǔ)器。

為增加系統(tǒng)的實(shí)用性，通過(guò)編程，數(shù)據(jù)接收單元增加了受控定時(shí)和滅燈喚醒功能。該系統(tǒng)能接受控制命令，實(shí)現(xiàn)控制繼電器開(kāi)/關(guān)定時(shí)，之后，自動(dòng)變?yōu)橄喾礌顟B(tài)。另外，為了節(jié)能，當(dāng)沒(méi)有按鍵輸入達(dá)2min時(shí)，數(shù)碼顯示管自動(dòng)熄滅，但系統(tǒng)工作狀態(tài)不變，當(dāng)按下任意鍵時(shí)，數(shù)碼顯示管恢復(fù)顯示。

開(kāi)關(guān)控制又稱BANG-BANG控制，由于這種控制方式簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，因此在許多家用電器和照明燈具的控制中被采用。但常規(guī)的開(kāi)關(guān)控制難以滿足進(jìn)一步提高控制精度和節(jié)能的要求。

常規(guī)的開(kāi)關(guān)控制方式在控制周期內(nèi)，其控制量只有二個(gè)狀態(tài)，要么接通，為一個(gè)固定常數(shù)值、要么斷開(kāi)，控制量為零。開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)可以通過(guò)無(wú)線電波等多種信號(hào)，方便地實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制。開(kāi)關(guān)或控制繼電器可以分散地安裝在多處或操作人員不便去的場(chǎng)所。不僅可以節(jié)省人力裝備，而且迅速及時(shí)。

電液比例控制是介于電液開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)和電液伺服控制系統(tǒng)之間的一種控制系統(tǒng)，兼有二者之所長(zhǎng)。它與電液開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)比較具有以下特點(diǎn)：

① 能夠按比例控制壓力和流量，從而對(duì)執(zhí)行元件能夠?qū)崿F(xiàn)力、速度和位移的連續(xù)控制，還能按輸入電信號(hào)的極性改變液流方向。

② 能夠避免力、速度和方向變換時(shí)的沖擊現(xiàn)象。

③ 可以降低能耗，有顯著的節(jié)能效果。

④ 易于與微電子結(jié)合，特別是數(shù)字式比例元件與計(jì)算機(jī) (PLC)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)遙控、自控和自適應(yīng)控制。

接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)關(guān)系到供電段、機(jī)務(wù)段和機(jī)車檢修的一系列問(wèn)題，所以提高系統(tǒng)的可靠性是至關(guān)重要的，一般采用方法有以下幾種 。

1準(zhǔn)用質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高的元器件組裝電路。

2 量用集成度高的芯片或組件，以減少整機(jī)元件數(shù)和焊接點(diǎn)，這樣可以減少發(fā)生故障的幾率。

3屎用質(zhì)量良好的、穩(wěn)定的電源，可以避免因瞬時(shí)電流過(guò)大造成的元器件損壞，甚至導(dǎo)致整個(gè)電路的燒毀。