[科普中国]-开关控制系统

简介

开关控制又称BANG-BANG控制，由于这种控制方式简单且易于实现，因此在许多家用电器和照明灯具的控制中被采用。但常规的开关控制难以满足进一步提高控制精度和节能的要求。

常规的开关控制方式在控制周期内，其控制量只有二个状态，要么接通，为一个固定常数值、要么断开，控制量为零。开关控制系统可以通过无线电波等多种信号，方便地实现开关状态控制。开关或控制继电器可以分散地安装在多处或操作人员不便去的场所。不仅可以节省人力装备，而且迅速及时。1

远程开关控制系统系统设计远程开关控制系统是由设在中心控制室的主控制器(MCU)和分布设置在现场的数字控制单元(DCU)组成。一个MCU可同时控制多个DCU的工作，MCU能发出控制数据，其中含有地址信息，控制命令信息和控制参数等，DCU收到数据信息后，核对地址，只有当收到的地址与自身地址相符时，才按收到的命令及参数控制设备工作。该系统MCU和DCU均以单片机为中心处理器，该系统采用无线发送和接收控制命令，控制距离可达数十千米，这很好地解决了DCU距离远，布局分散等问题，有很高的实用价值。另外，发送控制单元还可作为通信通道适配器与微型计算机相连，借助一定的软件支持，不仅可为操作人员提供友好的界面，还使该系统的控制内容，控制规模及控制处理能力都大为提高。1

主控制器(MCU)设计中心控制室的中心控制单元框图如图所示，主控制器由单片机，输入键盘电路，显示电路，微型机接口和发送驱动电路等构成。其中微型机作为单片机的扩展，用来提高该系统的处理能力。

电路采用9位数码显示管来显示控制命令，前三位为欲控制的数控接收单元的地址，第四、五位为继电器控制位，其后3位为控制开或关的时间，最后一位是控制命令，该系统有四种命令A、B、C和D，分别代表:恒开、开一定时、恒关、关—定时。单稳态触发器电路，其触发时间由其外围的电容和电阻确定，它是用来控制蜂鸣器、指示灯等，只要由单片机在触发端发一个负脉冲，则在输出端就能输出一个一定延时的脉冲。微机接口通过数据分离器来控制数据传送的方向，利用电平转换芯片，保证单片机与微机的通信。当启动发送程序后，串行数据送到电台，并触发控制电台开关，数字调频电台开始发射数据;当数据发送结束后，电台自动停止工作。这保证只有在发射数据时才开启电台，节省了能源。1

数控接收单元(DCU)设计现场的数控接收单元(DCU)原理框图如图所示。以单片机为中心，包括无线接收、数码显示、继电器组、按键组和指示灯部分。继电器由P2口驱动，可根据需要控制的继电器数，加入扩展电路。主控制器发送来的控制命令经解调器接收后，变成数字信号送到数据接收单元，一帧控制命令共13个ASCII字符，一个起始符“@”，9个信息符，2个校验符和一个终止符(回车符)。只有把所有一帧命令全收到后，校验正确，并且数据位前四位与该接收单元的地址相符时，它才按命令执行，否则不执行。

对地址和继电器工作状态的设置是由两个按键通过单片机的两个外部中断输入的，每按一下键，产生一次中断。每产生一次INT0中断，实现当前设置位的跳变，三位地址位与两位继电器位循环跳变，同时指示灯与数码显示管显示当前设置位的值;每产生一次中断，当前设置位的值自动加1，对于设置地址，其值加到10后变为加，对于继电器位，则每产生一次中断，其值取反。每次设置完毕，重新设置的地址和状态存入非易失存储器。

为增加系统的实用性，通过编程，数据接收单元增加了受控定时和灭灯唤醒功能。该系统能接受控制命令，实现控制继电器开/关定时，之后，自动变为相反状态。另外，为了节能，当没有按键输入达2min时，数码显示管自动熄灭，但系统工作状态不变，当按下任意键时，数码显示管恢复显示。1

接触网开关控制系统研究背景接触网开关(隔离开关或负荷隔离开关)系电气化铁道牵引供电的重要装置之一，一般设置在区间和站场接触网交接的咽喉处、股道之间和线群之间接触网的联接处。

对单线电气化区段而言，接触网上开关均采用隔离开关。而在有“V停反行”要求的复线电气化区段，为节省投资，惯用的做法是在站场的一侧使用隔离开关，另一侧安装负荷隔离开关(这种开关有负荷开关和隔离开关的双重功能)。无论是隔离开关还是负荷隔离开关，其作用都是保证接触网停电检修和实现接触网故障隔离。由于接触网开关安装位置远离车站，且通常采用人工操作方式，因此天窗时间也得不到充分利用，故障隔离功能难以实现。

随着近年来电气化铁道承担运量的日益增加，相应运营部门对牵引供电系统的供电质量和供电水平的要求也愈来愈高，特别是复线区段“V型天窗”和“反向行车”要求的提出，使得接触网开关远动化已成为必然趋势。2

技术要求因接触网开关的运行与铁路行车关系极为密切，故其控制系统必须满足以下技术要求：

(1)沿线路分布的接触网开关必须由铁路分局电力调度直接进行集中监控，以便和行车调度有机配合。

(2)对接触网开关的控制必须与牵引变电所(开闭所或分区亭)馈线断路器实现联锁，以防止违反供电规则的误操作。即只有将接触网开关的控制系统作为子系统纳入现行牵引供电远动系统中，联锁功能才能实现。需要说明，若接触网上全部配置负荷隔离开关，则无此要求。

(3)接触网开关作为控制目标，呈带状分布。不但点多，而且分散，通讯网的结构设计应充分考虑整个系统的响应时间。2

系统控制方式接触网开关的设置因单、复线而异，车站的等级和作用不同，网上开关的配置亦不相同。对一般站场来说，单线每侧一台，复线每侧两台，开关安装位置距车站中心约为1.5~2km，而大型编组场的接触网开关可多达20台左右，且分布在5~10km的半径内。根据接触网开关的设置特点，对其控制有三种方式，即集中控制方式、分散控制方式和无线电控制方式，如图所示。

所谓集中控制方式，是将本应在车站两侧的接触网开关通过高压供电线集中在车站附近进行控制。分散控制则是在车站处安装被控终端，而将控制及信号电缆引至开关处。集中控制和分散控制均属有线控制。

无线电控制方式，其实现方法是在车站处设置无线通讯控制器(RCC)，而在每台开关支柱的下方安装无线遥控执行单元(REU)。对于集中控制方式，其优点在于接触网开关的集中设置，便于管理和控制。缺点是受高压供电线路径和开关场地的限制，在山区极难实现。分散控制虽无需架设高压线路，但要把若干控制和信号电缆从车站分别引至开关处。由于电缆要沿线路并穿越股道敷设，故施工成本较高，且不易维护。而无线遥控方式，则完全克服了有线控制的缺点，既不需架设高压线路，又不需建设低压控制与信号电缆，从而大大降低了施工难度和成本，且易实现。2

智能开关控制系统研究背景及意义智能开关是指利用控制板和电子元器件的组合及编程，以实现电路智能开关控制的单元。人工开关控制过程中，人要根据误差及误差变化趋势来来选择不同的开关控制策略，例如在一个控制周期T内，控制量输出的时间根据需要是可调的。这种以人的知识和经验为基础，根据实际误差变化规律及被控对象（或过程）的惯性，纯滞后及扰动等特性，按一定的模式选择不同控制策略的开关控制称为智能开关控制。

现代家庭中的阀门和开关的控制至关重要，大量媒体报道过由于电源没有关闭造成的漏电和火灾，或者冬天出门时候由于忘记关闭阀门而造成的水管破裂。采用自动开关控制系统后，人们不需要对家中的电气开关和阀门进行控制，该系统的传感器会自动检测到家中的人数，从而对家中阀门和开关的开合进行控制。智能开关控制系统节省了劳动力，增加了生活的安全性。3

智能家居控制系统整个系统根据功能可划分为智能控制中心部分，遥控部分和Zigbee开关部分，其中控制中心和Zigbee开关也可以集成在一起，因此在某些应用上只包含两套设备。

Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要用于近距离无线连接。

初始化时控制中心完成Zigbee网路组建、接收设定数据、存储数据并将接收到的遥控指令发送到相应的Zigbee开关。遥控器用于无线控制根据Zigbee协议格式将遥控指令信息发送给控制中心或邦定的Zigbee开关。Zigbee开关作为智能开关系统的终端，负责执行相应的控制指令，可以对家庭中各种带开关量的设备的运行. 如冰箱、洗衣机、空调、电视机、照明系统等的开启、关闭、定时等工作状态的调节。遥控器对智能开关控制系统的控制信号频率相对较低. 因此传输速率也可以比较低. 一般数十kb/s即可满足要求。控制系统传输的信息主要是控制信息以及一些物理量的参数。但是信息传输的可靠性要求比较高，因为它传输的信息是各种设备的控制信息. 错误信息不仅可能导致设备的非正常工作. 而且可能导致设备的损坏。而Zigbee技术的低速率、可靠等优点可满足智能家居控制系统的要求。4

系统设计图所示为一种典型智能开关系统的总体结构。

其中控制中心网关是智能开关系统的核心。由于通信距离的限制，为节约成本，采用星型拓扑结构，通过控制中心将每个Zigbee开关模块连接起来，同时可增设中间协调器将彼此孤立分散的子网或网络互联. 实现信息的交互和共享. 并将家庭内网和外部网连接， 实现内外网络互通和鉴权的设备。系统由如下几部分组成。4

传感器模块传感器主要功能是要确定人行走的方向，可以用超声波、红外或者激光器件来检测。超声波器件的优点是只需在一边安装传感器的发射和接收装置，在安装上比较简洁；缺点是由于人衣服以及体型的变化，会造成严重的误检测。红外传感器可以采用漫反射和直射两种安装方式，优点是肉眼看不见，不会打扰到人们的视线，缺点是无论用哪种安装方式，失误率也很高。激光传感器可以选择漫反射和直射两种安装方式。3

开关器件控制器开关器件控制器装有对应主板无线发射的接收模块，该接收模块有相应的地址。当发出的信号对应接收端的地址后，该接收端的电平输出端则会根据发送端输出的信号驱动继电器来控制开关器件的开闭。如果控制端出现错误，则可以启动开关器件控制器上面的故障处理开关，启动以后，开关器件的开闭完全靠手动，不受任何信号的影响。

节能以及故障处理模块系统的节能模块会检测门的打开和关闭状态。当门处于打开状态时，需要检测人的进出，传感器和主板处于完全工作状态。当每次有数据改变时，单片机就将数据存储在ROM中，方便掉电存储。当门开关传感器感应到门处于关闭状态时，此时不需要检测人的进出，传感器和主板可以完全断电，等到检测到门开启的时候，主板和传感器同时供电，主板中芯片从上次存储的ROM 中读取数据后继续上次工作状态运行。

当传感器计数出现错误的时候，有两种故障处理方式，一种是软处理，另外一种是硬处理。软处理不需要影响到程序的运行状态，当按钮按下时，故障程序启动，故障程序会根据按下的时间改变人数，直到改变成正常的人数。当出现程序上面不可避免的错误时，需要用复位按钮从程序上复位，程序所有数据清零从头开始重新计数；当系统的硬件出现不可恢复的故障时，按下硬故障按钮，系统就可以绕过控制器件手动控制。3