提高直流操作电源系统可靠性的技术措施

提高直流操作电源系统可靠性的技术措施摘要：为保证直流操作电源微机控制系统可靠运行,对电源、输入输出通道、中央控制单元软硬件
  等采取相应措施。
  关键词：可靠性瞬态抑制器滤波器看门狗软件陷阱可编程逻辑器件
  Technical Measures to Realize High－ reliability of MPU Controller for
  the DC Operating Power Supply
  Abstract: The method taken on the power supply, input and output channel, software and hardware of the central controller unit, to ensure the reliable operation of the microcomputer control system for the DC operating power supply
  Keywords: Rreliability TSV Filter Watchdog Software trap ISP
  　　直流操作电源（直流屏）设备是发电厂和变电站的二次电源，用于断路器分合闸及二次回路的仪器仪表、继电保护、控制、应急灯照明等。
  　　随着科技的发展及用户要求的提高，近年来电力操作电源的主电路已逐步由原来的晶闸管相控型发展为高频开关型，而控制部分则由原来的模拟控制方式发展为由微机控制的数字控制方式，微机控制的应用使电力操作电源的运行自动化程度大大提高，并可实现四遥联网功能以满足电站无人值守的需要。但电力系统首要的要求是安全性、可靠性，因此微机控制器的可靠性及抗干扰能力就显得十分重要，笔者近年来一直从事电力操作电源微机控制器及其它微机系统的开发研究工作，现就这一问题作一阐述。
  1微机电源
  　　电源是微机控制系统的能量供给源泉，电源的优劣直接影响着整个系统的稳定性与可靠性，同时电源也是外部干扰引入系统的主要途径，所以对电源处理的好坏是系统可靠运行的前提条件。控制器电源采用宽电压输入的直流进线开关电源，这样可由蓄电池直接供电，保证系统供电的不间断性。为抑制外部各类干扰由电源引入系统采取了如下多项措施。
  　　(1)TVP器件主要用于吸收电源网络中的瞬时浪涌电压，该器件在承受一个高能量的浪涌电压时，其阻抗立即降至很低，允许大电流通过，同时把电压钳位到预定水平，其承受瞬时浪涌电流的峰值可达数百安培，能吸收高达数千瓦的浪涌功率。
  　　(2)EMI滤波器主要用于抑制系统中的高频干扰，对于共模噪声，滤波器在电源线与地线间构成通路，可以把噪声电流引入大地。对于常模噪声，滤波器在线间构成通路，把噪声电流在线间短路，使其不影响电路工作。
  　　(3)铁氧体磁珠滤波器铁氧体对低频电流几乎没有什么阻抗，而对于较高频率的电流会产生较高的衰减作用。高频电流在其中以热量形式散发。
  　　(4)自恢复保险自恢复保险与常规保险的区别在于当线路电流过大时，自恢复保险的阻抗会大大提高，从而实现线路保护功能，而当线路电流正常时，又会恢复正常阻抗值，从而对瞬时干扰造成的线路过流具有很好的保护效果。
  2模拟量通道
  　　(1)现场模拟量输入对于电力操作电源，现场模拟量主要包括：交流进线和充电器的电压、电流，直流母线电压、电流，电池电压，各点温度以及对地绝缘等参数，由于工业现场环境的复杂性，这些信号往往叠加有各种干扰成分，如将这些信号直接引入系统，将对系统带来严重影响，甚至导致系统无法运行，故这些信号在输入系统前均通过隔离变送器，隔离变送器一方面将各种干扰成分隔离于系统之外，另一方面将这些信号调理成A/D转换输入的标准信号。另外为防止变送器对系统电源的影响，变送器均选择为前端无源型变送器。
  　　(2)模拟量输出直接控制充电器的工作参数，一旦出现故障，系统将无法正常运行，为保证其可靠性，采用隔离放大器输出，同时对于D/A转换写入端加有硬件保护措施，保证只有当CPU正常运行时方可对D/A进行改写，当CPU出现故障时不会对输出造成影响，保证装置输出不至于出现混乱。
  3开关量通道
  　　现场开关量输入、输出与模拟量相似，也叠加有各种干扰成分，为消除这些干扰对系统的影响，必须采取隔离措施，开关量输入输出隔离一般采用光电隔离器件就可以取得很好的隔离效果。
  4通讯口
  　　通讯口为装置与上位机联络的通道，是保证信息上传与上位机控制的关键，是实现无人值守的保证。一般工作现场装置与上位机都有一定的距离，为保证信息正确，硬件采用隔离防静电的标准接口（接口硬件协议RS－485/RS－422），通讯软件协议采用目前国内电力系统常用的标准站控协议，具有完备的校验措施及明确的信息格式。
  5中央控制器
  　　中央控制器是整个控制系统的核心，系统的所有功能都通过中央控制器及相关外围电路完成，一旦出现故障整个控制器将无法工作，其可靠性是保证系统可靠性的决定因素，为此采取了如下多项技术措施。
  　　(1)硬件看门狗技术：为防止CPU因外界强干扰的影响，造成程序跑飞导致系统死锁。系统中为CPU专门设计有硬件看门狗电路，当程序正常运行时，看门狗电路进行周期性复位，当出现程序跑飞而软件陷阱未能及时捕捉并处理而造成系统死锁，则看门狗电路无法得到复位信号，看门狗电路会产生CPU硬件复位信号，使系统复位重新起动，恢复运行。
  　　(2)采用PSD、ISP器件：中央系统的基本构成是由CPU、地址锁存器、译码器、程序存储器、数据存储器等构成。常规硬件电路往往由多片TTL电路及EPROM、RAM构成，器件数量较多，增加了系统的故障点。而PSD器件将地址锁存器、译码器、程序存储器、数据存储器集成于一个芯片中，使器件数量成倍减少，增加了系统的可靠性。因直流操作电源控制相应输入输出通道较多，如采用常规TTL或其它常规接口器件（如8155、8255），则使器件数量增多，为此采用了大规模可编程逻辑器件（ISP），可大大降低器件数量，一片ISP（如ISP2064）可包含2000个门电路、64个寄存器。原用4片8D锁存器（74LS373）、4片8位缓冲器完成32路输入、输出功能，现在只用一片ISP2064即可。另外ISP为可编程逻辑器件，也便于线路的修改、调试。
  　　(3)软件陷阱：当CPU因外界强干扰的影响，造成程序跑飞时，在程序区中各地址区域设有软件陷阱，当程序未按正常顺序执行，软件陷阱将错误程序指令捕捉并自动恢复正常运行。
  　　(4)重要数据多地址备份：程序运行出现错误时有可能使数据存储器误写，为防止程序重新起动运行时的错误，对于系统运行至关重要的数据均在数据存储器不同区域有多个数据备份，当程序运行时会自动比较各数据的同一性，如有错误可自动取出正确数据使用。
  　　(5)系统自恢复：对于操作电源控制器而言，其设备运行必须保证其连续性，要求当中央控制器非正常复位（如硬件看门狗动作、人为误操作、软件陷阱重新起动程序等）时，系统重新起动后应保持原有运行状态。针对这一要求在程序起动时通过判断数据存储器内特定的特征码，可判断是正常复位还是非正常复位，如为非正常复位可通过数据备份恢复系统运行，保证工作的连续性。
  　　(6)系统自诊断：对于中央控制器的关键器件，如程序存储器、数据存储器、CPU等，程序运行中均定时对其状态进行检查，可及时发现故障，并作出相应处理。
  　　以上所述各项提高可靠性的措施，已成功运用于我所MC－3型直流操作电源微机控制器中，均已在工业现场长期运行，取得了良好的效果。