開關控制系統

開關控制系統可以通過無線電波等多種信號，方便地實現開關狀態控制。開關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所。不僅可以節省人力裝備，而且迅速及時。

基本介紹

• 中文名：開關控制系統
• 外文名：switch control system
• 控制方式：無線電波、有線傳輸等
• 優點：節省人力裝備，迅速及時
• 套用：遠程控制、智慧型家居、接觸網開關
• 套用學科：電氣工程、控制科學、儀器科學等

簡介

開關控制又稱BANG-BANG控制，由於這種控制方式簡單且易於實現，因此在許多家用電器和照明燈具的控制中被採用。但常規的開關控制難以滿足進一步提高控制精度和節能的要求。

常規的開關控制方式在控制周期內，其控制量只有二個狀態，要么接通，為一個固定常數值、要么斷開，控制量為零。開關控制系統可以通過無線電波等多種信號，方便地實現開關狀態控制。開關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所。不僅可以節省人力裝備，而且迅速及時。

遠程開關控制系統

系統設計

遠程開關控制系統是由設在中心控制室的主控制器(MCU)和分布設定在現場的數字控制單元(DCU)組成。一個MCU可同時控制多個DCU的工作，MCU能發出控制數據，其中含有地址信息，控制命令信息和控制參數等，DCU收到數據信息後，核對地址，只有當收到的地址與自身地址相符時，才按收到的命令及參數控制設備工作。該系統MCU和DCU均以單片機為中心處理器，該系統採用無線傳送和接收控制命令，控制距離可達數十千米，這很好地解決了DCU距離遠，布局分散等問題，有很高的實用價值。另外，傳送控制單元還可作為通信通道適配器與微型計算機相連，藉助一定的軟體支持，不僅可為操作人員提供友好的界面，還使該系統的控制內容，控制規模及控制處理能力都大為提高。

主控制器(MCU)設計

中心控制室的中心控制單元框圖如圖所示，主控制器由單片機，輸入鍵盤電路，顯示電路，微型機接口和傳送驅動電路等構成。其中微型機作為單片機的擴展，用來提高該系統的處理能力。

中心控制電路原理框圖

電路採用9位數碼顯示管來顯示控制命令，前三位為欲控制的數控接收單元的地址，第四、五位為繼電器控制位，其後3位為控制開或關的時間，最後一位是控制命令，該系統有四種命令A、B、C和D，分別代表:恆開、開一定時、恆關、關—定時。單穩態觸發器電路，其觸發時間由其外圍的電容和電阻確定，它是用來控制蜂鳴器、指示燈等，只要由單片機在觸發端發一個負脈衝，則在輸出端就能輸出一個一定延時的脈衝。微機接口通過數據分離器來控制數據傳送的方向，利用電平轉換晶片，保證單片機與微機的通信。當啟動傳送程式後，串列數據送到電台，並觸發控制電台開關，數字調頻電台開始發射數據;當數據傳送結束後，電台自動停止工作。這保證只有在發射數據時才開啟電台，節省了能源。

數控接收單元(DCU)設計

現場的數控接收單元(DCU)原理框圖如圖所示。以單片機為中心，包括無線接收、數碼顯示、繼電器組、按鍵組和指示燈部分。繼電器由P2口驅動，可根據需要控制的繼電器數，加入擴展電路。主控制器傳送來的控制命令經解調器接收後，變成數位訊號送到數據接收單元，一幀控制命令共13個ASCII字元，一個起始符“@”，9個信息符，2個校驗符和一個終止符(回車符)。只有把所有一幀命令全收到後，校驗正確，並且數據位前四位與該接收單元的地址相符時，它才按命令執行，否則不執行。

數據接收單元原理框圖

對地址和繼電器工作狀態的設定是由兩個按鍵通過單片機的兩個外部中斷輸入的，每按一下鍵，產生一次中斷。每產生一次INT0中斷，實現當前設定位的跳變，三位地址位與兩位繼電器位循環跳變，同時指示燈與數碼顯示管顯示當前設定位的值;每產生一次中斷，當前設定位的值自動加1，對於設定地址，其值加到10後變為加，對於繼電器位，則每產生一次中斷，其值取反。每次設定完畢，重新設定的地址和狀態存入非易失存儲器。

為增加系統的實用性，通過編程，數據接收單元增加了受控定時和滅燈喚醒功能。該系統能接受控制命令，實現控制繼電器開/關定時，之後，自動變為相反狀態。另外，為了節能，當沒有按鍵輸入達2min時，數碼顯示管自動熄滅，但系統工作狀態不變，當按下任意鍵時，數碼顯示管恢復顯示。

接觸網開關控制系統

研究背景

接觸網開關(隔離開關或負荷隔離開關)系電氣化鐵道牽引供電的重要裝置之一，一般設定在區間和站場接觸網交接的咽喉處、股道之間和線群之間接觸網的聯接處。

對單線電氣化區段而言，接觸網上開關均採用隔離開關。而在有“V停反行”要求的複線電氣化區段，為節省投資，慣用的做法是在站場的一側使用隔離開關，另一側安裝負荷隔離開關(這種開關有負荷開關和隔離開關的雙重功能)。無論是隔離開關還是負荷隔離開關，其作用都是保證接觸網停電檢修和實現接觸網故障隔離。由於接觸網開關安裝位置遠離車站，且通常採用人工操作方式，因此天窗時間也得不到充分利用，故障隔離功能難以實現。

隨著近年來電氣化鐵道承擔運量的日益增加，相應運營部門對牽引供電系統的供電質量和供電水平的要求也愈來愈高，特別是複線區段“V型天窗”和“反向行車”要求的提出，使得接觸網開關遠動化已成為必然趨勢。

技術要求

因接觸網開關的運行與鐵路行車關係極為密切，故其控制系統必須滿足以下技術要求：

(1)沿線路分布的接觸網開關必須由鐵路分局電力調度直接進行集中監控，以便和行車調度有機配合。

(2)對接觸網開關的控制必須與牽引變電所(開閉所或分區亭)饋線斷路器實現聯鎖，以防止違反供電規則的誤操作。即只有將接觸網開關的控制系統作為子系統納入現行牽引供電遠動系統中，聯鎖功能才能實現。需要說明，若接觸網上全部配置負荷隔離開關，則無此要求。

(3)接觸網開關作為控制目標，呈帶狀分布。不但點多，而且分散，通訊網的結構設計應充分考慮整個系統的回響時間。

系統控制方式

接觸網開關的設定因單、複線而異，車站的等級和作用不同，網上開關的配置亦不相同。對一般站場來說，單線每側一台，複線每側兩台，開關安裝位置距車站中心約為1.5~2km，而大型編組場的接觸網開關可多達20台左右，且分布在5~10km的半徑內。根據接觸網開關的設定特點，對其控制有三種方式，即集中控制方式、分散控制方式和無線電控制方式，如圖所示。

接觸網隔離開關的控制方式

所謂集中控制方式，是將本應在車站兩側的接觸網開關通過高壓供電線集中在車站附近進行控制。分散控制則是在車站處安裝被控終端，而將控制及信號電纜引至開關處。集中控制和分散控制均屬有線控制。

無線電控制方式，其實現方法是在車站處設定無線通訊控制器(RCC)，而在每台開關支柱的下方安裝無線遙控執行單元(REU)。對於集中控制方式，其優點在於接觸網開關的集中設定，便於管理和控制。缺點是受高壓供電線路徑和開關場地的限制，在山區極難實現。分散控制雖無需架設高壓線路，但要把若干控制和信號電纜從車站分別引至開關處。由於電纜要沿線路並穿越股道敷設，故施工成本較高，且不易維護。而無線遙控方式，則完全克服了有線控制的缺點，既不需架設高壓線路，又不需建設低壓控制與信號電纜，從而大大降低了施工難度和成本，且易實現。

智慧型開關控制系統

研究背景及意義

智慧型開關是指利用控制板和電子元器件的組合及編程，以實現電路智慧型開關控制的單元。人工開關控制過程中，人要根據誤差及誤差變化趨勢來來選擇不同的開關控制策略，例如在一個控制周期T內，控制量輸出的時間根據需要是可調的。這種以人的知識和經驗為基礎，根據實際誤差變化規律及被控對象（或過程）的慣性，純滯後及擾動等特性，按一定的模式選擇不同控制策略的開關控制稱為智慧型開關控制。

現代家庭中的閥門和開關的控制至關重要，大量媒體報導過由於電源沒有關閉造成的漏電和火災，或者冬天出門時候由於忘記關閉閥門而造成的水管破裂。採用自動開關控制系統後，人們不需要對家中的電氣開關和閥門進行控制，該系統的感測器會自動檢測到家中的人數，從而對家中閥門和開關的開合進行控制。智慧型開關控制系統節省了勞動力，增加了生活的安全性。

智慧型家居控制系統

整個系統根據功能可劃分為智慧型控制中心部分，遙控部分和Zigbee開關部分，其中控制中心和Zigbee開關也可以集成在一起，因此在某些套用上只包含兩套設備。

Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網路技術，它是一種介於無線標記技術和藍牙之間的技術提案，主要用於近距離無線連線。

初始化時控制中心完成Zigbee網路組建、接收設定數據、存儲數據並將接收到的遙控指令傳送到相應的Zigbee開關。遙控器用於無線控制根據Zigbee協定格式將遙控指令信息傳送給控制中心或邦定的Zigbee開關。Zigbee開關作為智慧型開關係統的終端，負責執行相應的控制指令，可以對家庭中各種帶開關量的設備的運行. 如冰櫃、洗衣機、空調、電視機、照明系統等的開啟、關閉、定時等工作狀態的調節。遙控器對智慧型開關控制系統的控制信號頻率相對較低. 因此傳輸速率也可以比較低. 一般數十kb/s即可滿足要求。控制系統傳輸的信息主要是控制信息以及一些物理量的參數。但是信息傳輸的可靠性要求比較高，因為它傳輸的信息是各種設備的控制信息. 錯誤信息不僅可能導致設備的非正常工作. 而且可能導致設備的損壞。而Zigbee技術的低速率、可靠等優點可滿足智慧型家居控制系統的要求。

系統設計

圖所示為一種典型智慧型開關係統的總體結構。

典型智慧型開關係統框圖

其中控制中心網關是智慧型開關係統的核心。由於通信距離的限制，為節約成本，採用星型拓撲結構，通過控制中心將每個Zigbee開關模組連線起來，同時可增設中間協調器將彼此孤立分散的子網或網路互聯. 實現信息的互動和共享. 並將家庭區域網路和外部網連線， 實現內外網路互通和鑒權的設備。系統由如下幾部分組成。

感測器模組

感測器主要功能是要確定人行走的方向，可以用超音波、紅外或者雷射器件來檢測。超音波器件的優點是只需在一邊安裝感測器的發射和接收裝置，在安裝上比較簡潔；缺點是由於人衣服以及體型的變化，會造成嚴重的誤檢測。紅外感測器可以採用漫反射和直射兩種安裝方式，優點是肉眼看不見，不會打擾到人們的視線，缺點是無論用哪種安裝方式，失誤率也很高。雷射感測器可以選擇漫反射和直射兩種安裝方式。

開關器件控制器

開關器件控制器裝有對應主機板無線發射的接收模組，該接收模組有相應的地址。當發出的信號對應接收端的地址後，該接收端的電平輸出端則會根據傳送端輸出的信號驅動繼電器來控制開關器件的開閉。如果控制端出現錯誤，則可以啟動開關器件控制器上面的故障處理開關，啟動以後，開關器件的開閉完全靠手動，不受任何信號的影響。

節能以及故障處理模組

系統的節能模組會檢測門的打開和關閉狀態。當門處於打開狀態時，需要檢測人的進出，感測器和主機板處於完全工作狀態。當每次有數據改變時，單片機就將數據存儲在ROM中，方便掉電存儲。當門開關感測器感應到門處於關閉狀態時，此時不需要檢測人的進出，感測器和主機板可以完全斷電，等到檢測到門開啟的時候，主機板和感測器同時供電，主機板中晶片從上次存儲的ROM 中讀取數據後繼續上次工作狀態運行。

當感測器計數出現錯誤的時候，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式的運行狀態，當按鈕按下時，故障程式啟動，故障程式會根據按下的時間改變人數，直到改變成正常的人數。當出現程式上面不可避免的錯誤時，需要用復位按鈕從程式上復位，程式所有數據清零從頭開始重新計數；當系統的硬體出現不可恢復的故障時，按下硬故障按鈕，系統就可以繞過控制器件手動控制。