開關控制系統研究背景及意義

智能開關是指利用控制板和電子元器件的組合及編程，以實現電路智能開關控制的單元。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，純滯后及擾動等特性，按一定的模式選擇不同控制策略的開關控制稱為智能開關控制。

現代家庭中的閥門和開關的控制至關重要，大量媒體報道過由于電源沒有關閉造成的漏電和火災，或者冬天出門時候由于忘記關閉閥門而造成的水管破裂。采用自動開關控制系統后，人們不需要對家中的電氣開關和閥門進行控制，該系統的傳感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。智能開關控制系統節省了勞動力，增加了生活的安全性。

開關控制系統智能家居控制系統

整個系統根據功能可劃分為智能控制中心部分，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，因此在某些應用上只包含兩套設備。

Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案，主要用于近距離無線連接。

初始化時控制中心完成Zigbee網路組建、接收設定數據、存儲數據并將接收到的遙控指令發送到相應的Zigbee開關。遙控器用于無線控制根據Zigbee協議格式將遙控指令信息發送給控制中心或邦定的Zigbee開關。Zigbee開關作為智能開關系統的終端，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. 如冰箱、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。遙控器對智能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能家居控制系統的要求。

開關控制系統系統設計

圖4所示為一種典型智能開關系統的總體結構。

其中控制中心網關是智能開關系統的核心。由于通信距離的限制，為節約成本，采用星型拓撲結構，通過控制中心將每個Zigbee開關模塊連接起來，同時可增設中間協調器將彼此孤立分散的子網或網絡互聯. 實現信息的交互和共享. 并將家庭內網和外部網連接， 實現內外網絡互通和鑒權的設備。系統由如下幾部分組成。

開關控制系統傳感器模塊

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檢測。超聲波器件的優點是只需在一邊安裝傳感器的發射和接收裝置，在安裝上比較簡潔；缺點是由于人衣服以及體型的變化，會造成嚴重的誤檢測。紅外傳感器可以采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。激光傳感器可以選擇漫反射和直射兩種安裝方式。

開關控制系統開關器件控制器

開關器件控制器裝有對應主板無線發射的接收模塊，該接收模塊有相應的地址。當發出的信號對應接收端的地址后，該接收端的電平輸出端則會根據發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，啟動以后，開關器件的開閉完全靠手動，不受任何信號的影響。

開關控制系統節能以及故障處理模塊

系統的節能模塊會檢測門的打開和關閉狀態。當門處于打開狀態時，需要檢測人的進出，傳感器和主板處于完全工作狀態。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。當門開關傳感器感應到門處于關閉狀態時，此時不需要檢測人的進出，傳感器和主板可以完全斷電，等到檢測到門開啟的時候，主板和傳感器同時供電，主板中芯片從上次存儲的ROM 中讀取數據后繼續上次工作狀態運行。

當傳感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序的運行狀態，當按鈕按下時，故障程序啟動，故障程序會根據按下的時間改變人數，直到改變成正常的人數。當出現程序上面不可避免的錯誤時，需要用復位按鈕從程序上復位，程序所有數據清零從頭開始重新計數；當系統的硬件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。

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置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，接觸網上開關均采用隔離開關。而在有“V停反行”要求的復線電氣化區段，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。由于接觸網開關安裝位置遠離車站，且通常采用人工操作方式，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，特別是復線區段“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。

開關控制系統技術要求

因接觸網開關的運行與鐵路行車關系極為密切，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響應時間。

開關控制系統系統控制方式

接觸網開關的設置因單、復線而異，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，單線每側一臺，復線每側兩臺，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臺左右，且分布在5~10km的半徑內。根據接觸網開關的設置特點，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3所示。

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置無線通訊控制器(RCC)，而在每臺開關支柱的下方安裝無線遙控執行單元(REU)。對于集中控制方式，其優點在于接觸網開關的集中設置，便于管理和控制。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。由于電纜要沿線路并穿越股道敷設，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。

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)和分布設置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收到數據信息后，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，該系統采用無線發送和接收控制命令，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，發送控制單元還可作為通信通道適配器與微型計算機相連，借助一定的軟件支持，不僅可為操作人員提供友好的界面，還使該系統的控制內容，控制規模及控制處理能力都大為提高。

開關控制系統主控制器(MCU)設計

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，輸入鍵盤電路，顯示電路，微型機接口和發送驅動電路等構成。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。

電路采用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，其后3位為控制開或關的時間，最后一位是控制命令，該系統有四種命令A、B、C和D，分別代表:恒開、開一定時、恒關、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沖，則在輸出端就能輸出一個一定延時的脈沖。微機接口通過數據分離器來控制數據傳送的方向，利用電平轉換芯片，保證單片機與微機的通信。當啟動發送程序后，串行數據送到電臺，并觸發控制電臺開關，數字調頻電臺開始發射數據;當數據發送結束后，電臺自動停止工作。這保證只有在發射數據時才開啟電臺，節省了能源。

開關控制系統數控接收單元(DCU)設計

現場的數控接收單元(DCU)原理框圖如圖2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。主控制器發送來的控制命令經解調器接收后，變成數字信號送到數據接收單元，一幀控制命令共13個ASCII字符，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后，校驗正確，并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。

對地址和繼電器工作狀態的設置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，實現當前設置位的跳變，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置位的值;每產生一次中斷，當前設置位的值自動加1，對于設置地址，其值加到10后變為加，對于繼電器位，則每產生一次中斷，其值取反。每次設置完畢，重新設置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，之后，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。

開關控制又稱BANG-BANG控制，由于這種控制方式簡單且易于實現，因此在許多家用電器和照明燈具的控制中被采用。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。

電液比例控制是介于電液開關控制系統和電液伺服控制系統之間的一種控制系統，兼有二者之所長。它與電液開關控制系統比較具有以下特點：

① 能夠按比例控制壓力和流量，從而對執行元件能夠實現力、速度和位移的連續控制，還能按輸入電信號的極性改變液流方向。

② 能夠避免力、速度和方向變換時的沖擊現象。

③ 可以降低能耗，有顯著的節能效果。

④ 易于與微電子結合，特別是數字式比例元件與計算機 (PLC)結合，可實現遙控、自控和自適應控制。

接觸網隔離開關控制系統關系到供電段、機務段和機車檢修的一系列問題，所以提高系統的可靠性是至關重要的，一般采用方法有以下幾種 。

1準用質量穩定、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，以減少整機元件數和焊接點，這樣可以減少發生故障的幾率。

3屎用質量良好的、穩定的電源，可以避免因瞬時電流過大造成的元器件損壞，甚至導致整個電路的燒毀。