一種新型解鎖器及鎖具的研究與應用

薛志成　謝志毅　雷強　巫偉南

摘要：本文設計了一種新型解鎖器及鎖具，可以整合防誤系統(tǒng)和門鎖管理系統(tǒng)。首先，充分分析了變電站現(xiàn)有運維管理情況。在此基礎上，給出了一種“二合一”電腦鑰匙設計方案，包括機械鎖結(jié)構設計、電氣鎖結(jié)構設計以及開鎖器設計等。分析結(jié)果表明：該解鎖器和鎖具具有RFID標識、智能語音提示、黑匣子記錄等功能。

[關鍵詞]鎖具解鎖器變電站

以傳統(tǒng)變電站為例，設備防誤操作管理方式主要有兩種：

（1）利用微機防誤閉鎖系統(tǒng)實現(xiàn)管控，以防止電氣設備誤操作;

（2）利用智能門鎖管理系統(tǒng)實現(xiàn)技術管控，通過開鎖范圍授權的方式避免工作人員擅自擴大工作范圍、誤入帶電房間作業(yè)，以達到.開鎖管理記錄可查、行為可控、效率大幅提高的目的。

對于微機防誤閉鎖系統(tǒng)，就是利用電腦防誤鑰匙對防誤鎖具進行解閉鎖操作。對于智能門鎖管理系統(tǒng)，就是利用電腦鎖控鑰匙對門控鎖具進行解閉鎖操作。兩套系統(tǒng)獨立運行及管理，若要執(zhí)行綜合業(yè)務，往往需要攜帶兩種不同的鑰匙，給維護工作帶來了極大的不便。這種分散的電腦鑰匙管理方式，運行效率低下，無法滿足電網(wǎng)管理集約化和精益化的需求。在分析變電站目前運行管理現(xiàn)狀的基礎上，結(jié)合兩套管理系統(tǒng)的操作流程，提出了一種“合二為一”的電腦鑰匙。所述電腦鑰匙硬件平臺標準化，用戶只需使用同一把電腦鑰匙就可完成防誤、鎖控和檢修等作業(yè)，可有效解決攜帶不便和操作效率不高的問題，從而提高電力生產(chǎn)管理效率。

1鎖具設計

1.1機械鎖

機械鎖采用單孔設計，結(jié)構如圖1所示，圖中1-碼片;2-鎖芯。所設計機械鎖具有防撥功能，鑰匙插入鎖體后才能識別碼片，即使受跌落、振動影響機械鎖也不會自動解鎖。

總體來說，機械鎖配合電腦鑰匙，采用機械掛鎖方式對高壓電氣設備及其附屬裝置進行開、閉鎖。通過掛接方式，閉鎖設備或附件的鎖孔，達到閉鎖目的。電腦鑰匙根據(jù)任務，按步驟，插入機械編碼鎖掛接鎖孔，識別鎖具編碼正確后，開放電腦鑰匙解鎖機構，旋轉(zhuǎn)打開鎖具，解開鎖具的閉鎖，復歸鑰匙機構，拔出電腦鑰匙，取下掛鎖，開放設備操作。開鎖行程應配合電腦鑰匙，確保鎖具打開的同時，鑰匙能正確判斷鎖具已打開。

1.2電氣鎖

電氣鎖結(jié)構如圖2所示，圖中1-鎖體;2-電極;3-防塵蓋;4-鎖芯;5-碼片。電腦鑰匙插入鎖體后再識別碼片，兩側(cè)電極與接線端子直接連接，具有防短接功能。配合電腦鑰匙，實現(xiàn)對應斷路器、開關等的電氣閉鎖和解鎖。

該鎖具通過接線端子（或電極）串入電氣設備控制回路。串入的電氣鎖斷開了電氣設備分、合閘控制回路，以此達到閉鎖目的。電腦鑰匙根據(jù)任務，按步驟，插入電氣編碼鎖，識別鎖具編碼正確后，導通電氣編碼鎖兩級，此時處于解鎖狀態(tài)，可進行設備進行分、合電氣操作。電氣鎖閉鎖原理如圖3所示。

2開鎖器設計

開鎖器采用單極解鎖頭，兩側(cè)凸電極，支持機械鎖、電氣鎖開鎖，且可檢測開鎖動作。“二合一”電腦鑰匙分為主控模塊、電源模塊、顯示模塊、解鎖模塊、讀碼檢測模塊、通訊模塊等幾個部分。硬件總體框架如圖4所示。2.1主控模塊

主控芯片，整個系統(tǒng)的核心，控制各子模塊。采用嵌入式實時系統(tǒng)，具有開發(fā)調(diào)試效率高與實時性強兩大優(yōu)點，開發(fā)過程簡單易用，有效縮減開發(fā)周期，可以同時運行多函數(shù)或任務，運行速度快，占用的MCU資源極少，滿足實時性要并降低了開發(fā)成本。

數(shù)據(jù)存儲采用QSPI訪問存儲技術，QSPI支持四線串行訪問形式，硬件設計簡單，有效減少PCB面積，降低PCB設計復雜度，只需直接將QSPI的六根信號線與存儲器連接，成本更低。

2.2開鎖模塊

控制開鎖機構的開鎖操作。開鎖位置檢測采用干簧管或霍爾傳感器，利用鎖頭旋轉(zhuǎn)來檢測旋轉(zhuǎn)到位。采用單極兩側(cè)凸頭電極設計，通過兩側(cè)電極導通電氣編碼鎖兩級，此時回路處于開鎖狀態(tài)，從而可實現(xiàn)對應斷路器、開關等的開合操作，同時，可通過兩側(cè)電極檢測驗電鎖是否帶電，可方便實現(xiàn)驗電、防誤、鎖控的融合。

2.3電源模塊

控制各模塊的電源，包括充電、供電、LDO、DCDC等。

2.4讀碼檢測模塊

采用RFID專用無線基站芯片讀取鎖具的唯一編碼，兼容多種傳輸協(xié)議，工作頻率100kHz-150kHz，具有睡眠模式，與微控制器的接口簡單，采用調(diào)幅同步解調(diào)技術。

2.5通訊模塊

負責數(shù)據(jù)交互，包括藍牙、USB、紅外、Zigbee、GSM通訊方式。USB、紅外模式均可用于充電與數(shù)據(jù)通訊，藍牙、Zigbee、GSM模式用于數(shù)據(jù)通訊。

2.6顯示模塊

顯示及界面操作的控制。采用TFT液晶屏，具有低壓應用，低驅(qū)動電壓，固體化使用安全性和可靠性提高;平板化又輕薄，節(jié)省了大量原材料和使用空間;低功耗，它的功耗約為CRT顯示器的十分之一，反射式TFT一LCD甚至只有CRT的百分之一左右，節(jié)省了大量的能源，強光下顯示效果較好。

3分析

為驗證所述鎖具和解鎖器的可行性和有效性，文中進行了實驗研究。實驗結(jié)果表明，所設計鎖具和解鎖器具有以下功能：

（1）開鎖機構支持單孔解鎖模式;

（2）采用RFID讀碼技術，能夠?qū)︽i具進行唯一識別認證;

（3）具備智能語音提示功能;

（4）具有黑匣子記錄功能;

（5）每把智能解鎖鑰匙出廠時都具備唯一的ID碼;

（6）具有聲音提示功能，可根據(jù)聲音判斷鑰匙的使用狀態(tài);

（7）具備顯示各種使用狀態(tài)信息;

（8）能正確無誤地接收智能鎖具管理系統(tǒng)下裝的開鎖票，能記憶存儲當前執(zhí)行的開鎖票，具有掉電保存功能。

通過相關重復實驗，所設計鎖具和解鎖器的技術指標滿足：

（1）一次接收操作票項數(shù)：≥1024;

（2）內(nèi)存容量：≥1024KB;

（3）識別編碼鎖個數(shù)：2n（n≥12，n為整數(shù)）;

（4）不充電連續(xù)操作次數(shù)：≥256;

（5）電池連續(xù)工作時間：28h;

（6）壽命：≥50000次;

（7）平均無故障時間（MTBF）：50000h;

（8）防雨、防塵等級達到GB4208-84規(guī)定的IP54等級要求;

（9）抗沖擊強度：≥6g。

4結(jié)束語

為提高傳統(tǒng)變電站運維管理效率，文中以鎖具和解鎖器為研究對象，設計了一種“二合一”電腦鑰匙。該解鎖器整合了防誤系統(tǒng)和門鎖管理系統(tǒng)。用戶僅需一把電腦鑰匙就可完成防誤、鎖控和檢修等作業(yè)，可有效解決攜帶不便和操作效率不高的問題，從而提高電力生產(chǎn)管理效率。分析結(jié)果表明：所設計鎖具和解鎖器功能齊全，技術指標水平較高，能夠滿足變電站管理需求。

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