一种新型解锁器及锁具的研究与应用

薛志成　谢志毅　雷强　巫伟南

摘要：本文设计了一种新型解锁器及锁具，可以整合防误系统和门锁管理系统。首先，充分分析了变电站现有运维管理情况。在此基础上，给出了一种“二合一”电脑钥匙设计方案，包括机械锁结构设计、电气锁结构设计以及开锁器设计等。分析结果表明：该解锁器和锁具具有RFID标识、智能语音提示、黑匣子记录等功能。

[关键词]锁具解锁器变电站

以传统变电站为例，设备防误操作管理方式主要有两种：

（1）利用微机防误闭锁系统实现管控，以防止电气设备误操作;

（2）利用智能门锁管理系统实现技术管控，通过开锁范围授权的方式避免工作人员擅自扩大工作范围、误入带电房间作业，以达到.开锁管理记录可查、行为可控、效率大幅提高的目的。

对于微机防误闭锁系统，就是利用电脑防误钥匙对防误锁具进行解闭锁操作。对于智能门锁管理系统，就是利用电脑锁控钥匙对门控锁具进行解闭锁操作。两套系统独立运行及管理，若要执行综合业务，往往需要携带两种不同的钥匙，给维护工作带来了极大的不便。这种分散的电脑钥匙管理方式，运行效率低下，无法满足电网管理集约化和精益化的需求。在分析变电站目前运行管理现状的基础上，结合两套管理系统的操作流程，提出了一种“合二为一”的电脑钥匙。所述电脑钥匙硬件平台标准化，用户只需使用同一把電脑钥匙就可完成防误、锁控和检修等作业，可有效解决携带不便和操作效率不高的问题，从而提高电力生产管理效率。

1锁具设计

1.1机械锁

机械锁采用单孔设计，结构如图1所示，图中1-码片;2-锁芯。所设计机械锁具有防拨功能，钥匙插入锁体后才能识别码片，即使受跌落、振动影响机械锁也不会自动解锁。

总体来说，机械锁配合电脑钥匙，采用机械挂锁方式对高压电气设备及其附属装置进行开、闭锁。通过挂接方式，闭锁设备或附件的锁孔，达到闭锁目的。电脑钥匙根据任务，按步骤，插入机械编码锁挂接锁孔，识别锁具编码正确后，开放电脑钥匙解锁机构，旋转打开锁具，解开锁具的闭锁，复归钥匙机构，拔出电脑钥匙，取下挂锁，开放设备操作。开锁行程应配合电脑钥匙，确保锁具打开的同时，钥匙能正确判断锁具已打开。

1.2电气锁

电气锁结构如图2所示，图中1-锁体;2-电极;3-防尘盖;4-锁芯;5-码片。电脑钥匙插入锁体后再识别码片，两侧电极与接线端子直接连接，具有防短接功能。配合电脑钥匙，实现对应断路器、开关等的电气闭锁和解锁。

该锁具通过接线端子（或电极）串入电气设备控制回路。串入的电气锁断开了电气设备分、合闸控制回路，以此达到闭锁目的。电脑钥匙根据任务，按步骤，插入电气编码锁，识别锁具编码正确后，导通电气编码锁两级，此时处于解锁状态，可进行设备进行分、合电气操作。电气锁闭锁原理如图3所示。

2开锁器设计

开锁器采用单极解锁头，两侧凸电极，支持机械锁、电气锁开锁，且可检测开锁动作。“二合一”电脑钥匙分为主控模块、电源模块、显示模块、解锁模块、读码检测模块、通讯模块等几个部分。硬件总体框架如图4所示。2.1主控模块

主控芯片，整个系统的核心，控制各子模块。采用嵌入式实时系统，具有开发调试效率高与实时性强两大优点，开发过程简单易用，有效缩减开发周期，可以同时运行多函数或任务，运行速度快，占用的MCU资源极少，满足实时性要并降低了开发成本。

数据存储采用QSPI访问存储技术，QSPI支持四线串行访问形式，硬件设计简单，有效减少PCB面积，降低PCB设计复杂度，只需直接将QSPI的六根信号线与存储器连接，成本更低。

2.2开锁模块

控制开锁机构的开锁操作。开锁位置检测采用干簧管或霍尔传感器，利用锁头旋转来检测旋转到位。采用单极两侧凸头电极设计，通过两侧电极导通电气编码锁两级，此时回路处于开锁状态，从而可实现对应断路器、开关等的开合操作，同时，可通过两侧电极检测验电锁是否带电，可方便实现验电、防误、锁控的融合。

2.3电源模块

控制各模块的电源，包括充电、供电、LDO、DCDC等。

2.4读码检测模块

采用RFID专用无线基站芯片读取锁具的唯一编码，兼容多种传输协议，工作频率100kHz-150kHz，具有睡眠模式，与微控制器的接口简单，采用调幅同步解调技术。

2.5通讯模块

负责数据交互，包括蓝牙、USB、红外、Zigbee、GSM通讯方式。USB、红外模式均可用于充电与数据通讯，蓝牙、Zigbee、GSM模式用于数据通讯。

2.6显示模块

显示及界面操作的控制。采用TFT液晶屏，具有低压应用，低驱动电压，固体化使用安全性和可靠性提高;平板化又轻薄，节省了大量原材料和使用空间;低功耗，它的功耗约为CRT显示器的十分之一，反射式TFT一LCD甚至只有CRT的百分之一左右，节省了大量的能源，强光下显示效果较好。

3分析

为验证所述锁具和解锁器的可行性和有效性，文中进行了实验研究。实验结果表明，所设计锁具和解锁器具有以下功能：

（1）开锁机构支持单孔解锁模式;

（2）采用RFID读码技术，能够对锁具进行唯一识别认证;

（3）具备智能语音提示功能;

（4）具有黑匣子记录功能;

（5）每把智能解锁钥匙出厂时都具备唯一的ID码;

（6）具有声音提示功能，可根据声音判断钥匙的使用状态;

（7）具备显示各种使用状态信息;

（8）能正确无误地接收智能锁具管理系统下装的开锁票，能记忆存储当前执行的开锁票，具有掉电保存功能。

通过相关重复实验，所设计锁具和解锁器的技术指标满足：

（1）一次接收操作票项数：≥1024;

（2）内存容量：≥1024KB;

（3）识别编码锁个数：2n（n≥12，n为整数）;

（4）不充电连续操作次数：≥256;

（5）电池连续工作时间：28h;

（6）寿命：≥50000次;

（7）平均无故障时间（MTBF）：50000h;

（8）防雨、防尘等级达到GB4208-84规定的IP54等级要求;

（9）抗冲击强度：≥6g。

4結束语

为提高传统变电站运维管理效率，文中以锁具和解锁器为研究对象，设计了一种“二合一”电脑钥匙。该解锁器整合了防误系统和门锁管理系统。用户仅需一把电脑钥匙就可完成防误、锁控和检修等作业，可有效解决携带不便和操作效率不高的问题，从而提高电力生产管理效率。分析结果表明：所设计锁具和解锁器功能齐全，技术指标水平较高，能够满足变电站管理需求。

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