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六百丈二級(jí)水電站位于安徽省石臺(tái)縣舒溪河上游的龍井河上,屬于龍井河梯級(jí)開發(fā)項(xiàng)目,也是“十五”期間石臺(tái)縣農(nóng)村水電電氣化建設(shè)的骨干電源工程。該站是利用上游的六百丈一級(jí)水電站發(fā)電尾水,直接引入渠道至龍井河下游集中落差發(fā)電的引水式電站。六百丈一級(jí)站建有年調(diào)節(jié)水庫,來水面積為18.1km2,總庫容660萬m3,興利庫容424萬m3,裝機(jī)容量2×800kW,具有不完全年調(diào)節(jié)性能,擔(dān)任池州地區(qū)電網(wǎng)的調(diào)峰任務(wù)。
六百丈二級(jí)水電站的樞紐工程有:引水渠道、壓力前池、壓力鋼管、廠房及升壓站等。電站設(shè)計(jì)引用流量1.92m3?s,設(shè)計(jì)水頭53.9m,總裝機(jī)容量2×400kW,工程于2002年7月開工建設(shè),2003年5月并網(wǎng)發(fā)電,總工期僅10個(gè)月。
2方案選擇
六百丈二級(jí)水電站工程已于1997年經(jīng)安徽省水利廳以皖水〔1997〕316號(hào)文批復(fù)了初設(shè)報(bào)告,同意興建。但由于工程總投資較大,單位電能投資效益較差等原因,遲遲未能開工建設(shè)。
2001年11月,受石臺(tái)縣水務(wù)局委托,安徽省水電科技咨詢中心水電技術(shù)咨詢部會(huì)同石臺(tái)縣水務(wù)局勘測設(shè)計(jì)室,共同承擔(dān)了該工程施工圖的設(shè)計(jì)咨詢?nèi)蝿?wù)。在本次設(shè)計(jì)的過程中,根據(jù)實(shí)際情況的變化以及從提高電站運(yùn)行效益、降低工程造價(jià)、實(shí)現(xiàn)減員增效等方面的考慮,對原初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了一定的改進(jìn)。
原初步設(shè)計(jì)文件中六百丈二級(jí)水電站是通過2910m渠道引至石臺(tái)縣七都鎮(zhèn)查上橋附近,集中水頭約61.39m,電站總裝機(jī)為2×500kW,設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量341萬kW·h。但通過實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn),該渠道后段占用較大范圍的林場土地,設(shè)計(jì)征地賠償較大,工程實(shí)施有一定的難度。故在本次設(shè)計(jì)中將渠道總長由原先的2910m,縮減至2081m,避開了林場土地,相應(yīng)設(shè)計(jì)水頭減少至53.9m,電站裝機(jī)容量更改為2×400kW,設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量為240萬kW·h。同時(shí)電站電氣部分裝置由高壓改為低壓,工程總投資由原先的718.86萬元降至398.86萬元,其中建筑工程總投資為169.12萬元,機(jī)電設(shè)備及安裝工程投資110.86萬元(其中自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)投資20萬元),金屬結(jié)構(gòu)安裝工程投資38.55萬元,臨時(shí)工程、征地補(bǔ)償費(fèi)及其他費(fèi)用80.33萬元,主要設(shè)計(jì)參數(shù)比較(見表1)。
3渠道泥沙問題的解決
在我省山區(qū)小型水電站的建設(shè)過程中,尤其是低壩引水式電站,泥沙淤積問題非常嚴(yán)重,嚴(yán)重威脅小水電站的運(yùn)行和使用效益。六百丈二級(jí)電站位于我省皖南山區(qū),由于雨量豐富,常常有大量山坡上的泥沙被沖入渠道內(nèi),長期下去會(huì)影響渠道的輸水能力,加快水輪機(jī)組的磨損和銹蝕,不利于電站的運(yùn)行管理。
該工程引水渠道斷面尺寸為2.0m×1.3m,且引水渠道較長,原先僅在壓力前池設(shè)置攔沙坎和沖沙孔,根據(jù)類似經(jīng)驗(yàn),沖沙效果不太理想。后決定在渠道樁號(hào)1+730處設(shè)置沉沙池1座,尺寸為長10.0m,寬4.0m,前后漸變段長為1.5m,深0.7m。同時(shí)在渠道與壓力前池銜接處增設(shè)攔污柵1座,柵條間距較壓力鋼管進(jìn)水口處攔污柵尺寸稍大,主要用于攔截落入渠道的樹枝、石塊、動(dòng)物尸體等。通過運(yùn)行發(fā)現(xiàn)對泥沙有較好的沉淀作用,大大減輕了前池的工作負(fù)擔(dān)。
4區(qū)間來水的利用
六百丈二級(jí)水電站屬于中高水頭的發(fā)電站,因此增加流量對增加電站的發(fā)電量,提高電站的發(fā)電效益有很大幫助。因此在設(shè)計(jì)中,在引水渠道渠首處建小型漿砌石擋水壩1座,壩頂為開敞式溢流,壩高2.5m,長10.1m,工程總投資僅1.02萬元。引用六百丈一級(jí)電站和二級(jí)電站之間的區(qū)間來水約0.1~0.2m3?s,主要補(bǔ)充六百丈二級(jí)電站枯水季節(jié)的發(fā)電來水,有效提高了電站的發(fā)電效益和運(yùn)行穩(wěn)定性。
5自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置
六百丈二級(jí)水電站廠房為地面式,廠房內(nèi)安裝2臺(tái)HLD46-WJ-50型水輪機(jī)和2臺(tái)SFW400-6?850型發(fā)電機(jī)。電站建成后通過35kV線路T接于六百丈一級(jí)電站至池州地區(qū)6510變電所的35kV輸電線路上。
關(guān)鍵詞:輸電線路;路徑;桿塔
隨著國民經(jīng)濟(jì)快速增長,各地電網(wǎng)建設(shè)迅猛發(fā)展,從過去的“幾年建一條線路”到現(xiàn)在的“一年建幾條線路”實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展,供電可靠性進(jìn)一步提高,電網(wǎng)輸送能力大大增強(qiáng),但輸電線路建設(shè)的內(nèi)部環(huán)境和外部空間卻越來越小。各地進(jìn)行土地開發(fā)線路路徑選擇困難,施工占地的民事工作難以協(xié)調(diào),線路改造停電時(shí)間短,工程建設(shè)資金短缺等是電網(wǎng)建設(shè)中遇到的新問題。如何應(yīng)對新形勢,最大限度地滿足電網(wǎng)建設(shè)需要已成為技術(shù)部門不斷研究的課題。本文從設(shè)計(jì)角度圍繞方便施工、降低造價(jià)、利于運(yùn)行等方面,對輸電線路設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題進(jìn)行了探討。
1設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題
1.1路徑選擇
路徑選擇和勘測是整個(gè)線路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵,方案的合理性對線路的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)指標(biāo)和施工、運(yùn)行條件起著重要作用。為了做到既合理的縮短路徑長度、降低線路投資又保證線路安全可靠、運(yùn)行方便,一條線路有時(shí)需要徒步往返3~5趟才能確定出最佳方案,所以線路勘測工作是對設(shè)計(jì)人員業(yè)務(wù)水平、耐心和責(zé)任心的綜合考驗(yàn)。
在工程選線階段,設(shè)計(jì)人員要根據(jù)每項(xiàng)工程的實(shí)際情況,對線路沿線地上、地下、在建、擬建的工程設(shè)施進(jìn)行充分搜資和調(diào)研,進(jìn)行多路徑方案比選,盡可能選擇長度短、轉(zhuǎn)角少、交叉跨越少,地形條件較好的方案。綜合考慮清賠費(fèi)用和民事工作,盡可能避開樹木、房屋和經(jīng)濟(jì)作物種植區(qū)。
在勘測工作中做到兼顧桿位的經(jīng)濟(jì)合理性和關(guān)鍵桿位設(shè)立的可能性(如轉(zhuǎn)角點(diǎn)、交跨點(diǎn)和必須設(shè)立桿塔的特殊地點(diǎn)等),個(gè)別特殊地段更要反復(fù)測量比較,使桿塔位置盡量避開交通困難地區(qū),為組立桿塔和緊線創(chuàng)造較好的施工條件。
1.2桿塔選型
不同的桿塔型式在造價(jià)、占地、施工、運(yùn)輸和運(yùn)行安全等方面均不相同,桿塔工程的費(fèi)用約占整個(gè)工程的30%~40%,合理選擇桿塔型式是關(guān)鍵。
對于新建工程若投資允許一般只選用1~2種直線水泥桿,跨越、耐張和轉(zhuǎn)角盡量選用角鋼塔,材料準(zhǔn)備簡單明了、施工作業(yè)方便且提高了線路的安全水平。對于同塔多回且沿規(guī)劃路建設(shè)的線路,桿塔一般采用占地少的鋼管塔,但大的轉(zhuǎn)角塔若采用鋼管塔由于結(jié)構(gòu)上的原因極易造成桿頂撓度變形,基礎(chǔ)施工費(fèi)用也會(huì)比角鋼塔增加一倍,直線塔采用鋼管塔,轉(zhuǎn)角塔采用角鋼塔的方案比較合理,能夠滿足環(huán)境、投資和安全要求。
針對多條老線路運(yùn)行十幾年后出現(xiàn)對地距離不夠造成隱患的情況,在新建線路設(shè)計(jì)中適當(dāng)選用較高的桿塔并縮小水平檔距可提高導(dǎo)線對地距離。在線路加高工程中設(shè)計(jì)采用占地小、安裝方便的酒杯型(Y型)鋼管塔,施工工期可由傳統(tǒng)桿塔的3~5天縮短為1天,能夠減少施工停電時(shí)間。
1.3基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
桿塔基礎(chǔ)作為輸電線路結(jié)構(gòu)的重要組成部分,它的造價(jià)、工期和勞動(dòng)消耗量在整個(gè)線路工程中占很大比重。其施工工期約占整個(gè)工期一半時(shí)間,運(yùn)輸量約占整個(gè)工程的60%,費(fèi)用約占整個(gè)工程的20%~35%,基礎(chǔ)選型、設(shè)計(jì)及施工的優(yōu)劣直接影響著線路工程的建設(shè)。
濱州市位于山東省北部,屬于黃河沖積平原,土質(zhì)大部分為粉質(zhì)粘土,而且地下水位高,一般為±0.0~1.0m,地基承載力又低,一般為70~90kN/m2。通俗講基礎(chǔ)越深受力越好、體積越小,但由于受地下水的影響,基礎(chǔ)深埋后泥水、流砂現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率就會(huì)加大,給施工帶來極大困難,既影響工期又增加投資。
由于地質(zhì)的特殊性和埋深的局限性,當(dāng)前的基礎(chǔ)型式只有采取淺埋式,通過適當(dāng)加大基礎(chǔ)地板尺寸,增加基礎(chǔ)自重來滿足上拔穩(wěn)定才是比較安全經(jīng)濟(jì)的。直線塔埋深控制在2m左右,承力塔埋深控制在3~4m左右可減少地下水對施工的影響。
根據(jù)工程實(shí)際地質(zhì)情況每基塔的受力情況逐地段逐基進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)比較重要,特別對于影響造價(jià)較大的承力塔,由四腿等大細(xì)化為兩拉兩壓或三拉一壓才是經(jīng)濟(jì)合理的。
2結(jié)束語
縱觀近年來的輸電建設(shè)工程,每項(xiàng)工程都有各自特點(diǎn),設(shè)計(jì)中脫離工程實(shí)際,一味生搬硬套是無法保證設(shè)計(jì)質(zhì)量與滿足電網(wǎng)發(fā)展需要的。只有結(jié)合實(shí)際,因地制宜,通過優(yōu)化方案,科技攻關(guān),不斷探索與創(chuàng)新,才能滿足建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)的要求,才能開創(chuàng)工程設(shè)計(jì)“技術(shù)先進(jìn)、安全合理”的全新局面。
參考文獻(xiàn)
[1]110~500kV架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定.國家經(jīng)貿(mào)委,1999,10.
關(guān)鍵詞:小水電站;設(shè)計(jì);經(jīng)驗(yàn)
1水輪機(jī)的選擇
水輪機(jī)是水電站一個(gè)十分重要的設(shè)備,水流的動(dòng)能和勢能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能就是通過水輪機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。水輪機(jī)選擇合理與否,直接影響到機(jī)組的效率和運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性。
1.1機(jī)組臺(tái)數(shù)的選擇
農(nóng)村小水電站機(jī)組臺(tái)數(shù)與電站的投資、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、發(fā)電效益以及運(yùn)行人員的組織管理等有著密切的關(guān)系。通過多年設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明:農(nóng)村小水電站機(jī)組臺(tái)數(shù)一般為1~4臺(tái),且型號(hào)應(yīng)盡量相同,以利于零部件通用和維修管理方便,其中每座電站2臺(tái)機(jī)組居多。
1.2水輪機(jī)型號(hào)的選擇
水輪機(jī)型號(hào)的選擇合理與否,直接影響到水輪機(jī)的運(yùn)行效率、汽蝕和振動(dòng)等。選擇型號(hào)時(shí),既要考慮水輪機(jī)生產(chǎn)廠家的技術(shù)水平和運(yùn)輸?shù)姆奖愠潭?,又要確保水輪機(jī)常處于較優(yōu)的運(yùn)行工況,即盡量處于水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線圖的高效區(qū)。尤其是機(jī)組運(yùn)行時(shí),水頭的變化不要超過水輪機(jī)性能表的水頭范圍,否則會(huì)加劇水輪機(jī)汽蝕和振動(dòng),降低水輪機(jī)效率。
1.3機(jī)組安裝高程的確定
水輪機(jī)的安裝高程不能超過水輪機(jī)允許的最大吸出高度,否則會(huì)引起水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的汽蝕、振動(dòng)等不良現(xiàn)象,因而縮短機(jī)組的運(yùn)行壽命。
(1)臥式機(jī)組:安=Z下+hs-/900-D/2
(2)立式機(jī)組:安=Z下+hs-/900
式中Z下——尾水渠最低水位(m);
hs——水輪機(jī)理論吸出高度(m),查水輪機(jī)應(yīng)用
范圍圖及hs=f(H)曲線;
D——水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑(m);
——水電站廠房所在地的海拔高程(m)。
為了消除或減輕水輪機(jī)汽蝕,可將計(jì)算出的安降低0.2~0.3m確定安裝高程。
2電氣主接線的擬定
小水電站的電氣主接線是運(yùn)行人員進(jìn)行各種操作和事故處理的重要依據(jù)之一。農(nóng)村小水電站裝機(jī)容量往往有限,一般裝機(jī)臺(tái)數(shù)不超過4臺(tái),相應(yīng)電站的電壓等級(jí)和回路數(shù)以及主變的臺(tái)數(shù)都應(yīng)較少??紤]到小水電站(尤其是單機(jī)100kW以下的微型電站)的機(jī)電設(shè)備供應(yīng)比較困難,運(yùn)行和管理人員的文化、業(yè)務(wù)素質(zhì)普遍較差,從進(jìn)站到熟練掌握操作、檢修、處理故障及優(yōu)化運(yùn)行等也有一個(gè)過程。因此,農(nóng)村小水電站的電氣主接線在滿足基本要求的前提下,應(yīng)力求采用簡單、清晰而又符合實(shí)際需要的接線形式。
對于1臺(tái)機(jī)組,宜采用發(fā)電機(jī)—變壓器組單元接線;對于2~3臺(tái)機(jī)組,宜采用單母線不分段接線,共用1臺(tái)主變;對于4臺(tái)機(jī)組,宜采用2臺(tái)主變用隔離開關(guān)進(jìn)行單母線分段,以提高運(yùn)行的靈活性。
3電氣測量及同期裝置
并入電網(wǎng)運(yùn)行的小水電站電氣測量應(yīng)包括:三相交流電流、三相交流電壓(使用換相斷路器和1只電壓表測量三相電壓)、有功功率、功率因數(shù)、頻率、有功電能、無功電能、勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電壓等的監(jiān)視和測量。發(fā)電機(jī)的測量、監(jiān)視表計(jì)、斷路器、互感器及保護(hù)裝置等裝在控制屏上(發(fā)電機(jī)控制屏);電網(wǎng)的表計(jì)、斷路器、同期裝置等裝在同期屏上(總屏)。
保護(hù)裝置
農(nóng)村小水電站主保護(hù)裝置的配置應(yīng)在滿足繼電保護(hù)基本要求的前提下,力求簡單可行、維護(hù)檢修方便、造價(jià)低及運(yùn)行人員容易掌握等。
4.1過電流保護(hù)
單機(jī)750kW以下的機(jī)組,可以采用自動(dòng)空氣斷路器的過電流脫扣器作為過流及短路保護(hù),其動(dòng)作整定值可以通過調(diào)整銜鐵彈簧拉力來整定,整定值一般為發(fā)電機(jī)額定電流的1.35~1.7倍。為了提高保護(hù)的可靠性,還可采用過流繼電器配合空氣斷路器欠壓脫扣器作過流及短路保護(hù),繼電器線圈電源取自發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的1組(3只)電流互感器,繼電器動(dòng)作值亦按發(fā)電機(jī)額定電流的1.35~1.7倍整定。
原理:當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)短路故障時(shí),通過過流繼電器線圈的電流超過其動(dòng)作值,過流繼電器常閉接點(diǎn)斷開,空氣斷路器失壓線圈失電而釋放,跳開空氣斷路器主觸頭,切除故障元件——發(fā)電機(jī)。
4.2欠壓保護(hù)
當(dāng)電網(wǎng)停電時(shí),由于線路上的用電負(fù)荷大于發(fā)電機(jī)容量,此時(shí)電壓大幅度降低,空氣斷路器欠壓線圈欠壓而釋放,跳開空氣斷路器,以防電網(wǎng)來電造成非同期并列。
4.3水阻保護(hù)
當(dāng)發(fā)電機(jī)因某種原因(如短路、長期過載、電網(wǎng)停電等)突然甩負(fù)荷后,機(jī)組轉(zhuǎn)速會(huì)迅速升高,這種現(xiàn)象叫飛逸。如果不及時(shí)關(guān)閉調(diào)速器和勵(lì)磁,可能造成事故。一般未采用電動(dòng)調(diào)速的農(nóng)村小水電站可利用三相水阻器作為該保護(hù)的負(fù)荷。
水阻器容量按被保護(hù)機(jī)組額定功率的70%~80%左右考慮。如果水阻容量過大,機(jī)組甩負(fù)荷瞬間,將對機(jī)組產(chǎn)生較大的沖擊電流和制動(dòng)力,影響機(jī)組的穩(wěn)定,嚴(yán)重時(shí)可能造成機(jī)組基礎(chǔ)松動(dòng)。反之,如果水阻容量過小,達(dá)不到抑制機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速的目的。水阻器采用角鋼或鋼板制成三相星型、三角型均可。
對于單機(jī)125kW及以下的電站,水阻池內(nèi)空,以長為機(jī)組臺(tái)數(shù)×(0.7~1)m,寬為(0.7~1)m,深為0.6~0.8m為宜,同時(shí)考慮機(jī)組容量大小,應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)(如3~5min)不致于將池中的水煮沸。
在調(diào)試水阻負(fù)荷大小時(shí),應(yīng)在水中逐漸施加水阻劑,調(diào)試水阻負(fù)荷,直到達(dá)到要求為止。
4.4變壓器過載、短路保護(hù)
變壓器高壓側(cè)采用跌落式熔斷器(或SN10-10型少油斷路器)作過載、短路保護(hù)。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,額定電壓為6~10kV的跌落式熔斷器只能用在560kVA及以下的變壓器,額定電壓為10kV的跌落式熔斷器只能用在750kVA及以下的變壓器。當(dāng)變壓器容量超過750kVA時(shí),應(yīng)采用油斷路器。跌落式熔斷器熔絲按下列公式選擇:
當(dāng)Se<100kVA時(shí),熔絲額定電流=(2~2.5)×高壓側(cè)額定電流;當(dāng)Se≥100kVA時(shí),熔絲額定電流=(1.5~2)×高壓側(cè)額定電流。
4.5變壓器的防雷保護(hù)
3D智能家庭控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
1系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)
該系統(tǒng)以實(shí)際別墅為載體,并且別墅內(nèi)部安裝定制的智能控制家電,如電冰箱,空調(diào),電視和燈具等。因此實(shí)現(xiàn)過程中筆者使用3Dmax對實(shí)際別墅及內(nèi)部裝修物品進(jìn)行建模,使用戶可以在構(gòu)建的虛擬場景中自由漫游,并且在漫游過程中,用戶可以對看到的智能家電實(shí)施控制,如控制電器的開關(guān),空調(diào)溫度的調(diào)整,電視的選臺(tái)等功能。使用戶通過此系統(tǒng)就能在一個(gè)位置控制整個(gè)別墅家電的狀態(tài),方便用戶的生活。另外為使用戶能更直觀地了解整個(gè)別墅的布局情況,用戶可從別墅外面觀看別墅的剖面圖,達(dá)到用戶不走進(jìn)別墅內(nèi)部,從外邊就可以看到別墅各個(gè)房間的裝飾風(fēng)格以及家電的位置。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程
系統(tǒng)采用3Dmax建模軟件構(gòu)建別墅模型,利用VS2010作為開發(fā)環(huán)境,基于DXUT框架完成了以上的系統(tǒng)目標(biāo),用戶可以通過鼠標(biāo)、鍵盤或觸摸屏與系統(tǒng)進(jìn)行交互[3]。系統(tǒng)的開發(fā)步驟如圖1所示。
漫游實(shí)現(xiàn)
1自由漫游
三維場景中的自由漫游,用戶通過鼠標(biāo),鍵盤,觸摸屏或其他的外接設(shè)備,可隨心所欲地在虛擬場景中查看各個(gè)角落的畫面?;驹?攝像機(jī)是漫游中一個(gè)重要概念,它像是人的眼睛,攝像機(jī)照到的地方就是用戶可以看到的地方。因此,在實(shí)現(xiàn)過程中將一些按鍵與功能相對應(yīng),當(dāng)用戶按到相應(yīng)的鍵時(shí),渲染模塊根據(jù)按鍵信息,調(diào)用相應(yīng)的功能函數(shù),功能函數(shù)完成相應(yīng)的攝像機(jī)參數(shù)和其他位置信息的設(shè)置,調(diào)用一些幾何變化,渲染模塊根據(jù)新的參數(shù)信息,重新渲染視角內(nèi)的模型,完成功能操作[4]。漫游的基本功能有:前后、左右移動(dòng)以及左右視角的旋轉(zhuǎn)。
2碰撞檢測
用戶在漫游過程中不能出現(xiàn)穿越墻壁的情況,為達(dá)到這種真實(shí)性,需要時(shí)刻對場景中的對象進(jìn)行碰撞檢測。而碰撞檢測就是檢測場景中不同對象是否發(fā)生了碰撞。從幾何上講,碰撞檢測表現(xiàn)為兩個(gè)多面體的求交測試問題。常用的碰撞檢測算法有軸向包圍盒檢測算法,方向包圍和檢測算法,離散方向多面體檢測算法,時(shí)空包圍盒檢測算法等[5]。各算法有其自己的特點(diǎn),根據(jù)人們的實(shí)際應(yīng)用,由于家電都是形狀比較規(guī)則的模型,基于包圍盒的檢測算法能快速準(zhǔn)確地計(jì)算出攝像機(jī)與其附近的模型的相交性。因此,筆者采用軸向包圍盒檢測算法,通過設(shè)置一個(gè)軸向長方體將攝像機(jī)包裹起來,檢測此長方體與模型是否相交[6]。項(xiàng)目中使用的碰撞檢測算法如圖2所示。
關(guān)鍵詞:CompactPCI熱插拔總線
在一般的應(yīng)用電子系統(tǒng)中,若出現(xiàn)電路板硬件失效或軟件故障,通常都是先關(guān)閉系統(tǒng)電源再檢修或更換故障設(shè)備,這樣往往需要較長的停機(jī)時(shí)間。在一些可靠性要求非常高的高可靠系統(tǒng)中,不允許停機(jī)檢修和停機(jī)更換故障板或只允許很短的停機(jī)時(shí)間。例如在高可靠通訊、軍事應(yīng)用電子系統(tǒng)中,一旦出現(xiàn)單板故障,要求在整個(gè)系統(tǒng)不停機(jī)的情況下允許帶電拔出故障板及插入備份板,這種系統(tǒng)通常叫做支持熱插拔系統(tǒng)或高可靠系統(tǒng)。熱插拔系統(tǒng)首先需要有一個(gè)支持熱插拔的系統(tǒng)平臺(tái),還需要有支持熱插拔的單板。熱插拔系統(tǒng)都是采用無源背板總線平臺(tái),在眾多的無源背板總線系統(tǒng)中,CompactPCI總線具有完整的支持熱插拔的規(guī)范,CompactPCI總線熱插拔系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛。本文重點(diǎn)介紹CompactPCI熱插拔單板的電氣設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)。
1熱插拔技術(shù)概要
熱插拔即允許帶電拔插工作單板,其最基本的目的是要求帶電拔插單板而不影響系統(tǒng)運(yùn)行,以便維修故障板或重新配置系統(tǒng);熱插拔技術(shù)可以提供有計(jì)劃地訪問熱插拔設(shè)備,允許在不停機(jī)或很少需要操作人員參與的情況下,實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)和系統(tǒng)重新配置;熱插拔技術(shù)可以提供高可靠應(yīng)用,當(dāng)單板出現(xiàn)故障時(shí),系統(tǒng)在不間斷運(yùn)行的情況下自動(dòng)隔離故障板。熱插拔系統(tǒng)的級(jí)別由低到高分為三種:基本熱插拔系統(tǒng),它具有基本熱插拔要求的性能;完全熱插拔系統(tǒng),它可以對熱插拔單板進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置;高可靠系統(tǒng),它利用高可靠平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對硬件的更高級(jí)別的控制。
插拔有三個(gè)過程:物理連接過程,包括熱插入(在系統(tǒng)運(yùn)行中插入單板)和熱拔出(在系統(tǒng)運(yùn)行中拔出單板);硬件連接過程中,即系統(tǒng)在硬件層上的連接與斷開;軟件連接過程,即系統(tǒng)在軟件層上的連接與斷開。這些過程可以用一組狀態(tài)進(jìn)一步描述,這些狀態(tài)雖屬于系統(tǒng)的不同連接層但彼此關(guān)聯(lián),如圖1所示。例如,當(dāng)物理連接層不存在時(shí),硬件連接層就不能產(chǎn)生電氣連接;當(dāng)單板從運(yùn)行中的系統(tǒng)拔出時(shí),軟件連接和硬件連接自動(dòng)斷開。在圖1中:
P0:單板未安裝到系統(tǒng),處于系統(tǒng)隔離狀態(tài)。
P1/H0:單板已經(jīng)插入槽位,所有的針都連接上,但沒有上電,CompactPCI總線沒有激活。在這一點(diǎn),物理層處于P1狀態(tài),硬件層處于H0狀態(tài)。
H1:單板上電初始化后連接到CompactPCI總線。
H1F:單板被命令上電、初始化,但是失敗,或者單板檢測到故障從CompactPCI總線斷開。這塊單板不適合插入從CompactPCI總線。
H2/S0:單板上電,但CompactPCI總線只能訪問配置空間。此時(shí),配置寄存器還沒有配置好。在這一點(diǎn),硬件層處于H2狀態(tài),軟件層處于S0狀態(tài)。
S1:系統(tǒng)已經(jīng)配置好單板。
S2:必需的軟件(驅(qū)動(dòng)器,等)加載完成,單板可作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件使用。但所有的操作都沒有開始。
S2Q:此狀態(tài)同S2,但不允許進(jìn)行新的操作,單板處于靜止?fàn)顟B(tài)。
S3:單板加入系統(tǒng),已經(jīng)正常工作。
S3Q:軟件完成當(dāng)前操作,但不允許啟動(dòng)新的操作,此時(shí)單板處于靜止?fàn)顟B(tài)。
2CompactPCI熱插拔單板的典型結(jié)構(gòu)
CompactPCI單板必須包括一個(gè)CompactPCI總線接口器件,CompactPCI總線與PCI總線的接口邏輯和時(shí)序完全相。PCI總線接口器件常用的有AMCC公司的S5920、S5933,PLX公司的PCI9052等,或者使用FPGA內(nèi)部的PCI邏輯核(core)。當(dāng)然,也可以是接口器件和應(yīng)用邏輯器件合二為一。CompactPCI熱插拔單板的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。J1、J2是標(biāo)準(zhǔn)的2mmHM型接插件,這是CompactPCI熱插拔規(guī)范規(guī)定的,CompactPCI單板就是通過這兩個(gè)接插件連接到CompactPCI系統(tǒng)平臺(tái)的。其中,連接CompactPCI總線的J1接插件的針是長短分級(jí)的(stagedpin),即分為長針、短針、中長針。長針是一些電源針,最短的針是BD_SEL#和IDSEL,其它總線信號(hào)是中長針,而J2都是中長針。
3CompactPCI熱插拔單板的物理連接過程
CompactPCI熱插拔單板的物理連接過程都是相同的,如圖3所示。物理連接過程是從單板插入導(dǎo)軌開始,到最短的針BD_SEL#連接上為止;拔出過程則相反。
物理連接過程是一個(gè)機(jī)械連接過程。在機(jī)械連接的過程中,插入單板,首先進(jìn)行靜電放電,然后進(jìn)行預(yù)充電,等預(yù)充電完成后總線信號(hào)針才能連接,最后是BD_SEL#連接上;拔出過程則相反。
靜電放電條是為了保護(hù)熱插拔單板在帶電拔插過程中免遭靜電損壞。預(yù)充電過程是為了減小熱插拔單板在拔插單板過程中對總線信號(hào)的沖擊(電容效應(yīng))。
4熱插拔單板的電氣設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)
CompactPCI熱插拔單板的電氣設(shè)計(jì)必須滿足熱插拔規(guī)范《CompactPCIHostSwapSpecificaiton》的要求。要保證在拔插單板時(shí),不能對CompactPCI總線產(chǎn)生較大的沖擊,不能影響CompactPCI總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_,必須從如下幾方面進(jìn)行考慮。
4.1靜電放電
熱插拔單板,在帶電拔插過程中,為了保護(hù)單板免遭靜電損壞,必須進(jìn)行靜電放電。因此必須在單板上設(shè)計(jì)放電條,在CompactPCI機(jī)箱的插槽上有放電導(dǎo)軌。這樣,在插入前,先進(jìn)行靜電放電;在拔出前,也先進(jìn)行靜電放電。
在熱插拔單板的PCB的最外層的下端設(shè)計(jì)三個(gè)放電條:strip1、strip2、strip3。例如,對于標(biāo)準(zhǔn)的CompactPCI后面板插件(高度233.5mm,長度80mm),應(yīng)設(shè)計(jì)的三個(gè)放電條的長度分別為20mm、27.5mm、20mm,高度為1.5mm。其中,strip3與機(jī)殼直接相連,strip1與strip3之間跨接10MΩ電阻,strip2與數(shù)字地通過10MΩ電阻連接,如圖4所示。插入時(shí),Strip1首先與放電導(dǎo)軌接觸,其次是strip2,最后是strip3;拔出時(shí)則相反。
4.2預(yù)充電
熱插拔規(guī)范《CompactPCIHotSwapSpecification2.1》規(guī)定,熱插拔單板在拔插單板過程中,為了減小對總線的沖擊(電容效應(yīng)),必須對單板的總線信號(hào)進(jìn)行預(yù)充電,使CompactPCI接插件的插針點(diǎn)的預(yù)充電電壓達(dá)到1.0V(±0.2V)。插入單板時(shí),在CompactPCI總線信號(hào)線連接上之前,使單板上的CompactPCI總線信號(hào)預(yù)充電至1.0V左右,這樣在總線信號(hào)線連接上的瞬間,沖擊很??;拔出單板時(shí),在CompactPCI總線信號(hào)線斷開之前,使單板上的CompactPCI總線信號(hào)預(yù)充電至1.0V左右,這樣,在總線信號(hào)線斷開的瞬間,沖擊很小。
單板上需要進(jìn)行預(yù)充電的CompactPCI總線信號(hào),即接插件J1、J2與CompactPCI接口器件連接的信號(hào),包括:AD0~AD31、C/BE0#~C/BE3#、PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、LOCK#、IDSEL、DEVSEL#、PERR#、SERR#、RST#,AD32~AD63、C/BE4#~C/BE7#、REQ64E、ACK64K、PAR64,需要預(yù)充電至1.0V左右。
單板的預(yù)充電是從長針5V電源取電,再經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換得到預(yù)充電電壓Vps。
需要預(yù)充電的信號(hào),經(jīng)過較大的電阻Rp上拉至Vps預(yù)充電電壓(見圖5)。選擇Rp阻值的原則是,Rp的最大值應(yīng)該保證Vps在5ms內(nèi),使需要預(yù)充電的信號(hào)在接插件插件處達(dá)到理想充電電壓1.0V的80%;Rp的最小值應(yīng)該保證PCI設(shè)備的管腳在高低電平時(shí)的漏時(shí)流不致過大,上拉電阻Rp一般不能小于10kΩ。
INTA#、INTB#、INTC#、INTD#/REQ#/PCI_RST#等信號(hào)通過10kΩ電阻上拉至PCI接口設(shè)備的工作電源電壓(5V或3.3V)。BD_SEL#經(jīng)過10kΩ電阻下拉。
4.3串聯(lián)匹配
為了減小單板上的CompactPCI總線的信號(hào)線分支(stub)對總線的影響,必須對總線信號(hào)進(jìn)行串聯(lián)電阻匹配。PCB的布線特征阻抗應(yīng)設(shè)計(jì)為65Ω±10%,匹配電阻阻值為10Ω。需要加串聯(lián)匹配電阻的信號(hào)包括:AD0~AD31、C/BE0#~C/BE3#、PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、LOCK#、IDSEL、DEVSEL#、PERR#、SERR#、RST#、AD32~AD63、C/DE4#~C/BE7#、REQ64#、ACK64#、PAR64以及INTA#、INTB#、INTC#、INTD#。
4.4信號(hào)線長度限定
根據(jù)CompactPCI規(guī)范的要求,單板的預(yù)充電、串聯(lián)電阻的Stub的長度必須按圖5所示進(jìn)行限制(PCB的布線特征阻抗應(yīng)設(shè)計(jì)為65Ω±10%)。Stub的長度越短,對CompactPCI總線的沖擊越小。在單板上,對預(yù)充電的信號(hào),從接插件J1或J2到CompactPCI接口器件管腳,總的信號(hào)線長度應(yīng)小于38.1mm,其中,從接插件插針到串聯(lián)電阻的PCB連線長度應(yīng)小于15.2mm。
預(yù)充電電阻的Stub長度最好是零,最長不能超過2.5mm。
4.5濾波電容大小的確定
熱插拔單板的預(yù)先電源(earlypower,不受控電源),在拔插單板時(shí)一直存在。在熱插拔單板上,直接連接在電源管理的未充電電容,在單板插入過程中,會(huì)產(chǎn)生較在的浪涌電流,若電流過大,會(huì)導(dǎo)致接插件的燒損。為了濾波,通常在電源的接插件處都接有一濾波電容。因此,為了減少拔插過程的浪涌電流,必須限制濾波電容總量。根據(jù)熱插拔規(guī)范的規(guī)定,對預(yù)先電源層電容總量的限制要求如下:
5V、3.3V、V(I/O)的電源層,電容總量不能超過8.8μF。
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