国网四川省电力公司成都供电公司电气试验四班QC小组.pdf

1 地址可配置的报文转发装置的研制 国网四川省电力公司成都供电公司国网四川省电力公司成都供电公司 变电检修工区电气试验四班变电检修工区电气试验四班 QC 小组小组 二一七年五月二一七年五月 2 一、QC 小组概况小组概况 小组名称 国网四川省电力公司成都供电公司 变电检修工区电气试验四班 QC 小组 活动课题名称 地址可配置的报文转发装置的研制 注册时间 2011 年 3 月 课题类型 创新型 活动次数 27 次 出勤率 100%小组成员情况 姓名 性别 学历 职务 组内分工 刘彦琴 女 硕士 组长 组长 董青迅 男 硕士 副组长 顾问、策划、协调 胡祥胜 男 硕士 督导 技术实施、推广 曾晓维 女 硕士 组员 方案实施 李霏霏 女 硕士 组员 方案实施 何桥 女 硕士 组员 方案实施 杨明 男 大学本科 组员 方案实施 田宇 男 大学本科 组员 方案实施 崔竟 男 大学本科 组员 方案实施 薛巧 女 大学本科 组员 方案实施 陈聪颖 男 大学本科 组员 方案实施 刁儒春 男 大学本科 组员 方案实施 小组获奖情况 2013 年，“I/O 类型可编程设置智能变送器的研制”项目获得全国优秀质量管理小组。2014 年，“提高电压监测仪日检定量”项目获得全国电力行业优秀质量管理小组。2015 年，电气试验四班 QC 小组被评为全国质量信得过班组。2015 年，小组组长刘彦琴获得“国网公司 QC 活动优秀推进者”荣誉称号。2016 年，“绕组温控仪智能匹配器的研制”项目获得四川省优秀质量管理小组 3 二、选择课题 随着智能变电站应用越来越广泛，变电站测控装置实现了数字化设计，测控装置的信号来源不再是实负荷，而是以光信号形式传输的虚拟负荷。在校验数字化测控装置时，需要通过复杂的光纤以太网通信系统，配置数据通道和参数，将 SMV 报文信息传输至测控装置，达到校验测控装置的目的。在数字化测控装置校验工作过程中，我们遇到了以下困难：1.校验仪通常只有一个输出链路，这种校验仪每次只能检定一台测控装置，平均单台校验时间为 16 分钟，效率非常低。2.截止 2015 年我班数字化测控装置的校验数量达到 1156 台，是2012 年的三倍多，班组试验人员由 2012 年的 17 人减至目前的 11 人，试验人员紧缺与工作量剧增之间形成了不可调和的矛盾。针对以上困难，小组急需一种设备能满足以下 3 点需求：1.由于数字化测控装置校验数量激增三倍多，导致工作量与班组人员之间产生严重矛盾。提高校验效率，将原 16 分钟的校验时间缩短 4 倍，才能保证工作正常开展，需要将数字化测控装置校验时间缩短到 4 分钟以内。2.设备应能保证校验数字化测控装置调试错误率为零。3.装置造价控制在传统数字化测控装置校验仪价格以内，约合人民币 30 万元。班组接下来通过对现有技术进行查新，如图 2-1、2-2 所示。通过对专利检索发现，目前有两种技术能有效提高数字化测控装置校验效率。分别为：以太网扩展电路模块；基于交换机扩展通信通道。图 2-1 现有技术查新图一 4 图 2-2 现有技术查新图二 小组针对以上的两种技术进行了对比、分析，结论如表 2-1 所示：表表 2-1 专利中现有技术对比表专利中现有技术对比表 序序号号 现有技术名称现有技术名称 现有技术内容描述现有技术内容描述 需求满足程度需求满足程度 1 以太网扩展电路模块 一种效率更高的单台校验模式。将以太网控制器与 DSP 芯片相直连，DSP 芯片的数据通过以太网控制器向 PC 上高速传输。单台平均校验用时 10 分钟 装置调试错误率为 0 造价估算 21 万元 2 基于交换机扩展通信通道 交换机底部设有一排扩展接口，校验时需要更改测控装置地址，校验完毕后，还要将地址恢复。因此，该装置能实现信息通道扩展，但不具备配置地址的功能。单台平均校验用时 4 分钟 装置调试错误率为13%造价估算 28 万元 经查新确认，小组再对两个技术进行对比分析，如表 2-1 所示。第一种技术，以太网扩展电路模块，装置调试错误率、造价估算满足需求，单台平均校验用时不满足需求。第二种技术，基于交换机扩展通信通道，单台平均校验用时、造价估算满足需求，装置调试错误率不满足需求。因此小组鉴于两种技术的优缺点，基于现有技术基础上，决定研制一种可配置地址实现多路校验的装置，使其满足所有需求，实现对数字化测控装置的高效校验。综上所示，小组确定本次 QC 课题为：地址可配置的报文转发装置的研制。5 三、活动计划进度表 针对选定的课题，小组制定了活动计划进度表，如表3-1所示。表 3-1 活动计划进度表 内容内容 2016.3 2016.4 2016.5 2016.6 2016.7 2016.8 2016.9 2016.10 2016.11 选择课题选择课题 设定目标设定目标 确定方案确定方案 制定对策制定对策 对策实施对策实施 确认效果确认效果 标准化标准化 活动总结活动总结 计划时间实施时间 四、设定目标(一一)目标确定目标确定 小组将活动目标设定为：数字化测控装置每台校验用时由活动前的平均16分钟减少到4分钟以内，如图4-1所示。图 4-1 目标确定 (二二)目标可行性分析目标可行性分析 小组从以下几个方面对目标是否可行进行了可行性分析：1技术保障 按照目前的单台校验模式，具体分析如下：一台数字测控装置常规校验时间为 16 分钟，具体用时分析如表 4-1所示：表 4-1 常规单台校验用时 6 环节环节 方案方案 接线接线 设置设置 测试测试 记录记录 总用时总用时 平均平均 用时用时 单台校验模式 2 分钟 2 分钟 10 分钟 2 分钟 16 分钟 16 分钟/台 借鉴查新的两种设备，如果我们采用多路报文转发、地址可配置及硬件时戳技术，可以实现 12 台数字测控装置同时校验的话，那么进行理论推算可以得出，可将原有校验时间缩短至 4 分钟以内，具体用时分析如表 4-2 所示：表 4-2 多台校验模式平均用时 环节环节 方案方案 接线接线 设置设置 测试测试 记录记录 总用时总用时 平均平均 用时用时 12 台同时校验模式 4 分钟 3 分钟 10 分钟 24 分钟 41 分钟 3.4 分钟/台 从模拟结果可以看出，我们的目标从技术上是可以实现的。2研发条件 电气试验四班拥有省公司设立的创新工作室，具有很好的硬件、软件开发和测试平台。3人力保障 科技项目锻炼了团队成员，具有丰富的硬件设计经验以及软件编写能力。4资金保障 资金来源有保障，开发费用来自成都供电公司变电检修工区大修技改项目资金。通过对以上各方面的分析，确定我们的目标将现有数字化测控装置每台校验用时由平均 16 分钟减少到 4 分钟以内具有可行性。五、提出各种方案并确定最佳方案（一）提出方案（一）提出方案 为了实现既定目标，小组对自主研制地址可配置的多台测控装置校验仪进行了需求分析，提出以下 3 点要求：1.根据不同需求可配置将 1 路 SMV 报文拆分为 12 路 SMV 报文的转发输出。2.可以对外部脉冲以及以太网收发的时刻进行精确标定，标定的误差小于 20 个纳秒。3.支持变电站 scd 文件导入功能，能够通过 scd 文件导入自动完成sv 参数和通道的配置。小组成员运用“头脑风暴法”针对可配置的多台测控装置校验仪共提出三种方案，并用系统图进行归纳整理。7 图 5-1 方案系统图 小组成员提出以下三个指标：可配置将 1 路 SMV 报文拆分为 12 路SMV 报文；时钟误差小于 20 个纳秒；支持 SCD 导入，自动完成 sv 参数和通道的配置，对这两种方案进行指标对比，结论如表 5-1 所示：表 5-1 方案对比分析 序号序号 方案名称方案名称 方案描述方案描述 需求满足程度需求满足程度 结论结论 1 带网管功能的交换机的研制 购买交换机，自主开发网管功能，使其具备地址可配置的功能 最多可配置将 1 路 SMV报文拆分为20 路 时钟误差最 小 为100 个纳秒 支持 SCD 导入，自动完成 sv 参数和通道的配置 不采用 2 基于多网口集成控制的报文转发装置的研制 集成多个以太网口，用 1 个 FPGA控制，实现多路以太网口的地址配置 最多可配置将 1 路 SMV报文拆分为8 路 时钟误差最 小 为20 个 纳秒 支持 SCD 导入，自动完成 sv 参数和通道的配置 不采用 3 基于APPID 可配置的报文转发装置的研制 为每个发送口配置 1 个 高 性 能CPU，快速设置输出报文的格式以及通道数据的比例变换 最多可配置将 1 路 SMV报文拆分为12 路 时钟误差最小为 8个纳秒 支持 SCD 导入，自动完成 sv 参数和通道的配置 采用 通过上述对比分析，方案三：研制基于 APPID 可配置的报文转发装置的方案可以满足我们需要的功能，因此选定此方案为总体方案。地址可配置的报文转发装置的研制 带网管功能的交换机的研制 基于多网口集成控制的报文转发装置的研制 基于APPID可配置的报文转发装置的研制 8（二）方案细化（二）方案细化 针对选定方案，小组成员再次展开讨论，制定出了基于 APPID 可配置的报文转发装置的研制方案，首先硬件方案，包括 CPU 模块设计、电源模块设计、FPGA 主板设计、通迅底板设计以及工控机板设计，其次是软件方案，包括编程语言、软件控制方式，最后进行软硬件联调。小组对总体方案进行了细化，的具体组成情况如图 5-2 所示。图 5-2 总体设计方案 方案细化包括电源模块设计等 7 个部分。接下来对每个部分进行方案选择。1电源模块设计方案选择 电源模块主要考虑线性电源和开关电源两种方案。图 5-3 电源模块设计 该课题需要用到+3.3V、+2.5V 及+1.5V 三种电源模块，分别对其进 9 行分析如下：（1）+3.3V 电源模块 小组成员提出以下三个指标：纹波范围100mV；体积大小3cm*3cm；转换效率（80%以上），对这两种方案进行指标对比：表 5-2：电源方案对比 序号序号 方案名称方案名称 方案描述方案描述 指标分析测试指标分析测试 结论结论 1 线性电源线性电源 线性电源是先将交流电经变压器变压，再经过整流电路整流滤波得到直流电压 纹波范围70mV 左右 体积大小 6cm以上 转换效率30%40%不采用 2 开关电源开关电源 利用电子开关器件，通过控制电路，使电子开关器件不停地接通和关断，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而输出电压 纹波范围80mV 左右 体积可以做到2cm*2cm 转换效率90%以上 采用（2）+2.5V 电源模块 小组成员提出以下三个指标：纹波范围100mV；体积大小3cm*3cm；转换效率（80%以上），对这两种方案进行指标对比：表 5-3：电源方案对比二 序号序号 方案名称方案名称 方案描述方案描述 指标分析测试指标分析测试 结论结论 1 线性电源线性电源 线性电源是先将交流电经变压器变压，再经过整流电路整流滤波得到直流电压 纹波范围90mV 左右 体积大小6cm 以上 转换效率30%40%不采用 2 开关电源开关电源 利用电子开关器件，通过控制电路，使电子开关器件不停地接通和关断，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而输出电压 纹波范围70mV 左右 体积可以做到2cm*2cm 转换效率90%以上 采用（3）+1.5V 电源模块 小组成员提出以下三个指标：纹波范围250mV；体积大小500MHz；具备硬件时戳功能；位宽16 位，对这两种方案进行指标对比：表 5-5：CPU 方案对比 序号序号 方案名称方案名称 方案描述方案描述 指标分析测试指标分析测试 结论结论 1 双核双核 DSP 采用双核 DSP 芯片作为 CPU 核心部件，对匹配器进行控制 主频值1GHz 具备硬件时戳功能 位宽 32 位 采用 2 单核单核 DSP 采用单核 DSP 作为该设计的核心部件，对匹配器进行控制 主频值500MHz 具备硬件时戳功能 位宽 16 位 不采用 上述表格中对双核DSP和单核DSP进行了需求指标分析，双核DSP指标满足设计需求指标，因此最终选择双核 DSP 作为本设计的核心部件。3.主板设计 本设计中，主板芯片的选择主要考虑 FPGA 及单片机。图 5-5 主板芯片的选择 小组成员提出以下三个指标：主频值100MHz；具备 RM11 接口；位宽16 位；位宽8 位，对这两种方案进行指标对比：表 5-6：主板芯片的对比 序号序号 方案名称方案名称 方案描述方案描述 指标分析测试指标分析测试 结论结论 1 FPGA 主板主板 采用 FPGA 作为主板芯片进行设计 主频值120MHz 具备 RM11 接口 位宽16 位 采用 2 单片机主板单片机主板 采用单片机作为主板芯片进行设计 主频值20MHz 不具备 RM11 接口 位 宽16 位 不采用 上述表格中对FPGA主板和单片机主板进行了需求指标分析，FPGA主板指标满足设计需求指标，因此最终选择 FPGA 作为本设计的主板。4.通信底板设计 本设计中，通信底板设计主要考虑小组成员自制和自购两种方案。11 图 5-6 通信底板的选择 小组成员提出以下三个指标：具备 609 核心板接口；具备以太网口，串口转 USB 接口，对这两种方案进行指标对比：表 5-7：通信底板的对比 序号序号 方案名称方案名称 方案描述方案描述 指标分析测试指标分析测试 结论结论 1 自制自制 小组成员根据需要自己设计并制作通信底板 具备 609 核心板接口 具备以太网口 具备串口转USB 接口 采用 2 自购自购 在市场购买通信底板成品 具备 609 核心板接口 具备以太网口 不具备串口转USB接口 不采用 上述表格中对自制及自购进行了需求指标分析，小组成员自制满足设计需求指标，因此最终小组成员自己根据设计需求设计并制作通信底板。5.工控机板设计 本设计中，工控机板选择主要考虑思泰基 ST808 工控机及研华IPC610 工控机。图 5-7 工控机板的选择 小组成员提出以下两个指标：具备电阻触摸屏进行人机交互功能；具备网口，对这两种方案进行指标对比：表 5-8：工控机板的对比 序号序号 方案名称方案名称 方案描述方案描述 指标分析测试指标分析测试 结论结论 1 思泰基思泰基 ST808工控机工控机 采用思泰基 ST808 工控机完成配置指令的下发工作 电阻触摸屏 具备网口 采用 2 研华研华IPC610工工控机控机 采用研华 IPC610工控机完成配置指令的下发工作 电容触摸屏 具备网口 不采用 上述表格中对思泰基 ST808 工控机和研华 IPC610 工控机进行了需求指标分析，思泰基 ST808 工控机指标满足设计需求指标，因此最终选择思泰基 ST808 工控机完成配置指令的下发工作。6软件设计语言 软件编程语言，小组成员选取了 C 和 Delphi 两种语言作为备选方案。12 图 5-8 软件设计语言 小组成员提出以下三个指标：需要面向对象进行编程；具备调用函数；支持 WINDOWS 系统，对这两种方案进行指标对比：表 5-9：软件语言选择对比 序号序号 方案名称方案名称 方案描述方案描述 指标分析测试指标分析测试 结论结论 1 C 语言语言 使用 C 语言对 CPU进行编程控制 不具备面向对象进行编程 不具备调用函数 不支持WINDOWS 系统 不采用 2 Delphi 语语言言 使用 Delphi 语言对CPU 进行编程控制 具备面向对象进行编程 具备调用函数 支持WINDOWS 系统 采用 上述表格对提出的 C 及 Delphi 两种语言进行了对比，最终选定使用 Delphi 语言对 CPU 进行编程控制。7软件控制方式 小组成员对软件控制方式提出两种控制方式：循环控制及定时中断控制方式。图 5-9 软件控制方式 小组成员提出以下指标：响应时间快，小于 20 个纳秒，对这两种方案进行指标对比：表 5-10：控制方式对比 序序号号 方案名称方案名称 方案描述方案描述 指标分析测试指标分析测试 结论结论 1 循环控制循环控制 使用循环控制方式进行控制 由于循环控制，响应时间最小100 个纳秒 不采用 2 定时中断控制定时中断控制 使用定时中断控制方式进行控制 响应时间最小 10 个纳秒 采用 上述表格对提出的循环控制及定时中断控制方式进行了对比，最终选定定时中断控制方式进行程序控制。（三）确定最佳方案（三）确定最佳方案 通过以上分析，小组找出了研制基于 APPID 可配置的报文转发装置的研制最佳方案，如图 5-10 所示。13 图 5-10 各部分最佳方案确认图 六、制定对策表 根据最终确定的硬件、软件方案，购买的硬件通过申购的方式实施，针对需要自主开发的硬件及软件，小组成员密切分工与合作，并考虑到组装和测试，按照 5W1H 的原则制定了对策表，见表 6-1。表 6-1 对策实施表 序号序号 对策对策 目标目标 措施措施 负责人负责人 地点地点 完成时间完成时间 1 CPU 模块开发 主频值 500MHz 设计电路图、PCB 板图，组装测试 刘彦琴 实验室 2016.7 2 开关电源板设计 1、电压：+3.3V；纹波范：100mV 2、电压：+2.5V；纹波范围 100mV 3、电压：+1.5 V；纹波范围 250mV 设计电路图、PCB 板图，组装测试 胡祥胜 实验室 2016.7 3 FPGA 单片机主板 主频值100M Hz；具备 RM11 接口；位宽8 位 设计电路图、PCB 板图，组装测试 杨明 实验室 2016.7 4 通讯底板 具备 609 核心板接口；具备以太网口；具备串口转 USB 接口 设计电路图、PCB 板图，组装测试 崔竟 实验室 2016.7 5 工控机底板 具备电阻触摸屏；具备网口 组装测试 董青迅 实验室 2016.7 6 编程语言 需要面向对象进行编程；具备调用函数；支持 WINDOWS 系统 语言功能测试 董青迅 实验室 2016.7 7 软件控制方响应时间快，小于 20 个响应时间测试 杨明 实验室 2016.7 14 式 纳秒 七、按对策表实施 根据以上五个对策，小组成员逐一进行了分步实施与效果验证。（一）对策实施一：（一）对策实施一：CPU 控制模块控制模块 1实施情况 CPU主控模块遵循电子产品PCB板设计通用流程图，同时针对CPU主控模块的特点，按以下设计流程，对每一步进行了实施，如图 6-1 所示。CPU 模块是整个报文转发装置的核心，需要完成各种复杂的数据处理，并对时间进行精确标定，所以我们选用了一片双核的 ADSP-BF609芯片作为 CPU 核心板，单核主频为 500MHz，双核并行执行处理速度高达 1GHz。其内部自带 100M 以太网模块，并具有硬件时戳功能，可以对外部脉冲以及以太网收发的时刻进行精确标定。订购DSP56F801芯片对上电时序电路进行仿真分析根据资料确定封装尺寸用PROTEL 软件设计CPU控制模块电路图软件仿真无误后，开始绘制PCB 板图设计PCB 板尺寸和固定孔位置PCB 板生产PCB板图纸按照图纸装配CPU控制模块组件，先装贴片元件，再装插装元件测试CPU控制板的主频CPU控制板控制板设计完成设计完成 图 7-1 CPU 控制模块设计流程图 2实施效果（1）设计 CPU 控制模块电路图，见图 7-2；（2）根据图纸生产 PCB 板图，见图 7-3；（3）按照图纸完成了 CPU 控制模块的装配、调试，见图 7-4；（4）测试 CPU 控制模块性能，见图 7-5 图 7-2 CPU 控制模块设计电路图 15 图 7-3 CPU 控制模块设计 PCB 图 图 7-4 CPU 控制模块电路板 主控单元是一片双核的 ADSP-BF609 芯片作为 CPU 核心板，单核主频为 500MHz，双核并行执行处理速度高达 1GHz。同时提供了 JTAG1编程调试接口，该接口通过端口 TDI 和 TDO 与 DSP 相连，方便的用于程序的下载、更新和升级，适合批量生产测试，测试结果如图 7-6 所示，主频值达到 500MHz 目标值，CPU 控制模块性能满足设计目标。16 图 7-5 CPU 控制模块测试图 主频目标主频目标值值 主频测试值主频测试值 满足指标情况满足指标情况 500MHz 1GHz 图 7-6 CPU 控制模块测试结果（二）对策实施二：开关电源模块设计（二）对策实施二：开关电源模块设计 1实施情况 开关电源模块遵循电子产品 PCB 板设计通用流程图，同时针对开关电源模块的特点，按以下设计流程，对每一步进行了实施，如图 7-7所示。订购TO232单片开关电源IC对上电时序电路进行仿真分析根据资料确定封装尺寸用 PROTEL 软件设计电源模块电路图软件仿真无误后，开始绘制PCB 板图设计PCB 板尺寸和固定孔位置PCB 板生产PCB板图纸按照图纸装配开关电源模块组件，先装贴片元件，再装插装元件测试三路电压输出及纹波范围开关电源板开关电源板设计完成设计完成 图 7-7 开关电源模块设计流程图 开关电源使用了一片 TO242 单片开关电源 IC 构成。设计开关电源目标：（1）开关电源输出 3 组电压 3.3V 是系统的 IO 电源，主要给 FPGA，以太网等电路供电；2.5V 17 给以太网内核供电和 1.5V 给 FPGA 的内核供电。（2）开关电源三组电压输出的纹波范围：+3.3V 提供给 FPGA、以太网等电路，纹波范围是 100mV；+2.5V 给以太网内核，纹波范围是 100mV；+1.5V 给 FPGA 的内核供电，纹波范围 250mV。2实施效果（1）设计电源模块电路图，见图 7-8；（2）根据图纸生产 PCB 板图，见图 7-9；（3）按照图纸完成了电源模块的装配、调试，见图 7-10；（4）测试电源模块性能。图 7-8 开关电源模块电路设计图 图 7-9 开关电源模块 PCB 图 图 7-10 开关电源模块电路板 18 开关电源性能测试是在开关电源供电电压逐步升高的情况下测试的，小组记录了最低、额定、最高供电电压时电压的输出值以及纹波范围。（1）开关电源供电电压为 85V 时的测试结果，如表 7-1 所示。（2）开关电源供电电压为 220V 时的测试结果，如表 7-2 所示。（3）开关电源供电电压为 250V 时的测试结果，如表 7-3 所示。由测试结果可见，开关电源模块在最低、额定、最高的供电电压下，其实测纹波范围、电压实测值均在目标范围内，性能满足设计目标，测试结果合格。表 7-1 开关电源模块测试结果 1 开关供电开关供电电压电压 电压输出值电压输出值 纹波范围纹波范围 电压实测电压实测 纹波范围实测值纹波范围实测值 满足指标情满足指标情况况 85V+3.3V 100mV+3.3V 27mV +2.5V 100mV+2.5V 54mV +1.5V 250mV+1.5V 123mV 表 7-2 开关电源模块测试结果 2 开关供电开关供电电压电压 电压输出值电压输出值 纹波范围纹波范围 电压实测电压实测 纹波范围实测值纹波范围实测值 满足指标情满足指标情况况 220V +3.3V 100mV +3.3V 39mV +2.5V 100mV +2.5V 72mV +1.5V 250mV +1.5V 140mV 表 7-3 开关电源模块测试结果 3 开关供电开关供电电压电压 电压输出值电压输出值 纹波范围纹波范围 电压实测电压实测 纹波范围实测值纹波范围实测值 满足指标情满足指标情况况 250V +3.3V 100mV +3.3V 54mV +2.5V 100mV +2.5V 85mV +1.5V 250mV +1.5V 173mV （三）对策实施三：（三）对策实施三：FPGA 主板实施情况主板实施情况 1实施情况 FPGA 主板遵循电子产品 PCB 板设计通用流程图，同时针对 FPGA 19 主板的特点，按以下设计流程，对每一步进行了实施，如图 7-11 所示。设计加热电流源对上电时序电路进行仿真分析根据资料确定封装尺寸用 PROTEL 软件设计电源模块电路图软件仿真无误后，开始绘制PCB 板图设计PCB 板尺寸和固定孔位置PCB 板生产PCB板图纸按照图纸装配FPGA主板，先装贴片元件，再装插装元件测试FPGA主板模块 图 7-11 FPGA 主板设计流程图 2实施效果（1）设计 FPGA 主板电路图，见图 7-12；（2）根据图纸生产 PCB 板图，见图 7-13；（3）按照图纸完成了 FPGA 主板的装配、调试，见图 7-14；（4）测试 FPGA 主板性能，见表 7-4。FPGA 主板使用 5 片 ks8721 实现以太网功能 KS8721 使用 RMII 接口和 DSP 以及 FPGA 交互数据，PHY 的物理地址默认分别为二进制的0001，0002，0003,0004,0005。以太网光模块使用带光功率检测的HFBR57E5，使用 LC 接口。图 7-12 FPGA 主板电路设计图 20 图 7-13 FPGA 主板 PCB 图 图 7-14 FPGA 主板电路板图 表 7-4 FPGA 主板测试结果 设计值设计值 测试值测试值 满足指标情况满足指标情况 主频主频 100MHz 120MHz 位宽位宽 8 位 16 位 （四）对策实施四：通讯底板实施情况（四）对策实施四：通讯底板实施情况 21 1实施情况 通讯底板遵循电子产品 PCB 板设计通用流程图，同时针对通讯底板的特点，按以下设计流程，对每一步进行了实施，如图 7-15 所示。订购TO232单片开关电源IC对上电时序电路进行仿真分析根据资料确定封装尺寸用 PROTEL 软件设计电源模块电路图软件仿真无误后，开始绘制PCB 板图设计PCB 板尺寸和固定孔位置PCB 板生产PCB板图纸按照图纸装配通讯底板组件，先装贴片元件，再装插装元件测试通讯底板性能 图 7-15 开关电源模块设计流程图 通信底板主要和 CPU 核心板组成一个电路板才能正常使用，其主要是实现以太网通信的功能，当需要使用 CPU 的时候，只需要插上核心板即可。通信底板分为 609 核心板接口、以太网、通信串口、PPS 输入输出4 部分组成。CPU 核心板接口与 CPU 核心板对接只引出 JTAG，通信串口有 2路，1 路接 PC，1 路预留给 GPS，PPS 脉冲电路输入同时兼容电口和光口。2实施效果（1）设计通讯底板电路图，见图 7-16；（2）根据图纸生产 PCB 板图，见图 7-17；（3）按照图纸完成了通讯底板的装配、调试，见图 7-18；（4）检查通信底板实施情况，见表 7-5。22 图 7-16 通讯底板电路设计图 图 7-17 通讯底板 PCB 图 图 7-18 通讯底板电路板 表 7-5 通信底板实施情况检查 通信底板检查情况通信底板检查情况 指标指标 满足指标情况满足指标情况 具有 609 核心板接口 具有以太网口 具有串口转 USB 接口 通信底板具备 609 核心板接口、以太网口和串口转 USB 接口，性能满足设计目标。23（五）对策实施五：工控机板实施情况（五）对策实施五：工控机板实施情况 采用思泰基 ST808 工控机如图 6-19，采用电阻触摸屏完成人机交互，通过工控机网口完成配置指令的下发工作。工控机板的具体实施情况检查表如表 7-6。图 7-19 工控机底板实物图 表 7-6 工控机板实施情况检查 工控机板检查情况工控机板检查情况 指标指标 满足指标情况满足指标情况 具备电阻触摸屏 具备网口 （六）对策实施六：软件编程语言（六）对策实施六：软件编程语言 1实施情况 基于 APPID 可配置的报文转发装置运行时，进行系统初始化，然后上层软件对其进行参数设置，接着 FPGA 模块开始实时的接收外部输入的光以太网数据，每接收一帧以太网数据，其内部 MAC 硬件将产生一个外部脉冲，Blackfin 报文映射转发模块捕获此脉冲并添加硬件时戳，且以此标定为时间起点开始计时（反向输入时，由 Blackfin 报文映射模块硬件发出脉冲供 FPGA 模块进行时间标定），FPGA 在接收完一帧数据的同时，开始进行数据拷贝工作，完成将输入的 1 路以太网数据拷贝成4 路以太网数据输出到 4 路 Blackfin 报文映射模块，Blackfin 报文映射模块内部进行大量的数据运算完成 1 路报文到 3 路不同报文的映射和输出，主流程图如图 7-20 所示：24 图 7-20 主流程图 2实施效果 1）绘制基于 APPID 可配置的报文转发装置软件流程图，参数设置如图 7-21，有效值分析界面见图 7-22，转发配置界面见图 7-23，SCD配置界面见图 7-24。2）完成相应软件模块的开发、调试，通过闭环控制实现了加热电流的自动调节 通过对软件编程语言的实施效果可得出，Delphi 编程语言各项指标满足设计目标。图 7-21 设置报文转发装置参数界面 图 7-22 参数读取界面 系统初始化 参数设置 FPGA 接收以太网帧 DSP 映射运算，输出 输出脉冲 FPGA 拷贝以太网帧，增加对应路数的参数 25 图 7-23 精度校正界面 图 7-24 数字解析界面 （七）对策实施七：软件控制方式（七）对策实施七：软件控制方式 1实施情况 小组成员首先对购买及自主开发的硬件模块进行组装，调试，如图7-25 所示。装好的数字化变电站多台测控装置同时校验扩展接口设备上层软件通过以太网口对 FPGA 主板和 CPU 核心板及通信底板配置参数，然后一路测控装置校验仪输出 3 路电压和 3 路电流的 SMV 报文给数字化变电站多台测控装置同时校验扩展接口设备，数字化变电站多台测控装置同时校验扩展接口设备按照设定的参数输出映射的 SMV 报文。26 图 7-25 基于 APPID 可配置的报文转发装置组装后实物图 2实施效果 基于 APPID 可配置的报文转发装置组装后性能测试，见图 7-26。通过测试，检定到报文转发装置可以实现 12 路报文的同时转发输出，测试结果证明软硬件联合测试满足设计目标。通过对软件控制方式的实施效果可得出，定时中断方式各项指标满足设计目标。图 7-26 基于 APPID 可配置的报文转发装置组装后性能测试 八、确认效果（一）目标检查（一）目标检查 为了验证可配置地址的多路报文转发装置的实际效果，我们请了 12位小组成员以两人一组模式，采用可配置多台测控装置分别对 6 个变电站内的数字化测控装置进行校验，取其单台校验平均值，具体的测试结果如下表 8-1 所示：表 8-1 测试结果 序号序号 小组成员小组成员 变电站名变电站名 时间时间 测控装置测控装置总计台数总计台数 校验总计校验总计用时用时(分分钟钟)单台校验单台校验平均用时平均用时(分钟分钟)1 李霏霏 胡祥胜 团结站 2016.09.22 40 144 3.6 2 田宇 崔竟 双桥子站 2016.09.23 32 110 3.44 3 曾晓维 何桥 万福站 2016.09.28 36 135 3.75 4 薛巧 董青迅 永宁站 2016.09.30 34 125 3.68 5 刁儒春 杨明 连封站 2016.10.11 36 139 3.86 6 马珺 陈聪颖 清波站 2016.10.13 38 133 3.5 27 图 8-1 测试结果对比图 小组经过统计 6 个变电站共计 216 台数字化测控装置的校验用时，计算出单台数字化测控装置的平均校验用时为：3.64 分钟。因此，采用自主研发的可配置多台测控装置校验仪后，数字化测控装置的平均校验用时低于 4 分钟，目标达成！如图 8-2 所示。图 8-2 目标达成情况检查确认表 (二二)经济效益分析经济效益分析 1.开发成本 基于 APPID 可配置的报文转发装置购置芯片、液晶屏以及电路板等硬件材料费，软件调试成本，以及其他耗材成本费。开发成本共计：8 万元。2.传统测试仪校验模式购置成本 随着智能变电站应用越来越广泛，截止 2015 年数字化测控装置的校验数量是 2006 年三倍多。按照班组现有设备和人数配备情况，一个220kV 变电站，站内平均配备 36 台光纤输入式测控装置，需 5 台测试仪、10 人连续工作 2 小时才能完成全站测控装置校验工作。通过此次 QC 活动，将数字化测控装置的平均校验用时降到目标值 4 分钟以下，目标达成！28 以深圳市星龙科技股份有限公司传统测试仪 XL-806 为例，一台传统测试仪成本为 30 万/台，5 台购置成本为 30*5=150（万元）。3.新模式购置成本 新模式下只需一台传统测试仪和一个基于 APPID 可配置的报文转发装置则可由 2 人在 2 小时完成全站测控装置校验工作。一台传统测试仪成本为 30 万/台，一个基于 APPID 可配置的报文转发装置成本为 4 万/台，则新模式购置成本为 30+4=34（万元）。4.结论 使用基于 APPID 可配置的报文转发装置，考虑研发成本 8 万元，一年可创造的经济效益为：150-34-8=108（万元），一年可收回成本。九、标准化(一一)申请专利，如图申请专利，如图 9-1 所示所示。图 9-1 专利受理书（二）在核心期刊上发表论文一篇，图（二）在核心期刊上发表论文一篇，图 9-2 所示。所示。29 图 9-2 科技论文基于硬件时戳的以太网多功能扩展接口设计（三）用户使用说明，如图（三）用户使用说明，如图 9-3 所示所示 图 9-3 用户使用说明（四）在上级运维部门存档并统一管理，如图（四）在上级运维部门存档并统一管理，如图 9-4 所示所示 图 9-4 存档记录 十、总结及下一步打算（一）通过本次 QC 活动，班组成员成功将单台数字化测控装置的平均校验时间降低至 4 分钟以下，圆满实现了本次 QC 活动的目标。（二）通过本次 QC 活动，历练了一支优秀的团队，本次 QC 课题开展后，电气试验四班 QC 小组成员在团队精神、工作热情、质量意识等各个方面都得到了极大的加强和提高，如表 10-1 所示。表 10-1 活动评分表 序号序号 项目项目 活动前（分）活动前（分）活动后（分）活动后（分）1 团队精神 4 5 2 质量意识 4 5 3 工作热情 3 5 4 QC 工具应用 4 5 5 创新意识 3 4 30 6 工作能力 4 5 图 10-1 小组自我评价雷达图 由图 10-1 可知，小组员工在创新意识方面取得长足进步，但仍有欠缺。（三）创新点（三）创新点 基于 APPID 可配置的报文转发装置的创新点如图 10-2 所示：图 10-2 基于 APPID 可配置的报文转发装置的创新点（四）下一步工作（四）下一步工作 目前数字化变电站存在大量的电磁辐射和信号干扰，为抑制系统的电磁干扰，提高基于 APPID 可配置的报文转发装置核心控制系统电磁兼容性，增强装置电磁干扰耐受性，下一步小组将通过对各种测试环境的综合考察，将 EMC 技术应用于基于 APPID 可配置的报文转发装置的 提升检定提升检定效率效率 可将可将1路路SMV报文拆分为报文拆分为412路路SMV报文转报文转发输出，可实现发输出，可实现412台数字测控装置的同时台数字测控装置的同时校验。校验。实 现 反 向实 现 反 向输入输入 可实现反向输入可实现反向输入4路光以太网，并通过相应配置实路光以太网，并通过相应配置实现现4路以太网到路以太网到1路以太网的合并输出路以太网的合并输出。可进行精可进行精确标定确标定 CPU具有硬件时戳功能具有硬件时戳功能，可以对外部脉冲以及以太网收发的时刻，可以对外部脉冲以及以太网收发的时刻进行精确标定，标定的误差最小仅有进行精确标定，标定的误差最小仅有1个单位的外设时钟周期既个单位的外设时钟周期既8个纳秒。个纳秒。3 4 5 团队精神团队精神 质量意识质量意识 工作热情工作热情 QC工具运用工具运用 创新意识创新意识 工作能力工作能力 QC活动前活动前 QC活动后活动后 31 控制系统中，研制基于 EMC 抗干扰能力的报文转发系统。（五）推广意义（五）推广意义 随着成都电网的迅速扩大，智能变电站的数量急剧增长，数字化测控装置的校验量也随之激增，生产形势日益严峻。本课题