一種可視化智能防觸電安全保護(hù)電子圍欄設(shè)計(jì)與研究＊

張宗芳

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安710026）

隨著中國(guó)工業(yè)電氣化的快速發(fā)展，對(duì)帶電作業(yè)工作人員的安全保護(hù)成為社會(huì)共同關(guān)注的話題。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的防觸電安全警示產(chǎn)品均屬于警告型輔助安全用具，只能起到客觀警示的作用，不能主動(dòng)保護(hù)，且易受環(huán)境條件影響，防護(hù)效果有限。為此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制作一款可視化智能防觸電安全保護(hù)電子圍欄，設(shè)備以主動(dòng)保護(hù)為特征，具有身份識(shí)別功能，能夠通過(guò)指紋信息記錄進(jìn)入場(chǎng)地的作業(yè)人員信息，方便后期軌跡追蹤，便于實(shí)現(xiàn)安全責(zé)任落實(shí)到人；智能化斷電保護(hù)功能，當(dāng)場(chǎng)地內(nèi)無(wú)作業(yè)人員且有其他人員進(jìn)入時(shí)，能夠立即切斷設(shè)備電源，從而對(duì)非作業(yè)人員進(jìn)行主動(dòng)的人身保護(hù)；工位聯(lián)鎖功能，兩工位之間具備互鎖功能，防止意外事故的發(fā)生。設(shè)備在主動(dòng)保護(hù)、可視化、檢測(cè)精度和可靠性等方面具有極大的優(yōu)勢(shì)，使其在市場(chǎng)中具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力[1-5]。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路

在電力行業(yè)發(fā)展高度普及化的背景下，因誤操作造成觸電漏電事故的發(fā)生屢見不鮮。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年因用電設(shè)備和配電裝置事故造成死亡的人數(shù)多達(dá)萬(wàn)人。因此，為了貫徹安全第一、預(yù)防為主的安全作業(yè)方針，目前亟待開發(fā)一種可視化智能防觸電安全檢測(cè)儀。

經(jīng)調(diào)研目前現(xiàn)有的防觸電報(bào)警產(chǎn)品有安全警示牌、智能語(yǔ)音提示器和近電報(bào)警器。這些產(chǎn)品有便攜性高、使用范圍廣和操作方便等優(yōu)勢(shì)。但同時(shí)存在諸多缺陷：①不能實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的斷電保護(hù)?，F(xiàn)有的產(chǎn)品只能進(jìn)行警示牌提示和語(yǔ)音提示，當(dāng)有人非法接觸帶電設(shè)備時(shí)，無(wú)法斷電保護(hù)人身安全。②無(wú)法顯示當(dāng)前作業(yè)狀態(tài)。安全警示牌只是靜止提示潛在危險(xiǎn)，其余產(chǎn)品是語(yǔ)言提醒，無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別帶電設(shè)備的用電狀態(tài)。③無(wú)法識(shí)別作業(yè)人員的身份，不方便后期軌跡追蹤，不便于實(shí)現(xiàn)安全責(zé)任落實(shí)到人。

針對(duì)上述問題，本文研發(fā)一款可視化智能防觸電安全保護(hù)電子圍欄。該產(chǎn)品主要由機(jī)械部分、單片機(jī)系統(tǒng)、電路部分、顯示模塊、傳感器、供電系統(tǒng)等部分組成。此產(chǎn)品具有斷電保護(hù)、身份識(shí)別、工位互鎖、可視化、適用性強(qiáng)等功能，有效地解決了外來(lái)作業(yè)人員管理不嚴(yán)、電工無(wú)證上崗、違章作業(yè)的觸電危險(xiǎn)隱患。其核心優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①智能化身份識(shí)別。當(dāng)作業(yè)人員上崗工作時(shí)，本產(chǎn)品可智能化識(shí)別作業(yè)人員信息，方便后期軌跡追蹤，便于實(shí)現(xiàn)安全責(zé)任落實(shí)到人。②斷電保護(hù)功能。當(dāng)作業(yè)人員離開崗位，有非法人員進(jìn)入帶電區(qū)域后，系統(tǒng)通過(guò)傳感器識(shí)別開啟斷電保護(hù)功能，避免了意外觸電事故的發(fā)生。③工位聯(lián)鎖。兩工位之間具備互鎖功能，防止意外事故的發(fā)生。④可視化。能實(shí)時(shí)顯示用電設(shè)備狀態(tài)，不易受環(huán)境影響，警示性強(qiáng)。⑤適用性強(qiáng)。本產(chǎn)品使用于多場(chǎng)景，諸如變電所、工廠綜合控制柜、鐵道車輛電工檢修車間等。綜上所述，本產(chǎn)品具有非常強(qiáng)的實(shí)踐應(yīng)用意義[6-10]。產(chǎn)品實(shí)物如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品實(shí)物圖

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理

可視化智能防觸電安全保護(hù)電子圍欄主要面向鐵路行業(yè)車輛電工、電力檢修系統(tǒng)的作業(yè)，由電路部分、顯示模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和傳感器等部件組成。顯示模塊主要采用MCGS嵌入式組態(tài)觸摸屏，采用STM32單片機(jī)，傳感器采用激光傳感器類型來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，電子圍欄與MCGS嵌入式組態(tài)觸摸屏的供電為24V，STM32單片機(jī)與接口電路的供電為5V，電子圍欄開關(guān)信號(hào)通過(guò)接口電路采樣送入單片機(jī)通過(guò)RS232串口通訊電路將電子圍欄狀態(tài)送入顯示屏。

2.1 STM32單片機(jī)

本項(xiàng)目中采用了意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103C8型32位單片機(jī)。該單片機(jī)的最高工作頻率為72MHz，具有128KBFLASH程序存儲(chǔ)器，20KB的SRAM存儲(chǔ)器，該單片機(jī)具備豐富的I/O端口，包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，還包含多達(dá)2個(gè)I2C接口和SPI接口、3個(gè)USART接口、1個(gè)USB接口和1個(gè)CAN接口，該款單片機(jī)具備省電模式，可滿足低功耗應(yīng)用的要求。

2.2 RS232串行通信接口

在本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，為了進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和傳送，采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù)接口，在RS-232接口設(shè)計(jì)中，有9個(gè)接腳（DB-9）和25個(gè)接腳（DB-25），分別稱為COM1和COM2。具體電路接口如圖2所示。

圖2 RS232接口電路

2.3 MCGS嵌入式組態(tài)系統(tǒng)

在產(chǎn)品的嵌入式組態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用的是Modicon公司開發(fā)設(shè)計(jì)的一種通信傳輸協(xié)議Modbus，因?yàn)镸odbus嵌入式組態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在整個(gè)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域都非常廣泛，比如在PLC、DCS、智能儀表等，也都用Modbus協(xié)議作為其通訊標(biāo)準(zhǔn)，MCGS嵌入式組態(tài)系統(tǒng)也支持RS232串口通信。

在Modbus協(xié)議中，分別對(duì)消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)答的方式都作了明確的規(guī)定，其數(shù)據(jù)通訊采用Maser/Slave方式，即通訊兩方規(guī)定為“主站”（Master）和“從站”（Slave），主站是用來(lái)發(fā)送請(qǐng)求信息，從站用來(lái)接收信息，當(dāng)其判斷主站信息正確后，就會(huì)對(duì)主站信息作出相應(yīng)的回復(fù)，主站根據(jù)從站信息提示修改主站信息。主站可向多個(gè)從站發(fā)送通信請(qǐng)求，而每個(gè)從站都有唯一的設(shè)備地址，并按地址識(shí)別主站發(fā)來(lái)的消息。其命令及響應(yīng)過(guò)程如圖3所示。

圖3 Modbus主從站命令響應(yīng)過(guò)程

從圖3可以看出，主站是命令的發(fā)起方，可以向指定的從設(shè)備發(fā)送命令消息幀，要求從站進(jìn)行寄存器區(qū)的數(shù)據(jù)讀取或?qū)懭耄@樣的話，從站是被動(dòng)接收主站命令，當(dāng)其接到主站消息幀后，第一步先判斷設(shè)備地址，如果信息是發(fā)給從站本身，就會(huì)依據(jù)根功能代碼作出相關(guān)的響應(yīng)，并按功能代碼不同組成數(shù)據(jù)幀或操作回應(yīng)幀，將信息返回給主站。但是如果不是本站地址，從站就會(huì)舍棄消息幀，進(jìn)一步等待主站命令幀。主站發(fā)送命令幀后，接收回應(yīng)幀正確，表明通訊響應(yīng)過(guò)程完成。如果主站超出約定時(shí)間未收到從站的回應(yīng)幀，則說(shuō)明與從站通訊失敗。如果主站所送命令幀從站無(wú)法識(shí)別，或從站無(wú)法滿足主站的命令幀要求，例如，讀取超出從站寄存地址范圍的數(shù)據(jù)，則從站也將回應(yīng)包含錯(cuò)誤提示的消息幀，主站可根據(jù)錯(cuò)誤提示，判斷錯(cuò)誤原因。

2.4 MCGS組態(tài)觸摸屏系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用的是TPC7062TX型組態(tài)觸摸屏，該系統(tǒng)是一套以先進(jìn)的Cortex-A8CPU為核心（主頻600MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了7in（1in≈2.54cm）高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率800×480），四線電阻式觸摸屏（分辨率4096×4096）。同時(shí)還預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件（運(yùn)行版），具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。具體的MCGS屏幕顯示界面與接口電路如圖4所示。

圖4 TPC7062TX型組態(tài)觸摸屏

2.5 可視化防觸電安全保護(hù)電子圍欄

可視化防觸電安全保護(hù)電子圍欄操作界面有啟動(dòng)界面、主界面、查看通信狀態(tài)，觀察“通信狀態(tài)”文本框，根據(jù)列表判斷系統(tǒng)通信狀態(tài)如表1所示。

表1 通信狀態(tài)表

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)總結(jié)

本文設(shè)計(jì)制作一款可視化智能防觸電安全保護(hù)電子圍欄，具有以下3個(gè)特點(diǎn)：①當(dāng)檢修人員不在崗的情況下，用電設(shè)備處于帶電危險(xiǎn)狀態(tài)，在此期間如有無(wú)關(guān)人員接近用電設(shè)備，設(shè)備便會(huì)自行斷電聯(lián)鎖保護(hù)，從根本上實(shí)現(xiàn)主動(dòng)保護(hù)。②在檢修人員按下按鈕帶電檢修用電設(shè)備時(shí)，MCGS組態(tài)觸摸屏上便會(huì)實(shí)時(shí)顯示檢修人員信息。帶電和斷電狀態(tài)下實(shí)時(shí)顯示用電器的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)可視化。③激光對(duì)射系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到來(lái)者，并且分析是否需要進(jìn)行斷電保護(hù)，靈敏度高。