電力機車整備作業安全監控系統推廣運用的可行性分析

趙伯臣 上海鐵路局計統處

1 前言

隨著我局鐵路電氣化營業里程的擴大及電力機車大量配屬，特別是大功率和諧號電力機車投入運用，機車長交路、輪乘制的作業方式得到廣泛推廣，電力機車每個交路運行回庫后，必須在庫內進行保潔及機車上中下各部例行檢查、保養、維護、試驗等相關工作的整備作業，由于機車頂部是27.5 kV高壓電網，如何確保整備作業過程特別是登車頂檢修工作人員的人身安全和設備安全，已成為電力機務段必須考慮解決的主要問題。以上海南機務折返段機車整備作業為例，該段機車主要擔負滬昆、京滬線牽引任務，整備場有三個整備作業股道，其中兩股道為電力機車整備線，一股道為內燃整備線，每天擔負著近40多臺次電力機車的整備作業任務。

電力整備作業臺位的隔離開關采用人工分斷、人工掛接地線、檢修人員通過機車天窗攀登車頂作業的方式。機車進出作業區、隔離開關開閉、接地線掛撤、作業人員進出等各環節還是停留在人工發牌、簽字、點名的控制方式，仍須人工逐一確認。安全生產全部采用人工監護，存在著由于工作人員的疏忽、精神疲倦、聯系不周等人為因素造成事故安全隱患。針對電力機車整備作業傳統監控方法效率低、勞動強度大、安全控制難以保證等問題，路局機務、計統處與廣州鐵路科研所合作，運用系統綜合控制技術方案，設計了一套控制二股道電力整備作業線的機車作業安全監控系統，采用計算機遠程邏輯控制、IC卡門禁、工業自動化等技術，輔以視頻監控等手段，實現隔離開關的遠程操縱及作業人員實時安全控制，達到人機聯控確保人身和設備安全的目的。

2 電力機車作業安全控制系統實現的功能需求

影響電力機車整備作業安全的因素很多，如機車在整備作業線停放位置、機車受電弓升降狀態、隔離開關分合閘操作、地線掛撤過程、電網接地狀態、登頂作業方式、地勤及登頂作業人數統計監控等。在作業過程中如何對這些因素的有效嚴密控制是確保安全生產的保證，機車整備作業安全控制系統需要實現以下要求：

（1）把目前作業股道隔離開關分合閘的人工現場操作變為計算機遠程連鎖集中控制，使隔離開關操作人員遠離高壓設備，確保操作安全，特別是在霉雨季節條件下操作安全和降低勞動強度。

（2）把目前作業股道人工加設安全防護變為機械連鎖自動安全防護，有效警示機車不要闖入無電區。

（3）把目前人工掛撤接地線變為機械連鎖互鎖自動掛撤接地線，防止因操作失誤掛及忘撤接地線而造成觸電、短路事故，保證人身、設備安全和供電安全。

（4）把目前整備作業監控方式人控變為人機連鎖互控，防止因人員疲倦、聯系不周，操作不當，監控不到位而出現安全事故。

（5）設立專用登車頂作業通道，采用IC卡門禁技術實現作業人數統計和連鎖控制，把檢修人員攀爬機車天窗登頂模式變為走專用作業通道登頂模式，使登頂作業過程及人員得到有效控制。

（6）通過語音廣播實現作業過程的語音提示及系統故障信息提示。

（7）通過車頂視頻裝置，實現控制室人員對作業現場的實時監控。

（8）實現整備作業臺帳信息計算機網絡化管理，提高整備車間信息管理水平，有力保障整備檢修作業質量。

（9）實現故障導向安全導向設計，在系統運行過程中出現任何故障時，都能實現閉鎖控制，確保作業安全。

3 系統設計方案及構成

根據電力機車整備作業的要求，要實現整備作業過程中人身和設備的安全，最終體現在對隔離開關的分合閘控制以及電網的可靠接地和作業人員的實時檢測。課題研制開發的系統需具有在控制室便可實現對站場隔離開關分合閘的遠程控制，通過系統微機界面，便可一目了然地知道整備場每股道機車停放位置，機車受電弓的升降狀態、電網的分合閘狀態、電網接地狀態、登頂作業通道安全門開閉狀態、地勤及登頂作業人數統計等有關信息；通過微機連鎖和程序控制的方式，把影響人身和設備安全的各環節因素參與到隔離開關的分合閘操作的中去，實現人機安全聯控，達到對人身和設備的安全自動控制目的，并借助站場的視頻設備，實時監控整備作業活動情況。

為了實現上述功能要求，電力機車作業安全控制系統需建立六個子系統的支撐：

（1）隔離開關遠程微機連鎖集中控制子系統；

（2）作業股道自動防護控制子系統；

（3）電網掛撤地線自動控制子系統；

（4）登頂作業通道IC卡門禁控制子系統；

（5）作業語音提示控制子系統；

（6）整備場視頻監控子系統；

3.1 系統控制核心單元設計

為了在一套微機單元里實現對站場隔離開關、自動接地裝置、作業股道安全防護裝置、登頂作業通道門禁裝置及作業人員的有效控制，控制核心單元采用了主從工作站的模式，主站采用工業級的PC機作為本系統的上位機，利用其良好的人機對話界面和數據處理功能，實現對過程參數的監控、分析、統計、記錄、指令控制等處理工作。從站采用可編程控制器（PLC）作為下位機，利用PLC強大的邏輯編程控制以及直接的現場參數檢測能力，可靈活地實現站場控制參數的采集及控制指令的輸出。通過PC機的串口采用光纖隔離的方式實現與PLC之間的通信，充分發揮PLC可靠、靈活的控制性能和計算機在管理、監控等方面的優勢，提高系統的整體自動化程度。系統控制核心單元設計構成如圖1所示。

圖1 系統控制核心單元結構圖

采用主從工作站方式進行系統設計，從站以PLC為核心控制單元管理一個股道的整備作業控制，主從站設備通過PROFIBUS網絡協議進行通信，一個網絡段上最多可以連接32臺PLC設備，相當于利用一臺工業PC機直接可以控制具有32條作業線的整備庫。對于系統設計來說，只需開發一套上位機控制界面和一套下位機控制程序便可以實現多股道獨立控制，類似于搭積木的方式便可以簡單實現多股道站場控制，這樣大大降低了系統的開發難度，并且由于各股道的控制單元是獨立工作，增強了系統的工作可靠性。在上海南機務折返段整備場只有兩個作業股道，采用了兩臺PLC作為控制單元設計。

主站計算機控制界面做到直觀反映整備場各種控制對象，一目了然地顯示機車在作業臺位停放位置、隔離開關電網的分合閘狀態、接地裝置和防護裝置的動作狀態、電網接地狀態、地勤及登車頂作業人數、登車頂作業通道安全門開閉狀態以及系統故障信息，相關的操作按鈕符號等。控制界面設計采用了工業組態軟件進行開發，利用組態軟件靈活的圖形動畫設計功能，很好地實現了機車整備場各中設備的圖符顯示。圖2為上海南機務折返段作業安全監控系統控制界面。

圖2 系統控制界面

3.2 登頂作業通道IC卡門禁管理子系統設計

在目前大多數電力機務段機車整備登頂作業時，主要還是通過攀爬機車天窗進行車頂作業，該方式存在嚴重的安全隱患，一是機車天窗的鑰匙管理難度大，監控不到位容易誤爬相臨股道機車天窗而造成人員觸電事故；二是機車天窗窄小不便于攜帶工具配件進行登頂維修作業；三是登車頂作業人數及人身安全監控難度大。為了解決以上問題，本系統專門設計了登車頂作業專用通道，在登頂通道上設立了電控安全門，由IC卡門禁單元控制，該控制單元由后臺主站計算機控制管理，只有在作業股道隔離開關分閘到位，電網接地良好的情況下，刷專用登頂卡才能打開攀登車頂，這種控制模式很好地實現了登頂作業通道唯一性控制以及登車頂人數的統計監控。圖3為登車頂作業通道。

IC卡門禁控制單元由電控安全門、門禁控制器、讀卡器、主站計算機及控制軟件組成。

IC卡分監護卡、登頂作業卡登記卡、地勤作業登記卡三種，監護卡由監護員保管使用，只具有控制接地裝置掛撤接地線功能，登頂作業登記卡只具有刷卡打開電控安全門登頂作業功能，地勤作業登記卡只具有地勤作業登記和消號功能，各卡的職能分工明確，權限區分。作業人員數據庫采用SQL-Sever開發，便于人員添加及維護和查詢。IC卡控制軟件和工業組態軟件同在主站PC機上運行，他們之間的數據交互采用“OPC”方式進行。

圖3 登頂作業通道及IC卡門禁控制單元

3.3 電網自動接地子系統設計

機車整備作業臺位電網的有效接地是防止登頂作業人員觸電事故發生的關鍵環節，當電力機車在庫內作業時，隔離開關分閘后必須人工掛接地線，整備作業完畢，隔離開關合閘前，必須人工撤除地線。由于在隔離開關的操作過程中，操作者疏忽大意，違反操作程序，隔離開關監護員又未能認真履行監護職能，時有出現未進行隔離開關分閘操作便去掛接地線；作業完畢后未先拆除地線，便進行隔離開關合閘操作。這些違章操作，輕則造成變電所跳閘，燒損接地線及隔離開關接地刀，影響正常的行車秩序；重則造成操作者觸電傷亡事故。為杜絕上述事故的發生，在本系統中設計了隔離開關自動接地裝置，該裝置由電機驅動機構、機械臂、接地刀、接地檢測單元組成，每個作業股道對應一臺接地裝置，通過刷IC卡的方式進行控制，實現機械掛撤地線的操作以及接地機構與隔離開關嚴密邏輯控制，一方面使操作人遠離高壓區，另一方面有效杜絕了誤動造成“放炮”事故的發生。

自動接地裝置除了具有實現機械掛撤地線的功能外，還必須具有對電網接地是否良好可靠進行有效的監測，并把檢測信息反饋到后臺計算機進行邏輯控制，使系統決定是否輸出登頂作業通道開放指令，允許作業人員登頂作業。接地檢測單元設計原理如圖4所示。

圖4 接地檢測原理圖

當接地刀緊壓電網時，24 V的低壓檢測信號通過檢測線和主接地線構成閉合回路，接地檢測模塊輸出接地狀態信息給從站的PLC的輸入端口，實現了判斷接地線的狀態是否真正接地、斷開。

4 實際使用和推廣可行性

上海南機務折返段設計開發的電力機車整備作業安全監控系統，于2011年8月正式投入使用，經過近一年使用該系統穩定可靠。系統的應用改變了上海南機務折返段傳統以來對整備作業場隔離開關的管理及機車整備作業的監護模式，有效地解決了以往機務段整備作業過程中的安全生產問題，真正實現了以科技保安全的目的，在鐵路安全生產中發揮了作用。為此，路局計統處在2011年底分別對上海機務段電力機車整備場、杭州機務段喬司電力機車整備場、南京東機務段電力機車整備場立項進行推廣應用。