基于NDJC系列機車高壓報警裝置的改進設計

梁慧麗

摘要：NDJC系列機車高壓報警裝置是由蘭州鐵路局蘭州西機務段研制的，主要安裝在該局所有內電機車上，用于相關作業操作人員登頂作業時判斷接觸網是否已斷電和高壓預警，減少高壓意外觸電事故發生。然而，NDJC系列機車高壓報警裝置在技術上存在著部分缺陷，導致該裝置后期維護不方便、功能單一、使用壽命短。本文提出了針對NDJC系列高壓報警裝置的一些改進方法。

關鍵詞：NDJC系列;高壓;報警;改進設計

1 引言

截止2019年，我國電氣化鐵路里程已超過10萬公里，躍居世界第一。近年，又新建通車了多條高鐵、動車組線路，隨著我國電氣化鐵路的快速延伸，如何運用科技手段，提供給用戶安全可靠的產品，貫徹“安全第一、預防為主、綜合治理”的安全生產方針，保障鐵路從業人員人身安全是鐵路裝備供應商的一大職責。

為滿足機車車輛高效運行的要求，機車檢修人員或乘務人員經常需要攀爬車頂作業，偶有在電氣化區段高壓人身傷害事故發生。為避免在電氣化區段高壓觸電事故發生，迫切需要研制一種安全可靠的車頂高壓預警系統，從技術手段上提醒或杜絕類似事故發生，給通往車頂的道路增加一道安全屏障。因此，涌現了多種機車車頂高壓報警裝置，本文針對蘭州西機務段研制的NDJC系列機車高壓報警裝置提出了一些改進設計方法。

2 NDJC系列高壓報警裝置簡介

2.1 組成結構

NDJC系列機車高壓報警裝置由高壓報警裝置主機、車頂高壓感應接收器、車頂門狀態檢測行程開關組成。圖1為該裝置外觀圖。

（1）主機安裝在機車車頂門梯附近，由機車蓄電池提供DC110V工作電源，檢測車頂接觸網帶電情況及車頂門開閉狀態，當輸入信號滿足報警條件時發出聲光報警，語音提示“有電危險，禁止攀登”，主機“有電”指示燈點亮。

（2）車頂高壓感應接收器安裝在機車車頂門附近縱軸線上，接收車頂高壓接觸網的電磁場信號，并傳送給車內主機進行識別。

（3）車頂門狀態檢測采用LX19系列行程開關，主機發出DC110V信號，通過行程開關常閉觸頭，車頂門關閉狀態下DC110V信號斷開，車頂門打開狀態下DC110V信號導通并送入主機，從而完成車頂門開閉狀態檢測功能。

2.2 工作原理

NDJC系列高壓報警裝置工作原理如圖2所示。當車頂高壓感應接收器接收到接觸網的電磁場信號，主機進行信號識別，若接觸網帶電，則進行濾波調整放大，驅動聲光報警，“有電”指示燈點亮，并發出報警提示音;若接觸網不帶電，則“無電”指示燈點亮。另外，當“自檢”按鈕按下，裝置也能發出聲光報警，可判斷裝置輸出部分工作是否良好。

3 幾點改進設計

通過現場檢修、安裝及試驗發現，NDJC系列車頂作業安全報警裝置主要存在著以下幾點問題：①采用了5節1.2V串聯的DC6V/1200mAh鎳鎘蓄電池組，未設計電池組安裝座，擠壓在電路板與外殼之間，容易造成電路板發熱，或晃動導致元件損壞，并且無電池充放電管理電路，外接DC110V電路接通后一直充電，影響電池的使用壽命，導致續航能力差，需要經常更新蓄電池。②未設置“檢測”功能，只有在操作者遺忘在高壓網下作業盲目登頂時才能報警，不能進行車頂接觸網帶電狀態測試。③裝置功能單一，無報警歷史記錄轉儲等功能，人機界面簡單。④通往車頂的安全屏障簡單，僅限于聲光報警。

針對上述問題，通過調研、試驗，對NDJC系列車頂作業安全報警裝置提出了以單片機為控制核心、改用性能更高的鋰電池做自備電源、設置高壓“檢測”功能、用數碼管動態顯示網壓、系統時間調用存儲查詢轉儲報警歷史記錄、智能電控鎖控制車頂門等改進措施。改進后的硬件結構如圖3所示。

3.1 電源改進

裝置外電源取自機車蓄電池前級，增加自動開關控制主機的得電，保證裝置時刻獲得工作電源。主機將DC110V電源變換成DC12V給模擬部分供電，再采用美國VICOR公司生產的DC-DC電源模塊將DC12V變換成DC3.3V穩壓電源供給微處理器系統工作。考慮到該系統應在切斷蓄電池的狀態下能正常工作，系統需自備DC3.3V/2000mA續航鋰電池，在系統外部電源正常時及時給鋰電池充電，使用TI公司生產的BQ2057鋰電池充放電管理芯片解決鋰電池過充等問題，提高鋰電池使用效率。并在電路板上設計鋰電池安裝座，保證電池的安裝方便牢固。

3.2 設置“檢測”功能

操作者登車頂作業前，按下“檢測”按鈕，進行車頂接觸網帶電狀況檢查，當車頂接觸網帶電時，發出聲光報警。“檢測”功能可直接使用獨立按鍵輸入單片機P00口，并通過軟件去抖方式消除按鍵抖動。程序流程如圖4所示。

3.3 基于單片機的數字功能設計

高壓感應接收器采集車頂網壓信號、鍵盤輸入采集用戶輸入功能選擇信號，經過信號識別、濾波、轉換，通過微處理器分析輸出相應的動作，數碼管顯示網壓值、調用實時時鐘記錄報警歷史信息。

網壓值由4位七段數碼管實時動態顯示，選用MAX7219芯片驅動，單片機IO口P10、P12作為MAX7219的串行數據輸入信號DIN端和時鐘信號CLK端，P11作為LOAD信號。網壓數碼顯示電路如圖5所示。

實時時鐘采用DS1302芯片，經過一個簡單的串行接口與單片機通信，實時提供年月日時分秒信息，與時鐘RAM通信只需3根線：復位RST、數據線IO和串行時鐘SCLK，使用32768Hz晶振，并接入補償電容，Vcc1為備用電源、Vcc2為主電源。實時時鐘芯片與微處理器連接電路如圖6所示。

3.4 增加車頂門電控鎖

車頂門上安裝電控鎖，接觸網帶電的情況下，通過技術手段鎖死車頂門，禁止高壓網下登頂作業。并在主機上設置“開鎖”鍵，登頂作業時，按下開鎖鍵，若接觸網不帶電，則電控鎖打開，否則鎖閉。

4 結論

通過以上改進設計，NDJC系列車頂作業安全報警裝置可具備更加豐富的功能，實現實時顯示接觸網壓信號、記錄歷史報警時間，并且增加“檢測”功能及電控鎖，增加了系統可靠性，電源改進設計，可大幅提高備用電池的使用壽命。綜上，以上改進措施能使車頂作業安全報警裝置更好地發揮作用，給乘務及檢修人員有效地增加了一道安全屏障。

參考文獻：

[1] 付家才.單片機控制工程實踐技術.化學工業出版社，2004.3，125-286

[2] 張毅剛，彭喜元.新編MCS-51單片機應用設計.哈爾濱工業大學出版社，2003.7，153-164