一種可視化智能防觸電安全保護電子圍欄設計與研究＊

張宗芳

（西安鐵路職業技術學院機電工程學院，陜西 西安710026）

隨著中國工業電氣化的快速發展，對帶電作業工作人員的安全保護成為社會共同關注的話題。調研發現，現有的防觸電安全警示產品均屬于警告型輔助安全用具，只能起到客觀警示的作用，不能主動保護，且易受環境條件影響，防護效果有限。為此，項目團隊設計制作一款可視化智能防觸電安全保護電子圍欄，設備以主動保護為特征，具有身份識別功能，能夠通過指紋信息記錄進入場地的作業人員信息，方便后期軌跡追蹤，便于實現安全責任落實到人；智能化斷電保護功能，當場地內無作業人員且有其他人員進入時，能夠立即切斷設備電源，從而對非作業人員進行主動的人身保護；工位聯鎖功能，兩工位之間具備互鎖功能，防止意外事故的發生。設備在主動保護、可視化、檢測精度和可靠性等方面具有極大的優勢，使其在市場中具有強大的競爭力[1-5]。

1 產品設計思路

在電力行業發展高度普及化的背景下，因誤操作造成觸電漏電事故的發生屢見不鮮。據統計，中國每年因用電設備和配電裝置事故造成死亡的人數多達萬人。因此，為了貫徹安全第一、預防為主的安全作業方針，目前亟待開發一種可視化智能防觸電安全檢測儀。

經調研目前現有的防觸電報警產品有安全警示牌、智能語音提示器和近電報警器。這些產品有便攜性高、使用范圍廣和操作方便等優勢。但同時存在諸多缺陷：①不能實現實質性的斷電保護。現有的產品只能進行警示牌提示和語音提示，當有人非法接觸帶電設備時，無法斷電保護人身安全。②無法顯示當前作業狀態。安全警示牌只是靜止提示潛在危險，其余產品是語言提醒，無法準確識別帶電設備的用電狀態。③無法識別作業人員的身份，不方便后期軌跡追蹤，不便于實現安全責任落實到人。

針對上述問題，本文研發一款可視化智能防觸電安全保護電子圍欄。該產品主要由機械部分、單片機系統、電路部分、顯示模塊、傳感器、供電系統等部分組成。此產品具有斷電保護、身份識別、工位互鎖、可視化、適用性強等功能，有效地解決了外來作業人員管理不嚴、電工無證上崗、違章作業的觸電危險隱患。其核心優勢體現在以下幾點：①智能化身份識別。當作業人員上崗工作時，本產品可智能化識別作業人員信息，方便后期軌跡追蹤，便于實現安全責任落實到人。②斷電保護功能。當作業人員離開崗位，有非法人員進入帶電區域后，系統通過傳感器識別開啟斷電保護功能，避免了意外觸電事故的發生。③工位聯鎖。兩工位之間具備互鎖功能，防止意外事故的發生。④可視化。能實時顯示用電設備狀態，不易受環境影響，警示性強。⑤適用性強。本產品使用于多場景，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，本產品具有非常強的實踐應用意義[6-10]。產品實物如圖1所示。

圖1 產品實物圖

2 產品設計原理

可視化智能防觸電安全保護電子圍欄主要面向鐵路行業車輛電工、電力檢修系統的作業，由電路部分、顯示模塊、單片機系統、供電系統和傳感器等部件組成。顯示模塊主要采用MCGS嵌入式組態觸摸屏，采用STM32單片機，傳感器采用激光傳感器類型來實現。其中，電子圍欄與MCGS嵌入式組態觸摸屏的供電為24V，STM32單片機與接口電路的供電為5V，電子圍欄開關信號通過接口電路采樣送入單片機通過RS232串口通訊電路將電子圍欄狀態送入顯示屏。

2.1 STM32單片機

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

2.2 RS232串行通信接口

在本產品的設計中，為了進行數據通信和傳送，采用RS-232標準串行數據接口，在RS-232接口設計中，有9個接腳（DB-9）和25個接腳（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嵌入式組態系統

在產品的嵌入式組態系統設計中，選用的是Modicon公司開發設計的一種通信傳輸協議Modbus，因為Modbus嵌入式組態系統設計在整個工業應用領域都非常廣泛，比如在PLC、DCS、智能儀表等，也都用Modbus協議作為其通訊標準，MCGS嵌入式組態系統也支持RS232串口通信。

在Modbus協議中，分別對消息、數據的結構、命令和應答的方式都作了明確的規定，其數據通訊采用Maser/Slave方式，即通訊兩方規定為“主站”（Master）和“從站”（Slave），主站是用來發送請求信息，從站用來接收信息，當其判斷主站信息正確后，就會對主站信息作出相應的回復，主站根據從站信息提示修改主站信息。主站可向多個從站發送通信請求，而每個從站都有唯一的設備地址，并按地址識別主站發來的消息。其命令及響應過程如圖3所示。

圖3 Modbus主從站命令響應過程

從圖3可以看出，主站是命令的發起方，可以向指定的從設備發送命令消息幀，要求從站進行寄存器區的數據讀取或寫入，這樣的話，從站是被動接收主站命令，當其接到主站消息幀后，第一步先判斷設備地址，如果信息是發給從站本身，就會依據根功能代碼作出相關的響應，并按功能代碼不同組成數據幀或操作回應幀，將信息返回給主站。但是如果不是本站地址，從站就會舍棄消息幀，進一步等待主站命令幀。主站發送命令幀后，接收回應幀正確，表明通訊響應過程完成。如果主站超出約定時間未收到從站的回應幀，則說明與從站通訊失敗。如果主站所送命令幀從站無法識別，或從站無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據，則從站也將回應包含錯誤提示的消息幀，主站可根據錯誤提示，判斷錯誤原因。

2.4 MCGS組態觸摸屏系統

本系統采用的是TPC7062TX型組態觸摸屏，該系統是一套以先進的Cortex-A8CPU為核心（主頻600MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該系統設計采用了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）。同時還預裝了MCGS嵌入式組態軟件（運行版），具備強大的圖像顯示和數據處理功能。具體的MCGS屏幕顯示界面與接口電路如圖4所示。

圖4 TPC7062TX型組態觸摸屏

2.5 可視化防觸電安全保護電子圍欄

可視化防觸電安全保護電子圍欄操作界面有啟動界面、主界面、查看通信狀態，觀察“通信狀態”文本框，根據列表判斷系統通信狀態如表1所示。

表1 通信狀態表

3 產品設計總結

本文設計制作一款可視化智能防觸電安全保護電子圍欄，具有以下3個特點：①當檢修人員不在崗的情況下，用電設備處于帶電危險狀態，在此期間如有無關人員接近用電設備，設備便會自行斷電聯鎖保護，從根本上實現主動保護。②在檢修人員按下按鈕帶電檢修用電設備時，MCGS組態觸摸屏上便會實時顯示檢修人員信息。帶電和斷電狀態下實時顯示用電器的狀態信息，實現可視化。③激光對射系統可以監測到來者，并且分析是否需要進行斷電保護，靈敏度高。