一种可视化智能防触电安全保护电子围栏设计与研究＊

张宗芳

（西安铁路职业技术学院机电工程学院，陕西 西安710026）

随着中国工业电气化的快速发展，对带电作业工作人员的安全保护成为社会共同关注的话题。调研发现，现有的防触电安全警示产品均属于警告型辅助安全用具，只能起到客观警示的作用，不能主动保护，且易受环境条件影响，防护效果有限。为此，项目团队设计制作一款可视化智能防触电安全保护电子围栏，设备以主动保护为特征，具有身份识别功能，能够通过指纹信息记录进入场地的作业人员信息，方便后期轨迹追踪，便于实现安全责任落实到人；智能化断电保护功能，当场地内无作业人员且有其他人员进入时，能够立即切断设备电源，从而对非作业人员进行主动的人身保护；工位联锁功能，两工位之间具备互锁功能，防止意外事故的发生。设备在主动保护、可视化、检测精度和可靠性等方面具有极大的优势，使其在市场中具有强大的竞争力[1-5]。

1 产品设计思路

在电力行业发展高度普及化的背景下，因误操作造成触电漏电事故的发生屡见不鲜。据统计，中国每年因用电设备和配电装置事故造成死亡的人数多达万人。因此，为了贯彻安全第一、预防为主的安全作业方针，目前亟待开发一种可视化智能防触电安全检测仪。

经调研目前现有的防触电报警产品有安全警示牌、智能语音提示器和近电报警器。这些产品有便携性高、使用范围广和操作方便等优势。但同时存在诸多缺陷：①不能实现实质性的断电保护。现有的产品只能进行警示牌提示和语音提示，当有人非法接触带电设备时，无法断电保护人身安全。②无法显示当前作业状态。安全警示牌只是静止提示潜在危险，其余产品是语言提醒，无法准确识别带电设备的用电状态。③无法识别作业人员的身份，不方便后期轨迹追踪，不便于实现安全责任落实到人。

针对上述问题，本文研发一款可视化智能防触电安全保护电子围栏。该产品主要由机械部分、单片机系统、电路部分、显示模块、传感器、供电系统等部分组成。此产品具有断电保护、身份识别、工位互锁、可视化、适用性强等功能，有效地解决了外来作业人员管理不严、电工无证上岗、违章作业的触电危险隐患。其核心优势体现在以下几点：①智能化身份识别。当作业人员上岗工作时，本产品可智能化识别作业人员信息，方便后期轨迹追踪，便于实现安全责任落实到人。②断电保护功能。当作业人员离开岗位，有非法人员进入带电区域后，系统通过传感器识别开启断电保护功能，避免了意外触电事故的发生。③工位联锁。两工位之间具备互锁功能，防止意外事故的发生。④可视化。能实时显示用电设备状态，不易受环境影响，警示性强。⑤适用性强。本产品使用于多场景，诸如变电所、工厂综合控制柜、铁道车辆电工检修车间等。综上所述，本产品具有非常强的实践应用意义[6-10]。产品实物如图1所示。

图1 产品实物图

2 产品设计原理

可视化智能防触电安全保护电子围栏主要面向铁路行业车辆电工、电力检修系统的作业，由电路部分、显示模块、单片机系统、供电系统和传感器等部件组成。显示模块主要采用MCGS嵌入式组态触摸屏，采用STM32单片机，传感器采用激光传感器类型来实现。其中，电子围栏与MCGS嵌入式组态触摸屏的供电为24V，STM32单片机与接口电路的供电为5V，电子围栏开关信号通过接口电路采样送入单片机通过RS232串口通讯电路将电子围栏状态送入显示屏。

2.1 STM32单片机

本项目中采用了意法半导体公司生产的STM32F103C8型32位单片机。该单片机的最高工作频率为72MHz，具有128KBFLASH程序存储器，20KB的SRAM存储器，该单片机具备丰富的I/O端口，包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含多达2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、1个USB接口和1个CAN接口，该款单片机具备省电模式，可满足低功耗应用的要求。

2.2 RS232串行通信接口

在本产品的设计中，为了进行数据通信和传送，采用RS-232标准串行数据接口，在RS-232接口设计中，有9个接脚（DB-9）和25个接脚（DB-25），分别称为COM1和COM2。具体电路接口如图2所示。

图2 RS232接口电路

2.3 MCGS嵌入式组态系统

在产品的嵌入式组态系统设计中，选用的是Modicon公司开发设计的一种通信传输协议Modbus，因为Modbus嵌入式组态系统设计在整个工业应用领域都非常广泛，比如在PLC、DCS、智能仪表等，也都用Modbus协议作为其通讯标准，MCGS嵌入式组态系统也支持RS232串口通信。

在Modbus协议中，分别对消息、数据的结构、命令和应答的方式都作了明确的规定，其数据通讯采用Maser/Slave方式，即通讯两方规定为“主站”（Master）和“从站”（Slave），主站是用来发送请求信息，从站用来接收信息，当其判断主站信息正确后，就会对主站信息作出相应的回复，主站根据从站信息提示修改主站信息。主站可向多个从站发送通信请求，而每个从站都有唯一的设备地址，并按地址识别主站发来的消息。其命令及响应过程如图3所示。

图3 Modbus主从站命令响应过程

从图3可以看出，主站是命令的发起方，可以向指定的从设备发送命令消息帧，要求从站进行寄存器区的数据读取或写入，这样的话，从站是被动接收主站命令，当其接到主站消息帧后，第一步先判断设备地址，如果信息是发给从站本身，就会依据根功能代码作出相关的响应，并按功能代码不同组成数据帧或操作回应帧，将信息返回给主站。但是如果不是本站地址，从站就会舍弃消息帧，进一步等待主站命令帧。主站发送命令帧后，接收回应帧正确，表明通讯响应过程完成。如果主站超出约定时间未收到从站的回应帧，则说明与从站通讯失败。如果主站所送命令帧从站无法识别，或从站无法满足主站的命令帧要求，例如，读取超出从站寄存地址范围的数据，则从站也将回应包含错误提示的消息帧，主站可根据错误提示，判断错误原因。

2.4 MCGS组态触摸屏系统

本系统采用的是TPC7062TX型组态触摸屏，该系统是一套以先进的Cortex-A8CPU为核心（主频600MHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏。该系统设计采用了7in（1in≈2.54cm）高亮度TFT液晶显示屏（分辨率800×480），四线电阻式触摸屏（分辨率4096×4096）。同时还预装了MCGS嵌入式组态软件（运行版），具备强大的图像显示和数据处理功能。具体的MCGS屏幕显示界面与接口电路如图4所示。

图4 TPC7062TX型组态触摸屏

2.5 可视化防触电安全保护电子围栏

可视化防触电安全保护电子围栏操作界面有启动界面、主界面、查看通信状态，观察“通信状态”文本框，根据列表判断系统通信状态如表1所示。

表1 通信状态表

3 产品设计总结

本文设计制作一款可视化智能防触电安全保护电子围栏，具有以下3个特点：①当检修人员不在岗的情况下，用电设备处于带电危险状态，在此期间如有无关人员接近用电设备，设备便会自行断电联锁保护，从根本上实现主动保护。②在检修人员按下按钮带电检修用电设备时，MCGS组态触摸屏上便会实时显示检修人员信息。带电和断电状态下实时显示用电器的状态信息，实现可视化。③激光对射系统可以监测到来者，并且分析是否需要进行断电保护，灵敏度高。