【高壓安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)10000字（論文）】

高壓安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要機(jī)車檢修工作中安全是至關(guān)重要的，安全監(jiān)控系統(tǒng)作為保證動(dòng)車組檢修安全的關(guān)鍵設(shè)備，顯得尤為重要。為機(jī)車檢修工作提供設(shè)備的安全保障。為了解決上述存在的安全隱患問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在調(diào)試工部機(jī)車高壓試驗(yàn)區(qū)設(shè)置一套高壓安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，在三條高壓接觸網(wǎng)車頂高度位置設(shè)置人體紅外探測(cè)器，通過(guò)人體紅外探測(cè)器檢測(cè)到的人體信號(hào)，發(fā)出相應(yīng)的執(zhí)行命令，來(lái)控制牽引供電開(kāi)閉所斷路器的分?jǐn)嗖?bào)警，使接觸網(wǎng)失電，保護(hù)人身安全。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多種感應(yīng)器，可實(shí)時(shí)感知試驗(yàn)人員的位置，同時(shí)結(jié)合高壓試驗(yàn)安全操作流程，控制高壓電源繼電器開(kāi)閘與合閘，從而實(shí)現(xiàn)安全防范的目標(biāo)?！娟P(guān)鍵詞】高壓；機(jī)車；安全系統(tǒng)；報(bào)警目錄1引言 11.1研究背景 11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3本文的研究?jī)?nèi)容 42設(shè)計(jì)方案 42.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容 42.2安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、功能及其設(shè)備布置 52.3系統(tǒng)防護(hù)措施 73系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 73.1高壓檢測(cè)原理 73.2報(bào)警顯示系統(tǒng)原理 84硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 94.1信號(hào)處理電路模塊 94.2電源管理模塊 114.3語(yǔ)音報(bào)警模塊 124.4微處理器單元微處理器 125軟件的設(shè)計(jì) 135.1高壓信號(hào)檢測(cè)模塊 145.2自檢中斷模塊 146試驗(yàn)測(cè)試 156.1天線信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn) 156.2溫度環(huán)境影響測(cè)試試驗(yàn) 16結(jié)論 17參考文獻(xiàn) 191引言1.1研究背景在企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，安全生產(chǎn)一直是企業(yè)生產(chǎn)的重中之重，而在生產(chǎn)過(guò)程中，人在危險(xiǎn)時(shí)刻的判斷和操作往往是滯后的、不可靠的。操作人員面臨生命危險(xiǎn)時(shí)，在60s內(nèi)做出的錯(cuò)誤反應(yīng)決策的概率高達(dá)99.9%。因此，為保證安全生產(chǎn)，防止誤操作、誤指揮而造成的傷害事故，設(shè)置獨(dú)立于生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖十分必要,這是安全生產(chǎn)的重要準(zhǔn)則。在機(jī)車檢修過(guò)程中，立體交叉作業(yè)區(qū)域由于現(xiàn)場(chǎng)人、物集中，環(huán)境復(fù)雜，情況多變，往往容易發(fā)生安全事故，不能一味地依靠人的意識(shí)以及管理來(lái)保障安全，除了操作人員遵守操作規(guī)程、提高安全意識(shí)外，應(yīng)設(shè)置必要的安全聯(lián)鎖裝置，防止發(fā)生意外及安全事故。車頂作業(yè)流程：正確穿戴勞保著裝。應(yīng)穿規(guī)定工作服，褲腿不能搭地；佩戴安全帽并系掛繩；穿絕緣鞋。工長(zhǎng)盯崗。車頂作業(yè)過(guò)程工長(zhǎng)或副工長(zhǎng)全程盯控、精力集中；作業(yè)前盯控人員必須確認(rèn)作業(yè)者精神狀態(tài)良好、著裝正確、確認(rèn)機(jī)車停留于安全作業(yè)區(qū)域、確認(rèn)作業(yè)機(jī)車及聯(lián)掛機(jī)車未升弓、確認(rèn)機(jī)車防溜正常方可安排進(jìn)行申請(qǐng)斷電。斷電申請(qǐng)和斷電操作。按照“天窗”登頂方式下規(guī)定進(jìn)行。驗(yàn)電。由車頂作業(yè)人員驗(yàn)電。開(kāi)安全門。驗(yàn)電完畢，掛好隔離天關(guān)操作端接地線，將隔離天關(guān)操作機(jī)構(gòu)鎖鑰匙鎖在隔離天關(guān)操作端接地桿鎖上，打開(kāi)非操作端接地桿鎖，掛好非操作端接地線。取下安全門鎖鑰匙，并將隔離開(kāi)關(guān)操作端接地桿鎖鑰匙鎖于非操作端接地桿鎖上。受電弓專檢人員（HX型機(jī)車濾網(wǎng)拆裝專職人員）在隔離天關(guān)操作手柄上掛好個(gè)人作業(yè)名牌、隨身攜帶非操作端接地線桿鎖鑰匙，監(jiān)護(hù)員打開(kāi)安全門。再次確認(rèn)兩端接地線正常、與工長(zhǎng)在安全門處呼喚應(yīng)答后進(jìn)門。作業(yè)。作業(yè)保持精力集中，禁止與他人閑聊，站穩(wěn)抓牢。安全帶必有懸掛于接觸網(wǎng)上，必須扎緊工作服、雨衣。在車頂換端進(jìn)行作業(yè)時(shí)，必須從車頂中部通行，同時(shí)執(zhí)行“腳不站穩(wěn)不邁步，注意腳下冰雪滑；車上不穿帶釘鞋，移動(dòng)不離把桿抓”的相關(guān)規(guī)定。作業(yè)過(guò)程需臨時(shí)登頂，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行斷電申請(qǐng)。關(guān)門。車頂作業(yè)人員作業(yè)完畢后，監(jiān)護(hù)員與車頂作業(yè)人員一起確認(rèn)車頂無(wú)任何其它異狀符合合閘條件后，監(jiān)護(hù)員關(guān)安全門。合閘。合閘前，受電弓專檢人員和工長(zhǎng)確認(rèn)作業(yè)完畢、作業(yè)人員全部撤下作業(yè)平臺(tái)后，分別取出隔離天關(guān)操作手柄上個(gè)人作業(yè)名牌，負(fù)責(zé)按規(guī)定申請(qǐng)合閘，合閘操作過(guò)程中，受電弓專檢人員確認(rèn)監(jiān)護(hù)員將安全門鑰匙鎖于相應(yīng)股道非操作端接地桿鎖鼻子中。記錄。車頂作業(yè)人員與隔離開(kāi)關(guān)操作員一起到監(jiān)護(hù)員處輸合閘申請(qǐng)，車頂作業(yè)人員填寫《隔離開(kāi)關(guān)操作工作票》上相關(guān)內(nèi)容，隔離開(kāi)關(guān)操作員填寫《隔離開(kāi)關(guān)操作工作票》上相關(guān)內(nèi)容，監(jiān)護(hù)員將工作票正本（白票）交車頂作業(yè)人員，副本由監(jiān)護(hù)員保存。記錄應(yīng)填寫完整時(shí)間。電氣工部硅機(jī)組均流均壓試驗(yàn)、耐壓區(qū)為高壓危險(xiǎn)區(qū)域，雖然在工藝布置時(shí)，已進(jìn)行過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是在硅機(jī)組均流均壓試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)的過(guò)程中，存在天車吊物作業(yè)從高壓危險(xiǎn)區(qū)域通過(guò)，容易發(fā)生墜物及其他安全事故。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1機(jī)車電力設(shè)備監(jiān)測(cè)方法的發(fā)展為提高電力設(shè)備的可靠性，國(guó)際上早期采用的是事后維修。美國(guó)在20世紀(jì)40年代、日本在20世紀(jì)50年代曾經(jīng)改用定期維修，它雖對(duì)提高設(shè)備可靠性起了一定的作用，但仍存在以下缺點(diǎn):1)電力設(shè)備必須停止運(yùn)行，停電以進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè);2)停電后設(shè)備狀態(tài)(如電壓、溫度)與運(yùn)行中不相符合，造成測(cè)量和判斷的偏差;3)定期檢查不是實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，而故障有可能發(fā)生在試驗(yàn)的間隔期，即不能保證實(shí)時(shí)性;4)沒(méi)有充分考慮設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)，以致于出現(xiàn)不必要的停機(jī)，造成了經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)，而拆卸過(guò)多也會(huì)對(duì)設(shè)備造成損耗。美國(guó)通用公司等在20世紀(jì)50年代，已經(jīng)提出從以時(shí)間為基準(zhǔn)的維修方式發(fā)展到以狀態(tài)為基準(zhǔn)的維修方式，即狀態(tài)維修，它是以在線監(jiān)測(cè)和故障診斷為基礎(chǔ)的。然而由于當(dāng)時(shí)工業(yè)技術(shù)水平的限制，生產(chǎn)運(yùn)行環(huán)境中又存在許多電磁干擾，能夠監(jiān)測(cè)的特征量和設(shè)備狀態(tài)不完全吻合。直到20世紀(jì)80年代，現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)得到迅速發(fā)展。1.2.2高壓電壓互感器檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展20世紀(jì)80年代，湖南大學(xué)及沈陽(yáng)變壓器研究所對(duì)高壓互感器的可靠性試驗(yàn)與運(yùn)行維護(hù)進(jìn)行了研究，由于技術(shù)的局限，只進(jìn)行理論研究，列出了互感器FMEA表并進(jìn)行了故障分析。之后在被診斷的設(shè)備內(nèi)裝上BIT(BuiltInTest-內(nèi)裝測(cè)試器)和ATE(AutomatedTestEquipment一自動(dòng)測(cè)試設(shè)備)，以便進(jìn)行自動(dòng)診斷。由于這種診斷方式會(huì)有高達(dá)30%的誤診率，互感器的維修方式由之前的定期檢修發(fā)展成目前的定量狀態(tài)預(yù)測(cè)維修。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，多采用以下幾種方法:(1)氣相色譜分析法氣相色譜法最早于1952年，由James和Martin提出，根據(jù)互感器油在熱和電的作用下逐漸老化和分解的原理，以分析油中溶解氣體，來(lái)發(fā)現(xiàn)早期故障。如1977年羅杰斯提出選擇5種特征氣體的4個(gè)相對(duì)比值CH4/從，qH6/CZ從，qHz/CZ從，qHZ/q從來(lái)進(jìn)行故障診斷。較早進(jìn)入國(guó)內(nèi)的加拿大Hydran201i檢測(cè)器也是監(jiān)測(cè)變壓器油中溶解氣體的體積分?jǐn)?shù)。1981年，日本關(guān)西電力和三菱電機(jī)公司采用色譜分離技術(shù)研制出了變壓器油中氣體自動(dòng)分析裝置，并投入現(xiàn)場(chǎng)試用，可在線監(jiān)測(cè)油中永久性氣體和烴類氣體等11種組分含量變化，并以氣體的各項(xiàng)指標(biāo)顯示分析結(jié)果。國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，1995年，清華大學(xué)張燕紅、郭永基在國(guó)內(nèi)第一次實(shí)現(xiàn)了高壓互感器在線故障監(jiān)測(cè)透氣裝置，用高分子膜進(jìn)行了高壓互感器油中溶解氣體透氣特性的大量實(shí)驗(yàn)研究，研究表明，高分子膜能將油中溶解氣體分離。通過(guò)氣敏傳感器對(duì)分離出氣體進(jìn)行分析，來(lái)在線判斷高壓互感器故障。(2)局部放電測(cè)試高壓互感器的許多電、熱性內(nèi)部故障不是瞬時(shí)發(fā)生的，而是通過(guò)局部放電發(fā)展的。加拿大D.Train等人通過(guò)局部放電測(cè)試判斷高壓互感器在運(yùn)行電壓下是否發(fā)生局部放電以及在過(guò)電壓下局部放電能否消失，從而確定高壓互感器是否能繼續(xù)運(yùn)行。(3)微水量測(cè)定通過(guò)測(cè)定互感器絕緣層含水量，來(lái)檢測(cè)高壓互感器是否受潮。在國(guó)內(nèi)，普遍采用末端加壓法測(cè)量110kV及以上的串級(jí)式電壓互感器。在國(guó)外，一般采用一種間接估計(jì)油紙絕緣系統(tǒng)受潮程度的“潮濕平衡曲線”，它可以用來(lái)確定含水率在1%以下絕緣紙的含水量;可以預(yù)測(cè)在溫度下降過(guò)程，戶油巾是否形成水滴;可以在已知含水量情況下，預(yù)測(cè)某一給定溫度下油的受潮程度。(4)紅外測(cè)溫分析利用紅外測(cè)溫成像技術(shù)對(duì)電氣設(shè)備表面溫度及其分布進(jìn)行測(cè)試、分析和判斷，以此發(fā)現(xiàn)高壓互感器運(yùn)行中的異常和缺陷。從上述的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀可以看出，目前對(duì)于高壓電壓互感器的監(jiān)測(cè)方法已不乏研究成果。然而，這些監(jiān)測(cè)方法的主要應(yīng)用對(duì)象是電力系統(tǒng)的高壓互感器，針對(duì)電力機(jī)車高壓互感器的在線監(jiān)測(cè)方法的研究尚不多見(jiàn)。其中，應(yīng)用最廣泛的色譜分析法僅僅適用于油浸式高壓互感器，包括微水量測(cè)定法等都不能用于監(jiān)測(cè)干式高壓互感器。另外，紅外測(cè)溫分析等監(jiān)測(cè)方法側(cè)重于單因素老化機(jī)理的分析，存在一定的技術(shù)局限。1.3本文的研究?jī)?nèi)容調(diào)試工部機(jī)車高壓試驗(yàn)區(qū)設(shè)置有27.5KV高壓接觸網(wǎng)，屬于高壓危險(xiǎn)區(qū)域，回修作業(yè)人員在處理機(jī)車回修活項(xiàng)時(shí)容易打開(kāi)機(jī)車中部天窗上到車頂，造成高壓觸電人身傷亡。為了安全生產(chǎn)，避免安全事故的發(fā)生，應(yīng)本著從源頭解決問(wèn)題的原則，在電氣工部硅機(jī)組均流均壓試驗(yàn)、耐壓區(qū)以及調(diào)試工部機(jī)車高壓試驗(yàn)區(qū)，設(shè)計(jì)研究并設(shè)置高壓安全聯(lián)鎖裝置已成為保障安全的重要措施。2設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容高電壓試驗(yàn)區(qū)及安全防范系統(tǒng)主要由兩大部分組成，如圖2.1所示。圖2.1現(xiàn)場(chǎng)示意圖(1)高壓試驗(yàn)區(qū)。高壓試驗(yàn)區(qū)設(shè)有多種人體感應(yīng)傳感器，其四周為安全遮攔和紅外探測(cè)器，中心位置安低頻無(wú)線探測(cè)設(shè)備，兩個(gè)傳感器均可感知工作人員是否進(jìn)入或在高壓區(qū)內(nèi)；可防止工作人員在高壓區(qū)內(nèi)工作時(shí)高壓線路接通。(2)電源控制區(qū)?？刂茀^(qū)應(yīng)該位于安全位置，其安全距離在DL560—1995《電業(yè)安全工作規(guī)程》(高壓試驗(yàn)室部分)中有規(guī)定，當(dāng)試驗(yàn)電壓為50kV時(shí)，安全距離為1．2m?？刂茀^(qū)放置本系統(tǒng)的電源箱、控制電路以及安全腳踏板。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包含：①設(shè)計(jì)安裝磁力鎖的自動(dòng)推拉門。安全管控系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)無(wú)開(kāi)鎖信號(hào)輸出，此時(shí)門鎖不可開(kāi)啟，在讀卡區(qū)域讀系統(tǒng)使用的開(kāi)門卡，讀卡器將卡片信息發(fā)往中央主控單元；中央主控單元接收到卡片數(shù)據(jù)信息后進(jìn)行校驗(yàn)，判斷該卡是否具有開(kāi)門權(quán)限，如有權(quán)限，安全管控系統(tǒng)控制器輸出開(kāi)鎖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電鎖打開(kāi)，等待人員開(kāi)門；人員開(kāi)門通行一定時(shí)間（時(shí)間可設(shè)置）后，安全管控系統(tǒng)控制器中斷開(kāi)鎖輸出。如果門鎖開(kāi)啟后人員不通行，在相應(yīng)時(shí)間后安全管控系統(tǒng)控制器同樣恢復(fù)常閉，控制門鎖關(guān)閉。只有再次刷卡才可開(kāi)門通行；如果讀的卡片不具有開(kāi)門權(quán)限，安全管控系統(tǒng)控制器不輸出開(kāi)門信號(hào)，門鎖常閉狀態(tài)不變，同時(shí)控制器通過(guò)蜂鳴器報(bào)警提示。②高壓區(qū)設(shè)計(jì)安裝報(bào)警器。多對(duì)探測(cè)器可感知工作人員是否進(jìn)入高壓區(qū)內(nèi)，可防止工作人員在高壓區(qū)內(nèi)工作時(shí)高壓線路接通。紅外偵測(cè)是利用紅外線經(jīng)LED紅外光發(fā)射二極體，再經(jīng)光學(xué)鏡面做聚焦處理以使光線傳到很遠(yuǎn)距離，由受光器接受。當(dāng)有人橫跨過(guò)監(jiān)控防護(hù)區(qū)時(shí)，光線被遮斷就會(huì)發(fā)出警報(bào)，在報(bào)警時(shí)，紅外接收器繼電器閉合。圖2.2高壓安全報(bào)警器2.2安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、功能及其設(shè)備布置安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)主要包括PLC（可編程序控制器）網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)和視頻監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)成，充分利用監(jiān)測(cè)手段、計(jì)算機(jī)邏輯處理、電器聯(lián)鎖等控制方法，防止由于操作人員無(wú)法監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，誤操作等因素造成人身傷害事故，實(shí)現(xiàn)人機(jī)聯(lián)控確保作業(yè)安全。2.2.1PLC網(wǎng)絡(luò)控制子系統(tǒng)每股道設(shè)計(jì)一個(gè)以PLC為核心控制器的電氣控制柜，各股道PLC子站的狀態(tài)通過(guò)通訊總線和調(diào)度室的PLC主站進(jìn)行通訊，PLC主站和操縱臺(tái)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示各股道的狀態(tài)。2.2.2計(jì)算機(jī)顯示控制子系統(tǒng)計(jì)算機(jī)顯示控制子系統(tǒng)控制界面在運(yùn)行后顯示窗口可顯示出下列內(nèi)容：1）渡板收到位狀態(tài)；2）接觸網(wǎng)是否帶電；3）庫(kù)大門開(kāi)閉狀態(tài)；4）庫(kù)內(nèi)外信號(hào)燈狀態(tài)；5）安全作業(yè)門指示燈狀態(tài)；6）工位切換按鈕；7）有車無(wú)車檢測(cè)。界面設(shè)計(jì)客觀模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，通過(guò)界面可以一目了然地觀察到檢查庫(kù)各股道檢修臺(tái)位的情況。在每個(gè)作業(yè)股道上設(shè)計(jì)庫(kù)大門、庫(kù)內(nèi)外紅白兩色信號(hào)燈、接觸網(wǎng)、作業(yè)渡板、作業(yè)門紅綠兩色指示燈及工位切換按鈕等圖形元素。各股道可以用屏幕上的按鈕進(jìn)行切換。計(jì)算機(jī)顯示控制子系統(tǒng)將庫(kù)內(nèi)聯(lián)控設(shè)備狀態(tài)動(dòng)態(tài)顯示在微機(jī)畫面上，并具有與操作臺(tái)同樣功能的操作按鈕，等同于手動(dòng)操作臺(tái)的一個(gè)冗余設(shè)計(jì)。2.2.3門禁控制子系統(tǒng)在每個(gè)進(jìn)入車頂作業(yè)的安全作業(yè)通道門口設(shè)計(jì)了門禁管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)作為安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)的子系統(tǒng)。硬件部分由上位工控機(jī)、固定讀卡器、通信管理器、電磁鎖、控制電源等組成，上位機(jī)配有系統(tǒng)管理軟件。讀卡控制器由IC卡感應(yīng)器、控制器組成，能顯示刷卡結(jié)果，具有蜂鳴提示(長(zhǎng)短音)，能回顯申請(qǐng)作業(yè)結(jié)果，操作界面友好，出錯(cuò)報(bào)警提示清晰，無(wú)需按鍵操作。讀卡控制器置于鐵盒內(nèi)，讀卡控制器通過(guò)RS485通訊線與通信控制器相連。門禁控制子系統(tǒng)對(duì)登頂作業(yè)進(jìn)行統(tǒng)一管理，只有在隔離開(kāi)關(guān)分閘到位、接地桿自接地裝置取出掛在接觸網(wǎng)上、將人工接地線狀態(tài)打到“已掛”位同時(shí)滿足條件時(shí)，門禁控制器才將該列位門禁解鎖，作業(yè)人員此時(shí)才能刷卡登頂作業(yè)，否則系統(tǒng)禁止登頂作業(yè)，這樣嚴(yán)格管控違規(guī)作業(yè)情況的發(fā)生，確保人身與設(shè)備安全。2.2.4視頻監(jiān)控子系統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由：前端攝像頭、中央監(jiān)控主機(jī)、顯示設(shè)備及存貯傳輸?shù)仍O(shè)備組成。所有操作功能的實(shí)現(xiàn)均由鼠標(biāo)來(lái)完成，通過(guò)鼠標(biāo)完成調(diào)用監(jiān)視器、調(diào)用攝象機(jī)、控制攝象機(jī)、調(diào)整光圈等操作。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)通過(guò)攝像頭巡查庫(kù)內(nèi)平臺(tái)作業(yè)以及聯(lián)控設(shè)備狀況，使調(diào)度員隨時(shí)掌握庫(kù)內(nèi)情況，更好的促進(jìn)動(dòng)車組檢修作業(yè)的安全高效的進(jìn)行。2.2.5安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備布置以一線二列位（貫通庫(kù)）為例，每股道設(shè)備布置圖如圖2.3所示圖2.3一線二列位（貫通庫(kù)）每股道設(shè)備布置圖2.3系統(tǒng)防護(hù)措施(1)試驗(yàn)設(shè)備處于試驗(yàn)過(guò)程時(shí)，若此時(shí)有人員進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)接近或觸摸高壓帶電體，極易威脅到人身安全。本裝置通過(guò)紅外感應(yīng)探測(cè)是否有人員穿過(guò)，以此確定是否自動(dòng)跳閘，防止發(fā)生事故。(2)設(shè)備處于試驗(yàn)接線時(shí)，如果有人誤合閘升壓，也可能導(dǎo)致事故。本系統(tǒng)是通過(guò)低頻裝置實(shí)時(shí)探測(cè)試驗(yàn)區(qū)是否有工作人員(要求工作人員佩戴安全標(biāo)簽)，若探測(cè)器檢測(cè)到試驗(yàn)區(qū)有安全標(biāo)簽則禁止合閘動(dòng)作。(3)在設(shè)備試驗(yàn)過(guò)程中防止工作人員離開(kāi)安全控制區(qū)，系統(tǒng)在控制區(qū)放置腳踏開(kāi)關(guān)，工作人員只有踩住腳踏才能保持交流接觸器控制線圈不跳閘，如果離開(kāi)，交流接觸器合閘線圈將斷路，保證了人員的安全性。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理3.1高壓檢測(cè)原理TAB1A型高壓安全報(bào)警器采用感應(yīng)式傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和絕緣安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，傳感器和顯示控制器的連接示意圖如圖3.1所示。圖3.2傳感器和報(bào)警顯示系統(tǒng)連接示意圖感應(yīng)式傳感器是一個(gè)靠近高壓帶電體的對(duì)地絕緣的感應(yīng)電極，通過(guò)感應(yīng)電極和高壓帶電體之間的雜散電容，耦合高壓帶電體上的交變電壓信號(hào)。通過(guò)電纜把這一信號(hào)傳送到顯示控制器進(jìn)行放大和處理，最終實(shí)現(xiàn)高壓線有電報(bào)警。感應(yīng)式傳感器的等效電路如圖3.3所示。圖3.3傳感器等效電路圖通常，感應(yīng)電極與高壓帶電體之間的電容C1為幾微法量級(jí)，感應(yīng)電流iC1在幾微安到幾十微安量級(jí)。根據(jù)圖3.2所示，報(bào)警顯示系統(tǒng)所獲得的電壓信號(hào)為uZ，它是C2∥C3∥Z與C1的分壓。感應(yīng)電極從高壓帶電體上藕合的電流iC1將被3個(gè)支路分流，即iC1=iC2+iC3+iZ。報(bào)警顯示系統(tǒng)所得到的電流信號(hào)為iZ。當(dāng)，（2）有iZ≈iC1，（3）此時(shí)電纜參數(shù)對(duì)信號(hào)傳感將沒(méi)有顯著影響。因此，報(bào)警顯示系統(tǒng)輸入的電壓信號(hào)為uZ=iZ·Z，（4）對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理識(shí)別，可做出有電無(wú)電判斷。3.2報(bào)警顯示系統(tǒng)原理報(bào)警顯示系統(tǒng)是TAB1A型高壓安全報(bào)警器的核心部分，報(bào)警顯示系統(tǒng)的信號(hào)處理功能好壞及完善程度會(huì)直接影響報(bào)警器性能的好壞。系統(tǒng)分為3個(gè)模塊，即信號(hào)處理模塊、語(yǔ)音警示模塊以及電池管理模塊，3個(gè)模塊通過(guò)MCU協(xié)調(diào)控制使其能實(shí)現(xiàn)所需功能。信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的保護(hù)、濾波、放大和整形處理，使輸入信號(hào)以合適的幅度傳輸至MCU。語(yǔ)音告警模塊根據(jù)信號(hào)識(shí)別情況，由MCU提供語(yǔ)音命令，使其播放識(shí)別結(jié)果的語(yǔ)音。電池管理模塊用于給鋰電池充電提供有效管理，延長(zhǎng)電池使用壽命。報(bào)警顯示系統(tǒng)的原理框圖如圖3.4所示。圖3.4報(bào)警器系統(tǒng)原理框圖4硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)針對(duì)報(bào)警器功能需求，硬件上將系統(tǒng)分為3個(gè)模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，即信號(hào)處理模塊、語(yǔ)音警示模塊以及電源管理模塊。4.1信號(hào)處理電路模塊信號(hào)由置于機(jī)車車頂外的天線獲取，天線部分配有為防止惡劣天氣下?lián)舸┗蚨搪返目赡苄缘姆览追烙瓯Ｗo(hù)罩。1.經(jīng)天線獲取的信號(hào)有電纜傳入機(jī)車內(nèi)部。該信號(hào)首先經(jīng)過(guò)保護(hù)電路作為抑制過(guò)壓措施，進(jìn)一步排除雷擊及浪涌情況下的破壞，該部分由放電管、壓敏電阻、TVS瞬變電壓抑制二極管和扼流線圈等構(gòu)成SPD浪涌保護(hù)器。在平衡線路中能有效地抑制共模干擾信號(hào)（如雷電干擾），而對(duì)線路正常傳輸?shù)牟钅Ｐ盘?hào)無(wú)影響，并與保護(hù)的設(shè)備串聯(lián)，對(duì)雷電脈沖呈現(xiàn)為高阻抗實(shí)現(xiàn)扼流，而對(duì)正常的工作頻率呈現(xiàn)為低阻抗，從而對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。2.由于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的發(fā)射機(jī)、基站、無(wú)線通信及其他架空高壓線等都會(huì)產(chǎn)生巨大電磁干擾，并被天線獲取。設(shè)置獲取到的信號(hào)通過(guò)RC濾波電路，濾去雜波（紋波、諧波）獲得純凈穩(wěn)壓信號(hào)。3.經(jīng)由放大與比較電路，將信號(hào)放大并進(jìn)入與已設(shè)置好基準(zhǔn)電壓闕值的比較器電路中，將其轉(zhuǎn)化為矩形波二進(jìn)制信號(hào)。根據(jù)在株洲電力機(jī)車試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)地獲取的數(shù)據(jù)，在通常距離下從受電牽引線及旁道牽引線獲得信號(hào)分別為70MV上下與20MV上下；在標(biāo)準(zhǔn)的鐵路電網(wǎng)電壓等級(jí)15KV與25KV附近電壓與輸入信號(hào)呈穩(wěn)定的線性關(guān)系。據(jù)此為保證電網(wǎng)故障及其他特殊情況下，機(jī)車近距離內(nèi)高壓帶電物體電壓波動(dòng)等情況仍能準(zhǔn)確報(bào)警，該闕值被設(shè)為36MV。通過(guò)天線接收鐵路網(wǎng)線高壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)四級(jí)處理后送入MCU的P3.5進(jìn)行有電識(shí)別，四級(jí)電路分別是保護(hù)電路、濾波電路、放大電路和比較器電路。其中保護(hù)電路通過(guò)放電管和TVS管實(shí)現(xiàn)雷擊保護(hù)浪涌保護(hù)；濾波電路采用RC組成，能夠?yàn)V除信號(hào)中的紋波和諧波，提取純凈的穩(wěn)壓信號(hào)；放大電路由運(yùn)放組成同相比例放大電路，用于將信號(hào)放大至合適的強(qiáng)度；比較電路用于設(shè)定合適的閾值將有效穩(wěn)壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一定占空比的矩形波信號(hào)，然后送至MCU進(jìn)行識(shí)別。該模塊原理框圖如圖4.1所示。圖4.1信號(hào)檢測(cè)與處理模塊原理框圖4.1.1比例放大系數(shù)在信號(hào)處理模塊中，比例放大電路采用同相比例放大，如圖4.2所示，第一個(gè)運(yùn)放組成同相比例放大電路，其放大系數(shù)k由下式計(jì)算設(shè)置可調(diào)電阻RP1是為了在調(diào)試過(guò)程中可以調(diào)整放大系數(shù)，由于RP1為0~50kΩ可調(diào)，故Uo1=2~12.64V可調(diào)。圖4.2比例放大和比較器電路原理圖4.1.2比較器電路閾值圖4.2中右側(cè)運(yùn)放組成了比較器電路，Uo2翻轉(zhuǎn)的輸入閾值電壓Uref由下式?jīng)Q定：因RP2為0~50kΩ可調(diào)，則Uref為0.125~2.830V可調(diào)。4.1.3報(bào)警閾值確定通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，鐵路本道網(wǎng)壓有電時(shí)，比例放大電路接收的輸入信號(hào)為交流有效值70mV以上，在本道無(wú)電旁道有電的情況下信號(hào)強(qiáng)度會(huì)小于20mV。故將報(bào)警閾值設(shè)為交流有效值36mV，因比例放大電路接收的輸入信號(hào)強(qiáng)度與電網(wǎng)電壓呈線性關(guān)系，設(shè)為現(xiàn)在的閾值即使網(wǎng)壓下降50%也能夠有效報(bào)警，同時(shí)能夠有效避免誤報(bào)警。4.2電源管理模塊電源管理模塊用于實(shí)現(xiàn)鋰電池的充電管理，包括電源輸入控制模塊、保護(hù)模塊、電壓檢測(cè)和控制模塊、充電電路等。保護(hù)模塊對(duì)輸入電源中的干擾、浪涌等進(jìn)行濾除；電源輸入控制模塊在上電時(shí)提供2s的電源供電時(shí)間，給DC/DC電源模塊和充電電路供電，用于電壓檢測(cè)和充電控制模塊檢測(cè)鋰電池電壓，并判斷是否進(jìn)行充電。需要充電時(shí)，該模塊控制繼電器K2使電源輸入控制模塊保持接通輸入電源，并接通鋰電池充電，電源管理模塊的輸入電源為DC110V，鋰電池的額定電壓為7.4V。采用上述鋰電池充電管理方法和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，能減少充電電路的通電時(shí)間，減少鋰電池的充電次數(shù)和避免鋰電池一直處于接近滿容量的狀態(tài)，延長(zhǎng)鋰電池及其充電電路的使用壽命。該模塊的原理框圖如圖4.3所示。圖4.3電源管理模塊原理框圖4.3語(yǔ)音報(bào)警模塊語(yǔ)音報(bào)警模塊由語(yǔ)音芯片電路和功率放大電路組成，其中語(yǔ)音芯片以串口方式接收MCU的語(yǔ)音播放控制信號(hào)，并將需要播放的語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)DAC方式輸出至功放電路；功放電路由LM386及其外圍電路組成，使揚(yáng)聲器達(dá)到足夠的輸出功率。該模塊的原理框圖如圖4.4所示。圖4.4電源管理模塊原理框圖4.4微處理器單元微處理器選用宏晶科技生產(chǎn)的STC11F04E。單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，速度是傳統(tǒng)8051的8~12倍。大容量1280字節(jié)SRAM內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路，針對(duì)高速通信，智能控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。定時(shí)器0、定時(shí)器1、串行口與傳統(tǒng)8051兼容，增加了獨(dú)立波特率發(fā)生器，省去了定時(shí)器2。微處理器指令執(zhí)行速度全面提升，同時(shí)還具有電源檢測(cè)、內(nèi)置系統(tǒng)ISP監(jiān)控程序和硬件看門口電路，使系統(tǒng)更加可靠、抗干擾性和加密性更強(qiáng)。該微處理單元可以很好地協(xié)調(diào)信號(hào)處理模塊、語(yǔ)音警示模塊以及電源管理模塊等的正常工作。微處理器單元結(jié)構(gòu)框圖如圖4.5所示。圖4.5微處理器單元結(jié)構(gòu)框圖5軟件的設(shè)計(jì)本測(cè)試系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方式，主要包括語(yǔ)音提示模塊、自檢中斷模塊、高壓信號(hào)檢測(cè)模塊以及主程序模塊等。設(shè)計(jì)思想是當(dāng)檢修人員需要登上機(jī)車車頂時(shí)，將車頂門向上推開(kāi)，此時(shí)車頂門聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)將接通高壓安全報(bào)警器的電源，如果供電網(wǎng)線有電，報(bào)警器將重復(fù)發(fā)出“請(qǐng)注意！有電危險(xiǎn)！”的報(bào)警聲并伴有燈光閃爍。若未檢測(cè)到網(wǎng)線有電，報(bào)警器會(huì)提示作業(yè)人員進(jìn)行自檢，自檢通過(guò)后，報(bào)警器就對(duì)機(jī)車供電網(wǎng)線是否有電進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程中，如果供電網(wǎng)線有電，報(bào)警器將重復(fù)發(fā)出“請(qǐng)注意！有電危險(xiǎn)！”的報(bào)警聲并伴有燈光閃爍。若未檢測(cè)到網(wǎng)線有電，則給出“無(wú)高壓，可以登頂作業(yè)”的提示。報(bào)警器的主程序流程如圖5.1所示。圖5.1主程序流程圖5.1高壓信號(hào)檢測(cè)模塊高壓信號(hào)采集采用定時(shí)（20μs）中斷方式實(shí)現(xiàn)，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大1~11倍后輸入比較器與閾值比較。若在固定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到大于某固定值的信號(hào)個(gè)數(shù)超過(guò)10個(gè)，則判定有高壓，語(yǔ)音和燈光報(bào)警同時(shí)報(bào)警。兩紅燈閃爍報(bào)警，語(yǔ)音提示將重復(fù)發(fā)出“請(qǐng)注意！有電危險(xiǎn)！”提示有高壓。當(dāng)大于閾值的信號(hào)個(gè)數(shù)小于等于10個(gè)，則判定為干擾信號(hào)，無(wú)高壓存在語(yǔ)音提示“無(wú)高壓，可以登頂作業(yè)”。5.2自檢中斷模塊外部中斷采用下降沿引起中斷的方式，CPU在每個(gè)機(jī)器周期順序采樣每個(gè)中斷源，如查詢到某個(gè)中斷源的中斷標(biāo)志為1，中斷系統(tǒng)通過(guò)硬件自動(dòng)將相應(yīng)的中斷矢量裝入PC，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。“主界面”用來(lái)顯示系統(tǒng)當(dāng)前發(fā)生的提示或報(bào)警信息。點(diǎn)擊“主界面”，如當(dāng)前無(wú)報(bào)警并且系統(tǒng)一切正常，則顯示“當(dāng)前無(wú)報(bào)警”，如圖5.2。圖5.2主界面1若有報(bào)警，屏幕顯示報(bào)警的序號(hào)、所屬子系統(tǒng)、提示或報(bào)警的內(nèi)容、級(jí)別和備注信息。例如，圖5.3是當(dāng)發(fā)生視頻監(jiān)控子系統(tǒng)故障報(bào)警和防火監(jiān)控子系統(tǒng)報(bào)警時(shí)，主界面顯示的兩條報(bào)警信息，同時(shí)會(huì)發(fā)出語(yǔ)音提示報(bào)警及詳細(xì)的報(bào)警內(nèi)容。圖5.3主界面26試驗(yàn)測(cè)試6.1天線信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)于2017年4月6日在株洲南車電力機(jī)車廠進(jìn)行機(jī)車環(huán)境測(cè)試，主要完成各車道機(jī)車牽引線對(duì)報(bào)警器的電磁信號(hào)影響測(cè)試、信號(hào)接收器與機(jī)車牽引線距離對(duì)電磁信號(hào)影響測(cè)試。測(cè)試高壓報(bào)警器接收到的電壓值的大小，進(jìn)行報(bào)警閾值設(shè)計(jì)。主要測(cè)試數(shù)據(jù)如表6.1-6.2所示。表6.1各車道高壓牽引線電磁信號(hào)影響測(cè)試注：本有指測(cè)試本車道的高壓牽引線帶電，本無(wú)指測(cè)試本車道的高壓牽引線不帶電、旁有指測(cè)試車道的旁邊車道高壓牽引線帶電，旁無(wú)指測(cè)試車道的旁邊車道高壓牽引線不帶電。表6.2高壓牽引線與接收器距離對(duì)電磁信號(hào)影響測(cè)試6.2溫度環(huán)境影響測(cè)試試驗(yàn)本測(cè)試目的主要是測(cè)量一定范圍內(nèi)溫度對(duì)報(bào)警器閾值的影響情況。2016年4月28日在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了高低溫試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)試了溫度驟變的影響。16:35進(jìn)行零下40℃低溫試驗(yàn)，17:05結(jié)束；17:10開(kāi)始高溫試驗(yàn)，17:25溫度達(dá)70℃，17:55結(jié)束高溫試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6.3所示。表6.3低溫試驗(yàn)(-40℃)表6.4高溫試驗(yàn)(70℃)上述結(jié)果表明，低溫零下40℃環(huán)境對(duì)閾值無(wú)影響、70℃高溫環(huán)境對(duì)閾值也無(wú)影響。即本產(chǎn)品在復(fù)雜溫度環(huán)境中運(yùn)行狀態(tài)良好。產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)湖南省電子產(chǎn)品檢驗(yàn)分析所的型式試驗(yàn)，包括外觀檢查、性能試驗(yàn)、振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)、水密性試驗(yàn)、電壓波動(dòng)試驗(yàn)等。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)產(chǎn)品做了大量試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性和可靠性，主要包括：1）天線信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量，報(bào)警閾值與環(huán)境相關(guān)性試驗(yàn)；2）電池充放電試驗(yàn)，充電閾值試驗(yàn)，過(guò)充保護(hù)試驗(yàn)等；3）語(yǔ)音報(bào)警的聲音強(qiáng)度試驗(yàn)，連續(xù)播放持續(xù)工作時(shí)間試驗(yàn)等。結(jié)論本文研制的高電壓試驗(yàn)人身安全防護(hù)裝置集自動(dòng)識(shí)別技術(shù)和現(xiàn)代安全管理措施為一體，充分考慮了各種不安全因素，具有較高的安全防護(hù)能力。尤其是裝置采用了低頻無(wú)線感應(yīng)、紅外探測(cè)等多重傳感技術(shù)，極大地提高了裝置的可靠性，增強(qiáng)了對(duì)試驗(yàn)人員操作的安全保護(hù)。本文介紹的高壓報(bào)警器系統(tǒng)具有良好的抗電磁干擾能力，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、安裝方便，具有推廣使用價(jià)值。本裝置的實(shí)現(xiàn)達(dá)到了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益：經(jīng)濟(jì)效益：（1）保障人身安全，幸福員工，為職工的生命安全著想，為職工提供一個(gè)安全的工作環(huán)境，在安全生產(chǎn)條件下，職工的安全、健康得到了保障，這對(duì)職工隊(duì)伍的思想穩(wěn)定、調(diào)動(dòng)人的積極性和創(chuàng)造性、