趙伯臣 上海鐵路局計(jì)統(tǒng)處

1 前言

隨著我局鐵路電氣化營業(yè)里程的擴(kuò)大及電力機(jī)車大量配屬，特別是大功率和諧號電力機(jī)車投入運(yùn)用，機(jī)車長交路、輪乘制的作業(yè)方式得到廣泛推廣，電力機(jī)車每個交路運(yùn)行回庫后，必須在庫內(nèi)進(jìn)行保潔及機(jī)車上中下各部例行檢查、保養(yǎng)、維護(hù)、試驗(yàn)等相關(guān)工作的整備作業(yè)，由于機(jī)車頂部是27.5 kV高壓電網(wǎng)，如何確保整備作業(yè)過程特別是登車頂檢修工作人員的人身安全和設(shè)備安全，已成為電力機(jī)務(wù)段必須考慮解決的主要問題。以上海南機(jī)務(wù)折返段機(jī)車整備作業(yè)為例，該段機(jī)車主要擔(dān)負(fù)滬昆、京滬線牽引任務(wù)，整備場有三個整備作業(yè)股道，其中兩股道為電力機(jī)車整備線，一股道為內(nèi)燃整備線，每天擔(dān)負(fù)著近40多臺次電力機(jī)車的整備作業(yè)任務(wù)。

電力整備作業(yè)臺位的隔離開關(guān)采用人工分?jǐn)?、人工掛接地線、檢修人員通過機(jī)車天窗攀登車頂作業(yè)的方式。機(jī)車進(jìn)出作業(yè)區(qū)、隔離開關(guān)開閉、接地線掛撤、作業(yè)人員進(jìn)出等各環(huán)節(jié)還是停留在人工發(fā)牌、簽字、點(diǎn)名的控制方式，仍須人工逐一確認(rèn)。安全生產(chǎn)全部采用人工監(jiān)護(hù)，存在著由于工作人員的疏忽、精神疲倦、聯(lián)系不周等人為因素造成事故安全隱患。針對電力機(jī)車整備作業(yè)傳統(tǒng)監(jiān)控方法效率低、勞動強(qiáng)度大、安全控制難以保證等問題，路局機(jī)務(wù)、計(jì)統(tǒng)處與廣州鐵路科研所合作，運(yùn)用系統(tǒng)綜合控制技術(shù)方案，設(shè)計(jì)了一套控制二股道電力整備作業(yè)線的機(jī)車作業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程邏輯控制、IC卡門禁、工業(yè)自動化等技術(shù)，輔以視頻監(jiān)控等手段，實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)的遠(yuǎn)程操縱及作業(yè)人員實(shí)時安全控制，達(dá)到人機(jī)聯(lián)控確保人身和設(shè)備安全的目的。

2 電力機(jī)車作業(yè)安全控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能需求

影響電力機(jī)車整備作業(yè)安全的因素很多，如機(jī)車在整備作業(yè)線停放位置、機(jī)車受電弓升降狀態(tài)、隔離開關(guān)分合閘操作、地線掛撤過程、電網(wǎng)接地狀態(tài)、登頂作業(yè)方式、地勤及登頂作業(yè)人數(shù)統(tǒng)計(jì)監(jiān)控等。在作業(yè)過程中如何對這些因素的有效嚴(yán)密控制是確保安全生產(chǎn)的保證，機(jī)車整備作業(yè)安全控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下要求：

（1）把目前作業(yè)股道隔離開關(guān)分合閘的人工現(xiàn)場操作變?yōu)橛?jì)算機(jī)遠(yuǎn)程連鎖集中控制，使隔離開關(guān)操作人員遠(yuǎn)離高壓設(shè)備，確保操作安全，特別是在霉雨季節(jié)條件下操作安全和降低勞動強(qiáng)度。

（2）把目前作業(yè)股道人工加設(shè)安全防護(hù)變?yōu)闄C(jī)械連鎖自動安全防護(hù)，有效警示機(jī)車不要闖入無電區(qū)。

（3）把目前人工掛撤接地線變?yōu)闄C(jī)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(shè)備安全和供電安全。

（4）把目前整備作業(yè)監(jiān)控方式人控變?yōu)槿藱C(jī)連鎖互控，防止因人員疲倦、聯(lián)系不周，操作不當(dāng)，監(jiān)控不到位而出現(xiàn)安全事故。

（5）設(shè)立專用登車頂作業(yè)通道，采用IC卡門禁技術(shù)實(shí)現(xiàn)作業(yè)人數(shù)統(tǒng)計(jì)和連鎖控制，把檢修人員攀爬機(jī)車天窗登頂模式變?yōu)樽邔Ｓ米鳂I(yè)通道登頂模式，使登頂作業(yè)過程及人員得到有效控制。

（6）通過語音廣播實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程的語音提示及系統(tǒng)故障信息提示。

（7）通過車頂視頻裝置，實(shí)現(xiàn)控制室人員對作業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時監(jiān)控。

（8）實(shí)現(xiàn)整備作業(yè)臺帳信息計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(yè)質(zhì)量。

（9）實(shí)現(xiàn)故障導(dǎo)向安全導(dǎo)向設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)任何故障時，都能實(shí)現(xiàn)閉鎖控制，確保作業(yè)安全。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及構(gòu)成

根據(jù)電力機(jī)車整備作業(yè)的要求，要實(shí)現(xiàn)整備作業(yè)過程中人身和設(shè)備的安全，最終體現(xiàn)在對隔離開關(guān)的分合閘控制以及電網(wǎng)的可靠接地和作業(yè)人員的實(shí)時檢測。課題研制開發(fā)的系統(tǒng)需具有在控制室便可實(shí)現(xiàn)對站場隔離開關(guān)分合閘的遠(yuǎn)程控制，通過系統(tǒng)微機(jī)界面，便可一目了然地知道整備場每股道機(jī)車停放位置，機(jī)車受電弓的升降狀態(tài)、電網(wǎng)的分合閘狀態(tài)、電網(wǎng)接地狀態(tài)、登頂作業(yè)通道安全門開閉狀態(tài)、地勤及登頂作業(yè)人數(shù)統(tǒng)計(jì)等有關(guān)信息；通過微機(jī)連鎖和程序控制的方式，把影響人身和設(shè)備安全的各環(huán)節(jié)因素參與到隔離開關(guān)的分合閘操作的中去，實(shí)現(xiàn)人機(jī)安全聯(lián)控，達(dá)到對人身和設(shè)備的安全自動控制目的，并借助站場的視頻設(shè)備，實(shí)時監(jiān)控整備作業(yè)活動情況。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能要求，電力機(jī)車作業(yè)安全控制系統(tǒng)需建立六個子系統(tǒng)的支撐：

（1）隔離開關(guān)遠(yuǎn)程微機(jī)連鎖集中控制子系統(tǒng)；

（2）作業(yè)股道自動防護(hù)控制子系統(tǒng)；

（3）電網(wǎng)掛撤地線自動控制子系統(tǒng)；

（4）登頂作業(yè)通道IC卡門禁控制子系統(tǒng)；

（5）作業(yè)語音提示控制子系統(tǒng)；

（6）整備場視頻監(jiān)控子系統(tǒng)；

3.1 系統(tǒng)控制核心單元設(shè)計(jì)

為了在一套微機(jī)單元里實(shí)現(xiàn)對站場隔離開關(guān)、自動接地裝置、作業(yè)股道安全防護(hù)裝置、登頂作業(yè)通道門禁裝置及作業(yè)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(yè)級的PC機(jī)作為本系統(tǒng)的上位機(jī)，利用其良好的人機(jī)對話界面和數(shù)據(jù)處理功能，實(shí)現(xiàn)對過程參數(shù)的監(jiān)控、分析、統(tǒng)計(jì)、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(jī)，利用PLC強(qiáng)大的邏輯編程控制以及直接的現(xiàn)場參數(shù)檢測能力，可靈活地實(shí)現(xiàn)站場控制參數(shù)的采集及控制指令的輸出。通過PC機(jī)的串口采用光纖隔離的方式實(shí)現(xiàn)與PLC之間的通信，充分發(fā)揮PLC可靠、靈活的控制性能和計(jì)算機(jī)在管理、監(jiān)控等方面的優(yōu)勢，提高系統(tǒng)的整體自動化程度。系統(tǒng)控制核心單元設(shè)計(jì)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制核心單元結(jié)構(gòu)圖

采用主從工作站方式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從站以PLC為核心控制單元管理一個股道的整備作業(yè)控制，主從站設(shè)備通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信，一個網(wǎng)絡(luò)段上最多可以連接32臺PLC設(shè)備，相當(dāng)于利用一臺工業(yè)PC機(jī)直接可以控制具有32條作業(yè)線的整備庫。對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，只需開發(fā)一套上位機(jī)控制界面和一套下位機(jī)控制程序便可以實(shí)現(xiàn)多股道獨(dú)立控制，類似于搭積木的方式便可以簡單實(shí)現(xiàn)多股道站場控制，這樣大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度，并且由于各股道的控制單元是獨(dú)立工作，增強(qiáng)了系統(tǒng)的工作可靠性。在上海南機(jī)務(wù)折返段整備場只有兩個作業(yè)股道，采用了兩臺PLC作為控制單元設(shè)計(jì)。

主站計(jì)算機(jī)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(jī)車在作業(yè)臺位停放位置、隔離開關(guān)電網(wǎng)的分合閘狀態(tài)、接地裝置和防護(hù)裝置的動作狀態(tài)、電網(wǎng)接地狀態(tài)、地勤及登車頂作業(yè)人數(shù)、登車頂作業(yè)通道安全門開閉狀態(tài)以及系統(tǒng)故障信息，相關(guān)的操作按鈕符號等。控制界面設(shè)計(jì)采用了工業(yè)組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)，利用組態(tài)軟件靈活的圖形動畫設(shè)計(jì)功能，很好地實(shí)現(xiàn)了機(jī)車整備場各中設(shè)備的圖符顯示。圖2為上海南機(jī)務(wù)折返段作業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)控制界面。

圖2 系統(tǒng)控制界面

3.2 登頂作業(yè)通道IC卡門禁管理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在目前大多數(shù)電力機(jī)務(wù)段機(jī)車整備登頂作業(yè)時，主要還是通過攀爬機(jī)車天窗進(jìn)行車頂作業(yè)，該方式存在嚴(yán)重的安全隱患，一是機(jī)車天窗的鑰匙管理難度大，監(jiān)控不到位容易誤爬相臨股道機(jī)車天窗而造成人員觸電事故；二是機(jī)車天窗窄小不便于攜帶工具配件進(jìn)行登頂維修作業(yè)；三是登車頂作業(yè)人數(shù)及人身安全監(jiān)控難度大。為了解決以上問題，本系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了登車頂作業(yè)專用通道，在登頂通道上設(shè)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(jì)算機(jī)控制管理，只有在作業(yè)股道隔離開關(guān)分閘到位，電網(wǎng)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(shí)現(xiàn)了登頂作業(yè)通道唯一性控制以及登車頂人數(shù)的統(tǒng)計(jì)監(jiān)控。圖3為登車頂作業(yè)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(jì)算機(jī)及控制軟件組成。

IC卡分監(jiān)護(hù)卡、登頂作業(yè)卡登記卡、地勤作業(yè)登記卡三種，監(jiān)護(hù)卡由監(jiān)護(hù)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(yè)登記卡只具有刷卡打開電控安全門登頂作業(yè)功能，地勤作業(yè)登記卡只具有地勤作業(yè)登記和消號功能，各卡的職能分工明確，權(quán)限區(qū)分。作業(yè)人員數(shù)據(jù)庫采用SQL-Sever開發(fā)，便于人員添加及維護(hù)和查詢。IC卡控制軟件和工業(yè)組態(tài)軟件同在主站PC機(jī)上運(yùn)行，他們之間的數(shù)據(jù)交互采用“OPC”方式進(jìn)行。

圖3 登頂作業(yè)通道及IC卡門禁控制單元

3.3 電網(wǎng)自動接地子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)車整備作業(yè)臺位電網(wǎng)的有效接地是防止登頂作業(yè)人員觸電事故發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，當(dāng)電力機(jī)車在庫內(nèi)作業(yè)時，隔離開關(guān)分閘后必須人工掛接地線，整備作業(yè)完畢，隔離開關(guān)合閘前，必須人工撤除地線。由于在隔離開關(guān)的操作過程中，操作者疏忽大意，違反操作程序，隔離開關(guān)監(jiān)護(hù)員又未能認(rèn)真履行監(jiān)護(hù)職能，時有出現(xiàn)未進(jìn)行隔離開關(guān)分閘操作便去掛接地線；作業(yè)完畢后未先拆除地線，便進(jìn)行隔離開關(guān)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(guān)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(fā)生，在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了隔離開關(guān)自動接地裝置，該裝置由電機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂、接地刀、接地檢測單元組成，每個作業(yè)股道對應(yīng)一臺接地裝置，通過刷IC卡的方式進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械掛撤地線的操作以及接地機(jī)構(gòu)與隔離開關(guān)嚴(yán)密邏輯控制，一方面使操作人遠(yuǎn)離高壓區(qū)，另一方面有效杜絕了誤動造成“放炮”事故的發(fā)生。

自動接地裝置除了具有實(shí)現(xiàn)機(jī)械掛撤地線的功能外，還必須具有對電網(wǎng)接地是否良好可靠進(jìn)行有效的監(jiān)測，并把檢測信息反饋到后臺計(jì)算機(jī)進(jìn)行邏輯控制，使系統(tǒng)決定是否輸出登頂作業(yè)通道開放指令，允許作業(yè)人員登頂作業(yè)。接地檢測單元設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

圖4 接地檢測原理圖

當(dāng)接地刀緊壓電網(wǎng)時，24 V的低壓檢測信號通過檢測線和主接地線構(gòu)成閉合回路，接地檢測模塊輸出接地狀態(tài)信息給從站的PLC的輸入端口，實(shí)現(xiàn)了判斷接地線的狀態(tài)是否真正接地、斷開。

4 實(shí)際使用和推廣可行性

上海南機(jī)務(wù)折返段設(shè)計(jì)開發(fā)的電力機(jī)車整備作業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)，于2011年8月正式投入使用，經(jīng)過近一年使用該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)的應(yīng)用改變了上海南機(jī)務(wù)折返段傳統(tǒng)以來對整備作業(yè)場隔離開關(guān)的管理及機(jī)車整備作業(yè)的監(jiān)護(hù)模式，有效地解決了以往機(jī)務(wù)段整備作業(yè)過程中的安全生產(chǎn)問題，真正實(shí)現(xiàn)了以科技保安全的目的，在鐵路安全生產(chǎn)中發(fā)揮了作用。為此，路局計(jì)統(tǒng)處在2011年底分別對上海機(jī)務(wù)段電力機(jī)車整備場、杭州機(jī)務(wù)段喬司電力機(jī)車整備場、南京東機(jī)務(wù)段電力機(jī)車整備場立項(xiàng)進(jìn)行推廣應(yīng)用。