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摘要：在電力行業發展高度普及化的背景下，因誤操作造成的觸電漏電事故屢屢發生。以STM32單片機為核心，以激光傳感器、指紋識別、組態顯示屏為輔助，研發設計一種可視化智能防觸電安全保護電子圍欄。傳感器和指紋識別系統將采集的數據傳輸到單片機控制系統，再由單片機控制系統處理，通過串行通信接口將處理信息傳遞到嵌入式組態系統，并顯示到顯示屏。該設計具有身份識別功能、斷電保護功能，帶電設備狀態可視化，有效地解決了設備帶電檢修時由于非工作人員誤闖入檢修設備場所或者檢修人員中途離崗，其他人員進入檢修場所導致設備或者人員受到損傷的情況。

關鍵詞：可視化；電子圍欄；單片機；智能

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。

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。

2.1STM32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。

2.2RS232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。

2.3MCGS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。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。

2.4MCGS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。

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。

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。

作者：張宗芳 單位：西安鐵路職業技術學院機電工程學院