现代高压电力机车安全整备及检修监控系统的设计

摘要：现代高压电力机车安全整备及检修监控系统可以确保高压电力机车在检修整备时人身和设备的安全。系统设计主要采用了指纹识别检测系统、智能计数通道检测系统、以及其它一些先进的检测手段，然后把所有采集到的信息传输给上位计算机和PLC进行算术逻辑处理，对控制对象实行自动逻辑控制以及远程控制等，保证操作的安全。现代高压电力机车安全整备及检修监控系统在使用中运行稳定、效果良好，达到了预先的设计要求。具有实用性和开发性。
1 引言
现代高压电力机车安全整备及检修监控系统是为了电力机车在检修期间能够很好地保证人身、设备的安全而设计的。电力机车的电网供电电压高达27kV，电力机车在整备、检修时需要工作人员登上机车顶部进行作业，一旦操作不当就会造成人身、设备的伤害。高压电力机车安全整备及检修监控系统是利用各种检测手段，通过计算机逻辑处理、机械连锁等控制方法，防止由于工作人员的疏忽大意等人为因素造成事故，实现人机联控保证操作安全的目的。
2 系统硬件组成原理和设计
根据电力机车库内整备作业的要求，对隔离开关的分合闸操作实现远程集中安全的控制，采用系统化，利用红外线检测、计算机等技术实现人机安全联控。在机车作业台位置设有一个登顶安全作业通道，通道内设有两套智能计数器和一个登顶梯，作业人员必须通过安全通道才能登顶作业，这样计算机就可以自动掌握通道内和车顶操作人员的情况，达到对人身和设备的安全自控的目的。在整个控制系统上，采用1台计算机作为上位机，各股道的可编程序控制器（PLC）作为下位机，用于检测各股道与安全作业有关的各种控制参数，然后把这些参数以比较形象的图形的方式在计算机上显示出来，并通过计算机把控制指令传输给下位机（PLC）以控制隔离开关的安全正常的作业。其控制系统方框图如图1所示。


2.1 操作控制室
控制室设有操作台，台面上有1台计算机，在操作台上还设有每个股道的分合闸指示灯及故障指示灯，还有手动操作时用的合闸按钮和分闸按钮，并设有指纹识别系统，只有通过计算机识别确认是具体操作人员时，才能对隔离开关进行操作。
计算机是系统安全联控的主要部分，每个股道的各种信息，如：机车位置、接地状态、受电弓状态、分合闸到位状态、安全门开关状态、掉电状态信息、登顶人数信息以及各种故障报警信息等参数。都可以在计算机中明确的位置上显示出来。各种手动控制功能可以通过操作台来完成，也可以通过计算机在显示器上用鼠标进行软控制。自动操作控制只有通过计算机软控制才能实现，目的是便于安全操作。
2.2 各股道隔离开关电器控制柜
每个股道控制柜是用来实现隔离开关的动作实现。控制柜里有电动控制及紧急手动传动控制装置，实现远动和近动操作。隔离开关的远动是由上位机控制PLC，再由PLC控制电动机的转动来实现的。为了控制准确，隔离开关的转轴上带有2组微动开关，为PLC提供隔离开关的状态的准确信息，从而实现电动机的准确控制。
2.3 安全通道与登顶作业梯
每个机车台位设置安全通道，通道内设置登顶作业梯。安全通道设有安全门，由PLC控制。只有分闸到位、接地良好、指纹确认才可以使安全门得电，按下开门按钮才可以开门。安全门在开门状态时，锁舌一直被电磁铁吸住。只有具备通道及车顶无人后才可以关门，锁舌才能恢复。关门后锁舌插入锁孔顶合微动开关，向PLC发送门已经关好的信号。
在登顶梯进口处和出口处各安装2个对射红外线发射接受传感器，通过软件编程组成两个双向智能计数器，用于检测登顶人数和通道内的人数。当工作人员登梯按顺序1，2将两个接收器遮挡过一次时通道计数器加一计数，有一人进入通道。按3，4时工作现场计数器加一计数，有一人到达车顶，同时通道计数器减一人，通道内有一人进入现场。按4，3时工作现场计数器减一计数，有一人从车顶进入通道，同时通道内加一人。按2，1时通道计数器减一计数，有一人从通道内走出。在以上各种情况下，凡是不按顺序或遮挡不足，可编程序控制器都不作计数处理。只有进出通道和进出车顶的人数都为零时，安全门关好、指纹确认正确，才具备隔离开关合闸的条件。
2.4 机车位置检测
当机车进行整备及检修之前，控制系统要知道机车的位置。只有机车的位置在有效的范围内，系统才能执行其他工作，否则系统会用语音和信号灯给予警示，以便司机可以调整机车位置。它的实现是通过两个反射式红外线光控探测器分别安装在工作台两侧，它的位置应该允许机车在工作台0.5m范围内的停车误差。
2.5 机车受电弓的检测
机车受电弓状态的控制是通过一个反射式红外线探测器来检测的，这个探测器安装在一个带有滑轨的小车上，小车可以在滑轨上来回运动以实现在一定的范围内检测受电弓。当车一进到台位后系统就启动小车在滑轨上来回运动，进行机车受电弓的状态检测。受电弓的状态是以连续3次同一状态确认为有效状态。然后系统再根据这个有效状态进行其他相应的控制。
2.6 接地状态检测
当隔离开关分闸到位后压下一个2m长的绝缘竿，这个绝缘竿的下方顶动一个微动开关。当开关闭合时他就向PLC提供一个接地良好的信号。
2.7 掉电检测和故障检测
当控制系统检测到掉电信息后（这时有一大型UPS供电）马上向操作人员以语音和光电的形式做出提示和警告，以便操作人员及时处理。
控制系统不断地检测每个部位工作是否正常，当有某一部位发生故障时控制系统及时地用相应的语音和光电的形式指出故障部位，以便及时的解决处理。
3 软件系统的组成原理和设计
3.1 I／O的确定及分配
首先要确定系统的输入量，其次是确定系统的输出量。只有确定好输入输出量后才可以进行顺序功能图及其梯形图设计。它也是我们选择PLC型号和配置硬件的主要依据，具有重要的意义。
经过研究和设计，我们以一个股道为例，根据设计要求需要20个输入点和15个输出点，所以我们选择了三菱的FX1N-40MR-001系列。具体I/O分配如图2所示。


图2中X0～X3为计数器输入信号，来自于4对红外线对射管；X16为手动和自动转换开关，当它为OFF时为自动状态，为ON状态时为手动状态；X4，X5是机车位置检测输入信号端；X17，X20分别是合闸按钮和分闸按钮，他们只有在手动状态时有效。自动状态的合闸和分闸是软控制来实现的，合闸和分闸分别由M1和M2的状态来控制。
3.2 系统软件的顺序功能图
3.2.1 手动和自动转换程序
手动和自动转换程序如图3所示。图3中，X16是手动和自动转换开关，当它为ON时程序跳过自动程序执行手动程序。公用程序是用于自动程序和手动程序相互切换的处理和一些公用的信号处理，比如：掉电检测、故障检测等等。手动和自动转换开关X16平时锁在一个柜子里，处在自动状态上，只有操作人员可以在特殊情况下打开柜子进行手动操作转换。如没有特殊情况绝对禁止使用，因为手动控制的安全性远远小于自动控制。


3.2.2 系统软件实现的顺序功能图
文章主要以自动程序为主。软件的设计分为两种设计方法，第一种为经验设计法，第二种为顺序控制设计法。由于经验设计法相对于顺序控制法来说一是很难掌握，设计周期长；二是装置交付使用维护比较困难，所以采用了顺序控制法。顺序法控制首先要根据控制要求设计出顺序功能图，它的成败与否直接关系到软件设计的成败。一个软件的设计过程中，如果顺序功能图设计出来了，梯形图也就很自然的编写出来了。图4就是在STL指令的编程方式下设计的顺序功能图。图4中，当电弓检测为下降状态时M0为1态否则为0态；当指纹检测系统确认输入指纹为操作员时M5为1态否则为0态，这里M5是通过组态软件间接被控制的；当分闸所有条件具备后以M1组态的分闸按钮将在显示器上显示，以便操作人员操作；当合闸所有条件具备后以M2组态的合闸按钮将在显示器上显示，以便操作；当通道人数为0时M3为1态否则为0态；当车顶人数为0时M4为1态否则为0态。


4 工控组态软件设计
在组态软件选择中，通过合理的组态以后，在自动控制模式下可以在计算机主机的显示器上很方便直观地观察到机车检修的全过程并进行实时监测实时控制的目的。它的使用使控制具有很多好处，比如操作过程中不具备合闸条件时，在显示器上根本看不到合闸按钮就是想操作都操作不了，这就避免了人为的误操作，从而保证了操作的安全性。当有报警时，显示器上的相应位置的警示灯就会闪亮，向操作人员提出警告。当没有报警时警示灯是不点亮的，这保证了显示器的空间得以充分利用。操作人员可以很方便地利用鼠标点击进行软控制和远程控制，这不仅使操作的安全度提高了而且还给操作人员带来了极大的方便和直观性。所以在控制过程中引进工控组态软件至关重要，它使控制变得更直观，更安全。
5 结束语
上述的现代高压电力机车安全整备及检修监控系统，由于引进了指纹识别系统、可视监控系统以及延时报警、智能通道计数器、机车位检测等很多检测监控装置，因此确保了操作控制的安全性，避免了人为的误操作。而且，由于组态软件的使用使操作更加安全和直观。在使用中稳定性很好，达到了设计要求，保证了人身和设备的安全，为使用单位带来了极大的经济效益和社会效益。