可视化智能防触电保护电子围栏设计范文

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摘要：在电力行业发展高度普及化的背景下，因误操作造成的触电漏电事故屡屡发生。以STM32单片机为核心，以激光传感器、指纹识别、组态显示屏为辅助，研发设计一种可视化智能防触电安全保护电子围栏。传感器和指纹识别系统将采集的数据传输到单片机控制系统，再由单片机控制系统处理，通过串行通信接口将处理信息传递到嵌入式组态系统，并显示到显示屏。该设计具有身份识别功能、断电保护功能，带电设备状态可视化，有效地解决了设备带电检修时由于非工作人员误闯入检修设备场所或者检修人员中途离岗，其他人员进入检修场所导致设备或者人员受到损伤的情况。

关键词：可视化；电子围栏；单片机；智能

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。

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。

2.1STM32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。

2.2RS232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。

2.3MCGS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。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。

2.4MCGS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。

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。

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。

作者：张宗芳 单位：西安铁路职业技术学院机电工程学院