电力机车整备作业安全监控系统推广运用的可行性分析

赵伯臣 上海铁路局计统处

1 前言

随着我局铁路电气化营业里程的扩大及电力机车大量配属，特别是大功率和谐号电力机车投入运用，机车长交路、轮乘制的作业方式得到广泛推广，电力机车每个交路运行回库后，必须在库内进行保洁及机车上中下各部例行检查、保养、维护、试验等相关工作的整备作业，由于机车顶部是27.5 kV高压电网，如何确保整备作业过程特别是登车顶检修工作人员的人身安全和设备安全，已成为电力机务段必须考虑解决的主要问题。以上海南机务折返段机车整备作业为例，该段机车主要担负沪昆、京沪线牵引任务，整备场有三个整备作业股道，其中两股道为电力机车整备线，一股道为内燃整备线，每天担负着近40多台次电力机车的整备作业任务。

电力整备作业台位的隔离开关采用人工分断、人工挂接地线、检修人员通过机车天窗攀登车顶作业的方式。机车进出作业区、隔离开关开闭、接地线挂撤、作业人员进出等各环节还是停留在人工发牌、签字、点名的控制方式，仍须人工逐一确认。安全生产全部采用人工监护，存在着由于工作人员的疏忽、精神疲倦、联系不周等人为因素造成事故安全隐患。针对电力机车整备作业传统监控方法效率低、劳动强度大、安全控制难以保证等问题，路局机务、计统处与广州铁路科研所合作，运用系统综合控制技术方案，设计了一套控制二股道电力整备作业线的机车作业安全监控系统，采用计算机远程逻辑控制、IC卡门禁、工业自动化等技术，辅以视频监控等手段，实现隔离开关的远程操纵及作业人员实时安全控制，达到人机联控确保人身和设备安全的目的。

2 电力机车作业安全控制系统实现的功能需求

影响电力机车整备作业安全的因素很多，如机车在整备作业线停放位置、机车受电弓升降状态、隔离开关分合闸操作、地线挂撤过程、电网接地状态、登顶作业方式、地勤及登顶作业人数统计监控等。在作业过程中如何对这些因素的有效严密控制是确保安全生产的保证，机车整备作业安全控制系统需要实现以下要求：

（1）把目前作业股道隔离开关分合闸的人工现场操作变为计算机远程连锁集中控制，使隔离开关操作人员远离高压设备，确保操作安全，特别是在霉雨季节条件下操作安全和降低劳动强度。

（2）把目前作业股道人工加设安全防护变为机械连锁自动安全防护，有效警示机车不要闯入无电区。

（3）把目前人工挂撤接地线变为机械连锁互锁自动挂撤接地线，防止因操作失误挂及忘撤接地线而造成触电、短路事故，保证人身、设备安全和供电安全。

（4）把目前整备作业监控方式人控变为人机连锁互控，防止因人员疲倦、联系不周，操作不当，监控不到位而出现安全事故。

（5）设立专用登车顶作业通道，采用IC卡门禁技术实现作业人数统计和连锁控制，把检修人员攀爬机车天窗登顶模式变为走专用作业通道登顶模式，使登顶作业过程及人员得到有效控制。

（6）通过语音广播实现作业过程的语音提示及系统故障信息提示。

（7）通过车顶视频装置，实现控制室人员对作业现场的实时监控。

（8）实现整备作业台帐信息计算机网络化管理，提高整备车间信息管理水平，有力保障整备检修作业质量。

（9）实现故障导向安全导向设计，在系统运行过程中出现任何故障时，都能实现闭锁控制，确保作业安全。

3 系统设计方案及构成

根据电力机车整备作业的要求，要实现整备作业过程中人身和设备的安全，最终体现在对隔离开关的分合闸控制以及电网的可靠接地和作业人员的实时检测。课题研制开发的系统需具有在控制室便可实现对站场隔离开关分合闸的远程控制，通过系统微机界面，便可一目了然地知道整备场每股道机车停放位置，机车受电弓的升降状态、电网的分合闸状态、电网接地状态、登顶作业通道安全门开闭状态、地勤及登顶作业人数统计等有关信息；通过微机连锁和程序控制的方式，把影响人身和设备安全的各环节因素参与到隔离开关的分合闸操作的中去，实现人机安全联控，达到对人身和设备的安全自动控制目的，并借助站场的视频设备，实时监控整备作业活动情况。

为了实现上述功能要求，电力机车作业安全控制系统需建立六个子系统的支撑：

（1）隔离开关远程微机连锁集中控制子系统；

（2）作业股道自动防护控制子系统；

（3）电网挂撤地线自动控制子系统；

（4）登顶作业通道IC卡门禁控制子系统；

（5）作业语音提示控制子系统；

（6）整备场视频监控子系统；

3.1 系统控制核心单元设计

为了在一套微机单元里实现对站场隔离开关、自动接地装置、作业股道安全防护装置、登顶作业通道门禁装置及作业人员的有效控制，控制核心单元采用了主从工作站的模式，主站采用工业级的PC机作为本系统的上位机，利用其良好的人机对话界面和数据处理功能，实现对过程参数的监控、分析、统计、记录、指令控制等处理工作。从站采用可编程控制器（PLC）作为下位机，利用PLC强大的逻辑编程控制以及直接的现场参数检测能力，可灵活地实现站场控制参数的采集及控制指令的输出。通过PC机的串口采用光纤隔离的方式实现与PLC之间的通信，充分发挥PLC可靠、灵活的控制性能和计算机在管理、监控等方面的优势，提高系统的整体自动化程度。系统控制核心单元设计构成如图1所示。

图1 系统控制核心单元结构图

采用主从工作站方式进行系统设计，从站以PLC为核心控制单元管理一个股道的整备作业控制，主从站设备通过PROFIBUS网络协议进行通信，一个网络段上最多可以连接32台PLC设备，相当于利用一台工业PC机直接可以控制具有32条作业线的整备库。对于系统设计来说，只需开发一套上位机控制界面和一套下位机控制程序便可以实现多股道独立控制，类似于搭积木的方式便可以简单实现多股道站场控制，这样大大降低了系统的开发难度，并且由于各股道的控制单元是独立工作，增强了系统的工作可靠性。在上海南机务折返段整备场只有两个作业股道，采用了两台PLC作为控制单元设计。

主站计算机控制界面做到直观反映整备场各种控制对象，一目了然地显示机车在作业台位停放位置、隔离开关电网的分合闸状态、接地装置和防护装置的动作状态、电网接地状态、地勤及登车顶作业人数、登车顶作业通道安全门开闭状态以及系统故障信息，相关的操作按钮符号等。控制界面设计采用了工业组态软件进行开发，利用组态软件灵活的图形动画设计功能，很好地实现了机车整备场各中设备的图符显示。图2为上海南机务折返段作业安全监控系统控制界面。

图2 系统控制界面

3.2 登顶作业通道IC卡门禁管理子系统设计

在目前大多数电力机务段机车整备登顶作业时，主要还是通过攀爬机车天窗进行车顶作业，该方式存在严重的安全隐患，一是机车天窗的钥匙管理难度大，监控不到位容易误爬相临股道机车天窗而造成人员触电事故；二是机车天窗窄小不便于携带工具配件进行登顶维修作业；三是登车顶作业人数及人身安全监控难度大。为了解决以上问题，本系统专门设计了登车顶作业专用通道，在登顶通道上设立了电控安全门，由IC卡门禁单元控制，该控制单元由后台主站计算机控制管理，只有在作业股道隔离开关分闸到位，电网接地良好的情况下，刷专用登顶卡才能打开攀登车顶，这种控制模式很好地实现了登顶作业通道唯一性控制以及登车顶人数的统计监控。图3为登车顶作业通道。

IC卡门禁控制单元由电控安全门、门禁控制器、读卡器、主站计算机及控制软件组成。

IC卡分监护卡、登顶作业卡登记卡、地勤作业登记卡三种，监护卡由监护员保管使用，只具有控制接地装置挂撤接地线功能，登顶作业登记卡只具有刷卡打开电控安全门登顶作业功能，地勤作业登记卡只具有地勤作业登记和消号功能，各卡的职能分工明确，权限区分。作业人员数据库采用SQL-Sever开发，便于人员添加及维护和查询。IC卡控制软件和工业组态软件同在主站PC机上运行，他们之间的数据交互采用“OPC”方式进行。

图3 登顶作业通道及IC卡门禁控制单元

3.3 电网自动接地子系统设计

机车整备作业台位电网的有效接地是防止登顶作业人员触电事故发生的关键环节，当电力机车在库内作业时，隔离开关分闸后必须人工挂接地线，整备作业完毕，隔离开关合闸前，必须人工撤除地线。由于在隔离开关的操作过程中，操作者疏忽大意，违反操作程序，隔离开关监护员又未能认真履行监护职能，时有出现未进行隔离开关分闸操作便去挂接地线；作业完毕后未先拆除地线，便进行隔离开关合闸操作。这些违章操作，轻则造成变电所跳闸，烧损接地线及隔离开关接地刀，影响正常的行车秩序；重则造成操作者触电伤亡事故。为杜绝上述事故的发生，在本系统中设计了隔离开关自动接地装置，该装置由电机驱动机构、机械臂、接地刀、接地检测单元组成，每个作业股道对应一台接地装置，通过刷IC卡的方式进行控制，实现机械挂撤地线的操作以及接地机构与隔离开关严密逻辑控制，一方面使操作人远离高压区，另一方面有效杜绝了误动造成“放炮”事故的发生。

自动接地装置除了具有实现机械挂撤地线的功能外，还必须具有对电网接地是否良好可靠进行有效的监测，并把检测信息反馈到后台计算机进行逻辑控制，使系统决定是否输出登顶作业通道开放指令，允许作业人员登顶作业。接地检测单元设计原理如图4所示。

图4 接地检测原理图

当接地刀紧压电网时，24 V的低压检测信号通过检测线和主接地线构成闭合回路，接地检测模块输出接地状态信息给从站的PLC的输入端口，实现了判断接地线的状态是否真正接地、断开。

4 实际使用和推广可行性

上海南机务折返段设计开发的电力机车整备作业安全监控系统，于2011年8月正式投入使用，经过近一年使用该系统稳定可靠。系统的应用改变了上海南机务折返段传统以来对整备作业场隔离开关的管理及机车整备作业的监护模式，有效地解决了以往机务段整备作业过程中的安全生产问题，真正实现了以科技保安全的目的，在铁路安全生产中发挥了作用。为此，路局计统处在2011年底分别对上海机务段电力机车整备场、杭州机务段乔司电力机车整备场、南京东机务段电力机车整备场立项进行推广应用。