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摘要：NDJC系列机车高压报警装置是由兰州铁路局兰州西机务段研制的，主要安装在该局所有内电机车上，用于相关作业操作人员登顶作业时判断接触网是否已断电和高压预警，减少高压意外触电事故发生。然而，NDJC系列机车高压报警装置在技术上存在着部分缺陷，导致该装置后期维护不方便、功能单一、使用寿命短。本文提出了针对NDJC系列高压报警装置的一些改进方法。
关键词：NDJC系列;高压;报警;改进设计
1 引言
截止2019年，我国电气化铁路里程已超过10万公里，跃居世界第一。近年，又新建通车了多条高铁、动车组线路，随着我国电气化铁路的快速延伸，如何运用科技手段，提供给用户安全可靠的产品，贯彻“安全第一、预防为主、综合治理”的安全生产方针，保障铁路从业人员人身安全是铁路装备供应商的一大职责。
为满足机车车辆高效运行的要求，机车检修人员或乘务人员经常需要攀爬车顶作业，偶有在电气化区段高压人身伤害事故发生。为避免在电气化区段高压触电事故发生，迫切需要研制一种安全可靠的车顶高压预警系统，从技术手段上提醒或杜绝类似事故发生，给通往车顶的道路增加一道安全屏障。因此，涌现了多种机车车顶高压报警装置，本文针对兰州西机务段研制的NDJC系列机车高压报警装置提出了一些改进设计方法。
2 NDJC系列高压报警装置简介
2.1 组成结构
NDJC系列机车高压报警装置由高压报警装置主机、车顶高压感应接收器、车顶门状态检测行程开关组成。图1为该装置外观图。
（1）主机安装在机车车顶门梯附近，由机车蓄电池提供DC110V工作电源，检测车顶接触网带电情况及车顶门开闭状态，当输入信号满足报警条件时发出声光报警，语音提示“有电危险，禁止攀登”，主机“有电”指示灯点亮。
（2）车顶高压感应接收器安装在机车车顶门附近纵轴线上，接收车顶高压接触网的电磁场信号，并传送给车内主机进行识别。
（3）车顶门状态检测采用LX19系列行程开关，主机发出DC110V信号，通过行程开关常闭触头，车顶门关闭状态下DC110V信号断开，车顶门打开状态下DC110V信号导通并送入主机，从而完成车顶门开闭状态检测功能。
2.2 工作原理
NDJC系列高压报警装置工作原理如图2所示。当车顶高压感应接收器接收到接触网的电磁场信号，主机进行信号识别，若接触网带电，则进行滤波调整放大，驱动声光报警，“有电”指示灯点亮，并发出报警提示音;若接触网不带电，则“无电”指示灯点亮。另外，当“自检”按钮按下，装置也能发出声光报警，可判断装置输出部分工作是否良好。
3 几点改进设计
通过现场检修、安装及试验发现，NDJC系列车顶作业安全报警装置主要存在着以下几点问题：①采用了5节1.2V串联的DC6V/1200mAh镍镉蓄电池组，未设计电池组安装座，挤压在电路板与外壳之间，容易造成电路板发热，或晃动导致元件损坏，并且无电池充放电管理电路，外接DC110V电路接通后一直充电，影响电池的使用寿命，导致续航能力差，需要经常更新蓄电池。②未设置“检测”功能，只有在操作者遗忘在高压网下作业盲目登顶时才能报警，不能进行车顶接触网带电状态测试。③装置功能单一，无报警历史记录转储等功能，人机界面简单。④通往车顶的安全屏障简单，仅限于声光报警。
针对上述问题，通过调研、试验，对NDJC系列车顶作业安全报警装置提出了以单片机为控制核心、改用性能更高的锂电池做自备电源、设置高压“检测”功能、用数码管动态显示网压、系统时间调用存储查询转储报警历史记录、智能电控锁控制车顶门等改进措施。改进后的硬件结构如图3所示。
3.1 电源改进
装置外电源取自机车蓄电池前级，增加自动开关控制主机的得电，保证装置时刻获得工作电源。主机将DC110V电源变换成DC12V给模拟部分供电，再采用美国VICOR公司生产的DC-DC电源模块将DC12V变换成DC3.3V稳压电源供给微处理器系统工作。考虑到该系统应在切断蓄电池的状态下能正常工作，系统需自备DC3.3V/2000mA续航锂电池，在系统外部电源正常时及时给锂电池充电，使用TI公司生产的BQ2057锂电池充放电管理芯片解决锂电池过充等问题，提高锂电池使用效率。并在电路板上设计锂电池安装座，保证电池的安装方便牢固。
3.2 设置“检测”功能
操作者登车顶作业前，按下“检测”按钮，进行车顶接触网带电状况检查，当车顶接触网带电时，发出声光报警。“检测”功能可直接使用獨立按键输入单片机P00口，并通过软件去抖方式消除按键抖动。程序流程如图4所示。
3.3 基于单片机的数字功能设计
高压感应接收器采集车顶网压信号、键盘输入采集用户输入功能选择信号，经过信号识别、滤波、转换，通过微处理器分析输出相应的动作，数码管显示网压值、调用实时时钟记录报警历史信息。
网压值由4位七段数码管实时动态显示，选用MAX7219芯片驱动，单片机IO口P10、P12作为MAX7219的串行数据输入信号DIN端和时钟信号CLK端，P11作为LOAD信号。网压数码显示电路如图5所示。
实时时钟采用DS1302芯片，经过一个简单的串行接口与单片机通信，实时提供年月日时分秒信息，与时钟RAM通信只需3根线：复位RST、数据线IO和串行时钟SCLK，使用32768Hz晶振，并接入补偿电容，Vcc1为备用电源、Vcc2为主电源。实时时钟芯片与微处理器连接电路如图6所示。
3.4 增加车顶门电控锁
车顶门上安装电控锁，接触网带电的情况下，通过技术手段锁死车顶门，禁止高压网下登顶作业。并在主机上设置“开锁”键，登顶作业时，按下开锁键，若接触网不带电，则电控锁打开，否则锁闭。
4 结论
通过以上改进设计，NDJC系列车顶作业安全报警装置可具备更加丰富的功能，实现实时显示接触网压信号、记录历史报警时间，并且增加“检测”功能及电控锁，增加了系统可靠性，电源改进设计，可大幅提高备用电池的使用寿命。综上，以上改进措施能使车顶作业安全报警装置更好地发挥作用，给乘务及检修人员有效地增加了一道安全屏障。
参考文献：
[1] 付家才.单片机控制工程实践技术.化学工业出版社，2004.3，125-286
[2] 张毅刚，彭喜元.新编MCS-51单片机应用设计.哈尔滨工业大学出版社，2003.7，153-164
关键词：NDJC系列;高压;报警;改进设计
1 引言
截止2019年，我国电气化铁路里程已超过10万公里，跃居世界第一。近年，又新建通车了多条高铁、动车组线路，随着我国电气化铁路的快速延伸，如何运用科技手段，提供给用户安全可靠的产品，贯彻“安全第一、预防为主、综合治理”的安全生产方针，保障铁路从业人员人身安全是铁路装备供应商的一大职责。
为满足机车车辆高效运行的要求，机车检修人员或乘务人员经常需要攀爬车顶作业，偶有在电气化区段高压人身伤害事故发生。为避免在电气化区段高压触电事故发生，迫切需要研制一种安全可靠的车顶高压预警系统，从技术手段上提醒或杜绝类似事故发生，给通往车顶的道路增加一道安全屏障。因此，涌现了多种机车车顶高压报警装置，本文针对兰州西机务段研制的NDJC系列机车高压报警装置提出了一些改进设计方法。
2 NDJC系列高压报警装置简介
2.1 组成结构
NDJC系列机车高压报警装置由高压报警装置主机、车顶高压感应接收器、车顶门状态检测行程开关组成。图1为该装置外观图。
（1）主机安装在机车车顶门梯附近，由机车蓄电池提供DC110V工作电源，检测车顶接触网带电情况及车顶门开闭状态，当输入信号满足报警条件时发出声光报警，语音提示“有电危险，禁止攀登”，主机“有电”指示灯点亮。
（2）车顶高压感应接收器安装在机车车顶门附近纵轴线上，接收车顶高压接触网的电磁场信号，并传送给车内主机进行识别。
（3）车顶门状态检测采用LX19系列行程开关，主机发出DC110V信号，通过行程开关常闭触头，车顶门关闭状态下DC110V信号断开，车顶门打开状态下DC110V信号导通并送入主机，从而完成车顶门开闭状态检测功能。
2.2 工作原理
NDJC系列高压报警装置工作原理如图2所示。当车顶高压感应接收器接收到接触网的电磁场信号，主机进行信号识别，若接触网带电，则进行滤波调整放大，驱动声光报警，“有电”指示灯点亮，并发出报警提示音;若接触网不带电，则“无电”指示灯点亮。另外，当“自检”按钮按下，装置也能发出声光报警，可判断装置输出部分工作是否良好。
3 几点改进设计
通过现场检修、安装及试验发现，NDJC系列车顶作业安全报警装置主要存在着以下几点问题：①采用了5节1.2V串联的DC6V/1200mAh镍镉蓄电池组，未设计电池组安装座，挤压在电路板与外壳之间，容易造成电路板发热，或晃动导致元件损坏，并且无电池充放电管理电路，外接DC110V电路接通后一直充电，影响电池的使用寿命，导致续航能力差，需要经常更新蓄电池。②未设置“检测”功能，只有在操作者遗忘在高压网下作业盲目登顶时才能报警，不能进行车顶接触网带电状态测试。③装置功能单一，无报警历史记录转储等功能，人机界面简单。④通往车顶的安全屏障简单，仅限于声光报警。
针对上述问题，通过调研、试验，对NDJC系列车顶作业安全报警装置提出了以单片机为控制核心、改用性能更高的锂电池做自备电源、设置高压“检测”功能、用数码管动态显示网压、系统时间调用存储查询转储报警历史记录、智能电控锁控制车顶门等改进措施。改进后的硬件结构如图3所示。
3.1 电源改进
装置外电源取自机车蓄电池前级，增加自动开关控制主机的得电，保证装置时刻获得工作电源。主机将DC110V电源变换成DC12V给模拟部分供电，再采用美国VICOR公司生产的DC-DC电源模块将DC12V变换成DC3.3V稳压电源供给微处理器系统工作。考虑到该系统应在切断蓄电池的状态下能正常工作，系统需自备DC3.3V/2000mA续航锂电池，在系统外部电源正常时及时给锂电池充电，使用TI公司生产的BQ2057锂电池充放电管理芯片解决锂电池过充等问题，提高锂电池使用效率。并在电路板上设计锂电池安装座，保证电池的安装方便牢固。
3.2 设置“检测”功能
操作者登车顶作业前，按下“检测”按钮，进行车顶接触网带电状况检查，当车顶接触网带电时，发出声光报警。“检测”功能可直接使用獨立按键输入单片机P00口，并通过软件去抖方式消除按键抖动。程序流程如图4所示。
3.3 基于单片机的数字功能设计
高压感应接收器采集车顶网压信号、键盘输入采集用户输入功能选择信号，经过信号识别、滤波、转换，通过微处理器分析输出相应的动作，数码管显示网压值、调用实时时钟记录报警历史信息。
网压值由4位七段数码管实时动态显示，选用MAX7219芯片驱动，单片机IO口P10、P12作为MAX7219的串行数据输入信号DIN端和时钟信号CLK端，P11作为LOAD信号。网压数码显示电路如图5所示。
实时时钟采用DS1302芯片，经过一个简单的串行接口与单片机通信，实时提供年月日时分秒信息，与时钟RAM通信只需3根线：复位RST、数据线IO和串行时钟SCLK，使用32768Hz晶振，并接入补偿电容，Vcc1为备用电源、Vcc2为主电源。实时时钟芯片与微处理器连接电路如图6所示。
3.4 增加车顶门电控锁
车顶门上安装电控锁，接触网带电的情况下，通过技术手段锁死车顶门，禁止高压网下登顶作业。并在主机上设置“开锁”键，登顶作业时，按下开锁键，若接触网不带电，则电控锁打开，否则锁闭。
4 结论
通过以上改进设计，NDJC系列车顶作业安全报警装置可具备更加丰富的功能，实现实时显示接触网压信号、记录历史报警时间，并且增加“检测”功能及电控锁，增加了系统可靠性，电源改进设计，可大幅提高备用电池的使用寿命。综上，以上改进措施能使车顶作业安全报警装置更好地发挥作用，给乘务及检修人员有效地增加了一道安全屏障。
参考文献：
[1] 付家才.单片机控制工程实践技术.化学工业出版社，2004.3，125-286
[2] 张毅刚，彭喜元.新编MCS-51单片机应用设计.哈尔滨工业大学出版社，2003.7，153-164