崔寧寧,董 昱,王鐵軍

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,蘭州 730070)

1 道岔融雪系統(tǒng)的背景及意義

1.1 道岔融雪系統(tǒng)的背景

在我國(guó)的東北、新疆北部及青藏高原的部分地區(qū),冬季降雪量較大,冰雪對(duì)道岔帶來(lái)很多影響,其中最重要的是積聚在道岔可動(dòng)部位或者道床板上的降雪較多或者結(jié)冰,這將使道岔不能正常密貼及正常轉(zhuǎn)換。近年來(lái),我國(guó)鐵路客運(yùn)專線的建設(shè)發(fā)展迅速,對(duì)于雪害方面加大力度進(jìn)行防治與研究[1]。

目前世界上主要使用的道岔融雪方式有人工清掃積雪、融雪劑融雪、熱水循環(huán)加熱融雪、加熱空氣融雪、壓縮的冷空氣融雪等等[2]。我國(guó)鐵路道岔融雪系統(tǒng)的研發(fā)和使用起步較晚。目前許多車站采用人工掃雪、防凍液、風(fēng)力除雪等比較落后的方式,已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代鐵路高速、安全、正點(diǎn)和大密度運(yùn)行的要求,因此研究一套能夠有效融化積雪、自動(dòng)化程度較高的道岔融雪設(shè)備勢(shì)在必行[3]。通號(hào)集團(tuán)、鐵科研、一些學(xué)校等單位都在研究開發(fā)電加熱道岔融雪系統(tǒng)并開始在一些車站投入使用,沈陽(yáng)局較早研究并使用電加熱融雪裝置,京津城際鐵路是我國(guó)第一條使用道岔融雪設(shè)備的客運(yùn)專線。

1.2 感應(yīng)加熱道岔融雪的意義

目前較多使用電阻加熱道岔融雪裝置,但這種方法仍存在一些弊端,最主要的就是加熱速度慢,使用熱傳導(dǎo)的方式使部分熱能散失到空氣中,浪費(fèi)能源,針對(duì)此問(wèn)題,本文提出了一種新型道岔融雪方法——電磁感應(yīng)式道岔融雪。

電磁感應(yīng)加熱具有加熱快、速度高、節(jié)能等特點(diǎn)[4～5]。采用電磁感應(yīng)方式對(duì)道岔進(jìn)行加熱與電阻加熱方式的區(qū)別如表1所示。

表1 感應(yīng)加熱與電阻加熱對(duì)比

基于電磁加熱的道岔融雪系統(tǒng)是一個(gè)新的研究領(lǐng)域,其加熱速度快、節(jié)能、高效,是道岔融雪的一個(gè)發(fā)展方向,在日本等一些鐵路較發(fā)達(dá)國(guó)家,已經(jīng)開始研究試驗(yàn)電磁感應(yīng)加熱道岔融雪系統(tǒng)。目前我國(guó)處于使用道岔融雪系統(tǒng)的初步階段,為實(shí)現(xiàn)高速、節(jié)能的道岔融雪,電磁加熱必將成為一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。

2 道岔融雪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成

2.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

道岔融雪系統(tǒng)從總的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上可以分為兩大部分：監(jiān)控子系統(tǒng)與加熱子系統(tǒng)。從組成結(jié)構(gòu)上可以分為：遠(yuǎn)動(dòng)控制端、車站控制端、控制柜、室外設(shè)備[6～7],其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 道岔融雪系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)工作原理

環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)室外的環(huán)境狀況,包括雪況、溫度、軌溫等信息,并實(shí)時(shí)將這些信息反饋給控制柜,控制柜接受到這些信息后再傳遞給車站控制端。工作人員通過(guò)車站控制端下達(dá)控制命令,車站控制端將控制命令傳遞給控制柜,控制柜隨后結(jié)合監(jiān)測(cè)的信息與工作人員的操作命令來(lái)控制加熱設(shè)備,啟動(dòng)或者關(guān)閉加熱電路。同時(shí)車站控制端將接受到的監(jiān)測(cè)信息也傳遞給遠(yuǎn)動(dòng)控制端,并接受遠(yuǎn)動(dòng)控制端的控制命令。系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理

2.3 系統(tǒng)總體工作流程

道岔融雪控制系統(tǒng)采用自動(dòng)與手動(dòng)2種控制模式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)融雪設(shè)備的控制，一般情況下系統(tǒng)處于自動(dòng)控制模式下,2種模式可以互相切換,提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

道岔融雪系統(tǒng)以室外天氣狀況及溫度信息為基準(zhǔn),在不同的控制模式下進(jìn)行加熱控制管理。根據(jù)天氣狀況分為有雪和無(wú)雪2種情況,在不同的情況及不同的控制模式下,各種控制參數(shù)各自不同,其中各種參數(shù)可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行靈活的修改。其總體工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體工作流程

3 監(jiān)控子系統(tǒng)

本文道岔融雪系統(tǒng)的監(jiān)控子系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和PLC組成,利用MCGS組態(tài)軟件構(gòu)建上位機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警、歷史曲線等功能,利用PLC完成控制部分的下位機(jī)功能。

3.1 硬件配置

PLC是道岔融雪控制系統(tǒng)的下位機(jī)最為核心的組成部分,PLC的選擇很重要。本道岔融雪控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)主要有雨雪信號(hào)、手動(dòng)信號(hào)、自動(dòng)信號(hào)、各路接觸器信號(hào)、各路斷路器信號(hào)等；輸出信號(hào)主要有正常輸出、故障輸出、加熱指示燈輸出、各路輸出控制信息等。統(tǒng)計(jì)得出數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)數(shù)為49個(gè),另外有13路模擬量輸入信號(hào)。

基于容量及各種因素考慮,本設(shè)計(jì)選用的可編程控制器是西門子公司的S7-200系列小型PLC-CPU226。由于PLC-CPU226的集成24輸入/16輸出不能滿足設(shè)計(jì)的要求,故又選用了1塊EM221和4塊EM231信號(hào)擴(kuò)展模塊正好滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件MCGS是一個(gè)集成的人機(jī)界面(HMI)系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)的工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件,它適合任何自動(dòng)化控制系統(tǒng)。MCGS提供各種PLC的驅(qū)動(dòng)軟件,因此使PLC與上位機(jī)的通訊變得非常容易[8]。

道岔融雪控制子系統(tǒng)上位機(jī)采用一臺(tái)計(jì)算機(jī)利用MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控界面組態(tài)設(shè)計(jì)。MCGS通過(guò)串行口等方式與下位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換來(lái)監(jiān)測(cè)和控制外部設(shè)備。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)仿真

根據(jù)道岔融雪系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的要求,選擇相應(yīng)的硬件設(shè)備,如采集模塊、PLC等,用MCGS組態(tài)軟件對(duì)道岔融雪監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。

道岔融雪監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)界面：主界面、控制模式界面(包括手動(dòng)控制與自動(dòng)控制)、各機(jī)柜信息界面、數(shù)據(jù)查詢界面、參數(shù)設(shè)置界面等。下面重點(diǎn)介紹主界面與控制模式界面。

(1)監(jiān)控系統(tǒng)主界面

道岔融雪監(jiān)控系統(tǒng)主要由環(huán)境溫度、雪況、軌道溫度等信息結(jié)合控制要求進(jìn)行開發(fā)。主界面中顯示了整個(gè)車站道岔加熱的基本情況,監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖4所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)主界面

主界面中包括車站的基本信號(hào)平面布置圖(只包含道岔即可),對(duì)包含在道岔融雪系統(tǒng)中的所有的道岔旁邊給予指示燈顯示。主界面還顯示了本車站所有機(jī)柜的基本信息,包括機(jī)柜對(duì)應(yīng)的軌道溫度、加熱狀態(tài)及工作模式。通過(guò)主界面,可以隨時(shí)觀察到整個(gè)車站的主要加熱狀況,可以選擇進(jìn)入其他界面。

(2)控制模式界面仿真

正常情況下,道岔融雪控制系統(tǒng)處于自動(dòng)加熱的控制模式,雨雪傳感器及軌溫傳感器將采集到的降雪信息及軌溫信息傳送給控制柜,控制柜把采集到的信息與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的“門限”(根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)定)進(jìn)行比較,當(dāng)?shù)陀谙到y(tǒng)所設(shè)定的門限值時(shí),系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)加熱,當(dāng)加熱到符合加熱的條件時(shí),系統(tǒng)將自動(dòng)切斷加熱。當(dāng)遇到緊急情況需要對(duì)控制模式進(jìn)行選擇時(shí),通過(guò)主界面選擇進(jìn)入相應(yīng)的控制模式界面。自動(dòng)與手動(dòng)加熱模式分別如圖5(a)、(b)所示。

圖5 控制模式界面

通過(guò)控制界面可以設(shè)定加熱條件。在手動(dòng)加熱模式下,可以選擇要加熱的機(jī)柜；在自動(dòng)加熱模式下可以設(shè)定加熱的“門限”,即加熱的條件參數(shù),例如自動(dòng)加熱時(shí)間、加熱啟動(dòng)溫度、加熱關(guān)閉溫度等。

4 加熱子系統(tǒng)

4.1 加熱子系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)

一般電磁感應(yīng)加熱裝置由兩部分組成,一部分是提供能量的交流電源,也成為變頻電源,另一部分是完成電磁感應(yīng)能量轉(zhuǎn)換的感應(yīng)線圈及機(jī)械結(jié)構(gòu)稱為感應(yīng)爐[9]。根據(jù)變頻電源的不同,可以將電磁感應(yīng)加熱分為工頻感應(yīng)、中頻感應(yīng)和高頻感應(yīng)。

電磁感應(yīng)加熱子系統(tǒng)是道岔融雪系統(tǒng)中的主要組成部分,是對(duì)道岔進(jìn)行融雪的核心。電磁感應(yīng)加熱子系統(tǒng)主要由感應(yīng)加熱裝置、溫度檢測(cè)裝置等組成,組成結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 加熱子系統(tǒng)基本組成

4.2 加熱子系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)

道岔融雪系統(tǒng)的加熱部分采用電磁感應(yīng)加熱,加熱子系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)加熱電源與加熱線圈。

主電路是一個(gè)AC—DC—AC(交流一直流一交流)變換器,由三相橋式整流器和單相半橋電壓諧振變換器構(gòu)成。三相交流電源經(jīng)三相不可控橋式整流器變換為直流電,LC濾波后,再經(jīng)單相半橋電壓諧振變換器變換成頻率為20～30 kHz的交流電,該交流電通過(guò)加熱線圈,產(chǎn)生交變的磁場(chǎng),交變的磁場(chǎng)在負(fù)載鋼軌底部產(chǎn)生渦流,從而加熱鋼軌。加熱電源的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 加熱電源的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖8 加熱子系統(tǒng)加熱電源的主電路

電磁感應(yīng)加熱子系統(tǒng)加熱電源的主電路如圖8所示。輸入端為三相工頻交流電,經(jīng)過(guò)三相全橋整流模塊[10],Cd穩(wěn)壓后變成平穩(wěn)的直流,再經(jīng)過(guò)Q1～Q4全橋逆變電路,之后接入負(fù)載。

4.3 電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)的加熱效果

道岔加熱線圈安裝于需要加熱的道岔尖軌、軌心等部位,通過(guò)加熱電源的驅(qū)動(dòng),鋼軌本身生熱達(dá)到融雪的目的。

本電磁感應(yīng)加熱裝置在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行初步簡(jiǎn)單試驗(yàn),對(duì)一段鋼軌進(jìn)行加熱,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從經(jīng)過(guò)初步的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)看,本電磁感應(yīng)加熱裝置滿足道岔融雪的要求,且預(yù)熱時(shí)間較短。而在相同條件下,用電阻進(jìn)行加熱,達(dá)到相同的加熱溫度需要的預(yù)熱時(shí)間需要10 min左右。

5 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)道岔融雪系統(tǒng)處于發(fā)展初期,有著廣泛的發(fā)展前途和綜合效益,本文的討論為能開發(fā)一套功能強(qiáng),節(jié)省能源、速率高的新型道岔融雪系統(tǒng),為鐵路的防災(zāi)和提速提供了解決方案。本文采用PLC與MCGS組態(tài)軟件相結(jié)合的方法開發(fā)道岔融雪系統(tǒng)的監(jiān)控子系統(tǒng),充分發(fā)揮PLC的配置靈活、控制可靠、編程方便及MCGS組態(tài)軟件操作方便簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)清晰等優(yōu)點(diǎn),提高了系統(tǒng)的可靠性。

文章的創(chuàng)新點(diǎn)是：加熱子系統(tǒng)采用電磁感應(yīng)加熱的方式,在能源利用、加熱速度等方面有了進(jìn)一步改進(jìn),是道岔融雪系統(tǒng)又一個(gè)新的研究方向。

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