新型感應加熱道岔融雪系統(tǒng)的研究及應用

崔寧寧,董 昱,王鐵軍

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院,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,冰雪對道岔帶來很多影響,其中最重要的是積聚在道岔可動部位或者道床板上的降雪較多或者結冰,這將使道岔不能正常密貼及正常轉換。近年來,我國鐵路客運專線的建設發(fā)展迅速,對于雪害方面加大力度進行防治與研究[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、風力除雪等比較落后的方式,已經(jīng)無法適應現(xiàn)代鐵路高速、安全、正點和大密度運行的要求,因此研究一套能夠有效融化積雪、自動化程度較高的道岔融雪設備勢在必行[3]。通號集團、鐵科研、一些學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,沈陽局較早研究并使用電加熱融雪裝置,京津城際鐵路是我國第一條使用道岔融雪設備的客運專線。

1.2 感應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,使用熱傳導的方式使部分熱能散失到空氣中,浪費能源,針對此問題,本文提出了一種新型道岔融雪方法——電磁感應式道岔融雪。

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

表1 感應加熱與電阻加熱對比

基于電磁加熱的道岔融雪系統(tǒng)是一個新的研究領域,其加熱速度快、節(jié)能、高效,是道岔融雪的一個發(fā)展方向,在日本等一些鐵路較發(fā)達國家,已經(jīng)開始研究試驗電磁感應加熱道岔融雪系統(tǒng)。目前我國處于使用道岔融雪系統(tǒng)的初步階段,為實現(xiàn)高速、節(jié)能的道岔融雪,電磁加熱必將成為一個新的發(fā)展趨勢。

2 道岔融雪系統(tǒng)的結構及組成

2.1 系統(tǒng)的總體結構

道岔融雪系統(tǒng)從總的系統(tǒng)結構上可以分為兩大部分：監(jiān)控子系統(tǒng)與加熱子系統(tǒng)。從組成結構上可以分為：遠動控制端、車站控制端、控制柜、室外設備[6～7],其總體結構如圖1所示。

圖1 道岔融雪系統(tǒng)總體結構

2.2 系統(tǒng)工作原理

環(huán)境監(jiān)測設備監(jiān)測室外的環(huán)境狀況,包括雪況、溫度、軌溫等信息,并實時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。工作人員通過車站控制端下達控制命令,車站控制端將控制命令傳遞給控制柜,控制柜隨后結合監(jiān)測的信息與工作人員的操作命令來控制加熱設備,啟動或者關閉加熱電路。同時車站控制端將接受到的監(jiān)測信息也傳遞給遠動控制端,并接受遠動控制端的控制命令。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)采用自動與手動2種控制模式來實現(xiàn)對融雪設備的控制，一般情況下系統(tǒng)處于自動控制模式下,2種模式可以互相切換,提高設備運行的可靠性。

道岔融雪系統(tǒng)以室外天氣狀況及溫度信息為基準,在不同的控制模式下進行加熱控制管理。根據(jù)天氣狀況分為有雪和無雪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)由計算機和PLC組成,利用MCGS組態(tài)軟件構建上位機實現(xiàn)系統(tǒng)的實時監(jiān)控、報警、歷史曲線等功能,利用PLC完成控制部分的下位機功能。

3.1 硬件配置

PLC是道岔融雪控制系統(tǒng)的下位機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)的輸入信號主要有雨雪信號、手動信號、自動信號、各路接觸器信號、各路斷路器信號等；輸出信號主要有正常輸出、故障輸出、加熱指示燈輸出、各路輸出控制信息等。統(tǒng)計得出數(shù)字量輸入輸出點數(shù)為49個,另外有13路模擬量輸入信號。

基于容量及各種因素考慮,本設計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輸出不能滿足設計的要求,故又選用了1塊EM221和4塊EM231信號擴展模塊正好滿足設計要求。

3.2 軟件設計

工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件MCGS是一個集成的人機界面(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,它適合任何自動化控制系統(tǒng)。MCGS提供各種PLC的驅動軟件,因此使PLC與上位機的通訊變得非常容易[8]。

道岔融雪控制子系統(tǒng)上位機采用一臺計算機利用MCGS組態(tài)軟件進行監(jiān)控界面組態(tài)設計。MCGS通過串行口等方式與下位機之間進行數(shù)據(jù)交換來監(jiān)測和控制外部設備。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)仿真

根據(jù)道岔融雪系統(tǒng)對監(jiān)控系統(tǒng)的要求,選擇相應的硬件設備,如采集模塊、PLC等,用MCGS組態(tài)軟件對道岔融雪監(jiān)控系統(tǒng)進行組態(tài)。

道岔融雪監(jiān)控系統(tǒng)設計了以下幾個界面：主界面、控制模式界面(包括手動控制與自動控制)、各機柜信息界面、數(shù)據(jù)查詢界面、參數(shù)設置界面等。下面重點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、軌道溫度等信息結合控制要求進行開發(fā)。主界面中顯示了整個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平面布置圖(只包含道岔即可),對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柜的基本信息,包括機柜對應的軌道溫度、加熱狀態(tài)及工作模式。通過主界面,可以隨時觀察到整個車站的主要加熱狀況,可以選擇進入其他界面。

(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)預先設定的“門限”(根據(jù)實際情況自行設定)進行比較,當?shù)陀谙到y(tǒng)所設定的門限值時,系統(tǒng)將自動啟動加熱,當加熱到符合加熱的條件時,系統(tǒng)將自動切斷加熱。當遇到緊急情況需要對控制模式進行選擇時,通過主界面選擇進入相應的控制模式界面。自動與手動加熱模式分別如圖5(a)、(b)所示。

圖5 控制模式界面

通過控制界面可以設定加熱條件。在手動加熱模式下,可以選擇要加熱的機柜；在自動加熱模式下可以設定加熱的“門限”,即加熱的條件參數(shù),例如自動加熱時間、加熱啟動溫度、加熱關閉溫度等。

4 加熱子系統(tǒng)

4.1 加熱子系統(tǒng)的主要組成結構

一般電磁感應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能量轉換的感應線圈及機械結構稱為感應爐[9]。根據(jù)變頻電源的不同,可以將電磁感應加熱分為工頻感應、中頻感應和高頻感應。

電磁感應加熱子系統(tǒng)是道岔融雪系統(tǒng)中的主要組成部分,是對道岔進行融雪的核心。電磁感應加熱子系統(tǒng)主要由感應加熱裝置、溫度檢測裝置等組成,組成結構如圖6所示。

圖6 加熱子系統(tǒng)基本組成

4.2 加熱子系統(tǒng)主要設計

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

主電路是一個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,該交流電通過加熱線圈,產(chǎn)生交變的磁場,交變的磁場在負載鋼軌底部產(chǎn)生渦流,從而加熱鋼軌。加熱電源的主電路拓撲結構如圖7所示。

圖7 加熱電源的主電路拓撲結構

圖8 加熱子系統(tǒng)加熱電源的主電路

電磁感應加熱子系統(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Q1～Q4全橋逆變電路,之后接入負載。

4.3 電磁感應加熱系統(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,通過加熱電源的驅動,鋼軌本身生熱達到融雪的目的。

本電磁感應加熱裝置在現(xiàn)場進行初步簡單試驗,對一段鋼軌進行加熱,試驗結果如表2所示。

表2 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)

從經(jīng)過初步的現(xiàn)場試驗看,本電磁感應加熱裝置滿足道岔融雪的要求,且預熱時間較短。而在相同條件下,用電阻進行加熱,達到相同的加熱溫度需要的預熱時間需要10 min左右。

5 結語

在我國道岔融雪系統(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,節(jié)省能源、速率高的新型道岔融雪系統(tǒng),為鐵路的防災和提速提供了解決方案。本文采用PLC與MCGS組態(tài)軟件相結合的方法開發(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)軟件操作方便簡單、結構清晰等優(yōu)點,提高了系統(tǒng)的可靠性。

文章的創(chuàng)新點是：加熱子系統(tǒng)采用電磁感應加熱的方式,在能源利用、加熱速度等方面有了進一步改進,是道岔融雪系統(tǒng)又一個新的研究方向。

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