淺析鐵路客車快速上水控制系統的應用

徐文華 上海鐵路局阜陽樞紐工程建設指揮部

隨著鐵路快速發展，城際、高速和普速鐵路的建成。客車運行列數越來越多、時速越來越快，在到發站、中間車站停車時間也越來越短，這給客車上水作業增加了難度，不僅客車上水時間縮短而且任務量增加。現行站場股道間客車上水完成依靠人工作業，由于時間緊、任務重往往無法及時了解上水栓狀態、上水壓力、上水量等信息，有時可能由于作業不到位，造成客車離站帶失膠管、客栓低溫凍結、客栓失壓、客栓水漏失等事故發生。如何消除以上事故隱患，在工程實施前發揮前瞻性，優化設計方案、選型過程控制，保證系統竣工運行后徹底改變鐵路到發站、中間車站與動車段整備線完全依靠人工上水、現場設備檢測等作業，人工統計數據的現狀，真正實現上水管理智能化、自動化，提升上水管理平臺，使設備真正發揮作用并長期正常穩定的使用，這是擺在鐵路建設者面前的一個課題。

1 鐵路站場上水現狀分析

目前鐵路站場股道間上水作業除極少數站（如北京站）場近期采用快速上水控制系統試用外，基本上采用人工上水作業。由于列車調度科學化水平提升，每趟客車開行相鄰之間的時間間隙減少，客車時速提高。造成站場給單趟列車上水作業時間縮短，每日上水任務量增加。而所有客車上水工作都在人工作業方式下完成。如：上水栓狀態、上水壓力、上水量等信息必須派專人到現場人工進行查詢、檢測和統計；各種日、月、年的生產報表靠人工進行填寫、統計、匯總；在站場上水作業等生產調度信息上傳下依靠人工電話方式進行。日常管理存在著以下困難：一是上水客栓及給水管網水漏失不易發現，水量損耗大；二是設備隱患不易發現；三是設備出現故障及客栓低溫凍結不能及時報警；四是單列水量、水壓等參數不能準確統計。針對以上現象，可在既有客車上水系統上加裝快速上水監控系統，用自動化監控和作業方式，改變這一落后現狀，滿足運輸生產需要。

2 鐵路快速上水監控系統分析

2.1 快速上水監控系統工作原理

快速上水控制系統是客車到達車站時，車站上水作業人員首先完成上水系統對接后（將股道上水栓接頭連接上列車上水接口），整個上水系統工藝流程實現自動化控制的設備、計算機軟硬件系統。它主要有四個子系統組成：一是分布在站場股道間的各種具體上水操作設備，即上水作業子系統；二是負責執行各種作業管理輔助設施，即上水監控子系統；三是各種數據處理、監控管理信息和顯示的中央系統，即集控中心子系統。四是負責三個子系統之間轉換信息的數據通道及設備，即通信子系統。其中：

（1）上水作業子系統包括快速上水栓、快速上水結頭、上水管理機，控制具體上水操設備將水加入停靠在站場的客車上。

（2）上水監控子系統由上水監控終端、智能雙向計量裝置、智能電動閥、壓力變送器組成，用于自動計量上水量、水壓和開閉閥門。

（3）集控中心子系統包含工業控制機、壁掛式大屏幕、上水監視器、外圍設備以及監控管理信息系統軟件，是上水系統中樞，與車站客服系統交換信息并遠程控制整個上水過程。

（4）通信系統主要由線通信線路、通信設備和通訊基站組成，負責交換信息。

2.2 快速上水監控系統的具體對象

上水控制的具體對象是整個上水工藝流程中的上水栓、上水接頭、上水管理機、智能雙向計量、智能電動閥和壓力變送器等設備，為其確定各項工藝參數和設備參數，并在設備運行過程中進行自動化監測和控制。

（1）自動化監測的對象為：

①工藝參數：流量、壓力等；

②設備參數：工作電流、工作電壓、開停狀態。

（2）自動化控制的的對象為：

①各種上水栓、上水接頭；

②各種電動閥和電磁閥；

③雙向計量裝置、上水管理機等其它用電設備。

2.3 快速上水監控系統實現的功能

按照系統控制要求，系統通過機電一體化和管控一體化措施技術措施，使開始上水、停止上水、余水排空、上水接頭脫落、膠管回收到位等一系列客車上水全過程實現電控化，使監測上水栓狀態、上水壓力、上水量等上水管理工作實現信息化，最大限度杜絕客車離站帶失膠管、客栓低溫凍結、客栓失壓、客栓水漏失等事故發生。應具有以下八種功能。

（1）無線遙控功能。遙控器與上水設備具有自動對碼功能，操作人員可遙控上水栓開始或停止上水、鎖緊或脫落快速上水接頭、開始或停止回卷膠管。

（2）自動控制功能。快速上水栓可設定自動上水時間，到時自動停止，自動排空管內余水，膠管回卷到位后自動停止。

（3）手動控制功能。在實現遙控的同時，可通過操作面板手動電控快速上水栓；當停電或者出現上水栓電氣出現故障時可機械手動操作上水并回卷膠管。

（4）密碼保護功能。設備可通過操作面板組合按鍵實現加鎖控制，杜絕無關人員的上水操作。

（5）防寒保暖功能。當站場環境溫度達到設定值時，上水栓可自動啟動或停止電加熱，防止冰凍故障。

（6）集中控制功能。集控中心與車站客服系統交換信息，自動根據客車到發時刻控制客栓是否有水，可實時監測上水栓的工作狀態，當客車離站前30s自動停止該股道所有上水設備，同時在上水壓力超出設定范圍時自動報警。

（7）計量計費功能。集控中心可根據環狀管網水流方向，精確統計單列客車上水量，自動實現各股道上水列車的計量、計費，匯總并打印生產報表，自動繪制上水量及上水壓力趨勢變化圖，同時可將上水管理及監控信息通過網絡上傳運營管理單位。

（8）系統擴展功能。

3 站場快速上水監控系統設計方案

為實現以上功能，按照該系統的工作原理，可將快速上水控制系統結構設計劃分成4個子系統：即上水作業子系統、上水監控子系統、集控中心子系統和通信子系統。示意圖見圖1。

（1）上水作業子系統包括上水栓、上水結頭、上水管理機。

①上水栓包含電動卷管器、電源箱、控制箱、遙控器、操作面板和附屬管道及閥門。其中電動卷管器用于上水軟管的拉出與自動回收，主要由卷筒、電機及傳輸裝置、旋轉接頭、膠皮等元件組成；防水電機采用24 V安全電壓，以保障設備的穩定性、可靠性；設備斷電時，也可以手動上水及收管。

②上水接頭是體積小、重量輕的氣動膠頭，具有快速鎖緊、自動脫落、防凍、防摔。

③上水管理機除可以控制整個股道間快速上水栓緊急收管外，還能實時顯示該股道間上水栓的狀態和流量信息；能儲存和顯示該股道上水量的歷史信息及數據等。

（2）上水監控子系統由上水監控終端、智能雙向計量裝置、智能電動閥、壓力變送器組成。

①上水監控終端在站場內共設置兩套，分別安裝于上水管網的兩側，每一個上水監控終端負責監控同側的智能雙向計量裝置和智能電動閥。

②考慮到客車上水多采用環狀管網，水流方向不定，智能雙向計量裝置安裝于每排客栓干管兩側，可自動判斷水流方向，分別累計，從而準確計量上水量。

③智能電動閥安裝于每排客栓干管兩側，可根據客車到發自動開閉，做到客車進站客栓有水，客車離站客栓無水，從而實現節水、節能。

（3）集控中心子系統。值班人員可通過大屏幕實時看到客車到發信息、監控上水設備、監測上水流量及最不利點壓力、客車離站前30 s自動所靠股道中仍在工作的上水設備，實現單列客車上水計量、跨局結算等功能。

（4）通信子系統。利用數據通道及設備實現其他三個子系統之間轉換信息的溝通。

圖1 控制系統結構示意圖

4 快速上水監控系統產品的選型考慮

快速上水控制系統產品選型時，應充分考慮了以下因素：

（1）系統的先進性。采用國際自動化領域的主流技術-可編程控制器（PLC）所生產的RTU；控制結構模式采用集散控制結構，即"集中管理，分散測控"。

（2）系統的可靠性。采用技術先進，功能強大，性能可靠和高質量、模塊化、免維護的產品。

（3）系統合理的投資水平。系統初建時全面考慮系統的總體成本。即總體成本＝直接投資成本+運行成本+維護成本+系統擴展成本。合理考慮成本，拋棄那種"初期投資越低越好"的思路。

（4）系統的可擴展性。因自動化系統的建設不可能一步到位，應充分考慮到系統的可擴展性。

5 快速上水控制系統實施前后比較

通過北京站、重慶達州站、天津站等客站股道間加裝快速上水控制系統并進行正常的運行，對系統實施前后跟蹤比較（見表 1）。

表1 系統實施前后跟蹤情況比較

6 結束語

在城際、高速和普速鐵路客車站場股道間加裝快速上水控制系統，系統的實用和可靠不僅提高了上水效率也減少了上水工的勞動強度，同時，也使站場環境愈加整齊美觀。將實現客車的到發與上水設備開停聯動、上水計量管理及上水班組管理等功能，使上水設備與上水工的綜合管理水平上了新的臺階，也使與鐵路運輸業直接相關的客車上水工作達到新的水平。