防凍液自動噴灑控制系統的實現

朱娟娟

（山西職業技術學院，山西 太原 030006）

冬季生產中，選煤廠面臨的一大問題就是運煤車凍車現象，這一現象將導致卸煤困難，甚至嚴重影響生產。因此，為保證產品質量和防止凍車事故的發生，防凍液的噴灑工作顯得尤為重要。

在實際生產中，要求運煤車防凍液自動噴灑系統可以在列車行駛過程中準確地識別車廂位置，并且將防凍液快速、均勻地噴灑在空車廂內的前側、后側、左側、右側和底部五個面上，且能自動調節噴灑量和噴灑速度。論文針對我省某礦區現有選煤廠的實際客觀條件，本著實用、可靠、易于維護的原則，進行了防凍液自動噴灑控制系統的設計。實際應用表明，所設計的系統運行效果良好，有效防止冬季煤炭外運凍車現象的同時，解決了人工噴灑的各種弊端，避免了防凍液的浪費，節約了成本。

一、防凍液自動噴灑系統的控制要求

防凍液自動噴灑系統能夠根據車皮型號自動升降，并且要求升降速度快、位置精確。對每節車廂的前側、左側和右側、底部、后側依次噴灑，保證噴灑均勻且車廂前、后、左、右無防凍液噴灑在外面，也不受風吹干擾的影響。能夠根據防凍液管路壓力、溢流閥及管路噪聲狀況、列車行駛速度、環境溫度等狀況，調節管路壓力和防凍液噴灑量。對防凍液的漏液進行收集、二級過濾，以減少污染，同時節約防凍液使用。

噴灑電氣控制方面，可根據列車行駛方向控制噴、停，根據列車行進和停止控制噴、停，根據列車行駛速度控制噴灑量。電氣控制柜上有人機界面，可進行參數設定、翻頁觀察。

噴灑動作的動力采用液壓驅動，要求雙液壓回路、一備一用，若有個別情況引起的故障，能立即切換到備用，不影響操作。

二、系統工作原理及功能介紹

1.液壓系統

噴灑動作的動力采用液壓驅動，并且為雙液壓回路，兩臺防凍液泵互為備用。通過選擇開關“1號防凍液泵、2號防凍液泵”選擇兩臺防凍液泵中的一臺為工作液泵，則另一臺即為備用泵。即使有個別其他情況引起的故障（如防凍液漏進來燒了電磁換向閥的電磁鐵），也能立即切換到備用，不影響操作，待檢修時判斷處理即可。防凍液泵電機采用變頻自動控制，通過專用測速雷達檢測出列車行駛速度信號，系統經過運算后，通過控制防凍液泵電機的轉速來控制車廂的噴灑流量。變頻器調速信號也可以通過人機界面上的調節畫面手動設定。防凍液泵采用遠程控制，防凍液泵房內放置變頻控制柜。防凍液泵電機的工作狀態、工作頻率、防凍液流量在人機界面中有相應的指示。

液壓系統中立柱油缸的升降可使大臂噴嘴快速上升，對應不同的車廂類型噴灑臂高度自動選擇，回轉臂的速度調節、回轉角度的調節都可實現精確調節。液壓回路實現安全動作互鎖，液壓站油箱設有液位控制器、油箱溫度傳感器、加熱線圈。液位控制器對油箱液位進行檢測，油箱液位降至低位時發出報警，防凍液控制室操作臺聲光報警，人機界面有報警條顯示。

2.電氣控制系統

自動噴灑系統采用PLC可編程控制器（S7-200PLC）為控制核心，負責液壓系統和防凍液系統溫度、液壓、溫差、流量、速度等傳感器的信號檢測。液壓泵、防凍液泵、電磁閥、馬達、加熱器等控制，可根據車型的不同、列車行駛狀況、防凍液管路壓力等狀況進行調整。列車行駛方向、行駛速度信號，通過傳感器輸出至PLC。系統配有人性化的人機界面，整個系統的設備狀態、設定參數、故障報警均可在人機界面上設置、修改、顯示。

為了檢測運煤車車頭及車廂的到來，系統中采用了三對對射傳感器，其中一對安裝在距鐵軌高3.5m處，當火車頭通過時發出信號，噴灑系統不工作。另外兩對安裝在門架立柱上，通過其狀態的變化，可自動獲取火車頭到達、車廂到達、離開等信息，并以此作為開始噴液、停止噴液及前后側面噴液機構的旋轉和停止等的控制信號，保證防凍液的合理有效噴灑，做到經濟而不浪費。系統設有遠程、就地兩種控制方式，遠程模式是指操作人員通過操作控制室中的人機界面來完成各種控制，在此方式下又分為手動、自動兩種控制方式。就地模式是指操作人員通過現場控制柜上的按鈕、開關來完成對設備的控制，在此方式下只有手動功能，只能作為系統調試及檢修時的工作方式。系統控制結構如圖1所示：

3.列車行駛方向檢測

列車裝車時，由于各種原因需要倒車，如果防凍液車廂噴灑系統無法辨別列車行駛方向而及時停止噴灑，會造成大量防凍液的浪費并且對軌道、路基造成損害，尤其在連續倒車時情況會更加嚴重。因此，防凍液噴灑系統對列車行駛方向的噴灑控制采用了最新技術的鐵路鋼軌固定專用傳感器，即諧振式軌道傳感器。

圖1 電氣控制系統結構圖

軌道專用傳感器具有不受列車速度的影響、重量輕、能夠自檢測等優點，使用安全、可靠。主要技術參數如下：

工作電壓：8V～30V

工作電流：靜態≤0.01mA，動態≤2mA

額定動作距離：25mm

工作溫度：-40℃～-70℃

感測信號傳輸距離：≥3000m

感測列車速度：≥200公里/小時

感測頻率：≤100HZ/S

辨別方向時需安裝兩個傳感器，當列車正向行駛（即來車方向）時，車輪先經過傳感器1，再經過傳感器2，分別發出開關量信號給控制系統，系統首先辨別兩個傳感器的動作次序，再經過運算、處理后發出車廂噴灑閥啟噴信號。當列車倒車時，車輪先經過傳感器2，再經過傳感器1，分別發出開關量信號給控制系統，系統首先辨別兩個傳感器的動作次序，再經過運算、處理后發出車廂噴灑閥停噴信號。原理如圖2所示：

圖2 列車行駛方向檢測原理圖

4.列車行駛速度檢測

列車在裝車時行駛速度比較慢，大約為0.3米/秒，常規測速儀器測量范圍無法滿足要求，而且容易受工作現場、振動、天氣（尤其是大風）的影響而導致誤動作。系統選用專用于測量列車速度的雷達測速傳感器，能夠精確測量火車的速度，不受車輪打滑和空轉、發射面類型的影響，可以把車輛的即時速度通過RS232數據線接頭連接到控制主機上，或者雷達輸出一個模擬信號來控制防凍液變頻電機的轉速，同時控制噴灑電磁閥關閉（當檢查出列車速度接近零時）。

將設備安裝在一個防護罩內，可以24小時工作，能適應風、沙、雨、雪、高低溫等惡劣環境。同時可配備電子防盜鎖，專人控制，專人維護，有效避免不必要的損失。

5.防凍液噴灑量的控制

通過在防凍液泵出口管路上安裝壓力傳感器，可以對噴灑系統的管網壓力進行檢測，壓力傳感器可輸出4～20mA的標準電流信號，并將其傳輸至控制系統用于顯示、控制。

控制系統可根據管網壓力的不同，輸出標準模擬量信號來控制變頻器的頻率，從而調節防凍液泵電機的轉速。系統壓力升高時，控制系統發出降速指令；系統壓力降低時，發出升速指令。

防凍液泵電機的轉速調節還可以根據現場環境來人為調整，若溫度較低可通過人機界面上的“頻率上升”按鈕手動提高電機轉速加大防凍液的噴灑量；若溫度較高可通過人機界面上的“頻率下降”按鈕手動降低電機轉速減少防凍液的噴灑量。

6.防凍液的回收

防凍液廢液回收設計思路是在噴嘴噴灑處導軌周圍進行施工改造，噴灑在外面的防凍液全部進行收集，然后經過過濾，再由泵送至防凍液主管路。

采用兩級過濾回收工藝。先收集泄漏防凍液，使其進入收集溝中，進入沉砂池中后，經初步沉淀過濾去除煤等顆粒較大雜物，再用泵把廢液送入深度過濾裝置（袋式過濾器）中，濾液再經泵轉送至防凍液主管路中。沉砂池是一種泥水分離的設施。分離的沉淀物質多為顆粒較大的東西，沉淀物質比重較大，無機成分高，含水量低。

袋式過濾器是一種結構新穎、體積小、操作簡便靈活、節能、高效密閉工作、適應性強的多用途過濾設備。袋式范圍在0.5～200微米，可有效地過濾掉廢液中的懸浮顆粒物。廢液通過袋式過濾器處理后就可以過濾掉細小雜質，達到回收的要求，用泵把回收液送到防凍液主管路中。

對于防凍液廢液收集裝置，控制系統通過安裝在收集池中的液位計輸出的連續變化的標準模擬信號，當達到液位上限值時啟動收集泵，液位下降到設定下限值時停止收集泵。收集泵的工作狀態、液位設定值、實際液位等參數在人機界面中均有相應的指示。

7.車廂四壁及底面全方位噴灑

車廂噴灑時，為了保證均勻噴灑，車廂四壁及底面全部噴灑到，不留死角，不浪費防凍液，達到車廂防凍的理想效果。在車廂前后、車廂左右、車廂底部都保證有數量基本相近的噴嘴，且依次噴灑，順序是車廂前側、車廂左右側、底部、車廂后側。

選用15°窄角實心圓錐形噴嘴，并配有可調球形接頭，兩者配合使用可實現對噴嘴噴射角度調整，也可快速精確調整噴射方向。同時，可調球形噴嘴具有多種噴霧模式，包括空心錐形、實心錐形、扇形等，能滿足實際噴灑過程中的使用要求。

噴嘴固定在大臂的兩側，根據車廂的結構，將噴嘴分為前噴嘴、側噴嘴、底面噴嘴、后噴嘴。車廂兩側由兩組噴嘴噴灑，主要是保證車廂兩側噴灑時有相應數量的噴嘴，確保噴灑效果。前、兩側、底面、后幾路噴嘴管路分別由相應的噴灑電磁閥控制。車廂行駛時，負責車廂前壁的噴嘴開始噴灑，隨后側噴嘴開始噴灑，前噴嘴噴灑到底面時，底面噴嘴開始噴灑，前噴嘴關閉，底面噴嘴噴灑到后壁底面時，地面噴嘴關閉，側噴嘴隨后關閉，后噴嘴開始噴灑，直至車廂后壁噴完，關閉噴嘴。為了防止液體噴灑到車廂外，大臂上加裝四塊擋板防止噴嘴將液體噴出。

該防凍液自動噴灑系統實現了智能控制，能準確檢測車廂、車頭、車廂連接空檔、列車行駛方向、列車行駛速度，精確控制噴灑系統的噴停，且防凍液噴灑均勻，防凍液的回收有效避免了防凍液的浪費，節約了成本，經濟效益、社會效益以及推廣前景良好。

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