電加熱道岔融雪控制系統的設計與實現

趙東波，侯勤宏

（中鐵電化（西安）通號設備有限公司， 西安 710001）

電加熱道岔融雪控制系統的設計與實現

趙東波，侯勤宏

（中鐵電化（西安）通號設備有限公司， 西安 710001）

介紹基于Windows XP Embedded（XPE）和控制器局域網（CAN）的電加熱道岔融雪控制系統、系統的控制要求、控制部分的組成、以及軟件的實現。闡述系統內的通信方式。該系統具有性能穩定、可靠性高、成本低等特點，已在部分鐵路局的線路上推廣使用。

Windows XP Embedded（XPE）；控制器局域網（CAN）；道岔融雪

目前，隨著國內高速鐵路的大規模建設和鐵路系統自動化水平的提高，鐵道運輸對鐵路信號以及輔助系統的功能和要求也越來越高，其中，電加熱道岔融雪技術在北方地區高速鐵路線路上已廣泛應用。為了保證行車安全暢通，設備應用可靠性高、免維護、少維修，減輕電務工作人員的勞動強度，我們自主研發了由工業計算機自動控制的電加熱道岔融雪控制系統。

1 道岔融雪控制系統功能

電加熱道岔融雪控制系統通過電加熱條加熱道岔前部的鋼軌使其達到一定的溫度，實現融雪目的。該系統由遠程監控車站中心的控制終端、各車站安裝的車站計算機終端、室外控制柜、環境檢測裝置、軌溫傳感裝置、隔離變壓器、接線盒、電加熱元件、電力電纜和信息通道等構成。系統采用模塊化設計，下位機具有采集電壓、電流、溫度、頻率等模擬量參數功能；上位機具有登陸管理模塊，監控界面，報警呈現，日志記錄以及報表處理等功能，系統運行可靠，可在– 40℃環境下正常工作。

（1）全自動監控功能

對鋼軌溫度和鋼軌周圍降雪結冰狀態、各回路接觸器的工作狀態、每個道岔融雪系統各加熱元件的工作狀態實現本地和遠程的自動監測控制。

（2）自動診斷功能

可以根據道岔周圍區域的降雪情況、溫度等自動開始和停止工作，并可以診斷每組道岔加熱子系統、甚至每個加熱單元的故障。如果電源電壓或頻率過低，控制柜將自動關閉加熱輸出。

（3）基于互聯網技術的可擴展功能

可以根據用戶的需求，基于互聯網技術，實現在全球任意地方對系統的軟件進行維護和升級。

（4）歷史數據的記錄功能

對投入使用后系統的各種狀態、參數和氣候環境等歷史數據可記錄、查詢，保證系統工作過程的可追溯性。

（5）操作權限控制功能

經管理者設定操作權限后，可有效地保證操作的權威性和安全性，避免違章和非法操作。

2 控制系統結構組成

室外電氣控制柜是電加熱道岔融雪控制系統的核心，控制柜的核心部件是控制器。控制器實現了智能閉環控制，擔負著電壓電流、頻率、用電量、溫度、降雪信息等運行數據的采集，與車站終端的通信，執行加熱/停止加熱命令，收集故障信息，實現定位報警，實現道岔融雪等功能?？刂葡到y結構分為強電部分和弱電部分。控制柜的結構如圖1所示。

圖1 控制柜內部結構示意圖

控制器帶有可觸摸顯示屏，操作者在自己權限下可對系統進行各種操作。如對報警參數的設定，控制加熱回路的開關，監測系統各種參數和工作狀態等。當車站終端發生故障，可直接操作啟動或停止加熱。

控制柜內除控制器外的部分屬于強電，當控制器接收到加熱命令后，驅動繼電器打開常閉觸點，接通接觸器，接觸器打開后，電流通過隔離變壓器使加熱條發熱，從而實現道岔的融雪功能。

3 控制系統硬件方案設計

在道岔融雪項目中，設計并調試通過了由工業計算機、主控制器、控制器局域網（CAN），TCP/IP網絡組成的電加熱道岔融雪控制系統。系統的上位機采用工業控制計算機。所有室外控制柜和車站控制室內的上位機通過CAN總線組成監控網絡。為了滿足系統的要求，設計了由主控板、CAN板卡和IO板卡、電源模塊等組成的控制柜內控制器，控制器除了完成電氣部分的邏輯控制外，主要完成電壓、電流、溫度的采集，空氣開關狀態和接觸器狀態的查詢。

（1）主控板是PCM-3362嵌入式單板電腦，適用于性能要求較高的場合，滿足對程序規模和指令更高的要求，采用Intel Atom凌動N450處理器，可在– 40℃～80℃環境下工作。通過其提供的串行通信端口（COM），與電量采集模塊、氣象站以及軌溫采集模塊通信。

（2）為了與車站終端通信，控制器內采用隔離CAN接口模塊完成CAN通信功能，該接口模塊能同時操作兩個獨立的CAN網絡，傳輸速率為1 Mbps。

（3）采集處理數字量模塊使用PCM - 3753I，是一個96 bit的插入式工業IO卡板。通過軟件可以將端口配置為輸入端或輸出端，提供Opto-22型連接器，通過PCI-104總線設計，與嵌入式PCM-3362配套結合，開發出堅固輕巧且功能強大的集成控制器，通過該板卡可以采集到空氣開關、接觸器、以及驅動繼電器模塊的狀態。

控制器中的觸摸屏與主程序之間通過串口進行數據交換。操作者可以通過觸摸屏在自己權限下對系統進行各種操作，如控制各加熱回路的開關參數的設定和改變，監測系統的各種參數、工作以及錯誤狀態。

此外，通過設計雪傳感器的微加熱功能，實現了除了對自然降雪和結冰融化外，還可以對外來的積雪，如風刮來的、列車經過時墜落的積雪等，及時感應、自動融化。

4 系統軟件實現

道岔融雪控制系統的軟件平臺為Windows XP Embedded（XPE）嵌入式操作系統，可以以組件化的形式提供Windows操作系統的功能。通過組件化，開發人員能夠利用Windows平臺提供的最新的Windows技術，同時能夠減少內存占用。此外，XPE占用系統資源少，啟動速度快，擁有增強寫保護等功能。

4.1 軟件結構

從功能上可以把程序分為以下5個部分。

（1）采集設備數據

采集設備數據包括I/O板卡數據，電量模塊數據，氣象站數據。該功能負責完成環境溫度監測，降雪狀態及傳感器工作狀態監測，供電電源的電壓頻率監測，總消耗功率電流的監測，各個道岔加熱回路電壓電流消耗功率的監測等。

（2）數據存儲模塊

該功能負責完成將采集到的數據存儲在本地，便于上位機的快速查詢。

（3）顯示屏模塊

可觸摸顯示屏提供了本地的數據查詢和控制功能，如圖2所示。

圖2 顯示屏主菜單

顯示屏主菜單的內容包括：報警參數的設定，各種故障的查詢，當前鋼軌的溫度，電壓電流等電氣數據，加熱延時的控制，加熱控制參數的設置，控制方式的設置。

加熱延時控制：當自動加熱結束時，為了保證融雪的效果，需再延時加熱一段時間，在這里設置延時加熱的時間。

加熱控制參數：處于自動加熱控制下，當從氣象站判斷有雪時，控制柜將采集到的鋼軌溫度信息，與系統預先設定的開啟／關閉加熱溫度值進行比較，當低于系統設定的開啟溫度值時，控制柜接通輸出電源，對需要加熱的道岔進行加熱。當加熱到符合關閉加熱的條件時，控制柜自動關閉輸出電源，停止加熱。此處設置開啟／關閉加熱的溫度。

控制方式：設置本地控制加熱還是遠程控制加熱，當處于本地控制時，程序不會執行遠程的加熱命令。

（4）數據發送模塊

該功能主要是響應上位機的查詢和控制命令。

（5）告警收集模塊

完成自動故障診斷、報警功能?？稍\斷每組道岔加熱單元的故障；自動診斷各回路的繼電器和空氣開關的故障；電源的電壓和頻率過低時報警；控制柜門的開啟報警；系統在工作狀態時信號線以及加熱線故障報警。

其中，加熱條故障是電務工作人員非常關心的。在控制器內部存儲區存放標準電流值，當所有加熱條配置完畢后，確認所有加熱設備完好，采集此時的電流值并將此時的電流值作為標準值存儲。程序實時采集各個回路的電流，同時，比較存儲區的標準電流值，如果低于或者高于標準值太多，則認為該回路的加熱條出現故障。

4.2 控制加熱方式

道岔融雪控制系統的主要功能就是控制加熱，控制方式可以分為自動控制方式和手動控制方式，其中，手動控制方式分為遠程手動加熱和本地手動加熱，使用3個不同的常量值分別表示不同的控制方式。處于手動模式時，自動控制無效，即手動的優先級高于自動。圖3為融雪控制系統處于自動模式下的流程圖。

圖3 自動加熱流程圖

一個控制柜的控制器最多可控制9路道岔，為防止多個道岔同時啟動產生很大的沖擊電流，程序每隔6 s驅動1路加熱。不管是自動加熱還是手動加熱，啟動加熱的路徑是一樣的，都是通過IO輸出，最終驅動接觸器使電流通過加熱條進行加熱。所不同的是驅動IO的方式不一樣。自動是通過程序自己的判斷來啟動加熱，而手動是程序通過得到外部一個信號來啟動加熱。

4.3 通信協議

道岔融雪控制系統存在3種通信模式。

4.3.1 控制柜內部的通信

控制柜內的通信是通過雙絞線進行連接，基于RS-485的Modbus通信協議。Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言，已經成為通用工業標準。控制器主控板的RS-485通信接口與電量采集模塊、軌溫傳感器、氣象站等組成主從式通信網絡；控制器設計成主站，電量模塊、軌溫傳感器、氣象站等設計為從站。

4.3.2 控制柜和車站終端的通信

CAN是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，具有高可靠性和良好的錯誤檢測能力，適用于環境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業環境。針對CAN的以上特性，選擇其作為控制柜和車站終端的通信方式。

為了增加傳輸的有效距離，使用CAN2.0B協議。CAN2.0B給出了標準的和擴展的兩種報文格式，其數據塊的標識碼可由11 bit或29 bit二進制數組成。本系統的通信模式采用擴展報文格式的29 bit地址，所表示的意義如表1所示。

表1 CAN數據塊標識碼

Ext：填寫幀編號，表示該幀是屬于第幾幀。

Address：表示控制柜的地址。

Command：表示命令類型，比如獲取溫度值的命令類型值是0x20。

para_cmd：表示命令參數，是命令類型的輔助參數，比如獲取氣象站溫度值，該參數為1；獲取軌溫傳感器溫度值，該值為2。

實際應用中，為了增加傳輸距離，減少成本，可將CAN傳輸速度參數設置成10 kbps，這樣CAN的傳輸距離可達10 km。

4.3.3 車站終端和遠程終端的通信

多級控制系統中，車站終端和遠程終端之間采取TCP/IP協議，通過該協議可以實現各種異構網絡或異種機之間的互聯通信。車站終端和遠程終端有自己固定的IP地址，在車站終端建立一個數據庫，遠程終端可以訪問其中的配置數據，也可以寫入控制命令，車站終端讀取命令后執行，從而實現遠程終端對控制柜的控制。

5 結束語

本文設計并實現了電加熱道岔融雪控制系統，該系統已在哈爾濱鐵路局、南昌鐵路局等線路上使用，使用效果良好，滿足設計要求，提高了道岔融雪的自動化程度。該系統擴展性能好，成本低，編程方便，且具備可現場調試的優點，可在我國北方寒冷地區的鐵路線路上推廣使用。

[1]李 凱，楊成達.青藏鐵路道岔融雪設備功能及方案研究[J].中國鐵路，2005（11）.Li Kai,Yang Chengda.The qing-zang railway turnout snowmelt equipment research for function and program[J].Chinese Railways,2005(11).

[2]來清民.手把手教你學CAN總線[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[3]中華人民共和國鐵道部.科技運[2008]36號 客運專線鐵路信號產品暫行技術條件匯編（1）[S].北京：中國鐵道出版社，2008.

責任編輯 楊琍明

Railway Switch Snow Melting Control System with electric heating mode

ZHAO Dongbo,HOU Qinhong
( China Railway Electrifcation Xi,an Communication &Signal Equipment Co.Ltd.,Xi,an 710001,China)

This article introduced the Railway Switch Snow Melting Control System with electric heating mode based on XPE and CAN bus network,demands of the control,components of the control section and implementation of software,described the communication mode in the system.The system is stabile,reliable,low cost,and etc.

XPE;CAN;railway switch melting

U213.6：TP39

A

1005-8451（2016）08-0045-04

2016-02-29

趙東波，工程師； 侯勤宏，高級工程師。