高速公路碳纖維融冰化雪技術控制系統研究

羅二娟(山西省交通科學研究院，山西 太原 030006)

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高速公路碳纖維融冰化雪技術控制系統研究

羅二娟
(山西省交通科學研究院，山西 太原 030006)

為了讓高速公路在下雪后得以快速通車，將碳纖維材料融冰化雪控制系統應用于高速公路。通過對控制系統的元器件進行詳細設計分析，最終確定控制系統由上位監控系統層、PLC控制系統層和設備控制層組成，整體控制碳纖維發熱電纜的溫度，從而控制融雪速度。結果表明：該控制系統自動化程度高，靈活方便，安全可靠。

融冰化雪技術；上位監控系統；PLC控制系統；碳纖維發熱電纜

0 引 言

在中國高速公路中，處于三北地區冬季落雪地帶的約占1/3，實際統計結果顯示，在落雪厚度為20～30 mm(自然雪和初壓雪狀態)、單位面積融雪劑平均撒布量為150～200 g·m2時，-12 ℃～-20 ℃環境溫度下的雪融時間大約為2～3 h[1]。這樣的現狀不利于雪后道路的盡快通車，也制約著冬季高速公路經濟效益和社會效益的提高。

目前，道路融冰化雪的方法主要有清除法、融雪劑法、路面加熱法3大類[2]。清除法主要分為人工清除法與機械清除法：人工清除法不僅要消耗大量的人力、物力，而且工作效率極低；機械清除法會對路面造成不同程度的損壞，且道路上的積雪與浮冰難以完全清除。融雪劑法主要是在道路表面噴灑融雪劑，通過降低冰雪的融化溫度使冰雪融化，但融雪劑不僅會對道路橋梁本身造成不良影響，還會對道路附近的土壤、水體帶來嚴重危害[3-4]。路面加熱法主要包括導電混凝土加熱法、金屬絲加熱法、碳纖維增強混凝土加熱法等，其中導電混凝土法存在電阻率不穩定、使用壽命不長、融冰化雪效率低等缺陷；金屬絲加熱法電熱轉換效率極低且對路面強度不利；碳纖維加熱系統主要應用于民用建筑、室外設施等方面[5]，且碳纖維增強混凝土加熱法還停留在試驗階段，目前尚未付諸工程實踐。

碳纖維融冰化雪技術是以碳纖維作為發熱體，由溫控系統控制，將碳纖維發熱材料通電后所產生的熱量輻射到路面。當路面溫度達到溫控系統所設定的溫度值時，自動切斷電源；路面溫度低于設定值時，溫控系統自動開啟進入工作循環。溫控系統采用多回路控制，無論是整體供熱、局部供熱還是補充供熱，都能提供完全的保障[6-9]。以典型的瀝青混凝土路面為例，將碳纖維發熱電纜安裝在中面層與上面層之間，可實現路面主動融冰化雪。在國內，碳纖維發熱電纜融冰化雪系統的研究還在起步階段，如何實現碳纖維發熱電纜融冰化雪系統的模塊化布設與控制，目前尚無成熟的理論[10-11]。為此，筆者單位立項將碳纖維融冰化雪技術應用于高速公路，并對其布線、鋪裝、施工等進行了深入研究；本文主要對碳纖維融冰化雪技術控制部分進行詳細設計分析，對控制系統的組成、各部分的元器件進行選型。

1 控制系統組成

高速公路碳纖維融冰化雪技術的控制系統包括設備控制層、PLC控制系統層和上位監控系統層，如圖1所示。

1.1 設備控制層

設備控制層由碳纖維控制主電路系統、地面溫度傳感系統、路面狀況傳感系統和碳纖維發熱電纜組成[12]。地面溫度傳感器采集地面溫度信息并傳遞給PLC系統；路面狀況傳感系統采集路面信息(溫度、冰、雪等)，也把相關信息傳遞給PLC系統；碳纖維控制主電路系統接受PLC控制系統的命令來控制碳纖維發熱電纜溫度，從而控制融雪速度。

(1)碳纖維發熱電纜。碳纖維發熱電纜是以碳纖維絲為本體制成電纜結構，以電力為能源，利用碳纖維布朗運動進行通電發熱，從而達到采暖或者保溫的效果，通常以單導為主[13]。碳纖維是一種新型的高性能纖維增強材料，用碳纖維作為電熱體有著金屬、PTC等電熱體不可比擬的諸多優異性能：耐壓抗折性強、絕緣性好、節能性好、安全性高、化學性能穩定及使用壽命長等。

碳纖維發熱電纜的長度隨路面寬度以及設計要求的不同而變化，N(N值通過設計計算來確定)根碳纖維發熱電纜通過N-1個π字接頭并聯連接，然后與1根碳纖維發熱電纜冷線接頭接在一起，成為1個碳纖維發熱電纜系統單元。碳纖維發熱電纜系統單元之間用三角形接法接入到碳纖維發熱電纜融冰化雪系統控制主電路中[14]。碳纖維發熱電纜、π字接頭、碳纖維發熱電纜冷線接頭(圖2)以及地面溫度傳感器均布置于瀝青路面中面層所刻的槽內，然后再用乳化瀝青回填。

圖2 碳纖維發熱電纜接頭

(2)地面溫度傳感系統。地面溫度傳感系統由一系列地面溫度傳感器組成，傳感器采用埋入式溫度傳感器，通過錨固的方式固定于每個碳纖維發熱模塊的中間位置,如圖3所示。埋入式溫度傳感器具有高等級防護、高測量精度和良好的抗壓性能等優點，可通過溫度采集儀連續記錄動態數據，適用于路面溫度監測[15]。

(3)路面狀況傳感系統。路面狀況傳感系統由一系列路面狀況傳感器組成，傳感器安裝在碳纖維發熱電纜融冰化雪系統區域的中心延長線上(高速公路路邊)。路面狀況傳感系統采用非侵入式路面狀況傳感器，如圖4所示。非侵入式路面傳感器采用遙感式檢測技術，只需安裝在路邊的立柱上就可以進行遠距離檢測，這種檢測方式不會破壞路面，無需封閉交通，同時能對水、冰、雪分開進行精確測量。由于水和冰可以被獨立檢測，所以用戶能夠全面掌握復雜的路面狀況。當環境溫度低于5 ℃時，該傳感器就采用脈沖式電阻對鏡頭進行加熱，清除鏡頭上的積水、結冰，以保證儀器正常工作，同時降低功率和能耗。在車輛發生打滑之前，非侵入式路面傳感器就能夠對路面結冰、積水、積雪情況進行精確檢測，提前發現所有導致駕駛危險的因素，以便及時采取預警和補救措施，保證道路通行安全，保護人民生命、財產安全。

1.2 PLC控制系統層

PLC控制系統層采集地面及路面溫度、冰、雪等信息，并傳送給上位監控系統；同時接受上位監控系統命令，從而控制碳纖維主電路。

1.3 上位監控系統層

上位監控系統層接受PLC系統傳送來的溫度及路面狀況信息，并發出PLC控制命令，實現路面的融冰化雪及作業過程的自動化控制。上位監控系統控制柜如圖5所示。

圖5 上位監控系統控制柜

2 控制系統設計

根據碳纖維融冰化雪技術控制系統組成，需對其進行詳細設計，主要有隧道管理站系統及外場設備布置、供電及上位監控系統控制柜、PLC控制系統及設備控制層碳纖維模塊匯流柜等。本文以廣靈至渾源高速公路黃龍隧道碳纖維鋪裝控制系統為例詳細介紹控制系統的設計。

2.1 通信路由系統及外場設備布置設計

黃龍隧道碳纖維融冰化雪通信路由系統由隧道管理站系統和數據傳輸系統組成，如圖6所示。隧道管理站通過以太網光端機、數據光端機及以太網交換機將數據傳輸給黃龍隧道PLC；PLC通過以太網交換機將數據傳輸給碳纖維融冰化雪工作站，以控制碳纖維融冰化雪操作，數據傳輸如圖7所示。

圖6 隧道管理站系統構成

以黃龍隧道廣靈側外場設備布置為例(渾源側同理)，采用路面溫度傳感器及中面層溫度傳感器檢測路面溫度、空氣溫度及降雪情況，將信息傳遞給PLC，PLC通過主電路控制碳纖維發熱電纜工作，如圖8所示。外場碳纖維電纜鋪設根據現場實際情況有10 cm和25 cm兩種間隔，碳纖維模塊匯流柜控制碳纖維發熱電纜工作。

2.2 設備控制層系統設計

圖10 PLC控制系統

圖9 黃龍隧道碳纖維模塊匯流柜

設備控制層由碳纖維模塊匯流柜、地面溫度傳感系統和路面狀況傳感系統組成。碳纖維模塊匯流柜接受PLC控制系統命令控制碳纖維發熱電纜溫度，從而控制融雪速度，如圖9所示。匯流柜由主電源配電箱供電，通過微型斷路器控制碳纖維發熱電纜的通斷。

2.3 PLC控制系統及控制原理

PLC控制系統如圖10所示，由本地控制箱、PLC控制器、觸摸屏和交換機等主要模塊構成。本地控制箱內有空氣開關、繼電器和避雷器，由房建變電站供電，控制PLC和交換機工作；觸摸屏用于碳纖維融冰化雪工作站控制碳纖維發熱電纜的工作。PLC可根據所控制碳纖維電纜的數量進行自由擴展，同時具有足夠的存儲空間，在通信中斷時可長時間儲存監控設備采集的交通或環境信息，如圖11所示。交換機采用工業級100 Mbps以太網光纖交換機，卡規式安裝，抗震動，抗電磁干擾。

圖11 PLC控制原理

2.4 上位監控系統設計

上位監控系統由黃龍隧道左洞出口主電源配電箱和黃龍隧道右洞入口主電源配電箱組成，主電源配電箱位于隧道口彩鋼房，由房建變電站為其供電，如圖12所示。主電源配電箱由空氣開關、電源防雷器、斷路器和接觸器組成，根據所控制的碳纖維電纜數量確定所需開關的大小，圖13為黃龍隧道左道出口電氣，針對PLC的前4個端口進行設計，其余端口同理。

圖12 廣靈側設備供電

圖13 黃龍隧道左道出口電氣

3 結 語

為了實現落雪后高速公路的快速通車，本文將碳纖維材料融冰化雪技術系統應用于高速公路，提出了一種安全、節能、環保的主動型融冰化雪方法。

采用傳感器、PLC和互聯網等多種技術，以廣靈至渾源高速公路黃龍隧道碳纖維融冰化雪鋪裝控制系統為例，對融冰化雪控制系統進行詳細設計。該控制系統通過傳感器實現對路面溫度、濕度等的實時監控，通過PLC實現融冰化雪的自動化控制，通過通信技術將現場與碳纖維融冰化雪工作站有機結合，工作人員可以對融冰化雪進行有效管理，從而保證融冰化雪的質量和效率。

碳纖維發熱電纜采用嵌入式方法安裝于高速公路中面層，不會影響路面的后期施工，且碳纖維發熱電纜使用壽命長，能實現融冰化雪系統與路面同壽命，無需維護，節能環保，不會對環境產生危害。 碳纖維融冰化雪技術驗檢結果表明：該控制系統自動化程度高、靈活方便、安全可靠，能夠實現主動融雪，預防道路冰雪災害的發生。

[1] 吳玉輝.淺談公路融雪技術[J].北方交通，2010(3)：9-11.

[2] 喻文兵，李雙洋，馮文杰，等.道路融雪除冰技術現狀與發展趨勢分析[J].冰川凍土，2011(4)：933-940.

[3] 王 勇，葛淑軍.瀝青灑布車液壓系統參數設計[J].筑路機械與施工機械化，2011，28(3)：52-55.

[4] 靳 煒.自行式瀝青路面養護車工程配置的量化分析[J].筑路機械與施工機械化，2011,28(5)：65-67.

[5] 彭余華，鮑夢捷，陳紹輝.內置碳纖維發熱線融冰技術的現狀與發展[J].筑路機械與施工機械化，2016,33(2)：29-33.

[6] 羅新欣.內置碳纖維發熱電纜的橋面融冰化雪技術研究[D].西安：長安大學，2015.

[7] 陳紹輝，彭余華，鮑夢捷.內置碳纖維發熱線的融冰橋面設計與施工研究[J].筑路機械與施工機械化，2016,33(2)：34-40.

[8] 盧曉玲，樊浩博，賴金星.發熱電纜在寒區公路隧道路面防滑中的應用[J].公路交通科技：應用技術版，2012(12):217-273.

[9] 楊 飛.碳纖維發熱電纜用于道路除冰雪的技術研究[D].西安：長安大學，2014.

[10] 楊 潔，李海濤，史馮賢，等.電熱法除路面冰雪[J].筑路機械與施工機械化，2011，28(3)：162-165.

[11] 許 庚.基于內置電加熱方式的路面表面物理除冰雪技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學，2013.

[12] 張倩雯,趙艷華,吳智敏.混凝土路面碳纖維發熱線融雪化冰研究[J].公路交通科技,2015,32(2):41-48.

[13] 袁玉卿,張永健,蔚旭燦.瀝青混凝土預埋碳纖維繩發熱升溫試驗[J].長安大學學報:自然科學版,2015,35(1):49-55.

[14] 王選倉,陸凱詮.公路路面融雪化冰技術與發展[J].筑路機械與施工機械化,2013,30(1):26-32.

[15] 王佳斌,高 琦,劉錦超,等.發熱電纜融雪技術在道路融雪化冰的應用分析[J].交通科技與經濟,2015(2):88-90.

[責任編輯:高 甜]

Research on Control System of Technology of Snow and Ice Melting with Carbon Fibre Cable for Expressway

LUO Er-juan
(Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006, Shanxi, China)

In order to allow the expressway to be open to traffic again soon after the snowing, the technology of snow and ice melting with carbon fibre cable was applied. Through the detailed analysis of the components, the final control system of the snow and ice melting technology was designed to be composed of the host computer monitoring system layer, the PLC control system layer and the equipment control layer. The temperature of the heating carbon fibre cable was controlled by the three parts as a whole, in which way the speed of snow and ice melting was controlled. The experiment shows that the control system has a high degree of automation, and it is also flexible, convenient, safe and reliable.

snow and ice melting technology; host computer monitoring system; PLC control system; heating carbon fibre cable

1000-033X(2017)06-0081-05

2017-01-19

山西省交通廳科研計劃項目(2012-1-14)；山西省基礎研究計劃項目(2015021126)

羅二娟(1984-)，女，山西太原人，工程師，碩士，研究方向為并聯機器人、筑養路機械及節能環保工程。

U416.217

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