基于ZigBee的隧道電氣化設備除冰系統研究＊

于燕平

（柳州鐵道職業技術學院 動力技術學院，廣西 柳州545616）

1 引言

從交通運輸部的消息可知，截至2018年底，中國鐵路營業里程達131000km。其中，投入運營的鐵路隧道15117座，總長16331km。部分早期建成、服役年限長的鐵路隧道都出現了不同程度的滲漏水、冬季結冰等現象。

冬季，滲水隧道極易發生側壁冰掛刮到列車、拱頂冰柱侵入限界使接觸網設備發生接地短路等故障，甚至造成塌網事故，中斷鐵路運輸。隧道冰害，為鐵路安全運行帶來了極大的隱患。現今，冬季隧道結冰的解決措施，主要可分為人工除冰和設備除冰。人工除冰指運用人工作業方式，清除隧道頂部對接觸網設備具有威脅的結冰，這種方式效率低下，存在很大的安全隱患[1]。設備除冰指通過加熱設備加熱隧道滲水處，提高隧道滲水處的溫度，防止滲水處結冰，從而達到除冰的目的。常用的方式主要有裝置除冰[2]和微波除冰[3]兩種。設備除冰方式能大大節省人工打冰所需的人力、物力，但裝置除冰中發熱板會對隧道頂部造成一定的破壞，某些凈空受限的滲水點無法兼顧[4]；微波除冰中，環境溫差越大，能量損失越多，溫度上升越困難，對人身和列車的微波輻射影響較大[3]。

針對已有鐵路隧道除冰方式存在的問題，如設備除冰部分滲水點不能兼顧、微波除冰影響作業人身安全和行車安全等，提出采用基于ZigBee和PLC的智能除冰系統解決存在的問題，節省除冰的人力、物力。

2 寒區隧道溫度場分布規律

對嚴寒地區隧道氣溫狀態進行研究，對隧道除冰是非常有益的，了解隧道內各部分溫度情況有助于合理布置融冰裝置的安裝點。隧道凍害的發生是有條件的，其中溫度為最重要的條件。隧道氣溫在0℃左右，才有結冰的可能。

陳建勛對某寒區公路隧道選取了拱頂、拱腰、邊墻和路面四個部位的11個測試點進行了長達1年半的測試，結果表明，隧道內氣溫隨著進入隧道距離的增加，年平均溫度逐漸下降，年溫度振幅也下降，其變化規律呈指數函數曲線變化關系[5]；乜風鳴分析了位于大興安嶺地區的3座隧道洞內氣溫分布情況，得出夏季離洞口越遠氣溫越低，而冬季離洞口越遠氣溫越高[6]，隧道進口受隧道外界溫度影響較大，距洞口越遠影響越小。

隧道大多處于高寒和偏遠的山區，氣溫與當地的氣象資料相差較大。

隧道洞口氣溫可采用普通克里金法的估算公式[7]：

3 除冰系統總體設計方案

除冰系統的總體設計思路：建立基于ZigBee協議的傳感器網絡，將溫、濕度數據傳輸給上位機進行實時顯示，由上位機將數據送給PLC，PLC通過計算、判斷，決定是否啟動電機對隧道實施加溫通風的措施，最終實現防冰、除冰的目的。系統構架主要包括信號采集模塊、CC2530模塊、上位機監控模塊、PLC控制模塊等。

基于ZigBee的無線傳感網絡（隧道內各個傳感器節點），將隧道內采集的溫度、濕度信息通過射頻天線經由無線網絡發送到協調器匯集節點，再通過串行通信方式送給上位機，顯示溫度、濕度，上位機將數據發送給PLC控制中心，根據相應的信號決定風機的工作模式。

4 基于ZigBee的除冰系統的關鍵設備

基于ZigBee的隧道電氣化設備除冰系統要解決的問題有CC2530選擇、PLC選型、傳感器選擇、除冰裝置選擇。

4.1 CC2530

CC2530（無線片上系統單片機）是基于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統解決方案，它能夠以非常低的成本建立起一個強大的無線網絡。并且還結合了領先的2.4GHz的RF收發器的優良性能，是業界標準的增強型8051單片機。

4.2 PLC

鐵路隧道內環境惡劣，空氣潮濕，列車通過時灰塵較大，而且電氣化設備布置多，相對于公路隧道，鐵路隧道內空間狹小，運行人員的維護非常不便。因此，在考慮控制模塊的選型時選用了適合工業環境、抗干擾能力強、故障率小、維護方便的S7-200系列PLC，CPU選用224xp。

4.3 傳感器

DS18B20是數字溫度傳感器，具有體積小、抗干擾能力強等特點，適合狹小空間；測溫范圍為-55～125℃；多片DS18B20并聯在一條數據總線上可實現不同地點的多點組網。DHT11在設計中主要用于隧道濕度測量，其輸出方式為單總線數字信號，濕度分辨率為1%RH，抗干擾能力強。除冰裝置是否運行的關鍵是隧道內的溫濕度是否達到設定值，當達到臨界結冰點附近時，由PLC啟動加溫除濕裝置。隧道內環境因素復雜，系統設計中溫度和濕度測量分別選用了DS18B20、DHT11。

4.4 除冰裝置

除冰裝置選用工業用壁掛式電熱風機，主要由鼓風機、加熱器、控制電路組成。通電后，鼓風機把空氣吹送到加熱器里，電熱器通電后產生的熱量與通過的冷空氣進行熱交換，從而使出風口的風溫升高。通風機的風量可利用變頻器（根據隧道內環境溫濕度）調節吹送風量的大小，實現工作溫度、風量的調控。

5 隧道硬件設備布置

根據前面的分析可知，進口受隧道外界溫度影響較大，距洞口越遠受溫度影響越小，洞口附近500m左右的隧道最容易發生結冰現象。因此可以考慮在隧道兩端安裝一兩組除冰風機；考慮到電氣化設備（如接觸線、腕臂等）都在隧道上方，因此將溫度傳感器安裝在隧道上方；靠近軌面濕度測量會比較準確，因此將濕度傳感器安裝在隧道下方；左右間隔布置考慮數量和空間上的合理性，節點用于收集傳感器的數據（并上傳上位機，用RS485電纜傳輸數據，節點數量根據傳感器數量確定）。風機的臺數根據隧道的長度確定，風機轉速受地面S7-200和變頻器控制。隧道內硬件布置如圖1所示。

圖1 隧道內硬件布置圖

6 結論

冬季氣溫較低，漏水隧道容易發生結冰現象，冰柱侵入限界威脅鐵路安全運行。為了解決冬季隧道掛冰問題，提出了基于ZigBee和PLC的除冰系統，運用CC2530、PLC、變頻器，實現對風機的控制，分析了寒區隧道溫度場分布規律，最終確定了隧道硬件設備布置。