防凍液自動(dòng)噴灑控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

朱娟娟

（山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006）

冬季生產(chǎn)中，選煤廠面臨的一大問題就是運(yùn)煤車凍車現(xiàn)象，這一現(xiàn)象將導(dǎo)致卸煤困難，甚至嚴(yán)重影響生產(chǎn)。因此，為保證產(chǎn)品質(zhì)量和防止凍車事故的發(fā)生，防凍液的噴灑工作顯得尤為重要。

在實(shí)際生產(chǎn)中，要求運(yùn)煤車防凍液自動(dòng)噴灑系統(tǒng)可以在列車行駛過程中準(zhǔn)確地識(shí)別車廂位置，并且將防凍液快速、均勻地噴灑在空車廂內(nèi)的前側(cè)、后側(cè)、左側(cè)、右側(cè)和底部五個(gè)面上，且能自動(dòng)調(diào)節(jié)噴灑量和噴灑速度。論文針對(duì)我省某礦區(qū)現(xiàn)有選煤廠的實(shí)際客觀條件，本著實(shí)用、可靠、易于維護(hù)的原則，進(jìn)行了防凍液自動(dòng)噴灑控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，有效防止冬季煤炭外運(yùn)凍車現(xiàn)象的同時(shí)，解決了人工噴灑的各種弊端，避免了防凍液的浪費(fèi)，節(jié)約了成本。

一、防凍液自動(dòng)噴灑系統(tǒng)的控制要求

防凍液自動(dòng)噴灑系統(tǒng)能夠根據(jù)車皮型號(hào)自動(dòng)升降，并且要求升降速度快、位置精確。對(duì)每節(jié)車廂的前側(cè)、左側(cè)和右側(cè)、底部、后側(cè)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(fēng)吹干擾的影響。能夠根據(jù)防凍液管路壓力、溢流閥及管路噪聲狀況、列車行駛速度、環(huán)境溫度等狀況，調(diào)節(jié)管路壓力和防凍液噴灑量。對(duì)防凍液的漏液進(jìn)行收集、二級(jí)過濾，以減少污染，同時(shí)節(jié)約防凍液使用。

噴灑電氣控制方面，可根據(jù)列車行駛方向控制噴、停，根據(jù)列車行進(jìn)和停止控制噴、停，根據(jù)列車行駛速度控制噴灑量。電氣控制柜上有人機(jī)界面，可進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、翻頁觀察。

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

二、系統(tǒng)工作原理及功能介紹

1.液壓系統(tǒng)

噴灑動(dòng)作的動(dòng)力采用液壓驅(qū)動(dòng)，并且為雙液壓回路，兩臺(tái)防凍液泵互為備用。通過選擇開關(guān)“1號(hào)防凍液泵、2號(hào)防凍液泵”選擇兩臺(tái)防凍液泵中的一臺(tái)為工作液泵，則另一臺(tái)即為備用泵。即使有個(gè)別其他情況引起的故障（如防凍液漏進(jìn)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(shí)判斷處理即可。防凍液泵電機(jī)采用變頻自動(dòng)控制，通過專用測(cè)速雷達(dá)檢測(cè)出列車行駛速度信號(hào)，系統(tǒng)經(jīng)過運(yùn)算后，通過控制防凍液泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制車廂的噴灑流量。變頻器調(diào)速信號(hào)也可以通過人機(jī)界面上的調(diào)節(jié)畫面手動(dòng)設(shè)定。防凍液泵采用遠(yuǎn)程控制，防凍液泵房內(nèi)放置變頻控制柜。防凍液泵電機(jī)的工作狀態(tài)、工作頻率、防凍液流量在人機(jī)界面中有相應(yīng)的指示。

液壓系統(tǒng)中立柱油缸的升降可使大臂噴嘴快速上升，對(duì)應(yīng)不同的車廂類型噴灑臂高度自動(dòng)選擇，回轉(zhuǎn)臂的速度調(diào)節(jié)、回轉(zhuǎn)角度的調(diào)節(jié)都可實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)。液壓回路實(shí)現(xiàn)安全動(dòng)作互鎖，液壓站油箱設(shè)有液位控制器、油箱溫度傳感器、加熱線圈。液位控制器對(duì)油箱液位進(jìn)行檢測(cè)，油箱液位降至低位時(shí)發(fā)出報(bào)警，防凍液控制室操作臺(tái)聲光報(bào)警，人機(jī)界面有報(bào)警條顯示。

2.電氣控制系統(tǒng)

自動(dòng)噴灑系統(tǒng)采用PLC可編程控制器（S7-200PLC）為控制核心，負(fù)責(zé)液壓系統(tǒng)和防凍液系統(tǒng)溫度、液壓、溫差、流量、速度等傳感器的信號(hào)檢測(cè)。液壓泵、防凍液泵、電磁閥、馬達(dá)、加熱器等控制，可根據(jù)車型的不同、列車行駛狀況、防凍液管路壓力等狀況進(jìn)行調(diào)整。列車行駛方向、行駛速度信號(hào)，通過傳感器輸出至PLC。系統(tǒng)配有人性化的人機(jī)界面，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)、設(shè)定參數(shù)、故障報(bào)警均可在人機(jī)界面上設(shè)置、修改、顯示。

為了檢測(cè)運(yùn)煤車車頭及車廂的到來，系統(tǒng)中采用了三對(duì)對(duì)射傳感器，其中一對(duì)安裝在距鐵軌高3.5m處，當(dāng)火車頭通過時(shí)發(fā)出信號(hào)，噴灑系統(tǒng)不工作。另外兩對(duì)安裝在門架立柱上，通過其狀態(tài)的變化，可自動(dòng)獲取火車頭到達(dá)、車廂到達(dá)、離開等信息，并以此作為開始噴液、停止噴液及前后側(cè)面噴液機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)和停止等的控制信號(hào)，保證防凍液的合理有效噴灑，做到經(jīng)濟(jì)而不浪費(fèi)。系統(tǒng)設(shè)有遠(yuǎn)程、就地兩種控制方式，遠(yuǎn)程模式是指操作人員通過操作控制室中的人機(jī)界面來完成各種控制，在此方式下又分為手動(dòng)、自動(dòng)兩種控制方式。就地模式是指操作人員通過現(xiàn)場(chǎng)控制柜上的按鈕、開關(guān)來完成對(duì)設(shè)備的控制，在此方式下只有手動(dòng)功能，只能作為系統(tǒng)調(diào)試及檢修時(shí)的工作方式。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示：

3.列車行駛方向檢測(cè)

列車裝車時(shí)，由于各種原因需要倒車，如果防凍液車廂噴灑系統(tǒng)無法辨別列車行駛方向而及時(shí)停止噴灑，會(huì)造成大量防凍液的浪費(fèi)并且對(duì)軌道、路基造成損害，尤其在連續(xù)倒車時(shí)情況會(huì)更加嚴(yán)重。因此，防凍液噴灑系統(tǒng)對(duì)列車行駛方向的噴灑控制采用了最新技術(shù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(cè)等優(yōu)點(diǎn)，使用安全、可靠。主要技術(shù)參數(shù)如下：

工作電壓：8V～30V

工作電流：靜態(tài)≤0.01mA，動(dòng)態(tài)≤2mA

額定動(dòng)作距離：25mm

工作溫度：-40℃～-70℃

感測(cè)信號(hào)傳輸距離：≥3000m

感測(cè)列車速度：≥200公里/小時(shí)

感測(cè)頻率：≤100HZ/S

辨別方向時(shí)需安裝兩個(gè)傳感器，當(dāng)列車正向行駛（即來車方向）時(shí)，車輪先經(jīng)過傳感器1，再經(jīng)過傳感器2，分別發(fā)出開關(guān)量信號(hào)給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)首先辨別兩個(gè)傳感器的動(dòng)作次序，再經(jīng)過運(yùn)算、處理后發(fā)出車廂噴灑閥啟噴信號(hào)。當(dāng)列車倒車時(shí)，車輪先經(jīng)過傳感器2，再經(jīng)過傳感器1，分別發(fā)出開關(guān)量信號(hào)給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)首先辨別兩個(gè)傳感器的動(dòng)作次序，再經(jīng)過運(yùn)算、處理后發(fā)出車廂噴灑閥停噴信號(hào)。原理如圖2所示：

圖2 列車行駛方向檢測(cè)原理圖

4.列車行駛速度檢測(cè)

列車在裝車時(shí)行駛速度比較慢，大約為0.3米/秒，常規(guī)測(cè)速儀器測(cè)量范圍無法滿足要求，而且容易受工作現(xiàn)場(chǎng)、振動(dòng)、天氣（尤其是大風(fēng)）的影響而導(dǎo)致誤動(dòng)作。系統(tǒng)選用專用于測(cè)量列車速度的雷達(dá)測(cè)速傳感器，能夠精確測(cè)量火車的速度，不受車輪打滑和空轉(zhuǎn)、發(fā)射面類型的影響，可以把車輛的即時(shí)速度通過RS232數(shù)據(jù)線接頭連接到控制主機(jī)上，或者雷達(dá)輸出一個(gè)模擬信號(hào)來控制防凍液變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)控制噴灑電磁閥關(guān)閉（當(dāng)檢查出列車速度接近零時(shí)）。

將設(shè)備安裝在一個(gè)防護(hù)罩內(nèi)，可以24小時(shí)工作，能適應(yīng)風(fēng)、沙、雨、雪、高低溫等惡劣環(huán)境。同時(shí)可配備電子防盜鎖，專人控制，專人維護(hù)，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(duì)噴灑系統(tǒng)的管網(wǎng)壓力進(jìn)行檢測(cè)，壓力傳感器可輸出4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，并將其傳輸至控制系統(tǒng)用于顯示、控制。

控制系統(tǒng)可根據(jù)管網(wǎng)壓力的不同，輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)來控制變頻器的頻率，從而調(diào)節(jié)防凍液泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)壓力升高時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出降速指令；系統(tǒng)壓力降低時(shí)，發(fā)出升速指令。

防凍液泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)還可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境來人為調(diào)整，若溫度較低可通過人機(jī)界面上的“頻率上升”按鈕手動(dòng)提高電機(jī)轉(zhuǎn)速加大防凍液的噴灑量；若溫度較高可通過人機(jī)界面上的“頻率下降”按鈕手動(dòng)降低電機(jī)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)思路是在噴嘴噴灑處導(dǎo)軌周圍進(jìn)行施工改造，噴灑在外面的防凍液全部進(jìn)行收集，然后經(jīng)過過濾，再由泵送至防凍液主管路。

采用兩級(jí)過濾回收工藝。先收集泄漏防凍液，使其進(jìn)入收集溝中，進(jìn)入沉砂池中后，經(jīng)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(jīng)泵轉(zhuǎn)送至防凍液主管路中。沉砂池是一種泥水分離的設(shè)施。分離的沉淀物質(zhì)多為顆粒較大的東西，沉淀物質(zhì)比重較大，無機(jī)成分高，含水量低。

袋式過濾器是一種結(jié)構(gòu)新穎、體積小、操作簡便靈活、節(jié)能、高效密閉工作、適應(yīng)性強(qiáng)的多用途過濾設(shè)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(xì)小雜質(zhì)，達(dá)到回收的要求，用泵把回收液送到防凍液主管路中。

對(duì)于防凍液廢液收集裝置，控制系統(tǒng)通過安裝在收集池中的液位計(jì)輸出的連續(xù)變化的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)，當(dāng)達(dá)到液位上限值時(shí)啟動(dòng)收集泵，液位下降到設(shè)定下限值時(shí)停止收集泵。收集泵的工作狀態(tài)、液位設(shè)定值、實(shí)際液位等參數(shù)在人機(jī)界面中均有相應(yīng)的指示。

7.車廂四壁及底面全方位噴灑

車廂噴灑時(shí)，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(fèi)防凍液，達(dá)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(shù)量基本相近的噴嘴，且依次噴灑，順序是車廂前側(cè)、車廂左右側(cè)、底部、車廂后側(cè)。

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

噴嘴固定在大臂的兩側(cè)，根據(jù)車廂的結(jié)構(gòu)，將噴嘴分為前噴嘴、側(cè)噴嘴、底面噴嘴、后噴嘴。車廂兩側(cè)由兩組噴嘴噴灑，主要是保證車廂兩側(cè)噴灑時(shí)有相應(yīng)數(shù)量的噴嘴，確保噴灑效果。前、兩側(cè)、底面、后幾路噴嘴管路分別由相應(yīng)的噴灑電磁閥控制。車廂行駛時(shí)，負(fù)責(zé)車廂前壁的噴嘴開始噴灑，隨后側(cè)噴嘴開始噴灑，前噴嘴噴灑到底面時(shí)，底面噴嘴開始噴灑，前噴嘴關(guān)閉，底面噴嘴噴灑到后壁底面時(shí)，地面噴嘴關(guān)閉，側(cè)噴嘴隨后關(guān)閉，后噴嘴開始噴灑，直至車廂后壁噴完，關(guān)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(dòng)噴灑系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能控制，能準(zhǔn)確檢測(cè)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(tǒng)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(fèi)，節(jié)約了成本，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益以及推廣前景良好。

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