電加熱道岔融雪控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

趙東波，侯勤宏

（中鐵電化（西安）通號設(shè)備有限公司， 西安 710001）

電加熱道岔融雪控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

趙東波，侯勤宏

（中鐵電化（西安）通號設(shè)備有限公司， 西安 710001）

介紹基于Windows XP Embedded（XPE）和控制器局域網(wǎng)（CAN）的電加熱道岔融雪控制系統(tǒng)、系統(tǒng)的控制要求、控制部分的組成、以及軟件的實現(xiàn)。闡述系統(tǒng)內(nèi)的通信方式。該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)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(wǎng)（CAN）；道岔融雪

目前，隨著國內(nèi)高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)和鐵路系統(tǒng)自動化水平的提高，鐵道運輸對鐵路信號以及輔助系統(tǒng)的功能和要求也越來越高，其中，電加熱道岔融雪技術(shù)在北方地區(qū)高速鐵路線路上已廣泛應(yīng)用。為了保證行車安全暢通，設(shè)備應(yīng)用可靠性高、免維護(hù)、少維修，減輕電務(wù)工作人員的勞動強度，我們自主研發(fā)了由工業(yè)計算機(jī)自動控制的電加熱道岔融雪控制系統(tǒng)。

1 道岔融雪控制系統(tǒng)功能

電加熱道岔融雪控制系統(tǒng)通過電加熱條加熱道岔前部的鋼軌使其達(dá)到一定的溫度，實現(xiàn)融雪目的。該系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控車站中心的控制終端、各車站安裝的車站計算機(jī)終端、室外控制柜、環(huán)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(gòu)成。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，下位機(jī)具有采集電壓、電流、溫度、頻率等模擬量參數(shù)功能；上位機(jī)具有登陸管理模塊，監(jiān)控界面，報警呈現(xiàn)，日志記錄以及報表處理等功能，系統(tǒng)運行可靠，可在– 40℃環(huán)境下正常工作。

（1）全自動監(jiān)控功能

對鋼軌溫度和鋼軌周圍降雪結(jié)冰狀態(tài)、各回路接觸器的工作狀態(tài)、每個道岔融雪系統(tǒng)各加熱元件的工作狀態(tài)實現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程的自動監(jiān)測控制。

（2）自動診斷功能

可以根據(jù)道岔周圍區(qū)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(tǒng)、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(guān)閉加熱輸出。

（3）基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可擴(kuò)展功能

可以根據(jù)用戶的需求，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)在全球任意地方對系統(tǒng)的軟件進(jìn)行維護(hù)和升級。

（4）歷史數(shù)據(jù)的記錄功能

對投入使用后系統(tǒng)的各種狀態(tài)、參數(shù)和氣候環(huán)境等歷史數(shù)據(jù)可記錄、查詢，保證系統(tǒng)工作過程的可追溯性。

（5）操作權(quán)限控制功能

經(jīng)管理者設(shè)定操作權(quán)限后，可有效地保證操作的權(quán)威性和安全性，避免違章和非法操作。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

室外電氣控制柜是電加熱道岔融雪控制系統(tǒng)的核心，控制柜的核心部件是控制器。控制器實現(xiàn)了智能閉環(huán)控制，擔(dān)負(fù)著電壓電流、頻率、用電量、溫度、降雪信息等運行數(shù)據(jù)的采集，與車站終端的通信，執(zhí)行加熱/停止加熱命令，收集故障信息，實現(xiàn)定位報警，實現(xiàn)道岔融雪等功能?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)分為強電部分和弱電部分?？刂乒竦慕Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

控制器帶有可觸摸顯示屏，操作者在自己權(quán)限下可對系統(tǒng)進(jìn)行各種操作。如對報警參數(shù)的設(shè)定，控制加熱回路的開關(guān)，監(jiān)測系統(tǒng)各種參數(shù)和工作狀態(tài)等。當(dāng)車站終端發(fā)生故障，可直接操作啟動或停止加熱。

控制柜內(nèi)除控制器外的部分屬于強電，當(dāng)控制器接收到加熱命令后，驅(qū)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(fā)熱，從而實現(xiàn)道岔的融雪功能。

3 控制系統(tǒng)硬件方案設(shè)計

在道岔融雪項目中，設(shè)計并調(diào)試通過了由工業(yè)計算機(jī)、主控制器、控制器局域網(wǎng)（CAN），TCP/IP網(wǎng)絡(luò)組成的電加熱道岔融雪控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的上位機(jī)采用工業(yè)控制計算機(jī)。所有室外控制柜和車站控制室內(nèi)的上位機(jī)通過CAN總線組成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。為了滿足系統(tǒng)的要求，設(shè)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(nèi)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(guān)狀態(tài)和接觸器狀態(tài)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(guī)模和指令更高的要求，采用Intel Atom凌動N450處理器，可在– 40℃～80℃環(huán)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(nèi)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(wǎng)絡(luò)，傳輸速率為1 Mbps。

（3）采集處理數(shù)字量模塊使用PCM - 3753I，是一個96 bit的插入式工業(yè)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(shè)計，與嵌入式PCM-3362配套結(jié)合，開發(fā)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(guān)、接觸器、以及驅(qū)動繼電器模塊的狀態(tài)。

控制器中的觸摸屏與主程序之間通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。操作者可以通過觸摸屏在自己權(quán)限下對系統(tǒng)進(jìn)行各種操作，如控制各加熱回路的開關(guān)參數(shù)的設(shè)定和改變，監(jiān)測系統(tǒng)的各種參數(shù)、工作以及錯誤狀態(tài)。

此外，通過設(shè)計雪傳感器的微加熱功能，實現(xiàn)了除了對自然降雪和結(jié)冰融化外，還可以對外來的積雪，如風(fēng)刮來的、列車經(jīng)過時墜落的積雪等，及時感應(yīng)、自動融化。

4 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

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

4.1 軟件結(jié)構(gòu)

從功能上可以把程序分為以下5個部分。

（1）采集設(shè)備數(shù)據(jù)

采集設(shè)備數(shù)據(jù)包括I/O板卡數(shù)據(jù)，電量模塊數(shù)據(jù)，氣象站數(shù)據(jù)。該功能負(fù)責(zé)完成環(huán)境溫度監(jiān)測，降雪狀態(tài)及傳感器工作狀態(tài)監(jiān)測，供電電源的電壓頻率監(jiān)測，總消耗功率電流的監(jiān)測，各個道岔加熱回路電壓電流消耗功率的監(jiān)測等。

（2）數(shù)據(jù)存儲模塊

該功能負(fù)責(zé)完成將采集到的數(shù)據(jù)存儲在本地，便于上位機(jī)的快速查詢。

（3）顯示屏模塊

可觸摸顯示屏提供了本地的數(shù)據(jù)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(nèi)容包括：報警參數(shù)的設(shè)定，各種故障的查詢，當(dāng)前鋼軌的溫度，電壓電流等電氣數(shù)據(jù)，加熱延時的控制，加熱控制參數(shù)的設(shè)置，控制方式的設(shè)置。

加熱延時控制：當(dāng)自動加熱結(jié)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(shè)置延時加熱的時間。

加熱控制參數(shù)：處于自動加熱控制下，當(dāng)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(tǒng)預(yù)先設(shè)定的開啟／關(guān)閉加熱溫度值進(jìn)行比較，當(dāng)?shù)陀谙到y(tǒng)設(shè)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(jìn)行加熱。當(dāng)加熱到符合關(guān)閉加熱的條件時，控制柜自動關(guān)閉輸出電源，停止加熱。此處設(shè)置開啟／關(guān)閉加熱的溫度。

控制方式：設(shè)置本地控制加熱還是遠(yuǎn)程控制加熱，當(dāng)處于本地控制時，程序不會執(zhí)行遠(yuǎn)程的加熱命令。

（4）數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

該功能主要是響應(yīng)上位機(jī)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。可診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(guān)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(tǒng)在工作狀態(tài)時信號線以及加熱線故障報警。

其中，加熱條故障是電務(wù)工作人員非常關(guān)心的。在控制器內(nèi)部存儲區(qū)存放標(biāo)準(zhǔn)電流值，當(dāng)所有加熱條配置完畢后，確認(rèn)所有加熱設(shè)備完好，采集此時的電流值并將此時的電流值作為標(biāo)準(zhǔn)值存儲。程序?qū)崟r采集各個回路的電流，同時，比較存儲區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)電流值，如果低于或者高于標(biāo)準(zhǔn)值太多，則認(rèn)為該回路的加熱條出現(xiàn)故障。

4.2 控制加熱方式

道岔融雪控制系統(tǒng)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(yuǎn)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(yōu)先級高于自動。圖3為融雪控制系統(tǒng)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(chǎn)生很大的沖擊電流，程序每隔6 s驅(qū)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(qū)動接觸器使電流通過加熱條進(jìn)行加熱。所不同的是驅(qū)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(xié)議

道岔融雪控制系統(tǒng)存在3種通信模式。

4.3.1 控制柜內(nèi)部的通信

控制柜內(nèi)的通信是通過雙絞線進(jìn)行連接，基于RS-485的Modbus通信協(xié)議。Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言，已經(jīng)成為通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?？刂破髦骺匕宓腞S-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(wǎng)絡(luò)；控制器設(shè)計成主站，電量模塊、軌溫傳感器、氣象站等設(shè)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?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有高可靠性和良好的錯誤檢測能力，適用于環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)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?shù)挠行Ь嚯x，使用CAN2.0B協(xié)議。CAN2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的兩種報文格式，其數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識碼可由11 bit或29 bit二進(jìn)制數(shù)組成。本系統(tǒng)的通信模式采用擴(kuò)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(shù)據(jù)塊標(biāo)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(shù)，是命令類型的輔助參數(shù)，比如獲取氣象站溫度值，該參數(shù)為1；獲取軌溫傳感器溫度值，該值為2。

實際應(yīng)用中，為了增加傳輸距離，減少成本，可將CAN傳輸速度參數(shù)設(shè)置成10 kbps，這樣CAN的傳輸距離可達(dá)10 km。

4.3.3 車站終端和遠(yuǎn)程終端的通信

多級控制系統(tǒng)中，車站終端和遠(yuǎn)程終端之間采取TCP/IP協(xié)議，通過該協(xié)議可以實現(xiàn)各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)或異種機(jī)之間的互聯(lián)通信。車站終端和遠(yuǎn)程終端有自己固定的IP地址，在車站終端建立一個數(shù)據(jù)庫，遠(yuǎn)程終端可以訪問其中的配置數(shù)據(jù)，也可以寫入控制命令，車站終端讀取命令后執(zhí)行，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程終端對控制柜的控制。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了電加熱道岔融雪控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(shè)計要求，提高了道岔融雪的自動化程度。該系統(tǒng)擴(kuò)展性能好，成本低，編程方便，且具備可現(xiàn)場調(diào)試的優(yōu)點，可在我國北方寒冷地區(qū)的鐵路線路上推廣使用。

[1]李 凱，楊成達(dá).青藏鐵路道岔融雪設(shè)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(xué)CAN總線[M].北京：北京航空航天大學(xué)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(chǎn)品暫行技術(shù)條件匯編（1）[S].北京：中國鐵道出版社，2008.

責(zé)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。