張樹國
(神華準能大準鐵路公司,內(nèi)蒙古 準格爾 010300)
鐵路隧道照明自動控制系統(tǒng)研究
張樹國
(神華準能大準鐵路公司,內(nèi)蒙古 準格爾 010300)
隨著我國鐵路事業(yè)的迅猛發(fā)展,特長隧道的長度新紀錄被不斷刷新,越來越多的隧道投入使用。隧道照明的功能著重在于隧道設施本身的正常運行、定期維護檢修和事故狀態(tài)的疏散和救援,針對鐵路隧道照明技術存在的問題,提出了一種全新的照明控制系統(tǒng),實現(xiàn)鐵路隧道照明的自動化、智能化。
鐵路;隧道照明;自動控制
目前,鐵路隧道照明多采用鎢燈或白熾燈,控制方式主要有以下幾種:(1)無論是否有人進入隧道,隧道照明燈都一直處于打開狀態(tài),由于人員不經(jīng)常進入隧道施工或通過隧道,因而造成資源的浪費;(2)在隧道兩側(cè)入口安裝單刀雙擲式開關,人員進入隧道時打開照明燈,離開時關閉,這種方式存在以下問題,一是人員通過時隧道的照明燈都是亮的,隧道越長浪費現(xiàn)象越嚴重;二是人員離開隧道時有時會忘記關燈;(3)在隧道內(nèi)不同位置安裝多個聲控開關,這種方式的問題在于,列車通過隧道時照明燈也會亮,列車通過時間越長,照明時間就越長,自動閉塞區(qū)間車流密度很大時,照明設施會多數(shù)處于工作狀態(tài),并且聲控開關的延時功能又不能保證人員在隧道內(nèi)停留或施工時燈不會滅,需要人員間隔一段時間就發(fā)出一定的聲響。雙線隧道問題更加嚴重,常規(guī)設計無法考慮通過隧道人員的需求,只能按最大限度設計相應照明設施,造成設施設備有效利用效率很低,增加人工及設備成本。
上述現(xiàn)有的鐵路隧道照明控制方式主要存在以下缺陷:(1)照明燈長時間工作,造成電能的浪費及照明燈的使用壽命縮短,線路及相應控制設施的老化;(2)開關及燈具安裝過高則維護困難,需要每次攜帶梯子等工具,安裝過低則容易損壞;(3)隧道往往處在偏遠地區(qū),維修人員不方便第一時間對照明燈具進行維修,影響正常使用,也很難進行有效時常養(yǎng)護。照明設備的配件更換很不方便,同時還會受到不同程度的人為破壞及盜竊;(4)由于照明不足,隧道行走人員難以發(fā)現(xiàn)諸如電纜溝蓋板損壞、步行通道障礙等隱患而發(fā)生意外傷害。為此,相關部門每年需要投入大量的人力、物力和財力來對隧道照明設備設施進行維護保養(yǎng)。
隧道照明自動控制系統(tǒng)需要解決的是在人員進入隧道時照明燈亮,在人員行走時前方的照明燈依次點亮,后方的照明燈依次熄滅,同時還需要保證火車通過時照明燈不會點亮,還要考慮到工務、供電等維修人員在隧道內(nèi)停留及作業(yè)時相應的照明燈不會熄滅。針對上述要求,隧道照明自動控制系統(tǒng)應該包括:控制單元、探測單元、照明單元以及電源。探測單元連接控制單元,并且探測單元包括多組紅外探測器和聲音傳感器,每組紅外探測器和聲音傳感器的探測信號傳輸至控制單元??刂茊卧B接照明單元,當紅外探測器輸出有效信號而聲音傳感器輸出無效信號時,控制單元輸出有效控制信號至照明單元,以控制照明單元開始照明。電源為控制單元供電。
控制單元包括微處理器以及兩個光電隔離器,來自探測單元的探測信號經(jīng)兩個光電隔離器中的一個傳輸至微處理器,轉(zhuǎn)而微處理器的控制信號經(jīng)光電隔離器中的另一個傳輸至照明單元。
照明單元包括多個控制開關和對應數(shù)量的隧道照明燈,每個控制開關與對應的一個隧道照明燈相連,并按照控制單元的控制信號,執(zhí)行導通與關斷??刂崎_關為交流接觸器,控制單元通過動力電纜連接該交流接觸器。探測單元通過信號電纜連接控制單元,其紅外探測器為雙元紅外移動探頭,聲音傳感器為當感應到的聲音大于50dB時輸出有效信號的聲音傳感器。此聲音信號強度的設置根據(jù)隧道結(jié)構及機車車輛情況可選擇需要的設定值,主要目的為保證機車、列車及其它自輪運轉(zhuǎn)設備通過隧道時照明燈不會工作。
鐵路隧道照明自動控制系統(tǒng)的結(jié)構示意圖如圖1所示。
圖1 隧道照明自動控制系統(tǒng)的結(jié)構示意圖
如圖1所示,本技術中的鐵路隧道照明自動控制系統(tǒng)包括:控制單元1、探測單元2、照明單元3和電源4。探測單元2設置在鐵路隧道內(nèi)用以探測隧道內(nèi)情況,探測單元2連接控制單元1,控制單元1接收并分析來自探測單元2的探測信號,并輸出控制信號至與其相連接的照明單元3以控制照明單元3的照明。電源4連接控制單元1并為其供電。
其中,探測單元2包括多個由紅外探測器21和聲音傳感器22組成的設備組。探測單元2將這些由紅外探測器21和聲音傳感器22組成的設備組相間隔地設置在隧道內(nèi),間隔距離按照實際需要設定。在一些較長的隧道中,需要設置備用件。主要用于采集隧道內(nèi)的紅外圖像信號與聲音信號并將信號傳輸至控制單元1,紅外探測器21主要用于探測其監(jiān)測區(qū)域內(nèi)人員的進入,聲音傳感器22主要用于感應隧道內(nèi)列車的聲音信息。探測單元2將其探測到的光與聲信號轉(zhuǎn)換為電信號,作為控制單元1的輸入信號通過信號電纜23傳輸至控制單元1。根據(jù)本技術的一個實例,紅外探測器21選用雙元紅外移動探頭,型號PA-476,如圖2所示。
圖2 雙元紅外探頭
雙元紅外移動探頭性能指標:(1)探測范圍:11m× 11m;(2)自動脈沖數(shù)調(diào)節(jié),二級調(diào)整;(3)自動溫度補償;(4)抗射頻干擾金屬護罩;(5)阻燃外殼。
雙元紅外移動探頭經(jīng)實際運用具有探測靈敏、經(jīng)久耐用、省電環(huán)保等眾多優(yōu)點。
聲音傳感器22選用型號為BYG71-007的聲音傳感器,聲音傳感器選用能夠感應到大于50dB聲響、型號為
BYG71-007的聲音傳感器,如圖3所示。
圖3 BYG71-007聲音傳感器
聲音傳感器性能指標:(1)測量聲強范圍:40dB-120dB;(2)測量頻率范圍:100Hz-4 000Hz;(3)分辨率:1Hz;(4)精度:±1%。
信號電纜23規(guī)格為PTYA23-10*1。
控制單元1包括微處理器11以及兩個光電隔離器12,兩個光電隔離器12分別連接在探測單元2與微處理器11之間、以及微處理器11與照明單元3之間,光電隔離器亦稱光耦合器,以光為媒介傳輸電信號,具有信號單向傳輸、輸入端與輸出端電氣隔離、抗干擾能力強、傳輸效率高等優(yōu)點,根據(jù)本實例,光電隔離器12選用TOSHIBA(東芝公司)的TLP521光電隔離器。微處理器11用于分析并處理來自探測單元2的隧道內(nèi)信息,再輸出控制信號至照明單元3。
照明單元3包括多個交流接觸器31和對應數(shù)量的隧道照明燈32。控制單元1連接所有的交流接觸器31,每個交流接觸器31與一個隧道照明燈32相連接。交流接觸器廣泛用于電力的開斷和控制電路,利用接點的斷開與吸合來開閉電路。根據(jù)本實例,來自控制單元1的控制信號可通過動力電纜33為交流接觸器31供電,促使交流接觸器31吸合,從而與其相連的隧道照明燈32隨即開始照明。目前,交流接觸器在鐵路相關設備大量廣泛的應用,可以遠距離的控制照明燈的開合。根據(jù)本實例,交流接觸器31型號為CJX2-1210,隧道照明燈32可選用LED隧道照明燈、高壓鈉燈或其它基本照明燈。隧道照明燈最好選用LED隧道照明燈。
表1為根據(jù)本實例的微處理器11的邏輯狀態(tài)表。其中,紅外探測器21和聲音傳感器22的輸出信號(即探測信號)均分為有效信號和無效信號,當紅外探測器21探測到人員時(包括列車、機車等作業(yè)車輛)輸出有效信號,否則輸出無效信號;當聲音傳感器22感應到的聲音大于50dB時(例如當列車、機車等作業(yè)車輛通過時),輸出有效信號,否則輸出無效信號。微處理器11可設置為,僅當紅外探測器21的輸出信號為有效信號(通??稍O置為高電平信號),而聲音傳感器22的輸出信號不是有效信號(通常設置為低電平信號)時,輸出有效的控制信號至照明單元。而在其它情況中,則輸出無效的控制信號,不影響隧道照明燈的狀態(tài)。該功能可利用微處理器中的邏輯運算模塊實現(xiàn)。
表1 微處理器的邏輯狀態(tài)表
并且,微處理器還設置為,當輸出有效信號時,開始供應電流至照明單元3,當達到預設的照明時間長度時,停止向照明單元3供電,照明時間長度可依據(jù)探測單元2在隧道內(nèi)的安裝間距以及隧道內(nèi)具體環(huán)境而定。在隧道照明燈32照明期間,控制單元1可控制探測單元2暫停采集信號,或者也可以是控制單元1本身暫停接收探測單元2的輸出信號。該功能可利用微處理器中的計時模塊實現(xiàn)。根據(jù)本實例,微處理器11選用MICROCHIP(微芯公司)的PIC16F1516微處理器。通過對微處理器的編程,可以滿足各種對隧道照明的控制動作。
為了確保人員在隧道內(nèi)停留或施工時,隧道照明燈不會因有列車通過而處于非照明狀態(tài),可以根據(jù)隧道長度S、列車長度L、列車最低運行速度vmin設置一次照明時間長度最小值tmin,tmin=(S+L)/vmin,當隧道長度500m,列車編組最大為240輛(列車長度約為3 500m),最低時速為5km/h,則一次照明時間長度參考值為13min。國內(nèi)開行2萬t列車的區(qū)間很少,多數(shù)萬噸列車編組102輛C80型貨車長度只有1 400m,所以這個時間也只是一個參考值,實際使用過程中可按照使用維修人員的需求進行相應調(diào)整,按照人員正常步行速度5km/h計算,如果需要保證有兩個照明燈工作,設計一次照明時間為30-40s就可以滿足人員通過隧道的要求。
探測單元安裝在隧道側(cè)壁的上部,沿隧道長度每隔15m安裝一個探測單元。因此,在正常情況下隧道內(nèi)沒有人員或列車時,紅外探測器21輸出無效信號,無論聲音傳感器22是否輸出有效信號,控制單元1都不會向照明單元供電;當紅外探測器21探測到有人員進入其所
監(jiān)測的區(qū)域時,將輸出有效信號,此時聲音傳感器22輸出無效信號,則控制單元1為交流接觸器31供電,使交流接觸器31吸合,隧道照明燈32開始照明,隧道照明燈32維持照明一段時間,在其照明期間,探測單元2不采集光與聲信號;當隧道照明燈32照明結(jié)束前2s內(nèi),探測單元2重新開始探測光與聲信號,而此時如果人員已經(jīng)走出該紅外探測器21的監(jiān)測區(qū)域,則紅外探測器21輸出無效信號,則控制單元1并不向交流接觸器31供電,交流接觸器31處于斷開狀態(tài),隧道照明燈32處于關閉狀態(tài)(即非照明狀態(tài));當隧道內(nèi)有列車通過時,雖然紅外探測器21輸出有效信號,但是此時聲音傳感器22也輸出有效信號,控制單元1不提供電能至交流接觸器31,以避免列車的通過造成燈光的誤控制;但是,如果在列車通過隧道前,隧道照明燈32已經(jīng)處于打開狀態(tài),則說明探測單元2已經(jīng)暫停探測光與聲信號,所以列車通過隧道時并不影響隧道照明燈32的狀態(tài)。
另外,因列車提速,原電線路、電纜線路明敷的方式已不適應新的情況,應當盡量采取電纜溝敷設電力電纜。必須明敷時,應使用金屬封閉線槽的方式敷設。文中所選用的紅外探測器、聲音傳感器、LED隧道照明燈也都選用了耐腐蝕、阻燃性能好的外殼。
本文所設計的鐵路隧道照明自動控制系統(tǒng),能夠便利地控制隧道照明燈的開關,有效地避免了現(xiàn)有技術所帶來的資源浪費問題,并能提高隧道照明燈的使用效率,延長其使用壽命。此外,該系統(tǒng)在正常人員可觸及的地方未設置易被破壞的裝置,可有效防止無關人員對照明系統(tǒng)的破壞。
照明燈多數(shù)只在工務人員巡道時工作,自動控制系統(tǒng)的使用使得隧道照明裝置實際工作時間減少了75%以上,大面積使用可以節(jié)約的費用可達到千萬能數(shù)量級。我國幅員遼闊,山地眾多,隨著鐵路建設的高速發(fā)展,隧道數(shù)量將大量增加,尤其是長大隧道越來越多,節(jié)約用電勢在必行,鐵路隧道照明自動控制系統(tǒng)的應用前景較為廣闊,有巨大的經(jīng)濟和社會效益。
[1]TB10008-2006鐵路電力設計規(guī)范[S].
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[3]TB/T2796-1997鐵路隧道固定燈具技術條件[S].
[4]TB10063-2007鐵路工程設計防火規(guī)范[S].
Study on Railway Tunnel Automatic Lighting Control System
Zhang Shuguo
(Shenhua Zhungeer Energy Da-Zhun Railway Company, Zhungeer 010300, China)
In this paper, in view of the problems existing in the lighting technology of the railway tunnels, we proposed a brand newlighting control system which was capable of realizing the automatic and intelligent lighting of the railway tunnels.
railway; tunnel lighting; automatic control
U459.1;TU113.666
A
1005-152X(2016)09-0145-04
10.3969/j.issn.1005-152X.2016.09.030
2016-07-25
張樹國(1970-),高級工程師,現(xiàn)任神華準能大準鐵路公司安質(zhì)部經(jīng)理。