基于ZigBee的隧道電氣化設(shè)備除冰系統(tǒng)研究＊

于燕平

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 動(dòng)力技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州545616）

1 引言

從交通運(yùn)輸部的消息可知，截至2018年底，中國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)131000km。其中，投入運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道15117座，總長(zhǎng)16331km。部分早期建成、服役年限長(zhǎng)的鐵路隧道都出現(xiàn)了不同程度的滲漏水、冬季結(jié)冰等現(xiàn)象。

冬季，滲水隧道極易發(fā)生側(cè)壁冰掛刮到列車(chē)、拱頂冰柱侵入限界使接觸網(wǎng)設(shè)備發(fā)生接地短路等故障，甚至造成塌網(wǎng)事故，中斷鐵路運(yùn)輸。隧道冰害，為鐵路安全運(yùn)行帶來(lái)了極大的隱患。現(xiàn)今，冬季隧道結(jié)冰的解決措施，主要可分為人工除冰和設(shè)備除冰。人工除冰指運(yùn)用人工作業(yè)方式，清除隧道頂部對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)備具有威脅的結(jié)冰，這種方式效率低下，存在很大的安全隱患[1]。設(shè)備除冰指通過(guò)加熱設(shè)備加熱隧道滲水處，提高隧道滲水處的溫度，防止?jié)B水處結(jié)冰，從而達(dá)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(shè)備除冰方式能大大節(jié)省人工打冰所需的人力、物力，但裝置除冰中發(fā)熱板會(huì)對(duì)隧道頂部造成一定的破壞，某些凈空受限的滲水點(diǎn)無(wú)法兼顧[4]；微波除冰中，環(huán)境溫差越大，能量損失越多，溫度上升越困難，對(duì)人身和列車(chē)的微波輻射影響較大[3]。

針對(duì)已有鐵路隧道除冰方式存在的問(wèn)題，如設(shè)備除冰部分滲水點(diǎn)不能兼顧、微波除冰影響作業(yè)人身安全和行車(chē)安全等，提出采用基于ZigBee和PLC的智能除冰系統(tǒng)解決存在的問(wèn)題，節(jié)省除冰的人力、物力。

2 寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)分布規(guī)律

對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)隧道氣溫狀態(tài)進(jìn)行研究，對(duì)隧道除冰是非常有益的，了解隧道內(nèi)各部分溫度情況有助于合理布置融冰裝置的安裝點(diǎn)。隧道凍害的發(fā)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(jié)冰的可能。

陳建勛對(duì)某寒區(qū)公路隧道選取了拱頂、拱腰、邊墻和路面四個(gè)部位的11個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)1年半的測(cè)試，結(jié)果表明，隧道內(nèi)氣溫隨著進(jìn)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(guī)律呈指數(shù)函數(shù)曲線變化關(guān)系[5]；乜風(fēng)鳴分析了位于大興安嶺地區(qū)的3座隧道洞內(nèi)氣溫分布情況，得出夏季離洞口越遠(yuǎn)氣溫越低，而冬季離洞口越遠(yuǎn)氣溫越高[6]，隧道進(jìn)口受隧道外界溫度影響較大，距洞口越遠(yuǎn)影響越小。

隧道大多處于高寒和偏遠(yuǎn)的山區(qū)，氣溫與當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y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(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

除冰系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路：建立基于ZigBee協(xié)議的傳感器網(wǎng)絡(luò)，將溫、濕度數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，由上位機(jī)將數(shù)據(jù)送給PLC，PLC通過(guò)計(jì)算、判斷，決定是否啟動(dòng)電機(jī)對(duì)隧道實(shí)施加溫通風(fēng)的措施，最終實(shí)現(xiàn)防冰、除冰的目的。系統(tǒng)構(gòu)架主要包括信號(hào)采集模塊、CC2530模塊、上位機(jī)監(jiān)控模塊、PLC控制模塊等。

基于ZigBee的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（隧道內(nèi)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)），將隧道內(nèi)采集的溫度、濕度信息通過(guò)射頻天線經(jīng)由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器匯集節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)串行通信方式送給上位機(jī)，顯示溫度、濕度，上位機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC控制中心，根據(jù)相應(yīng)的信號(hào)決定風(fēng)機(jī)的工作模式。

4 基于ZigBee的除冰系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備

基于ZigBee的隧道電氣化設(shè)備除冰系統(tǒng)要解決的問(wèn)題有CC2530選擇、PLC選型、傳感器選擇、除冰裝置選擇。

4.1 CC2530

CC2530（無(wú)線片上系統(tǒng)單片機(jī)）是基于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案，它能夠以非常低的成本建立起一個(gè)強(qiáng)大的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。并且還結(jié)合了領(lǐng)先的2.4GHz的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051單片機(jī)。

4.2 PLC

鐵路隧道內(nèi)環(huán)境惡劣，空氣潮濕，列車(chē)通過(guò)時(shí)灰塵較大，而且電氣化設(shè)備布置多，相對(duì)于公路隧道，鐵路隧道內(nèi)空間狹小，運(yùn)行人員的維護(hù)非常不便。因此，在考慮控制模塊的選型時(shí)選用了適合工業(yè)環(huán)境、抗干擾能力強(qiáng)、故障率小、維護(hù)方便的S7-200系列PLC，CPU選用224xp。

4.3 傳感器

DS18B20是數(shù)字溫度傳感器，具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適合狹小空間；測(cè)溫范圍為-55～125℃；多片DS18B20并聯(lián)在一條數(shù)據(jù)總線上可實(shí)現(xiàn)不同地點(diǎn)的多點(diǎn)組網(wǎng)。DHT11在設(shè)計(jì)中主要用于隧道濕度測(cè)量，其輸出方式為單總線數(shù)字信號(hào)，濕度分辨率為1%RH，抗干擾能力強(qiáng)。除冰裝置是否運(yùn)行的關(guān)鍵是隧道內(nèi)的溫濕度是否達(dá)到設(shè)定值，當(dāng)達(dá)到臨界結(jié)冰點(diǎn)附近時(shí)，由PLC啟動(dòng)加溫除濕裝置。隧道內(nèi)環(huán)境因素復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中溫度和濕度測(cè)量分別選用了DS18B20、DHT11。

4.4 除冰裝置

除冰裝置選用工業(yè)用壁掛式電熱風(fēng)機(jī)，主要由鼓風(fēng)機(jī)、加熱器、控制電路組成。通電后，鼓風(fēng)機(jī)把空氣吹送到加熱器里，電熱器通電后產(chǎn)生的熱量與通過(guò)的冷空氣進(jìn)行熱交換，從而使出風(fēng)口的風(fēng)溫升高。通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量可利用變頻器（根據(jù)隧道內(nèi)環(huán)境溫濕度）調(diào)節(jié)吹送風(fēng)量的大小，實(shí)現(xiàn)工作溫度、風(fēng)量的調(diào)控。

5 隧道硬件設(shè)備布置

根據(jù)前面的分析可知，進(jìn)口受隧道外界溫度影響較大，距洞口越遠(yuǎn)受溫度影響越小，洞口附近500m左右的隧道最容易發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。因此可以考慮在隧道兩端安裝一兩組除冰風(fēng)機(jī)；考慮到電氣化設(shè)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(cè)量會(huì)比較準(zhǔn)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(shù)量和空間上的合理性，節(jié)點(diǎn)用于收集傳感器的數(shù)據(jù)（并上傳上位機(jī)，用RS485電纜傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量根據(jù)傳感器數(shù)量確定）。風(fēng)機(jī)的臺(tái)數(shù)根據(jù)隧道的長(zhǎng)度確定，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速受地面S7-200和變頻器控制。隧道內(nèi)硬件布置如圖1所示。

圖1 隧道內(nèi)硬件布置圖

6 結(jié)論

冬季氣溫較低，漏水隧道容易發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，冰柱侵入限界威脅鐵路安全運(yùn)行。為了解決冬季隧道掛冰問(wèn)題，提出了基于ZigBee和PLC的除冰系統(tǒng)，運(yùn)用CC2530、PLC、變頻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的控制，分析了寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)分布規(guī)律，最終確定了隧道硬件設(shè)備布置。