防冻液自动喷洒控制系统的实现

朱娟娟

（山西职业技术学院，山西 太原 030006）

冬季生产中，选煤厂面临的一大问题就是运煤车冻车现象，这一现象将导致卸煤困难，甚至严重影响生产。因此，为保证产品质量和防止冻车事故的发生，防冻液的喷洒工作显得尤为重要。

在实际生产中，要求运煤车防冻液自动喷洒系统可以在列车行驶过程中准确地识别车厢位置，并且将防冻液快速、均匀地喷洒在空车厢内的前侧、后侧、左侧、右侧和底部五个面上，且能自动调节喷洒量和喷洒速度。论文针对我省某矿区现有选煤厂的实际客观条件，本着实用、可靠、易于维护的原则，进行了防冻液自动喷洒控制系统的设计。实际应用表明，所设计的系统运行效果良好，有效防止冬季煤炭外运冻车现象的同时，解决了人工喷洒的各种弊端，避免了防冻液的浪费，节约了成本。

一、防冻液自动喷洒系统的控制要求

防冻液自动喷洒系统能够根据车皮型号自动升降，并且要求升降速度快、位置精确。对每节车厢的前侧、左侧和右侧、底部、后侧依次喷洒，保证喷洒均匀且车厢前、后、左、右无防冻液喷洒在外面，也不受风吹干扰的影响。能够根据防冻液管路压力、溢流阀及管路噪声状况、列车行驶速度、环境温度等状况，调节管路压力和防冻液喷洒量。对防冻液的漏液进行收集、二级过滤，以减少污染，同时节约防冻液使用。

喷洒电气控制方面，可根据列车行驶方向控制喷、停，根据列车行进和停止控制喷、停，根据列车行驶速度控制喷洒量。电气控制柜上有人机界面，可进行参数设定、翻页观察。

喷洒动作的动力采用液压驱动，要求双液压回路、一备一用，若有个别情况引起的故障，能立即切换到备用，不影响操作。

二、系统工作原理及功能介绍

1.液压系统

喷洒动作的动力采用液压驱动，并且为双液压回路，两台防冻液泵互为备用。通过选择开关“1号防冻液泵、2号防冻液泵”选择两台防冻液泵中的一台为工作液泵，则另一台即为备用泵。即使有个别其他情况引起的故障（如防冻液漏进来烧了电磁换向阀的电磁铁），也能立即切换到备用，不影响操作，待检修时判断处理即可。防冻液泵电机采用变频自动控制，通过专用测速雷达检测出列车行驶速度信号，系统经过运算后，通过控制防冻液泵电机的转速来控制车厢的喷洒流量。变频器调速信号也可以通过人机界面上的调节画面手动设定。防冻液泵采用远程控制，防冻液泵房内放置变频控制柜。防冻液泵电机的工作状态、工作频率、防冻液流量在人机界面中有相应的指示。

液压系统中立柱油缸的升降可使大臂喷嘴快速上升，对应不同的车厢类型喷洒臂高度自动选择，回转臂的速度调节、回转角度的调节都可实现精确调节。液压回路实现安全动作互锁，液压站油箱设有液位控制器、油箱温度传感器、加热线圈。液位控制器对油箱液位进行检测，油箱液位降至低位时发出报警，防冻液控制室操作台声光报警，人机界面有报警条显示。

2.电气控制系统

自动喷洒系统采用PLC可编程控制器（S7-200PLC）为控制核心，负责液压系统和防冻液系统温度、液压、温差、流量、速度等传感器的信号检测。液压泵、防冻液泵、电磁阀、马达、加热器等控制，可根据车型的不同、列车行驶状况、防冻液管路压力等状况进行调整。列车行驶方向、行驶速度信号，通过传感器输出至PLC。系统配有人性化的人机界面，整个系统的设备状态、设定参数、故障报警均可在人机界面上设置、修改、显示。

为了检测运煤车车头及车厢的到来，系统中采用了三对对射传感器，其中一对安装在距铁轨高3.5m处，当火车头通过时发出信号，喷洒系统不工作。另外两对安装在门架立柱上，通过其状态的变化，可自动获取火车头到达、车厢到达、离开等信息，并以此作为开始喷液、停止喷液及前后侧面喷液机构的旋转和停止等的控制信号，保证防冻液的合理有效喷洒，做到经济而不浪费。系统设有远程、就地两种控制方式，远程模式是指操作人员通过操作控制室中的人机界面来完成各种控制，在此方式下又分为手动、自动两种控制方式。就地模式是指操作人员通过现场控制柜上的按钮、开关来完成对设备的控制，在此方式下只有手动功能，只能作为系统调试及检修时的工作方式。系统控制结构如图1所示：

3.列车行驶方向检测

列车装车时，由于各种原因需要倒车，如果防冻液车厢喷洒系统无法辨别列车行驶方向而及时停止喷洒，会造成大量防冻液的浪费并且对轨道、路基造成损害，尤其在连续倒车时情况会更加严重。因此，防冻液喷洒系统对列车行驶方向的喷洒控制采用了最新技术的铁路钢轨固定专用传感器，即谐振式轨道传感器。

图1 电气控制系统结构图

轨道专用传感器具有不受列车速度的影响、重量轻、能够自检测等优点，使用安全、可靠。主要技术参数如下：

工作电压：8V～30V

工作电流：静态≤0.01mA，动态≤2mA

额定动作距离：25mm

工作温度：-40℃～-70℃

感测信号传输距离：≥3000m

感测列车速度：≥200公里/小时

感测频率：≤100HZ/S

辨别方向时需安装两个传感器，当列车正向行驶（即来车方向）时，车轮先经过传感器1，再经过传感器2，分别发出开关量信号给控制系统，系统首先辨别两个传感器的动作次序，再经过运算、处理后发出车厢喷洒阀启喷信号。当列车倒车时，车轮先经过传感器2，再经过传感器1，分别发出开关量信号给控制系统，系统首先辨别两个传感器的动作次序，再经过运算、处理后发出车厢喷洒阀停喷信号。原理如图2所示：

图2 列车行驶方向检测原理图

4.列车行驶速度检测

列车在装车时行驶速度比较慢，大约为0.3米/秒，常规测速仪器测量范围无法满足要求，而且容易受工作现场、振动、天气（尤其是大风）的影响而导致误动作。系统选用专用于测量列车速度的雷达测速传感器，能够精确测量火车的速度，不受车轮打滑和空转、发射面类型的影响，可以把车辆的即时速度通过RS232数据线接头连接到控制主机上，或者雷达输出一个模拟信号来控制防冻液变频电机的转速，同时控制喷洒电磁阀关闭（当检查出列车速度接近零时）。

将设备安装在一个防护罩内，可以24小时工作，能适应风、沙、雨、雪、高低温等恶劣环境。同时可配备电子防盗锁，专人控制，专人维护，有效避免不必要的损失。

5.防冻液喷洒量的控制

通过在防冻液泵出口管路上安装压力传感器，可以对喷洒系统的管网压力进行检测，压力传感器可输出4～20mA的标准电流信号，并将其传输至控制系统用于显示、控制。

控制系统可根据管网压力的不同，输出标准模拟量信号来控制变频器的频率，从而调节防冻液泵电机的转速。系统压力升高时，控制系统发出降速指令；系统压力降低时，发出升速指令。

防冻液泵电机的转速调节还可以根据现场环境来人为调整，若温度较低可通过人机界面上的“频率上升”按钮手动提高电机转速加大防冻液的喷洒量；若温度较高可通过人机界面上的“频率下降”按钮手动降低电机转速减少防冻液的喷洒量。

6.防冻液的回收

防冻液废液回收设计思路是在喷嘴喷洒处导轨周围进行施工改造，喷洒在外面的防冻液全部进行收集，然后经过过滤，再由泵送至防冻液主管路。

采用两级过滤回收工艺。先收集泄漏防冻液，使其进入收集沟中，进入沉砂池中后，经初步沉淀过滤去除煤等颗粒较大杂物，再用泵把废液送入深度过滤装置（袋式过滤器）中，滤液再经泵转送至防冻液主管路中。沉砂池是一种泥水分离的设施。分离的沉淀物质多为颗粒较大的东西，沉淀物质比重较大，无机成分高，含水量低。

袋式过滤器是一种结构新颖、体积小、操作简便灵活、节能、高效密闭工作、适应性强的多用途过滤设备。袋式范围在0.5～200微米，可有效地过滤掉废液中的悬浮颗粒物。废液通过袋式过滤器处理后就可以过滤掉细小杂质，达到回收的要求，用泵把回收液送到防冻液主管路中。

对于防冻液废液收集装置，控制系统通过安装在收集池中的液位计输出的连续变化的标准模拟信号，当达到液位上限值时启动收集泵，液位下降到设定下限值时停止收集泵。收集泵的工作状态、液位设定值、实际液位等参数在人机界面中均有相应的指示。

7.车厢四壁及底面全方位喷洒

车厢喷洒时，为了保证均匀喷洒，车厢四壁及底面全部喷洒到，不留死角，不浪费防冻液，达到车厢防冻的理想效果。在车厢前后、车厢左右、车厢底部都保证有数量基本相近的喷嘴，且依次喷洒，顺序是车厢前侧、车厢左右侧、底部、车厢后侧。

选用15°窄角实心圆锥形喷嘴，并配有可调球形接头，两者配合使用可实现对喷嘴喷射角度调整，也可快速精确调整喷射方向。同时，可调球形喷嘴具有多种喷雾模式，包括空心锥形、实心锥形、扇形等，能满足实际喷洒过程中的使用要求。

喷嘴固定在大臂的两侧，根据车厢的结构，将喷嘴分为前喷嘴、侧喷嘴、底面喷嘴、后喷嘴。车厢两侧由两组喷嘴喷洒，主要是保证车厢两侧喷洒时有相应数量的喷嘴，确保喷洒效果。前、两侧、底面、后几路喷嘴管路分别由相应的喷洒电磁阀控制。车厢行驶时，负责车厢前壁的喷嘴开始喷洒，随后侧喷嘴开始喷洒，前喷嘴喷洒到底面时，底面喷嘴开始喷洒，前喷嘴关闭，底面喷嘴喷洒到后壁底面时，地面喷嘴关闭，侧喷嘴随后关闭，后喷嘴开始喷洒，直至车厢后壁喷完，关闭喷嘴。为了防止液体喷洒到车厢外，大臂上加装四块挡板防止喷嘴将液体喷出。

该防冻液自动喷洒系统实现了智能控制，能准确检测车厢、车头、车厢连接空档、列车行驶方向、列车行驶速度，精确控制喷洒系统的喷停，且防冻液喷洒均匀，防冻液的回收有效避免了防冻液的浪费，节约了成本，经济效益、社会效益以及推广前景良好。

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