对原有融雪车系统和装置的研究与改进

李河宗 郑跃龙 高玉林

(河北工程大学机电学院，河北 邯郸 056038)

对原有融雪车系统和装置的研究与改进

李河宗 郑跃龙 高玉林

(河北工程大学机电学院，河北 邯郸 056038)

针对邯郸市高速公路管理处的撒布车存在撒布不均匀、撒布精度低和融雪效率低等问题，结合现代融雪现状、撒布车结构和工作原理，对原来的装置进行改造,自主研发了一套由A-B MicroLogix 1400型PLC控制的新型预湿撒布自动控制系统。该系统解决了撒布车在撒布时存在的撒雪不均匀、融雪效率低、环境污染等问题，改造后的撒布车在同行业中处于先进水平。

融雪撒布车 融雪剂 预湿撒布系统 PLC 电液比例控制

0 引言

在我国，每年降雪量比较大、持续时间长，若不及时清除和融化路面上的积雪,会给人们的日常生活和出行带来不便，发生交通事故的几率会大大增加。除雪效果的好坏直接关系到交通安全以及交通运营的经济效益、社会效益[1]。当前，除雪的方式主要有机械除雪和人工除雪。人工除雪需要投入大量的人力、物力和财力，并且也很难及时、快速地清除积雪。因此，机械除雪越来越受到人们的重视。

在机械除雪中，撒布融雪剂(俗称撒盐)是一种高效的除雪方式，这种方式主要优点是除雪方便、快速并且不妨碍正常的交通。但是过量的撒布融雪剂会对公路、桥梁和道路两侧的环境造成破坏[1]。因此如何控制融雪剂的用量和提高融雪效率一直是工程师难以攻克的关键问题，国内外研究者对融雪技术等进行了大量的研究，结果发现当融雪剂含水量在23%时，融雪效率最高[2]。

为了能够快速地对撒盐量和撒水量按以上比例进行精确控制，我们开发了一套由PLC控制的新型预湿撒布自动控制系统，实现了对预湿比例的精确控制，节省了融雪剂，提高了融雪效率，减少了对环境的污染。

1 邯郸市高速公路管理处撒布车简介

1.1 撒布车主要的结构特点

① 撒布装置和链条输送装置一体化并与车底盘分离。

② 撒布装置主要由贮料箱、输料装置、抛洒装置等组成。贮料箱采用了v字造型，输送方式采用链条输送，链条输送的出口是撒布装置。其结构如图1所示。

图1 撒布装置结构图

③ 采用进口发动机HONDA GX620，专门为撒布和输送装置提供动力。

1.2 工作原理

控制器上的不同按钮代表不同的功能，如图2所示。首先打开控制器的开关，发动机带动液压泵提供液压油，驱动输送马达和撒布马达。通过按动水平阀、旋转阀按钮，实现输送和撒布盐的操作[3]。撒布密度的控制有两种方式：①当车速一定时，撒布密度只与输送融雪剂速度和抛撒盘的转速有关，通过控制发动机的油门来控制液压油泵供油量，供油量的大小改变输送马达和撒布马达的转速，实现控制撒布密度的目的；②当发动机转速一定时，撒布密度只与车速成反比。

图2 控制器原理图

1.3 不合理之处

虽然这款撒布车实现了撒盐的功能，但是较于先进的撒布车还具有很多不足之处，主要存在以下几个问题。

① 采用链条的方式输送融雪剂，容易出现输送的料不均匀、输送能力小和链条容易腐蚀的缺点。经现场勘查也证明了这一点。

② 此系统操作复杂并且不能精确控制撒布密度，造成融雪剂撒布不均匀。

③ 不能对路面积雪和除雪情况进行实时监控。

④ 撒布方式采用的是干式撒布，不但增加融雪剂的用量，而且不能达到理想的融雪、除雪的目的。

2 对撒布装置进行部分改进和设计

撒布装置结构如图3所示。

图3 装置结构图

① 动力系统由原来的HONDA GX620发动机提供，对不能使用的液压泵进行更换，安装相应的电磁阀进行液压回路控制。

② 在原有的贮料箱的基础上把输送链条改成耐寒、耐碱的皮带输送。这样不但减少了腐蚀，增加了使用寿命，而且减少了成本；也解决了输送料物的不均匀、输送能力低的问题。

③ 增加水箱和喷水装置。

④ 安装前置和后置摄像头，实时监控除雪情况。

⑤ 采用先进的PLC智能控制器代替继电器，可以精确地控制撒水量、撒盐量和撒布宽度。按照一定的预湿比例抛撒的融雪剂，解决了撒布不均匀、融雪效率低等问题。

3 控制系统的介绍

3.1 控制原理

PLC控制的预湿撒布系统，主要由外部信号输入系统、内部信号处理系统、外部机构执行系统以及监控系统四部分组成[4-5]。PLC采集车速、输送带转速和撒布盘转速信号后，经过内部逻辑运算，采用PWM改变占空比对电液比例阀进行控制。比例阀的开度控制着输送带液压马达和水泵液压马达的转速，最终实现融雪剂量和水量的控制。PLC控制系统结构如图4所示。

图4 PLC自动控制系统结构简图

3.2 外部信号采集

外部信号包括车速、输送带转速、撒布盘转速、水位等信号。车速信号的采集采用光电编码器，通过光电转换，把输出轴上的几何位移量转换成脉冲量[6]，通过对脉冲的计数便可测出车速。采用转速传感器对输送带和撒布盘转速进行直接测量。用液位传感器进行水位的测量[7]。所测信号均为电流型模拟信号，通过I/O模拟接口输入到PLC中进行处理。

3.3 PLC内部编程和外部执行

各马达转速是由PLC对车速、撒盐密度和撒布宽度参数进行函数运算后控制电磁阀的开口来实现的[8]。其各马达转速控制的函数运算关系如下。

输送皮带速度：

N1=LVGK

(1)

式中：L为撒布宽度;V为车速;G为撒布密度;K为系数。

撒盘转速：

N2=LC

(2)

式中：L为设定的撒布宽度；C为设定的系数。

在单位时间内，以相同的D/A转换值驱动电液比例阀，得到同等质量的水和融雪剂，利用水和融雪剂的比例关系，得出：

Vw=RVs

(3)

式中：Vw为预湿液压泵比例阀的D/A转换数值;Vs为输送马达比例阀的D/A转化值;R为设定的比例系数(0.23)。

研究发现，当融雪剂(主要成分氯化钙)中的含水量达到8.6%时，融雪剂冰点开始明显降低。当融雪剂中的含水量达到23%时，冰点降到最低-20 ℃。因此，在撒布车作业时，将融雪剂和水按上述比例混合后撒布，冰点将明显下降，融雪效率将明显提升。预湿比例与冰点的关系如图5所示[2]。

图5 预湿比例与冰点的关系

速度模拟量的信号处理如图6所示。

图6 速度模拟信号的处理示意图

各系数确定完以后，通过手持编程器或者计算机编程软件把程序输入或下载到PLC中，经过PLC内部程序运行，输出执行信号执行外部机构，实现融雪、除雪的目的。

3.4 PLC控制程序设计

根据控制需求，系统设置两种控制模式：自动控制和手动控制。操作人员可通过上位机手动输入撒盐密度和撒盐宽度等参数。参数设定完成后，系统程序开始运行，对各参数进行逻辑处理，输出执行信号，对比例阀和撒布装置进行控制，实现机电液一体化自动撒布的功能[9]。

控制流程图如图7所示。

图7 控制流程图

4 上位机控制

利用RSView32编制手动控制界面、设定参数界面以及故障报警画面。人机交互界面可以方便地对撒布参数进行修改、故障报警和参数显示等。在RSView32中编制的设定参数界面[10]。通过显示屏上的袖珍键盘输入撒盐密度和撒盐宽度，速度信号由外部传感器收集。按下启动按钮，程序开始执行，此时外部执行机构的参数将显示在显示屏上，如：撒盐量、洒水量和撒盐宽度；当车速超过规定时速时会自动报警并提醒减速；撒布完成后按停止按钮，返回主界面。

5 结束语

通过对邯郸市高速公路管理处的撒布车进行以上改造，新的配带PLC预湿撒布自动控制系统的撒布车,不但解决了撒布不均匀、不合理、融雪效率低的问题，还通过人机界面使操作更简洁、直观。报警系统也能使操作者及时了解故障发生部位和原因，保障了冬季道路安全畅通，减少事故的发生。给除雪行业和交通运营带来更高的经济效益和社会效益，具有良好的市场前景。

[1] 严霞,李法云,刘桐武,等.化学融雪剂对生态环境的影响[J].生态学杂志,2008(12):2209-2214.

[2] 崔世界.除雪车预湿撒布系统控制器[D].大连：大连理工大学,2010.

[3] 李瑫,高元楼.液压机电液比例控制系统研究[J].软件,2011(8):38-42.

[4] 张涛.一种可合理控制融雪剂撒布量的自动化装置[J].建设机械技术与管理,2009(5):94-96.

[5] 张文庆.用PLC的软件实现PID闭环控制[J].自动化技术与应用,2003(2):7-8.

[6] 王书峰.基于可编程逻辑器件的光电编码器测速方法研究[D].北京：北京邮电大学,2012.

[7] 潘宏侠,黄晋英.机械工程测试技术[M].北京:国防工业出版社,2009：235-300.

[8] 黎职富.基于高频PWM的电液比例控制系统的研究与设计[D].长沙：湖南大学,2008.

[9] 苏淑芝.软PLC梯形图编程系统的研究与实现[D].广州：华南理工大学,2012.

[10]李文正,孙伟,周德华.基于OPC的InTouch与RSview32的通信[J].计算机与现代化,2010(7):48-50.

Research and Improvement of Existing Snowmelt Vehicle System and Device

To overcome the demerits of the spreading vehicles in Handan Highway Management Department, such as spreading unevenly, low spreading accuracy and low snow melting efficiency, etc., the existing system and device are revamped based on modern snow melting situation and the structure and operational principle of the spreading vehicles. The new type of pre-wet spreading automatic control system consists of A-B MicroLogix 1400 PLC has been researched and developed independently. The system solves the problems of uneven spreading, low snow melting efficiency and environmental pollution, etc. The revamped spreading vehicle is at the advanced level in the same industry.

Snowmelt spreading vehicle Snow-melting agent Pre-wet spreading system PLC Electro-hydraulic proportional control

河北省自然基金资助项目(编号：E2013402064)。

李和宗(1973-)，男，2011年毕业于上海交通大学材料加工工程专业，获博士学位，副教授；主要从事机械设计和材料加工方面的研究。

TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505008

修改稿收到日期：2014-12-18。