电加热道岔融雪控制系统的设计与实现

赵东波，侯勤宏

（中铁电化（西安）通号设备有限公司， 西安 710001）

电加热道岔融雪控制系统的设计与实现

赵东波，侯勤宏

（中铁电化（西安）通号设备有限公司， 西安 710001）

介绍基于Windows XP Embedded（XPE）和控制器局域网（CAN）的电加热道岔融雪控制系统、系统的控制要求、控制部分的组成、以及软件的实现。阐述系统内的通信方式。该系统具有性能稳定、可靠性高、成本低等特点，已在部分铁路局的线路上推广使用。

Windows XP Embedded（XPE）；控制器局域网（CAN）；道岔融雪

目前，随着国内高速铁路的大规模建设和铁路系统自动化水平的提高，铁道运输对铁路信号以及辅助系统的功能和要求也越来越高，其中，电加热道岔融雪技术在北方地区高速铁路线路上已广泛应用。为了保证行车安全畅通，设备应用可靠性高、免维护、少维修，减轻电务工作人员的劳动强度，我们自主研发了由工业计算机自动控制的电加热道岔融雪控制系统。

1 道岔融雪控制系统功能

电加热道岔融雪控制系统通过电加热条加热道岔前部的钢轨使其达到一定的温度，实现融雪目的。该系统由远程监控车站中心的控制终端、各车站安装的车站计算机终端、室外控制柜、环境检测装置、轨温传感装置、隔离变压器、接线盒、电加热元件、电力电缆和信息通道等构成。系统采用模块化设计，下位机具有采集电压、电流、温度、频率等模拟量参数功能；上位机具有登陆管理模块，监控界面，报警呈现，日志记录以及报表处理等功能，系统运行可靠，可在– 40℃环境下正常工作。

（1）全自动监控功能

对钢轨温度和钢轨周围降雪结冰状态、各回路接触器的工作状态、每个道岔融雪系统各加热元件的工作状态实现本地和远程的自动监测控制。

（2）自动诊断功能

可以根据道岔周围区域的降雪情况、温度等自动开始和停止工作，并可以诊断每组道岔加热子系统、甚至每个加热单元的故障。如果电源电压或频率过低，控制柜将自动关闭加热输出。

（3）基于互联网技术的可扩展功能

可以根据用户的需求，基于互联网技术，实现在全球任意地方对系统的软件进行维护和升级。

（4）历史数据的记录功能

对投入使用后系统的各种状态、参数和气候环境等历史数据可记录、查询，保证系统工作过程的可追溯性。

（5）操作权限控制功能

经管理者设定操作权限后，可有效地保证操作的权威性和安全性，避免违章和非法操作。

2 控制系统结构组成

室外电气控制柜是电加热道岔融雪控制系统的核心，控制柜的核心部件是控制器。控制器实现了智能闭环控制，担负着电压电流、频率、用电量、温度、降雪信息等运行数据的采集，与车站终端的通信，执行加热/停止加热命令，收集故障信息，实现定位报警，实现道岔融雪等功能。控制系统结构分为强电部分和弱电部分。控制柜的结构如图1所示。

图1 控制柜内部结构示意图

控制器带有可触摸显示屏，操作者在自己权限下可对系统进行各种操作。如对报警参数的设定，控制加热回路的开关，监测系统各种参数和工作状态等。当车站终端发生故障，可直接操作启动或停止加热。

控制柜内除控制器外的部分属于强电，当控制器接收到加热命令后，驱动继电器打开常闭触点，接通接触器，接触器打开后，电流通过隔离变压器使加热条发热，从而实现道岔的融雪功能。

3 控制系统硬件方案设计

在道岔融雪项目中，设计并调试通过了由工业计算机、主控制器、控制器局域网（CAN），TCP/IP网络组成的电加热道岔融雪控制系统。系统的上位机采用工业控制计算机。所有室外控制柜和车站控制室内的上位机通过CAN总线组成监控网络。为了满足系统的要求，设计了由主控板、CAN板卡和IO板卡、电源模块等组成的控制柜内控制器，控制器除了完成电气部分的逻辑控制外，主要完成电压、电流、温度的采集，空气开关状态和接触器状态的查询。

（1）主控板是PCM-3362嵌入式单板电脑，适用于性能要求较高的场合，满足对程序规模和指令更高的要求，采用Intel Atom凌动N450处理器，可在– 40℃～80℃环境下工作。通过其提供的串行通信端口（COM），与电量采集模块、气象站以及轨温采集模块通信。

（2）为了与车站终端通信，控制器内采用隔离CAN接口模块完成CAN通信功能，该接口模块能同时操作两个独立的CAN网络，传输速率为1 Mbps。

（3）采集处理数字量模块使用PCM - 3753I，是一个96 bit的插入式工业IO卡板。通过软件可以将端口配置为输入端或输出端，提供Opto-22型连接器，通过PCI-104总线设计，与嵌入式PCM-3362配套结合，开发出坚固轻巧且功能强大的集成控制器，通过该板卡可以采集到空气开关、接触器、以及驱动继电器模块的状态。

控制器中的触摸屏与主程序之间通过串口进行数据交换。操作者可以通过触摸屏在自己权限下对系统进行各种操作，如控制各加热回路的开关参数的设定和改变，监测系统的各种参数、工作以及错误状态。

此外，通过设计雪传感器的微加热功能，实现了除了对自然降雪和结冰融化外，还可以对外来的积雪，如风刮来的、列车经过时坠落的积雪等，及时感应、自动融化。

4 系统软件实现

道岔融雪控制系统的软件平台为Windows XP Embedded（XPE）嵌入式操作系统，可以以组件化的形式提供Windows操作系统的功能。通过组件化，开发人员能够利用Windows平台提供的最新的Windows技术，同时能够减少内存占用。此外，XPE占用系统资源少，启动速度快，拥有增强写保护等功能。

4.1 软件结构

从功能上可以把程序分为以下5个部分。

（1）采集设备数据

采集设备数据包括I/O板卡数据，电量模块数据，气象站数据。该功能负责完成环境温度监测，降雪状态及传感器工作状态监测，供电电源的电压频率监测，总消耗功率电流的监测，各个道岔加热回路电压电流消耗功率的监测等。

（2）数据存储模块

该功能负责完成将采集到的数据存储在本地，便于上位机的快速查询。

（3）显示屏模块

可触摸显示屏提供了本地的数据查询和控制功能，如图2所示。

图2 显示屏主菜单

显示屏主菜单的内容包括：报警参数的设定，各种故障的查询，当前钢轨的温度，电压电流等电气数据，加热延时的控制，加热控制参数的设置，控制方式的设置。

加热延时控制：当自动加热结束时，为了保证融雪的效果，需再延时加热一段时间，在这里设置延时加热的时间。

加热控制参数：处于自动加热控制下，当从气象站判断有雪时，控制柜将采集到的钢轨温度信息，与系统预先设定的开启／关闭加热温度值进行比较，当低于系统设定的开启温度值时，控制柜接通输出电源，对需要加热的道岔进行加热。当加热到符合关闭加热的条件时，控制柜自动关闭输出电源，停止加热。此处设置开启／关闭加热的温度。

控制方式：设置本地控制加热还是远程控制加热，当处于本地控制时，程序不会执行远程的加热命令。

（4）数据发送模块

该功能主要是响应上位机的查询和控制命令。

（5）告警收集模块

完成自动故障诊断、报警功能。可诊断每组道岔加热单元的故障；自动诊断各回路的继电器和空气开关的故障；电源的电压和频率过低时报警；控制柜门的开启报警；系统在工作状态时信号线以及加热线故障报警。

其中，加热条故障是电务工作人员非常关心的。在控制器内部存储区存放标准电流值，当所有加热条配置完毕后，确认所有加热设备完好，采集此时的电流值并将此时的电流值作为标准值存储。程序实时采集各个回路的电流，同时，比较存储区的标准电流值，如果低于或者高于标准值太多，则认为该回路的加热条出现故障。

4.2 控制加热方式

道岔融雪控制系统的主要功能就是控制加热，控制方式可以分为自动控制方式和手动控制方式，其中，手动控制方式分为远程手动加热和本地手动加热，使用3个不同的常量值分别表示不同的控制方式。处于手动模式时，自动控制无效，即手动的优先级高于自动。图3为融雪控制系统处于自动模式下的流程图。

图3 自动加热流程图

一个控制柜的控制器最多可控制9路道岔，为防止多个道岔同时启动产生很大的冲击电流，程序每隔6 s驱动1路加热。不管是自动加热还是手动加热，启动加热的路径是一样的，都是通过IO输出，最终驱动接触器使电流通过加热条进行加热。所不同的是驱动IO的方式不一样。自动是通过程序自己的判断来启动加热，而手动是程序通过得到外部一个信号来启动加热。

4.3 通信协议

道岔融雪控制系统存在3种通信模式。

4.3.1 控制柜内部的通信

控制柜内的通信是通过双绞线进行连接，基于RS-485的Modbus通信协议。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，已经成为通用工业标准。控制器主控板的RS-485通信接口与电量采集模块、轨温传感器、气象站等组成主从式通信网络；控制器设计成主站，电量模块、轨温传感器、气象站等设计为从站。

4.3.2 控制柜和车站终端的通信

CAN是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，具有高可靠性和良好的错误检测能力，适用于环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。针对CAN的以上特性，选择其作为控制柜和车站终端的通信方式。

为了增加传输的有效距离，使用CAN2.0B协议。CAN2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式，其数据块的标识码可由11 bit或29 bit二进制数组成。本系统的通信模式采用扩展报文格式的29 bit地址，所表示的意义如表1所示。

表1 CAN数据块标识码

Ext：填写帧编号，表示该帧是属于第几帧。

Address：表示控制柜的地址。

Command：表示命令类型，比如获取温度值的命令类型值是0x20。

para_cmd：表示命令参数，是命令类型的辅助参数，比如获取气象站温度值，该参数为1；获取轨温传感器温度值，该值为2。

实际应用中，为了增加传输距离，减少成本，可将CAN传输速度参数设置成10 kbps，这样CAN的传输距离可达10 km。

4.3.3 车站终端和远程终端的通信

多级控制系统中，车站终端和远程终端之间采取TCP/IP协议，通过该协议可以实现各种异构网络或异种机之间的互联通信。车站终端和远程终端有自己固定的IP地址，在车站终端建立一个数据库，远程终端可以访问其中的配置数据，也可以写入控制命令，车站终端读取命令后执行，从而实现远程终端对控制柜的控制。

5 结束语

本文设计并实现了电加热道岔融雪控制系统，该系统已在哈尔滨铁路局、南昌铁路局等线路上使用，使用效果良好，满足设计要求，提高了道岔融雪的自动化程度。该系统扩展性能好，成本低，编程方便，且具备可现场调试的优点，可在我国北方寒冷地区的铁路线路上推广使用。

[1]李 凯，杨成达.青藏铁路道岔融雪设备功能及方案研究[J].中国铁路，2005（11）.Li Kai,Yang Chengda.The qing-zang railway turnout snowmelt equipment research for function and program[J].Chinese Railways,2005(11).

[2]来清民.手把手教你学CAN总线[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[3]中华人民共和国铁道部.科技运[2008]36号 客运专线铁路信号产品暂行技术条件汇编（1）[S].北京：中国铁道出版社，2008.

责任编辑 杨琍明

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

赵东波，工程师； 侯勤宏，高级工程师。