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摘要：通过分析地铁接触线覆冰的危害及国内外相关除冰防冻设备的优缺点，本文提出了地铁接触线防冻液涂覆系统，其具有三维运动模式，并且具有预清理，防冻液涂覆多种功能，实验证明，该系统能够满足车辆段敞开式线路接触线的防冻液涂覆需求，可以明显减少工人劳动强度，提升防覆冰的安全维护质量和效率。

关键词：地铁接触线，防冻液，涂敷，自动控制系统

引言

随着我国经济的飞跃发展，地铁等轨道交通已经成为必不可少的城市公共交通工具，同时也成为城市现代化的象征。为地铁轨道交通供电的接触线是地铁线路能够正常运行的重要保障，良好的接触线工况是机车弓网受流质量和地铁系统安全运行的保证[1]。由于在地铁接触网中没有备用线路，所以一旦接触线接触不良或者发生故障，将会导致地铁供电停运，造成严重的经济损失和不良的社会反应。特别是对于地铁供电系统网络中的地上接触网部分，在冬季气温下降非常容易造成覆冰现象，导致接触线不能给受电弓进行供电，地铁无法正常运行，造成极大的交通安全隐患，也会带来巨大的经济损失[2]。

为了保证在冬季的结冰期地铁系统的稳定运行，要对地铁接触线经常进行定防冻液的涂覆。早期主要通过人工进行涂覆，但人工操作效率低下，工作环境恶劣，工作人员劳动强度高，受到天气等自然因素的影响也较大，同时人工涂覆防冻液的质量也受到工人素质等主观因素影响，因此地铁接触线的防冻液自动涂覆系统具有迫切的需求和巨大的实用价值[3]。该类装置同时也会提高防冻液涂覆的准确度和涂覆效率，同时提高地铁轨道交通运行的安全性。

1、需求背景及国内外现状分析

1.1供电方式分析

目前地铁的供电方式主要包括第三轨供电和架空接触网供电两种方式。前者主要的工作原理是在常规两条轨道外增设第三条轨道并通过集电靴取流；架空接触网的工作原理是通过受电弓上的滑板从带电接触线中取流[4]。随着对供电质量要求的提升，第三轨供电方式已经逐渐被淘汰，我国轨道交通的主流供电方式均为架空接触网技术。

架空接触网根据属性不同，也分为柔性接触网和刚性接触网两类，目前使用的柔性接触网主要是链式悬挂，其原理是将承力索悬挂于支柱上，然后将吊弦与承力索进行连接，再将带电接触线与吊弦相连，这样可以对整条接触线进行微调以改善其弹性与驰度，链式悬挂一般应用于车辆段敞开式线路处。而刚性接触网的工作原理是将接触线镶嵌在汇流排中，再通过绝缘子上的线夹固定在槽钢上，再将槽钢与隧道进行固定，目前我国地铁正线隧道内多使用刚性接触网。本文提出的地铁接触线防冻液涂覆系统主要面向的是柔性接触网中的链式悬挂接触线。

接触线是地铁系统中重要的集电部件，它与受电弓滑板共同组成了接触副，电能通过接触线流入机车。根据接触线的材质不同，目前常用的接触线有以下4种，主要包括：纯铜接触线、铜银合金接触线、铜锡合金接触线、铜镁合金接触线[6]。其中铜银合金接触线的机械强度、耐高温性能，磨损率，工艺复杂度及生产成本是现阶段性价比最高的，在我国城市地铁轨道交通也得到了广泛的应用。

受电弓滑板在接触线上滑动，并通过与接触线配接触进行取电。常用的受电弓滑板根据其材质的不主要包括：纯碳滑板、粉末冶金滑板、浸金属碳滑板三种。其中由于纯碳滑板具有较好的导电性，同时具有自润滑、耐热和磨损小、性价比高的优点，因此应用也最为广泛。新型的浸金属碳滑板不仅有纯碳滑板的优点，同时还具有强度高、电阻率小的特点，可以和各种材料接触线组成性能良好的摩擦副，但是其成本较高，替代纯碳滑板还需要一定的时间。

从以上分析可知，滑板与接触线接触是地铁运行取电的基本方式，但是在北方的冬季，地铁的敞开式线路的接触线非常容易结冰，从而造成滑板与接触线接触不良，无法取电，影响线路运行，因此接触线防冰对于地铁安全运行有重要意义。因此以下进行防冰手段的分析。

1.2防冰手段分析

很多国内外学者都提出过接触线防冰的解决方案，其中向接触线喷洒防冻液是解决接触线覆冰问题的较好方案之一，该方案成本低，见效快，性价比高。为此，地铁系统管理部门提出北方冬季结冰期可以向接触线喷洒防冻液以预防覆冰，以保证地铁系统运行安全。

根据自动化程度的高低，向接触线喷洒防冻液的方法分为人工喷洒、半自动喷洒、全自动喷洒3种防冻液喷洒方式：其中人工喷洒人工参与多、成本高、效率低。半自动喷洒是将喷洒装置的喷嘴固定于工程上某一高度，工作人员手动开启、关闭喷洒阀门。由于该方法是定高喷洒，所以对于具有一定起伏的链式悬挂柔性接触线涂覆效果较差。全自动喷洒通过传感器自动识别接触线的位置，可以通过旋转机械臂进行高低位多自由度喷洒，但是全自动防冻液喷洒装置要对多个自由度进行控制，喷洒装置喷头的稳定性与轨道、悬挂状态等多种激励相关，使得喷头稳定性控制难度很大，成本极高，系统应用困难。

综上可知，接触线防覆冰系统的研究意义重大。从结构方面，防冻液喷洒涂覆装置机械机构设计应能满足自动喷洒的要求，并且要实现高性价比。

1.3 国内外现状

目前国内主要对自动化喷洒装置的结构设计研究较多，其喷洒装置的主要结构包括以下3类：

（1）固定式防冻液喷洒装置。该装置由位置传感器、PLC控制器和电机执行器等组成，将传感器信号作为 PLC 的动作开始、结束的触发信号，从而实现喷洒的自动化。但是该类防冻液喷洒装置的位置固定，造成的防冻液浪费较大，并且装置的维护也不方便；

（2）摆臂升降式防冻液喷洒装置。摆臂升降机构和喷嘴旋转机构是该类防冻液喷洒装置的最大特点，并且摆臂垂直升降使得高位轨道设备的通过性较好，喷嘴的旋转避免了喷洒盲区。但是由于该类装置结构复杂不利于产品的安装和维护。

（3）龙门架式垂直升降防冻液喷洒装置。该类降防冻液喷洒装置主体框架可以升降，使得喷洒装置对线路的通过性较好，而且喷嘴可旋转可以避免喷洒盲区。但由于采用了龙门架结构，要求开阔的安装平台，而且长时间的工作会带来维护问题。

以上的研究成果说明，接触线自动化喷涂防冻液是必然趋势，但是以上信息也表明大多数研究局限在只喷不涂的思路，实际上对于地铁接触线来说，其走线交叉多，接口多，起伏多，其防冻液的涂覆装置环境适应能力更强，性价比更高。因此本文提出地铁接触线防冻液涂覆系统。

2、地铁接触线防冻液涂覆系统设计

基于以上分析，本文对地铁接触线防冻液涂覆的装置进行硬件和软件进行设计，以提高地铁接触线防冻液涂覆的自动化水平，保证地铁系统的安全运行。以下对系统的硬件设计和软件设计分别进行分析。

2.1硬件结构设计

在硬件结构中，其控制核心采用西门子S7200PLC 为控制器，设计了一款具有升降、横移及滚刷三维运动模式控制功能的地铁接触线防冻液涂覆设备的控制系统，特别是滚刷电机可以带动3个滚轮，实现预清理，防冻液涂覆功能。系统结构如下图 1 所示，本控制系统以 TPC7062K 触摸屏为人机交互装置实现现场的调试运行和正常控制运行，同时还具有升降、横移、滚刷控制电机控制器及对应的被控电机，同时也具有故障报警器，起到故障提示作用。升降运动平台采用2.2kW、380V、1400转的异步电动机，使升降平台具有足够的升降支持力；水平移动平台驱动电机和滚刷驱动电机功率需求较小，因此采用1.2kW、380V、1400转异步电动机，使系统能够顺利的平移和滚刷顺畅运转，同时安装有限位开关，整个系统具备有速度与位置反馈和方向反馈功能，保证系统安全运行。

系统工作过程是：触摸屏与 PLC 之间通过串口通信方式实现数据和指令的交换，有效保证通讯的可靠性和快速性。具体执行方法是：防冻液涂覆装置的水平运动、升降运动、滚刷控制及安全保护的工作指令通过通信通道传送给 PLC。PLC 基于控制程序和指令状态进行决策控制，完成接触线的防冻液涂覆工作。

同时为方便使用，本系统还增加了防冻液槽液体高度探测，防冻液吸取泵、压力报警等功能，其主要作用是当防冻液槽中防冻液消耗较多时，防冻液吸取泵工作，为防冻液槽进行补充；压力报警功能时当升降平台与接触线压力过大时，整个系统就停止工作，升降平台复位，同时压力报警灯进行闪烁，以保证系统安全运行。以上功能均在S7200PLC 控制下运行。

2.2  软件系统设计

（1）PLC软件程序设计

本系统所用的S7200型PLC支持Modbus通信协议RTU模式，电机控制器也支持Modbus通信模式，所以选择RTU模式来使电机控制器与PLC通信。Modbus通信协议是一种主从设备通信协议，系统中采用一主多从的结构，在本文提出地铁接触线防冻液涂覆控制系统，PLC作为主机，电机控制器作为从机，即PLC可以发出命令控制电机控制器来执行命令或者主动读取电机控制器的相关数据，而从机不主动发出通信请求。PLC与电机控制器采用Modbus通信，其部分通信功能码如表1所示。RTU模式下，数据帧连续传输，其允许的时间间隔是1.5个字符，如果超出该时间间隔，则接收设备会把不完整的消息刷新，同时把下一个字节看成是新消息的地址；如果两个数据帧间隔小于3.5个字符时间，则接收方把后数据帧判定为前数据帧消息的延续。所以在Modbus协议的RTU通信模式下，帧内时间间隔应在1.5个字符时间内；连续两帧间的时间间隔必须大于3.5个字符时间。

按照Modbus通信协议的要求，PLC控制器把内存地址分配给内存变量，并且一一对应，用户可以按照地址属性对变量区数据进行字访问或位访问。本系统的通信参数设置为通信波特率设置9600，8位数据位，无校验格式，1位停止位。通信错误次数设置为10次，当主从设备连续通信错误次数超过允许错误次数时，主设备会认为此从设备下线。按照协议要求，并根据系统实际的运行需要，连续两个数据包间隔时间设置为5毫秒，PLC的读写最大等待时间设为1000ms，若超过此时间，PLC仍未接收到响应数据，则认为本次通信失败。

（2）触摸屏软件程序设计

TPC7062K 触摸屏（简称HMI）支持以太网和串口通讯，本设计中选择以太网通讯方式来连接触摸屏和PLC设备。触摸屏主要编程方法是打开编译软件，添加所使用的HMI（TPC7062K）和PLC设备，点击HMI元件属性进行触摸屏网络配置，并设置IP地址和端口号，子掩码和默认网关都选择默认值，通讯协议选择PLC Ethnet 协议。同时设置PLC 网络属性和站号，并且配置通讯超时时间、协议超时时间、批量传输最大位寄存器个数等。由此，设置结束，编译好HMI程序与PLC程序，配置好变量地址，用网线连接好触摸屏与PLC后便可以用互相通信。

触摸屏最终可以实现设置地铁接触线防冻液涂覆系统相关参数，并显示运行状态，其功能设计主要包括升降电机操作、水平电机操作、清扫电机操作三大主要功能，其中升降电机操作和水平电机操作都包括有当前位置显示，并可以通过设定速度和设定位置功能实现升降平台和水平移动平台的工况控制，同时还包括有手动控制的上升、下降和定位的调试功能，清扫电机操作模块包括有设定速度和电机正、反转控制功能，可以根据不同的清扫需求，设定清扫速度和电机的转动方向；水泵操作实现了将防冻液泵升到防冻液工作槽的功能，使涂抹滚刷能够蘸取防冻液，并对接触线进行涂抹防冻液。同时还具有手动强制、软急停、电机复位等保护功能，保证地铁接触线防冻液涂抹系统的稳定运行，其触摸屏界面如图2所示。

3、系统测试及效果

地铁接触线防冻液涂覆系统样机如图3所示，通过线下测试与上线测试，以验证本系统各项功能可靠性和适用性，按照测试流程进行测试，并对测试结果进行记录。主要测试项目包括：

（1）电器安全性测试：主要测试各电路是否安全，是否有漏电故障及各项报警功能。

（2）开机测试：主要测试各按钮是否有效，触摸屏是否有效。

（3）功能测试：主要测试升降电机、横移电机、滚刷电机转速设置及方向控制是否正常；升降电机、横移电机是否能实现自动、点动控制；水泵能否实现自动补充防冻液的功能。

通过线上和线下测试，结果反应出该系统的状态及性能完全满足地铁接触线防冻液涂覆需求。

4、结论

本文通过分析地铁接触线覆冰的危害，提出地铁接触线防冰的必要性，并通过对国内地铁车辆段敞开式线路的供电方式、防冰手段以及国内外地铁接触线防冰设备的分析，提出地铁接触线防冻液涂覆系统，根据实际的地铁线路特点，对系统硬件和软件进行设计，通过线上和线下的实验表明，该系统具有可靠性和适用性，能够满足地铁接触线防冰的要求。

参考文献

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