李河宗 鄭躍龍 高玉林

(河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

對(duì)原有融雪車系統(tǒng)和裝置的研究與改進(jìn)

李河宗 鄭躍龍 高玉林

(河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

針對(duì)邯鄲市高速公路管理處的撒布車存在撒布不均勻、撒布精度低和融雪效率低等問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)代融雪現(xiàn)狀、撒布車結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)原來(lái)的裝置進(jìn)行改造,自主研發(fā)了一套由A-B MicroLogix 1400型PLC控制的新型預(yù)濕撒布自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了撒布車在撒布時(shí)存在的撒雪不均勻、融雪效率低、環(huán)境污染等問(wèn)題，改造后的撒布車在同行業(yè)中處于先進(jìn)水平。

融雪撒布車 融雪劑 預(yù)濕撒布系統(tǒng) PLC 電液比例控制

0 引言

在我國(guó)，每年降雪量比較大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，若不及時(shí)清除和融化路面上的積雪,會(huì)給人們的日常生活和出行帶來(lái)不便，發(fā)生交通事故的幾率會(huì)大大增加。除雪效果的好壞直接關(guān)系到交通安全以及交通運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益[1]。當(dāng)前，除雪的方式主要有機(jī)械除雪和人工除雪。人工除雪需要投入大量的人力、物力和財(cái)力，并且也很難及時(shí)、快速地清除積雪。因此，機(jī)械除雪越來(lái)越受到人們的重視。

在機(jī)械除雪中，撒布融雪劑(俗稱撒鹽)是一種高效的除雪方式，這種方式主要優(yōu)點(diǎn)是除雪方便、快速并且不妨礙正常的交通。但是過(guò)量的撒布融雪劑會(huì)對(duì)公路、橋梁和道路兩側(cè)的環(huán)境造成破壞[1]。因此如何控制融雪劑的用量和提高融雪效率一直是工程師難以攻克的關(guān)鍵問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)融雪技術(shù)等進(jìn)行了大量的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)融雪劑含水量在23%時(shí)，融雪效率最高[2]。

為了能夠快速地對(duì)撒鹽量和撒水量按以上比例進(jìn)行精確控制，我們開(kāi)發(fā)了一套由PLC控制的新型預(yù)濕撒布自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)預(yù)濕比例的精確控制，節(jié)省了融雪劑，提高了融雪效率，減少了對(duì)環(huán)境的污染。

1 邯鄲市高速公路管理處撒布車簡(jiǎn)介

1.1 撒布車主要的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

① 撒布裝置和鏈條輸送裝置一體化并與車底盤分離。

② 撒布裝置主要由貯料箱、輸料裝置、拋灑裝置等組成。貯料箱采用了v字造型，輸送方式采用鏈條輸送，鏈條輸送的出口是撒布裝置。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 撒布裝置結(jié)構(gòu)圖

③ 采用進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)HONDA GX620，專門為撒布和輸送裝置提供動(dòng)力。

1.2 工作原理

控制器上的不同按鈕代表不同的功能，如圖2所示。首先打開(kāi)控制器的開(kāi)關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵提供液壓油，驅(qū)動(dòng)輸送馬達(dá)和撒布馬達(dá)。通過(guò)按動(dòng)水平閥、旋轉(zhuǎn)閥按鈕，實(shí)現(xiàn)輸送和撒布鹽的操作[3]。撒布密度的控制有兩種方式：①當(dāng)車速一定時(shí)，撒布密度只與輸送融雪劑速度和拋撒盤的轉(zhuǎn)速有關(guān)，通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的油門來(lái)控制液壓油泵供油量，供油量的大小改變輸送馬達(dá)和撒布馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)控制撒布密度的目的；②當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，撒布密度只與車速成反比。

圖2 控制器原理圖

1.3 不合理之處

雖然這款撒布車實(shí)現(xiàn)了撒鹽的功能，但是較于先進(jìn)的撒布車還具有很多不足之處，主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題。

① 采用鏈條的方式輸送融雪劑，容易出現(xiàn)輸送的料不均勻、輸送能力小和鏈條容易腐蝕的缺點(diǎn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查也證明了這一點(diǎn)。

② 此系統(tǒng)操作復(fù)雜并且不能精確控制撒布密度，造成融雪劑撒布不均勻。

③ 不能對(duì)路面積雪和除雪情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

④ 撒布方式采用的是干式撒布，不但增加融雪劑的用量，而且不能達(dá)到理想的融雪、除雪的目的。

2 對(duì)撒布裝置進(jìn)行部分改進(jìn)和設(shè)計(jì)

撒布裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 裝置結(jié)構(gòu)圖

① 動(dòng)力系統(tǒng)由原來(lái)的HONDA GX620發(fā)動(dòng)機(jī)提供，對(duì)不能使用的液壓泵進(jìn)行更換，安裝相應(yīng)的電磁閥進(jìn)行液壓回路控制。

② 在原有的貯料箱的基礎(chǔ)上把輸送鏈條改成耐寒、耐堿的皮帶輸送。這樣不但減少了腐蝕，增加了使用壽命，而且減少了成本；也解決了輸送料物的不均勻、輸送能力低的問(wèn)題。

③ 增加水箱和噴水裝置。

④ 安裝前置和后置攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)控除雪情況。

⑤ 采用先進(jìn)的PLC智能控制器代替繼電器，可以精確地控制撒水量、撒鹽量和撒布寬度。按照一定的預(yù)濕比例拋撒的融雪劑，解決了撒布不均勻、融雪效率低等問(wèn)題。

3 控制系統(tǒng)的介紹

3.1 控制原理

PLC控制的預(yù)濕撒布系統(tǒng)，主要由外部信號(hào)輸入系統(tǒng)、內(nèi)部信號(hào)處理系統(tǒng)、外部機(jī)構(gòu)執(zhí)行系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)四部分組成[4-5]。PLC采集車速、輸送帶轉(zhuǎn)速和撒布盤轉(zhuǎn)速信號(hào)后，經(jīng)過(guò)內(nèi)部邏輯運(yùn)算，采用PWM改變占空比對(duì)電液比例閥進(jìn)行控制。比例閥的開(kāi)度控制著輸送帶液壓馬達(dá)和水泵液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)融雪劑量和水量的控制。PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.2 外部信號(hào)采集

外部信號(hào)包括車速、輸送帶轉(zhuǎn)速、撒布盤轉(zhuǎn)速、水位等信號(hào)。車速信號(hào)的采集采用光電編碼器，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，把輸出軸上的幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖量[6]，通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)便可測(cè)出車速。采用轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)輸送帶和撒布盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行直接測(cè)量。用液位傳感器進(jìn)行水位的測(cè)量[7]。所測(cè)信號(hào)均為電流型模擬信號(hào)，通過(guò)I/O模擬接口輸入到PLC中進(jìn)行處理。

3.3 PLC內(nèi)部編程和外部執(zhí)行

各馬達(dá)轉(zhuǎn)速是由PLC對(duì)車速、撒鹽密度和撒布寬度參數(shù)進(jìn)行函數(shù)運(yùn)算后控制電磁閥的開(kāi)口來(lái)實(shí)現(xiàn)的[8]。其各馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制的函數(shù)運(yùn)算關(guān)系如下。

輸送皮帶速度：

N1=LVGK

(1)

式中：L為撒布寬度;V為車速;G為撒布密度;K為系數(shù)。

撒盤轉(zhuǎn)速：

N2=LC

(2)

式中：L為設(shè)定的撒布寬度；C為設(shè)定的系數(shù)。

在單位時(shí)間內(nèi)，以相同的D/A轉(zhuǎn)換值驅(qū)動(dòng)電液比例閥，得到同等質(zhì)量的水和融雪劑，利用水和融雪劑的比例關(guān)系，得出：

Vw=RVs

(3)

式中：Vw為預(yù)濕液壓泵比例閥的D/A轉(zhuǎn)換數(shù)值;Vs為輸送馬達(dá)比例閥的D/A轉(zhuǎn)化值;R為設(shè)定的比例系數(shù)(0.23)。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)融雪劑(主要成分氯化鈣)中的含水量達(dá)到8.6%時(shí)，融雪劑冰點(diǎn)開(kāi)始明顯降低。當(dāng)融雪劑中的含水量達(dá)到23%時(shí)，冰點(diǎn)降到最低-20 ℃。因此，在撒布車作業(yè)時(shí)，將融雪劑和水按上述比例混合后撒布，冰點(diǎn)將明顯下降，融雪效率將明顯提升。預(yù)濕比例與冰點(diǎn)的關(guān)系如圖5所示[2]。

圖5 預(yù)濕比例與冰點(diǎn)的關(guān)系

速度模擬量的信號(hào)處理如圖6所示。

圖6 速度模擬信號(hào)的處理示意圖

各系數(shù)確定完以后，通過(guò)手持編程器或者計(jì)算機(jī)編程軟件把程序輸入或下載到PLC中，經(jīng)過(guò)PLC內(nèi)部程序運(yùn)行，輸出執(zhí)行信號(hào)執(zhí)行外部機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)融雪、除雪的目的。

3.4 PLC控制程序設(shè)計(jì)

根據(jù)控制需求，系統(tǒng)設(shè)置兩種控制模式：自動(dòng)控制和手動(dòng)控制。操作人員可通過(guò)上位機(jī)手動(dòng)輸入撒鹽密度和撒鹽寬度等參數(shù)。參數(shù)設(shè)定完成后，系統(tǒng)程序開(kāi)始運(yùn)行，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行邏輯處理，輸出執(zhí)行信號(hào)，對(duì)比例閥和撒布裝置進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)電液一體化自動(dòng)撒布的功能[9]。

控制流程圖如圖7所示。

圖7 控制流程圖

4 上位機(jī)控制

利用RSView32編制手動(dòng)控制界面、設(shè)定參數(shù)界面以及故障報(bào)警畫(huà)面。人機(jī)交互界面可以方便地對(duì)撒布參數(shù)進(jìn)行修改、故障報(bào)警和參數(shù)顯示等。在RSView32中編制的設(shè)定參數(shù)界面[10]。通過(guò)顯示屏上的袖珍鍵盤輸入撒鹽密度和撒鹽寬度，速度信號(hào)由外部傳感器收集。按下啟動(dòng)按鈕，程序開(kāi)始執(zhí)行，此時(shí)外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)將顯示在顯示屏上，如：撒鹽量、灑水量和撒鹽寬度；當(dāng)車速超過(guò)規(guī)定時(shí)速時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警并提醒減速；撒布完成后按停止按鈕，返回主界面。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)邯鄲市高速公路管理處的撒布車進(jìn)行以上改造，新的配帶PLC預(yù)濕撒布自動(dòng)控制系統(tǒng)的撒布車,不但解決了撒布不均勻、不合理、融雪效率低的問(wèn)題，還通過(guò)人機(jī)界面使操作更簡(jiǎn)潔、直觀。報(bào)警系統(tǒng)也能使操作者及時(shí)了解故障發(fā)生部位和原因，保障了冬季道路安全暢通，減少事故的發(fā)生。給除雪行業(yè)和交通運(yùn)營(yíng)帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有良好的市場(chǎng)前景。

[1] 嚴(yán)霞,李法云,劉桐武,等.化學(xué)融雪劑對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志,2008(12):2209-2214.

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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

河北省自然基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：E2013402064)。

李和宗(1973-)，男，2011年畢業(yè)于上海交通大學(xué)材料加工工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，副教授；主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)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。