羅二娟(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

?

高速公路碳纖維融冰化雪技術(shù)控制系統(tǒng)研究

羅二娟
(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

為了讓高速公路在下雪后得以快速通車，將碳纖維材料融冰化雪控制系統(tǒng)應(yīng)用于高速公路。通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的元器件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)分析，最終確定控制系統(tǒng)由上位監(jiān)控系統(tǒng)層、PLC控制系統(tǒng)層和設(shè)備控制層組成，整體控制碳纖維發(fā)熱電纜的溫度，從而控制融雪速度。結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，靈活方便，安全可靠。

融冰化雪技術(shù)；上位監(jiān)控系統(tǒng)；PLC控制系統(tǒng)；碳纖維發(fā)熱電纜

0 引 言

在中國(guó)高速公路中，處于三北地區(qū)冬季落雪地帶的約占1/3，實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在落雪厚度為20～30 mm(自然雪和初壓雪狀態(tài))、單位面積融雪劑平均撒布量為150～200 g·m2時(shí)，-12 ℃～-20 ℃環(huán)境溫度下的雪融時(shí)間大約為2～3 h[1]。這樣的現(xiàn)狀不利于雪后道路的盡快通車，也制約著冬季高速公路經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的提高。

目前，道路融冰化雪的方法主要有清除法、融雪劑法、路面加熱法3大類[2]。清除法主要分為人工清除法與機(jī)械清除法：人工清除法不僅要消耗大量的人力、物力，而且工作效率極低；機(jī)械清除法會(huì)對(duì)路面造成不同程度的損壞，且道路上的積雪與浮冰難以完全清除。融雪劑法主要是在道路表面噴灑融雪劑，通過(guò)降低冰雪的融化溫度使冰雪融化，但融雪劑不僅會(huì)對(duì)道路橋梁本身造成不良影響，還會(huì)對(duì)道路附近的土壤、水體帶來(lái)嚴(yán)重危害[3-4]。路面加熱法主要包括導(dǎo)電混凝土加熱法、金屬絲加熱法、碳纖維增強(qiáng)混凝土加熱法等，其中導(dǎo)電混凝土法存在電阻率不穩(wěn)定、使用壽命不長(zhǎng)、融冰化雪效率低等缺陷；金屬絲加熱法電熱轉(zhuǎn)換效率極低且對(duì)路面強(qiáng)度不利；碳纖維加熱系統(tǒng)主要應(yīng)用于民用建筑、室外設(shè)施等方面[5]，且碳纖維增強(qiáng)混凝土加熱法還停留在試驗(yàn)階段，目前尚未付諸工程實(shí)踐。

碳纖維融冰化雪技術(shù)是以碳纖維作為發(fā)熱體，由溫控系統(tǒng)控制，將碳纖維發(fā)熱材料通電后所產(chǎn)生的熱量輻射到路面。當(dāng)路面溫度達(dá)到溫控系統(tǒng)所設(shè)定的溫度值時(shí)，自動(dòng)切斷電源；路面溫度低于設(shè)定值時(shí)，溫控系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟進(jìn)入工作循環(huán)。溫控系統(tǒng)采用多回路控制，無(wú)論是整體供熱、局部供熱還是補(bǔ)充供熱，都能提供完全的保障[6-9]。以典型的瀝青混凝土路面為例，將碳纖維發(fā)熱電纜安裝在中面層與上面層之間，可實(shí)現(xiàn)路面主動(dòng)融冰化雪。在國(guó)內(nèi)，碳纖維發(fā)熱電纜融冰化雪系統(tǒng)的研究還在起步階段，如何實(shí)現(xiàn)碳纖維發(fā)熱電纜融冰化雪系統(tǒng)的模塊化布設(shè)與控制，目前尚無(wú)成熟的理論[10-11]。為此，筆者單位立項(xiàng)將碳纖維融冰化雪技術(shù)應(yīng)用于高速公路，并對(duì)其布線、鋪裝、施工等進(jìn)行了深入研究；本文主要對(duì)碳纖維融冰化雪技術(shù)控制部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)分析，對(duì)控制系統(tǒng)的組成、各部分的元器件進(jìn)行選型。

1 控制系統(tǒng)組成

高速公路碳纖維融冰化雪技術(shù)的控制系統(tǒng)包括設(shè)備控制層、PLC控制系統(tǒng)層和上位監(jiān)控系統(tǒng)層，如圖1所示。

1.1 設(shè)備控制層

設(shè)備控制層由碳纖維控制主電路系統(tǒng)、地面溫度傳感系統(tǒng)、路面狀況傳感系統(tǒng)和碳纖維發(fā)熱電纜組成[12]。地面溫度傳感器采集地面溫度信息并傳遞給PLC系統(tǒng)；路面狀況傳感系統(tǒng)采集路面信息(溫度、冰、雪等)，也把相關(guān)信息傳遞給PLC系統(tǒng)；碳纖維控制主電路系統(tǒng)接受PLC控制系統(tǒng)的命令來(lái)控制碳纖維發(fā)熱電纜溫度，從而控制融雪速度。

(1)碳纖維發(fā)熱電纜。碳纖維發(fā)熱電纜是以碳纖維絲為本體制成電纜結(jié)構(gòu)，以電力為能源，利用碳纖維布朗運(yùn)動(dòng)進(jìn)行通電發(fā)熱，從而達(dá)到采暖或者保溫的效果，通常以單導(dǎo)為主[13]。碳纖維是一種新型的高性能纖維增強(qiáng)材料，用碳纖維作為電熱體有著金屬、PTC等電熱體不可比擬的諸多優(yōu)異性能：耐壓抗折性強(qiáng)、絕緣性好、節(jié)能性好、安全性高、化學(xué)性能穩(wěn)定及使用壽命長(zhǎng)等。

碳纖維發(fā)熱電纜的長(zhǎng)度隨路面寬度以及設(shè)計(jì)要求的不同而變化，N(N值通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算來(lái)確定)根碳纖維發(fā)熱電纜通過(guò)N-1個(gè)π字接頭并聯(lián)連接，然后與1根碳纖維發(fā)熱電纜冷線接頭接在一起，成為1個(gè)碳纖維發(fā)熱電纜系統(tǒng)單元。碳纖維發(fā)熱電纜系統(tǒng)單元之間用三角形接法接入到碳纖維發(fā)熱電纜融冰化雪系統(tǒng)控制主電路中[14]。碳纖維發(fā)熱電纜、π字接頭、碳纖維發(fā)熱電纜冷線接頭(圖2)以及地面溫度傳感器均布置于瀝青路面中面層所刻的槽內(nèi)，然后再用乳化瀝青回填。

圖2 碳纖維發(fā)熱電纜接頭

(2)地面溫度傳感系統(tǒng)。地面溫度傳感系統(tǒng)由一系列地面溫度傳感器組成，傳感器采用埋入式溫度傳感器，通過(guò)錨固的方式固定于每個(gè)碳纖維發(fā)熱模塊的中間位置,如圖3所示。埋入式溫度傳感器具有高等級(jí)防護(hù)、高測(cè)量精度和良好的抗壓性能等優(yōu)點(diǎn)，可通過(guò)溫度采集儀連續(xù)記錄動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，適用于路面溫度監(jiān)測(cè)[15]。

(3)路面狀況傳感系統(tǒng)。路面狀況傳感系統(tǒng)由一系列路面狀況傳感器組成，傳感器安裝在碳纖維發(fā)熱電纜融冰化雪系統(tǒng)區(qū)域的中心延長(zhǎng)線上(高速公路路邊)。路面狀況傳感系統(tǒng)采用非侵入式路面狀況傳感器，如圖4所示。非侵入式路面?zhèn)鞲衅鞑捎眠b感式檢測(cè)技術(shù)，只需安裝在路邊的立柱上就可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測(cè)，這種檢測(cè)方式不會(huì)破壞路面，無(wú)需封閉交通，同時(shí)能對(duì)水、冰、雪分開(kāi)進(jìn)行精確測(cè)量。由于水和冰可以被獨(dú)立檢測(cè)，所以用戶能夠全面掌握復(fù)雜的路面狀況。當(dāng)環(huán)境溫度低于5 ℃時(shí)，該傳感器就采用脈沖式電阻對(duì)鏡頭進(jìn)行加熱，清除鏡頭上的積水、結(jié)冰，以保證儀器正常工作，同時(shí)降低功率和能耗。在車輛發(fā)生打滑之前，非侵入式路面?zhèn)鞲衅骶湍軌驅(qū)β访娼Y(jié)冰、積水、積雪情況進(jìn)行精確檢測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)所有導(dǎo)致駕駛危險(xiǎn)的因素，以便及時(shí)采取預(yù)警和補(bǔ)救措施，保證道路通行安全，保護(hù)人民生命、財(cái)產(chǎn)安全。

1.2 PLC控制系統(tǒng)層

PLC控制系統(tǒng)層采集地面及路面溫度、冰、雪等信息，并傳送給上位監(jiān)控系統(tǒng)；同時(shí)接受上位監(jiān)控系統(tǒng)命令，從而控制碳纖維主電路。

1.3 上位監(jiān)控系統(tǒng)層

上位監(jiān)控系統(tǒng)層接受PLC系統(tǒng)傳送來(lái)的溫度及路面狀況信息，并發(fā)出PLC控制命令，實(shí)現(xiàn)路面的融冰化雪及作業(yè)過(guò)程的自動(dòng)化控制。上位監(jiān)控系統(tǒng)控制柜如圖5所示。

圖5 上位監(jiān)控系統(tǒng)控制柜

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)碳纖維融冰化雪技術(shù)控制系統(tǒng)組成，需對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，主要有隧道管理站系統(tǒng)及外場(chǎng)設(shè)備布置、供電及上位監(jiān)控系統(tǒng)控制柜、PLC控制系統(tǒng)及設(shè)備控制層碳纖維模塊匯流柜等。本文以廣靈至渾源高速公路黃龍隧道碳纖維鋪裝控制系統(tǒng)為例詳細(xì)介紹控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1 通信路由系統(tǒng)及外場(chǎng)設(shè)備布置設(shè)計(jì)

黃龍隧道碳纖維融冰化雪通信路由系統(tǒng)由隧道管理站系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成，如圖6所示。隧道管理站通過(guò)以太網(wǎng)光端機(jī)、數(shù)據(jù)光端機(jī)及以太網(wǎng)交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸給黃龍隧道PLC；PLC通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸給碳纖維融冰化雪工作站，以控制碳纖維融冰化雪操作，數(shù)據(jù)傳輸如圖7所示。

圖6 隧道管理站系統(tǒng)構(gòu)成

以黃龍隧道廣靈側(cè)外場(chǎng)設(shè)備布置為例(渾源側(cè)同理)，采用路面溫度傳感器及中面層溫度傳感器檢測(cè)路面溫度、空氣溫度及降雪情況，將信息傳遞給PLC，PLC通過(guò)主電路控制碳纖維發(fā)熱電纜工作，如圖8所示。外場(chǎng)碳纖維電纜鋪設(shè)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況有10 cm和25 cm兩種間隔，碳纖維模塊匯流柜控制碳纖維發(fā)熱電纜工作。

2.2 設(shè)備控制層系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖10 PLC控制系統(tǒng)

圖9 黃龍隧道碳纖維模塊匯流柜

設(shè)備控制層由碳纖維模塊匯流柜、地面溫度傳感系統(tǒng)和路面狀況傳感系統(tǒng)組成。碳纖維模塊匯流柜接受PLC控制系統(tǒng)命令控制碳纖維發(fā)熱電纜溫度，從而控制融雪速度，如圖9所示。匯流柜由主電源配電箱供電，通過(guò)微型斷路器控制碳纖維發(fā)熱電纜的通斷。

2.3 PLC控制系統(tǒng)及控制原理

PLC控制系統(tǒng)如圖10所示，由本地控制箱、PLC控制器、觸摸屏和交換機(jī)等主要模塊構(gòu)成。本地控制箱內(nèi)有空氣開(kāi)關(guān)、繼電器和避雷器，由房建變電站供電，控制PLC和交換機(jī)工作；觸摸屏用于碳纖維融冰化雪工作站控制碳纖維發(fā)熱電纜的工作。PLC可根據(jù)所控制碳纖維電纜的數(shù)量進(jìn)行自由擴(kuò)展，同時(shí)具有足夠的存儲(chǔ)空間，在通信中斷時(shí)可長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存監(jiān)控設(shè)備采集的交通或環(huán)境信息，如圖11所示。交換機(jī)采用工業(yè)級(jí)100 Mbps以太網(wǎng)光纖交換機(jī)，卡規(guī)式安裝，抗震動(dòng)，抗電磁干擾。

圖11 PLC控制原理

2.4 上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位監(jiān)控系統(tǒng)由黃龍隧道左洞出口主電源配電箱和黃龍隧道右洞入口主電源配電箱組成，主電源配電箱位于隧道口彩鋼房，由房建變電站為其供電，如圖12所示。主電源配電箱由空氣開(kāi)關(guān)、電源防雷器、斷路器和接觸器組成，根據(jù)所控制的碳纖維電纜數(shù)量確定所需開(kāi)關(guān)的大小，圖13為黃龍隧道左道出口電氣，針對(duì)PLC的前4個(gè)端口進(jìn)行設(shè)計(jì)，其余端口同理。

圖12 廣靈側(cè)設(shè)備供電

圖13 黃龍隧道左道出口電氣

3 結(jié) 語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)落雪后高速公路的快速通車，本文將碳纖維材料融冰化雪技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用于高速公路，提出了一種安全、節(jié)能、環(huán)保的主動(dòng)型融冰化雪方法。

采用傳感器、PLC和互聯(lián)網(wǎng)等多種技術(shù)，以廣靈至渾源高速公路黃龍隧道碳纖維融冰化雪鋪裝控制系統(tǒng)為例，對(duì)融冰化雪控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)路面溫度、濕度等的實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)融冰化雪的自動(dòng)化控制，通過(guò)通信技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)與碳纖維融冰化雪工作站有機(jī)結(jié)合，工作人員可以對(duì)融冰化雪進(jìn)行有效管理，從而保證融冰化雪的質(zhì)量和效率。

碳纖維發(fā)熱電纜采用嵌入式方法安裝于高速公路中面層，不會(huì)影響路面的后期施工，且碳纖維發(fā)熱電纜使用壽命長(zhǎng)，能實(shí)現(xiàn)融冰化雪系統(tǒng)與路面同壽命，無(wú)需維護(hù)，節(jié)能環(huán)保，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害。 碳纖維融冰化雪技術(shù)驗(yàn)檢結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、靈活方便、安全可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)融雪，預(yù)防道路冰雪災(zāi)害的發(fā)生。

[1] 吳玉輝.淺談公路融雪技術(shù)[J].北方交通，2010(3)：9-11.

[2] 喻文兵，李雙洋，馮文杰，等.道路融雪除冰技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析[J].冰川凍土，2011(4)：933-940.

[3] 王 勇，葛淑軍.瀝青灑布車液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2011，28(3)：52-55.

[4] 靳 煒.自行式瀝青路面養(yǎng)護(hù)車工程配置的量化分析[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2011,28(5)：65-67.

[5] 彭余華，鮑夢(mèng)捷，陳紹輝.內(nèi)置碳纖維發(fā)熱線融冰技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2016,33(2)：29-33.

[6] 羅新欣.內(nèi)置碳纖維發(fā)熱電纜的橋面融冰化雪技術(shù)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2015.

[7] 陳紹輝，彭余華，鮑夢(mèng)捷.內(nèi)置碳纖維發(fā)熱線的融冰橋面設(shè)計(jì)與施工研究[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2016,33(2)：34-40.

[8] 盧曉玲，樊浩博，賴金星.發(fā)熱電纜在寒區(qū)公路隧道路面防滑中的應(yīng)用[J].公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2012(12):217-273.

[9] 楊 飛.碳纖維發(fā)熱電纜用于道路除冰雪的技術(shù)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2014.

[10] 楊 潔，李海濤，史馮賢，等.電熱法除路面冰雪[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2011，28(3)：162-165.

[11] 許 庚.基于內(nèi)置電加熱方式的路面表面物理除冰雪技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[12] 張倩雯,趙艷華,吳智敏.混凝土路面碳纖維發(fā)熱線融雪化冰研究[J].公路交通科技,2015,32(2):41-48.

[13] 袁玉卿,張永健,蔚旭燦.瀝青混凝土預(yù)埋碳纖維繩發(fā)熱升溫試驗(yàn)[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,35(1):49-55.

[14] 王選倉(cāng),陸凱詮.公路路面融雪化冰技術(shù)與發(fā)展[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化,2013,30(1):26-32.

[15] 王佳斌,高 琦,劉錦超,等.發(fā)熱電纜融雪技術(shù)在道路融雪化冰的應(yīng)用分析[J].交通科技與經(jīng)濟(jì),2015(2):88-90.

[責(zé)任編輯:高 甜]

Research on Control System of Technology of Snow and Ice Melting with Carbon Fibre Cable for Expressway

LUO Er-juan
(Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006, Shanxi, China)

In order to allow the expressway to be open to traffic again soon after the snowing, the technology of snow and ice melting with carbon fibre cable was applied. Through the detailed analysis of the components, the final control system of the snow and ice melting technology was designed to be composed of the host computer monitoring system layer, the PLC control system layer and the equipment control layer. The temperature of the heating carbon fibre cable was controlled by the three parts as a whole, in which way the speed of snow and ice melting was controlled. The experiment shows that the control system has a high degree of automation, and it is also flexible, convenient, safe and reliable.

snow and ice melting technology; host computer monitoring system; PLC control system; heating carbon fibre cable

1000-033X(2017)06-0081-05

2017-01-19

山西省交通廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(2012-1-14)；山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015021126)

羅二娟(1984-)，女，山西太原人，工程師，碩士，研究方向?yàn)椴⒙?lián)機(jī)器人、筑養(yǎng)路機(jī)械及節(jié)能環(huán)保工程。

U416.217

B