基于ZigBee的隧道电气化设备除冰系统研究＊

于燕平

（柳州铁道职业技术学院 动力技术学院，广西 柳州545616）

1 引言

从交通运输部的消息可知，截至2018年底，中国铁路营业里程达131000km。其中，投入运营的铁路隧道15117座，总长16331km。部分早期建成、服役年限长的铁路隧道都出现了不同程度的渗漏水、冬季结冰等现象。

冬季，渗水隧道极易发生侧壁冰挂刮到列车、拱顶冰柱侵入限界使接触网设备发生接地短路等故障，甚至造成塌网事故，中断铁路运输。隧道冰害，为铁路安全运行带来了极大的隐患。现今，冬季隧道结冰的解决措施，主要可分为人工除冰和设备除冰。人工除冰指运用人工作业方式，清除隧道顶部对接触网设备具有威胁的结冰，这种方式效率低下，存在很大的安全隐患[1]。设备除冰指通过加热设备加热隧道渗水处，提高隧道渗水处的温度，防止渗水处结冰，从而达到除冰的目的。常用的方式主要有装置除冰[2]和微波除冰[3]两种。设备除冰方式能大大节省人工打冰所需的人力、物力，但装置除冰中发热板会对隧道顶部造成一定的破坏，某些净空受限的渗水点无法兼顾[4]；微波除冰中，环境温差越大，能量损失越多，温度上升越困难，对人身和列车的微波辐射影响较大[3]。

针对已有铁路隧道除冰方式存在的问题，如设备除冰部分渗水点不能兼顾、微波除冰影响作业人身安全和行车安全等，提出采用基于ZigBee和PLC的智能除冰系统解决存在的问题，节省除冰的人力、物力。

2 寒区隧道温度场分布规律

对严寒地区隧道气温状态进行研究，对隧道除冰是非常有益的，了解隧道内各部分温度情况有助于合理布置融冰装置的安装点。隧道冻害的发生是有条件的，其中温度为最重要的条件。隧道气温在0℃左右，才有结冰的可能。

陈建勋对某寒区公路隧道选取了拱顶、拱腰、边墙和路面四个部位的11个测试点进行了长达1年半的测试，结果表明，隧道内气温随着进入隧道距离的增加，年平均温度逐渐下降，年温度振幅也下降，其变化规律呈指数函数曲线变化关系[5]；乜风鸣分析了位于大兴安岭地区的3座隧道洞内气温分布情况，得出夏季离洞口越远气温越低，而冬季离洞口越远气温越高[6]，隧道进口受隧道外界温度影响较大，距洞口越远影响越小。

隧道大多处于高寒和偏远的山区，气温与当地的气象资料相差较大。

隧道洞口气温可采用普通克里金法的估算公式[7]：

3 除冰系统总体设计方案

除冰系统的总体设计思路：建立基于ZigBee协议的传感器网络，将温、湿度数据传输给上位机进行实时显示，由上位机将数据送给PLC，PLC通过计算、判断，决定是否启动电机对隧道实施加温通风的措施，最终实现防冰、除冰的目的。系统构架主要包括信号采集模块、CC2530模块、上位机监控模块、PLC控制模块等。

基于ZigBee的无线传感网络（隧道内各个传感器节点），将隧道内采集的温度、湿度信息通过射频天线经由无线网络发送到协调器汇集节点，再通过串行通信方式送给上位机，显示温度、湿度，上位机将数据发送给PLC控制中心，根据相应的信号决定风机的工作模式。

4 基于ZigBee的除冰系统的关键设备

基于ZigBee的隧道电气化设备除冰系统要解决的问题有CC2530选择、PLC选型、传感器选择、除冰装置选择。

4.1 CC2530

CC2530（无线片上系统单片机）是基于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统解决方案，它能够以非常低的成本建立起一个强大的无线网络。并且还结合了领先的2.4GHz的RF收发器的优良性能，是业界标准的增强型8051单片机。

4.2 PLC

铁路隧道内环境恶劣，空气潮湿，列车通过时灰尘较大，而且电气化设备布置多，相对于公路隧道，铁路隧道内空间狭小，运行人员的维护非常不便。因此，在考虑控制模块的选型时选用了适合工业环境、抗干扰能力强、故障率小、维护方便的S7-200系列PLC，CPU选用224xp。

4.3 传感器

DS18B20是数字温度传感器，具有体积小、抗干扰能力强等特点，适合狭小空间；测温范围为-55～125℃；多片DS18B20并联在一条数据总线上可实现不同地点的多点组网。DHT11在设计中主要用于隧道湿度测量，其输出方式为单总线数字信号，湿度分辨率为1%RH，抗干扰能力强。除冰装置是否运行的关键是隧道内的温湿度是否达到设定值，当达到临界结冰点附近时，由PLC启动加温除湿装置。隧道内环境因素复杂，系统设计中温度和湿度测量分别选用了DS18B20、DHT11。

4.4 除冰装置

除冰装置选用工业用壁挂式电热风机，主要由鼓风机、加热器、控制电路组成。通电后，鼓风机把空气吹送到加热器里，电热器通电后产生的热量与通过的冷空气进行热交换，从而使出风口的风温升高。通风机的风量可利用变频器（根据隧道内环境温湿度）调节吹送风量的大小，实现工作温度、风量的调控。

5 隧道硬件设备布置

根据前面的分析可知，进口受隧道外界温度影响较大，距洞口越远受温度影响越小，洞口附近500m左右的隧道最容易发生结冰现象。因此可以考虑在隧道两端安装一两组除冰风机；考虑到电气化设备（如接触线、腕臂等）都在隧道上方，因此将温度传感器安装在隧道上方；靠近轨面湿度测量会比较准确，因此将湿度传感器安装在隧道下方；左右间隔布置考虑数量和空间上的合理性，节点用于收集传感器的数据（并上传上位机，用RS485电缆传输数据，节点数量根据传感器数量确定）。风机的台数根据隧道的长度确定，风机转速受地面S7-200和变频器控制。隧道内硬件布置如图1所示。

图1 隧道内硬件布置图

6 结论

冬季气温较低，漏水隧道容易发生结冰现象，冰柱侵入限界威胁铁路安全运行。为了解决冬季隧道挂冰问题，提出了基于ZigBee和PLC的除冰系统，运用CC2530、PLC、变频器，实现对风机的控制，分析了寒区隧道温度场分布规律，最终确定了隧道硬件设备布置。