對原有融雪車系統和裝置的研究與改進

李河宗 鄭躍龍 高玉林

(河北工程大學機電學院，河北 邯鄲 056038)

對原有融雪車系統和裝置的研究與改進

李河宗 鄭躍龍 高玉林

(河北工程大學機電學院，河北 邯鄲 056038)

針對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題，結合現代融雪現狀、撒布車結構和工作原理，對原來的裝置進行改造,自主研發了一套由A-B MicroLogix 1400型PLC控制的新型預濕撒布自動控制系統。該系統解決了撒布車在撒布時存在的撒雪不均勻、融雪效率低、環境污染等問題，改造后的撒布車在同行業中處于先進水平。

融雪撒布車 融雪劑 預濕撒布系統 PLC 電液比例控制

0 引言

在我國，每年降雪量比較大、持續時間長，若不及時清除和融化路面上的積雪,會給人們的日常生活和出行帶來不便，發生交通事故的幾率會大大增加。除雪效果的好壞直接關系到交通安全以及交通運營的經濟效益、社會效益[1]。當前，除雪的方式主要有機械除雪和人工除雪。人工除雪需要投入大量的人力、物力和財力，并且也很難及時、快速地清除積雪。因此，機械除雪越來越受到人們的重視。

在機械除雪中，撒布融雪劑(俗稱撒鹽)是一種高效的除雪方式，這種方式主要優點是除雪方便、快速并且不妨礙正常的交通。但是過量的撒布融雪劑會對公路、橋梁和道路兩側的環境造成破壞[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鍵問題，國內外研究者對融雪技術等進行了大量的研究，結果發現當融雪劑含水量在23%時，融雪效率最高[2]。

為了能夠快速地對撒鹽量和撒水量按以上比例進行精確控制，我們開發了一套由PLC控制的新型預濕撒布自動控制系統，實現了對預濕比例的精確控制，節省了融雪劑，提高了融雪效率，減少了對環境的污染。

1 邯鄲市高速公路管理處撒布車簡介

1.1 撒布車主要的結構特點

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。其結構如圖1所示。

圖1 撒布裝置結構圖

③ 采用進口發動機HONDA GX620，專門為撒布和輸送裝置提供動力。

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。首先打開控制器的開關，發動機帶動液壓泵提供液壓油，驅動輸送馬達和撒布馬達。通過按動水平閥、旋轉閥按鈕，實現輸送和撒布鹽的操作[3]。撒布密度的控制有兩種方式：①當車速一定時，撒布密度只與輸送融雪劑速度和拋撒盤的轉速有關，通過控制發動機的油門來控制液壓油泵供油量，供油量的大小改變輸送馬達和撒布馬達的轉速，實現控制撒布密度的目的；②當發動機轉速一定時，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

雖然這款撒布車實現了撒鹽的功能，但是較于先進的撒布車還具有很多不足之處，主要存在以下幾個問題。

① 采用鏈條的方式輸送融雪劑，容易出現輸送的料不均勻、輸送能力小和鏈條容易腐蝕的缺點。經現場勘查也證明了這一點。

② 此系統操作復雜并且不能精確控制撒布密度，造成融雪劑撒布不均勻。

③ 不能對路面積雪和除雪情況進行實時監控。

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

2 對撒布裝置進行部分改進和設計

撒布裝置結構如圖3所示。

圖3 裝置結構圖

① 動力系統由原來的HONDA GX620發動機提供，對不能使用的液壓泵進行更換，安裝相應的電磁閥進行液壓回路控制。

② 在原有的貯料箱的基礎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、輸送能力低的問題。

③ 增加水箱和噴水裝置。

④ 安裝前置和后置攝像頭，實時監控除雪情況。

⑤ 采用先進的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。按照一定的預濕比例拋撒的融雪劑，解決了撒布不均勻、融雪效率低等問題。

3 控制系統的介紹

3.1 控制原理

PLC控制的預濕撒布系統，主要由外部信號輸入系統、內部信號處理系統、外部機構執行系統以及監控系統四部分組成[4-5]。PLC采集車速、輸送帶轉速和撒布盤轉速信號后，經過內部邏輯運算，采用PWM改變占空比對電液比例閥進行控制。比例閥的開度控制著輸送帶液壓馬達和水泵液壓馬達的轉速，最終實現融雪劑量和水量的控制。PLC控制系統結構如圖4所示。

圖4 PLC自動控制系統結構簡圖

3.2 外部信號采集

外部信號包括車速、輸送帶轉速、撒布盤轉速、水位等信號。車速信號的采集采用光電編碼器，通過光電轉換，把輸出軸上的幾何位移量轉換成脈沖量[6]，通過對脈沖的計數便可測出車速。采用轉速傳感器對輸送帶和撒布盤轉速進行直接測量。用液位傳感器進行水位的測量[7]。所測信號均為電流型模擬信號，通過I/O模擬接口輸入到PLC中進行處理。

3.3 PLC內部編程和外部執行

各馬達轉速是由PLC對車速、撒鹽密度和撒布寬度參數進行函數運算后控制電磁閥的開口來實現的[8]。其各馬達轉速控制的函數運算關系如下。

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。

撒盤轉速：

N2=LC

(2)

式中：L為設定的撒布寬度；C為設定的系數。

在單位時間內，以相同的D/A轉換值驅動電液比例閥，得到同等質量的水和融雪劑，利用水和融雪劑的比例關系，得出：

Vw=RVs

(3)

式中：Vw為預濕液壓泵比例閥的D/A轉換數值;Vs為輸送馬達比例閥的D/A轉化值;R為設定的比例系數(0.23)。

研究發現，當融雪劑(主要成分氯化鈣)中的含水量達到8.6%時，融雪劑冰點開始明顯降低。當融雪劑中的含水量達到23%時，冰點降到最低-20 ℃。因此，在撒布車作業時，將融雪劑和水按上述比例混合后撒布，冰點將明顯下降，融雪效率將明顯提升。預濕比例與冰點的關系如圖5所示[2]。

圖5 預濕比例與冰點的關系

速度模擬量的信號處理如圖6所示。

圖6 速度模擬信號的處理示意圖

各系數確定完以后，通過手持編程器或者計算機編程軟件把程序輸入或下載到PLC中，經過PLC內部程序運行，輸出執行信號執行外部機構，實現融雪、除雪的目的。

3.4 PLC控制程序設計

根據控制需求，系統設置兩種控制模式：自動控制和手動控制。操作人員可通過上位機手動輸入撒鹽密度和撒鹽寬度等參數。參數設定完成后，系統程序開始運行，對各參數進行邏輯處理，輸出執行信號，對比例閥和撒布裝置進行控制，實現機電液一體化自動撒布的功能[9]。

控制流程圖如圖7所示。

圖7 控制流程圖

4 上位機控制

利用RSView32編制手動控制界面、設定參數界面以及故障報警畫面。人機交互界面可以方便地對撒布參數進行修改、故障報警和參數顯示等。在RSView32中編制的設定參數界面[10]。通過顯示屏上的袖珍鍵盤輸入撒鹽密度和撒鹽寬度，速度信號由外部傳感器收集。按下啟動按鈕，程序開始執行，此時外部執行機構的參數將顯示在顯示屏上，如：撒鹽量、灑水量和撒鹽寬度；當車速超過規定時速時會自動報警并提醒減速；撒布完成后按停止按鈕，返回主界面。

5 結束語

通過對邯鄲市高速公路管理處的撒布車進行以上改造，新的配帶PLC預濕撒布自動控制系統的撒布車,不但解決了撒布不均勻、不合理、融雪效率低的問題，還通過人機界面使操作更簡潔、直觀。報警系統也能使操作者及時了解故障發生部位和原因，保障了冬季道路安全暢通，減少事故的發生。給除雪行業和交通運營帶來更高的經濟效益和社會效益，具有良好的市場前景。

[1] 嚴霞,李法云,劉桐武,等.化學融雪劑對生態環境的影響[J].生態學雜志,2008(12):2209-2214.

[2] 崔世界.除雪車預濕撒布系統控制器[D].大連：大連理工大學,2010.

[3] 李瑫,高元樓.液壓機電液比例控制系統研究[J].軟件,2011(8):38-42.

[4] 張濤.一種可合理控制融雪劑撒布量的自動化裝置[J].建設機械技術與管理,2009(5):94-96.

[5] 張文慶.用PLC的軟件實現PID閉環控制[J].自動化技術與應用,2003(2):7-8.

[6] 王書峰.基于可編程邏輯器件的光電編碼器測速方法研究[D].北京：北京郵電大學,2012.

[7] 潘宏俠,黃晉英.機械工程測試技術[M].北京:國防工業出版社,2009：235-300.

[8] 黎職富.基于高頻PWM的電液比例控制系統的研究與設計[D].長沙：湖南大學,2008.

[9] 蘇淑芝.軟PLC梯形圖編程系統的研究與實現[D].廣州：華南理工大學,2012.

[10]李文正,孫偉,周德華.基于OPC的InTouch與RSview32的通信[J].計算機與現代化,2010(7):48-50.

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目(編號：E2013402064)。

李和宗(1973-)，男，2011年畢業于上海交通大學材料加工工程專業，獲博士學位，副教授；主要從事機械設計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。