淺析鐵路客車快速上水控制系統(tǒng)的應(yīng)用

徐文華 上海鐵路局阜陽樞紐工程建設(shè)指揮部

隨著鐵路快速發(fā)展，城際、高速和普速鐵路的建成?？蛙囘\(yùn)行列數(shù)越來越多、時(shí)速越來越快，在到發(fā)站、中間車站停車時(shí)間也越來越短，這給客車上水作業(yè)增加了難度，不僅客車上水時(shí)間縮短而且任務(wù)量增加。現(xiàn)行站場(chǎng)股道間客車上水完成依靠人工作業(yè)，由于時(shí)間緊、任務(wù)重往往無法及時(shí)了解上水栓狀態(tài)、上水壓力、上水量等信息，有時(shí)可能由于作業(yè)不到位，造成客車離站帶失膠管、客栓低溫凍結(jié)、客栓失壓、客栓水漏失等事故發(fā)生。如何消除以上事故隱患，在工程實(shí)施前發(fā)揮前瞻性，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、選型過程控制，保證系統(tǒng)竣工運(yùn)行后徹底改變鐵路到發(fā)站、中間車站與動(dòng)車段整備線完全依靠人工上水、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備檢測(cè)等作業(yè)，人工統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，真正實(shí)現(xiàn)上水管理智能化、自動(dòng)化，提升上水管理平臺(tái)，使設(shè)備真正發(fā)揮作用并長期正常穩(wěn)定的使用，這是擺在鐵路建設(shè)者面前的一個(gè)課題。

1 鐵路站場(chǎng)上水現(xiàn)狀分析

目前鐵路站場(chǎng)股道間上水作業(yè)除極少數(shù)站（如北京站）場(chǎng)近期采用快速上水控制系統(tǒng)試用外，基本上采用人工上水作業(yè)。由于列車調(diào)度科學(xué)化水平提升，每趟客車開行相鄰之間的時(shí)間間隙減少，客車時(shí)速提高。造成站場(chǎng)給單趟列車上水作業(yè)時(shí)間縮短，每日上水任務(wù)量增加。而所有客車上水工作都在人工作業(yè)方式下完成。如：上水栓狀態(tài)、上水壓力、上水量等信息必須派專人到現(xiàn)場(chǎng)人工進(jìn)行查詢、檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)；各種日、月、年的生產(chǎn)報(bào)表靠人工進(jìn)行填寫、統(tǒng)計(jì)、匯總；在站場(chǎng)上水作業(yè)等生產(chǎn)調(diào)度信息上傳下依靠人工電話方式進(jìn)行。日常管理存在著以下困難：一是上水客栓及給水管網(wǎng)水漏失不易發(fā)現(xiàn)，水量損耗大；二是設(shè)備隱患不易發(fā)現(xiàn)；三是設(shè)備出現(xiàn)故障及客栓低溫凍結(jié)不能及時(shí)報(bào)警；四是單列水量、水壓等參數(shù)不能準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)。針對(duì)以上現(xiàn)象，可在既有客車上水系統(tǒng)上加裝快速上水監(jiān)控系統(tǒng)，用自動(dòng)化監(jiān)控和作業(yè)方式，改變這一落后現(xiàn)狀，滿足運(yùn)輸生產(chǎn)需要。

2 鐵路快速上水監(jiān)控系統(tǒng)分析

2.1 快速上水監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

快速上水控制系統(tǒng)是客車到達(dá)車站時(shí)，車站上水作業(yè)人員首先完成上水系統(tǒng)對(duì)接后（將股道上水栓接頭連接上列車上水接口），整個(gè)上水系統(tǒng)工藝流程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的設(shè)備、計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)。它主要有四個(gè)子系統(tǒng)組成：一是分布在站場(chǎng)股道間的各種具體上水操作設(shè)備，即上水作業(yè)子系統(tǒng)；二是負(fù)責(zé)執(zhí)行各種作業(yè)管理輔助設(shè)施，即上水監(jiān)控子系統(tǒng)；三是各種數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控管理信息和顯示的中央系統(tǒng)，即集控中心子系統(tǒng)。四是負(fù)責(zé)三個(gè)子系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)換信息的數(shù)據(jù)通道及設(shè)備，即通信子系統(tǒng)。其中：

（1）上水作業(yè)子系統(tǒng)包括快速上水栓、快速上水結(jié)頭、上水管理機(jī)，控制具體上水操設(shè)備將水加入?？吭谡緢?chǎng)的客車上。

（2）上水監(jiān)控子系統(tǒng)由上水監(jiān)控終端、智能雙向計(jì)量裝置、智能電動(dòng)閥、壓力變送器組成，用于自動(dòng)計(jì)量上水量、水壓和開閉閥門。

（3）集控中心子系統(tǒng)包含工業(yè)控制機(jī)、壁掛式大屏幕、上水監(jiān)視器、外圍設(shè)備以及監(jiān)控管理信息系統(tǒng)軟件，是上水系統(tǒng)中樞，與車站客服系統(tǒng)交換信息并遠(yuǎn)程控制整個(gè)上水過程。

（4）通信系統(tǒng)主要由線通信線路、通信設(shè)備和通訊基站組成，負(fù)責(zé)交換信息。

2.2 快速上水監(jiān)控系統(tǒng)的具體對(duì)象

上水控制的具體對(duì)象是整個(gè)上水工藝流程中的上水栓、上水接頭、上水管理機(jī)、智能雙向計(jì)量、智能電動(dòng)閥和壓力變送器等設(shè)備，為其確定各項(xiàng)工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)，并在設(shè)備運(yùn)行過程中進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和控制。

（1）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的對(duì)象為：

①工藝參數(shù)：流量、壓力等；

②設(shè)備參數(shù)：工作電流、工作電壓、開停狀態(tài)。

（2）自動(dòng)化控制的的對(duì)象為：

①各種上水栓、上水接頭；

②各種電動(dòng)閥和電磁閥；

③雙向計(jì)量裝置、上水管理機(jī)等其它用電設(shè)備。

2.3 快速上水監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

按照系統(tǒng)控制要求，系統(tǒng)通過機(jī)電一體化和管控一體化措施技術(shù)措施，使開始上水、停止上水、余水排空、上水接頭脫落、膠管回收到位等一系列客車上水全過程實(shí)現(xiàn)電控化，使監(jiān)測(cè)上水栓狀態(tài)、上水壓力、上水量等上水管理工作實(shí)現(xiàn)信息化，最大限度杜絕客車離站帶失膠管、客栓低溫凍結(jié)、客栓失壓、客栓水漏失等事故發(fā)生。應(yīng)具有以下八種功能。

（1）無線遙控功能。遙控器與上水設(shè)備具有自動(dòng)對(duì)碼功能，操作人員可遙控上水栓開始或停止上水、鎖緊或脫落快速上水接頭、開始或停止回卷膠管。

（2）自動(dòng)控制功能?？焖偕纤稍O(shè)定自動(dòng)上水時(shí)間，到時(shí)自動(dòng)停止，自動(dòng)排空管內(nèi)余水，膠管回卷到位后自動(dòng)停止。

（3）手動(dòng)控制功能。在實(shí)現(xiàn)遙控的同時(shí)，可通過操作面板手動(dòng)電控快速上水栓；當(dāng)停電或者出現(xiàn)上水栓電氣出現(xiàn)故障時(shí)可機(jī)械手動(dòng)操作上水并回卷膠管。

（4）密碼保護(hù)功能。設(shè)備可通過操作面板組合按鍵實(shí)現(xiàn)加鎖控制，杜絕無關(guān)人員的上水操作。

（5）防寒保暖功能。當(dāng)站場(chǎng)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，上水栓可自動(dòng)啟動(dòng)或停止電加熱，防止冰凍故障。

（6）集中控制功能。集控中心與車站客服系統(tǒng)交換信息，自動(dòng)根據(jù)客車到發(fā)時(shí)刻控制客栓是否有水，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上水栓的工作狀態(tài)，當(dāng)客車離站前30s自動(dòng)停止該股道所有上水設(shè)備，同時(shí)在上水壓力超出設(shè)定范圍時(shí)自動(dòng)報(bào)警。

（7）計(jì)量計(jì)費(fèi)功能。集控中心可根據(jù)環(huán)狀管網(wǎng)水流方向，精確統(tǒng)計(jì)單列客車上水量，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各股道上水列車的計(jì)量、計(jì)費(fèi)，匯總并打印生產(chǎn)報(bào)表，自動(dòng)繪制上水量及上水壓力趨勢(shì)變化圖，同時(shí)可將上水管理及監(jiān)控信息通過網(wǎng)絡(luò)上傳運(yùn)營管理單位。

（8）系統(tǒng)擴(kuò)展功能。

3 站場(chǎng)快速上水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為實(shí)現(xiàn)以上功能，按照該系統(tǒng)的工作原理，可將快速上水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)劃分成4個(gè)子系統(tǒng)：即上水作業(yè)子系統(tǒng)、上水監(jiān)控子系統(tǒng)、集控中心子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)。示意圖見圖1。

（1）上水作業(yè)子系統(tǒng)包括上水栓、上水結(jié)頭、上水管理機(jī)。

①上水栓包含電動(dòng)卷管器、電源箱、控制箱、遙控器、操作面板和附屬管道及閥門。其中電動(dòng)卷管器用于上水軟管的拉出與自動(dòng)回收，主要由卷筒、電機(jī)及傳輸裝置、旋轉(zhuǎn)接頭、膠皮等元件組成；防水電機(jī)采用24 V安全電壓，以保障設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性；設(shè)備斷電時(shí)，也可以手動(dòng)上水及收管。

②上水接頭是體積小、重量輕的氣動(dòng)膠頭，具有快速鎖緊、自動(dòng)脫落、防凍、防摔。

③上水管理機(jī)除可以控制整個(gè)股道間快速上水栓緊急收管外，還能實(shí)時(shí)顯示該股道間上水栓的狀態(tài)和流量信息；能儲(chǔ)存和顯示該股道上水量的歷史信息及數(shù)據(jù)等。

（2）上水監(jiān)控子系統(tǒng)由上水監(jiān)控終端、智能雙向計(jì)量裝置、智能電動(dòng)閥、壓力變送器組成。

①上水監(jiān)控終端在站場(chǎng)內(nèi)共設(shè)置兩套，分別安裝于上水管網(wǎng)的兩側(cè)，每一個(gè)上水監(jiān)控終端負(fù)責(zé)監(jiān)控同側(cè)的智能雙向計(jì)量裝置和智能電動(dòng)閥。

②考慮到客車上水多采用環(huán)狀管網(wǎng)，水流方向不定，智能雙向計(jì)量裝置安裝于每排客栓干管兩側(cè)，可自動(dòng)判斷水流方向，分別累計(jì)，從而準(zhǔn)確計(jì)量上水量。

③智能電動(dòng)閥安裝于每排客栓干管兩側(cè)，可根據(jù)客車到發(fā)自動(dòng)開閉，做到客車進(jìn)站客栓有水，客車離站客栓無水，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能。

（3）集控中心子系統(tǒng)。值班人員可通過大屏幕實(shí)時(shí)看到客車到發(fā)信息、監(jiān)控上水設(shè)備、監(jiān)測(cè)上水流量及最不利點(diǎn)壓力、客車離站前30 s自動(dòng)所靠股道中仍在工作的上水設(shè)備，實(shí)現(xiàn)單列客車上水計(jì)量、跨局結(jié)算等功能。

（4）通信子系統(tǒng)。利用數(shù)據(jù)通道及設(shè)備實(shí)現(xiàn)其他三個(gè)子系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)換信息的溝通。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 快速上水監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品的選型考慮

快速上水控制系統(tǒng)產(chǎn)品選型時(shí)，應(yīng)充分考慮了以下因素：

（1）系統(tǒng)的先進(jìn)性。采用國際自動(dòng)化領(lǐng)域的主流技術(shù)-可編程控制器（PLC）所生產(chǎn)的RTU；控制結(jié)構(gòu)模式采用集散控制結(jié)構(gòu)，即"集中管理，分散測(cè)控"。

（2）系統(tǒng)的可靠性。采用技術(shù)先進(jìn)，功能強(qiáng)大，性能可靠和高質(zhì)量、模塊化、免維護(hù)的產(chǎn)品。

（3）系統(tǒng)合理的投資水平。系統(tǒng)初建時(shí)全面考慮系統(tǒng)的總體成本。即總體成本＝直接投資成本+運(yùn)行成本+維護(hù)成本+系統(tǒng)擴(kuò)展成本。合理考慮成本，拋棄那種"初期投資越低越好"的思路。

（4）系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。因自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)不可能一步到位，應(yīng)充分考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

5 快速上水控制系統(tǒng)實(shí)施前后比較

通過北京站、重慶達(dá)州站、天津站等客站股道間加裝快速上水控制系統(tǒng)并進(jìn)行正常的運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)實(shí)施前后跟蹤比較（見表 1）。

表1 系統(tǒng)實(shí)施前后跟蹤情況比較

6 結(jié)束語

在城際、高速和普速鐵路客車站場(chǎng)股道間加裝快速上水控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的實(shí)用和可靠不僅提高了上水效率也減少了上水工的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)，也使站場(chǎng)環(huán)境愈加整齊美觀。將實(shí)現(xiàn)客車的到發(fā)與上水設(shè)備開停聯(lián)動(dòng)、上水計(jì)量管理及上水班組管理等功能，使上水設(shè)備與上水工的綜合管理水平上了新的臺(tái)階，也使與鐵路運(yùn)輸業(yè)直接相關(guān)的客車上水工作達(dá)到新的水平。