铁路局融雪电伴热带节能监控装置的研制

融雪电伴热带节能监控装置的研制XX铁路局XX西站XX工匠QC小组XX西站XX工匠QC小组严格落实总公司、路局和车站关于“强基达标、提质增效XX西站XX工匠QC小组严格落实总公司、路局和车站关于“强基达标、提质增效”工作的要求，小组成员在组长的带领下，活动中时刻秉承着“工匠”精神，不断开拓创新，实现“年年有成果”，推进了车站房建专业化管理水平不断提高。1.小组基本概况小组概况介绍小组名称XX工匠QC小组课题名称融雪电伴热带节能监控装置的研制成立时间2014年8月注册时间2016年4月注册编号X课题类型创新型课题起止日期2016.4~2017.3接受QC教育48小时小组成员概况序号姓名性别学历职称组内分工1男大学本科高级政工师组长2男大学本科工程师监督检查3男大学本科助理工程师数据分析4男大学本科助理工程师监控数据5男大学本科助理工程师成果撰写6男大学本科助理工程师收集资料7男大学本科助理工程师工具运用8男大学本科助理工程师工具运用9男大学本科助理工程师统计分析10男大学本科助理工程师统计分析本课题使用技法调查表、甘特图、柱状图、系统图、对策表、流程图、雷达图。表1制表人：XX制表时间：2017年3月20日二、与本课题相关的设备简介：电伴热带结构示意图PTC特性电阻——电伴热带结构示意图PTC特性电阻——温度曲线XX西站融雪电伴热带分布于XX西站站房、雨棚天沟内，位置隐蔽，铺设有46800米，用于加热融化站房和雨棚天沟积雪、积冰。二、选题理由1.问题的提出：2015年1月，XX省某高铁车站站内雨棚天沟融雪电伴热带因监控不到位引发运行过程中起火，酿成车站站舍火灾事故，由此而导致候车旅客惊慌失措，影响乘降。列车晚点，在给铁路造成了巨额的经济损失的同时，也给铁路形象造成巨大的负面影响。智者从别人的事故中吸取教训，为避免我站融雪电伴热带设备类似事故的再次发生，小组成员对XX西站融雪电伴热设备进行调研，发现我站融雪电伴热设备存在以下缺陷：⑴融雪电伴热带在每年冬季的11月16日至次年3月15日期间全天候持续热备运行，2015年运行周期内每百米耗电量高达43200度（折合每月为10800度/每百米）。而上级要求电伴热带运行周期内每百米耗电量只有10000度（折合每月为2500度/每百米），实际运行与上级要求的耗能指标有着33200度（折合每月8300度）的巨大的缺口。⑵电伴热带设备主要作用是融化积雪，减小站舍顶棚由冰雪带来的负重压力，而目前电伴热带设备是全天候开启，即使天气晴朗时依旧运行，大部分电能是白白浪费的，而电伴热带实际仅在降雪期间发挥其功能。XX西站扩建以来历年11月16日至次年3月15日降雪情况序号年份降雪天数冬季降雪率12011年8.4天7%22012年9.6天8%32013年11.5天9.6%42014年7.5天6.25%52015年6.5天5.4%小计43.57.25%注：下雪天数的计算是实际下雪时间（小时）除以120天（一天24小时）表2制表人：于俊源制表时间：2016年4月15日从上表中可看出，自高铁建站以来电伴热带冬季全程运行，但实际发挥融雪作用的时间寥寥无几，不足总运行时间（120天供暖期）的10%，造成了电能的浪费是巨大的。⑶按照营业线施工要求，电伴热带的维修巡检只能在天窗点期间进行（夜间0:30-4:30，共4小时），如果按每天24小时计算，存在天窗点外的20小时不能监测到位的弊端。由于天窗点时间安排在夜间，受照明及能见度制约，其巡查质量也是很难保证的。2.明确课题需求与目的小组希望能够通过研制一种电伴热带监控装置，改电伴热带设备全天候运行为对电伴热带设备全天候监控，一旦雨雪来临马上启动电伴热带运行，平时断电以减少热备时的耗电量,达到节能降耗的目的。3.课题查新与借鉴众所周知，高铁设备我国已经走在了世界各国的前列，处于领军地位。而作为高铁站房天沟除雪监控装置，通过在电脑网上查新，未发现有关这方面的文献和资料。但是，火灾监测装置倒是随处可见。例如高铁动车组上严禁吸烟的烟雾监控报警，又如高级宾馆酒店的火灾监控报警等。受这方面的启发，小组萌发了研制融雪电伴热带节能监控装置的想法。融雪电伴热带节能监控装置的研制 融雪电伴热带节能监控装置的研制4.小组活动计划为保证小组活动的有效性和计划性，充分发挥小组成员的创造性，小组成员用甘特图制定了详细的活动计划。小组活动计划甘特图时间项目进度2016年2017年负责人4月5月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月选择课题P设定目标及目标可行性分析提出方案并确定最佳方案制定对策表实施对策D确认效果C标准化A总结和下一步打算图1制图人：XX制图时间：2016年4月1日三、设定目标及目标可行性分析1.设定目标本课题的愿景是改电伴热带设备全天候运行为对电伴热带设备全天候监控，则必须实现融雪电伴热带运行实现4小时人工监控为24小时全天候自动监控；进而满足融雪电伴热带每月每百米月耗电量由10800度下降到每月2500度以下上级下达的耗能指标要求。（监控升上去，耗电降下来）监控时间（小时）0监控时间（小时）04812162024创新前目标值时间244监控时间升上去柱状图每百米月耗电量（度）0时间250010800耗电量降下来柱状图耗电降下来20001000080006000400012000监控升上去监控升上去目标值创新前目标值创新前2.目标可行性分析融雪电伴热带的运行24小时全天候自动监控的可行性分析：当今自动化监控技术已经在建筑配套设备领域广泛应用，实现对设备运行状况的实时监控，进而实现自动控制技术水平已经非常成熟。将自动化监控技术引入XX西站融雪电伴热设备，从而实现融雪电伴热带运行24小时全天候自动监控的目标在技术上可行。融雪电伴热带每百米月耗电量≤2500度的可行性分析：融雪电伴热带在降雪期间运行为有效运行时间。通过统计气象资料，列表如下：2011年以来百米电伴热带有效耗电量序号年份有效运行时间有效耗电量12011年8.4天3024度22012年9.6天3600度32013年11.5天4140度42014年7.5天2700度52015年6.5天2340度注：有效耗电量=有效运行时间×24h×15kw/h(每百米电伴热带功率为15kw/h)表3制表人：栗海生制表时间：2016年5月15日自2011年XX西站站房扩建以来，最高降雪天数为11.5天（换算为276小时），如每年都按最高降雪276小时计算，每百米电伴热带功率为15kw/h，每百米年耗电15×276=4140（度），平均月耗电量为1010（度）＜2500（度）。因此，融雪电伴热带每百米月耗电量降低到2500度以下是可以实现的。⑶本小组创新融雪电伴监控装置具备的资源条件：①资金支持方面，车站高度重视我小组提出的解决电伴热带运行安全隐患和降低电能消耗的思路，自小组课题注册后，领导给予小组活动资金10万元研制经费。②技术力量方面，小组成员全部为本科学历，具备分析问题和解决问题的能力，通过小组成员齐心协力，能够顺利完成该装置的研制。③小组经验方面，小组以前曾成功研制XX西站智能照明控制装置和污水泵自动控制装置，以上两个装置均处于持续稳定运行中。四、提出方案并确定最佳方案在确定课题目标后，小组利用头脑风暴法，召开了方案提出论证会议，在总方案的设想上提出了如下两种监控方式：一、提出方案：1.监控方式的选择视频监控视频监控传感器监控监控方式图4制图人：XX制图时间：2016年6月5日小组成员通过模拟实验的方案对两种方案进行对比：监控方式选择方案对比分析表视频监控传感器监测模拟实验在天沟内安装摄像头采集周围环境视频影像，通过数据线将视频信号传输到中控平台，值班人员通过监控视频影像中天沟降雪、积冰情况，手动控制电伴热装置启动/停止，实现远程监控。在天沟内电伴热前端安装传感器采集户外气温、雨雪等气象信息，通过模拟量模块转换为稳定的数字信号传输给PLC模块进行逻辑计算后传送到中控平台，中控软件通过对数字信号进行分析后发送反馈信号控制电伴热带。优点①装置结构简单，装置无需配套模块②视频影像直观反映天沟周围天气条件①能够准确的采集到室外温度信息，并采集室外雨雪情况，两者共同控制电伴热带②可实现自动控制，无须人员不间断盯控，节省人力③造价低，安全性高缺点①不能实现自动控制，需人员24小时不间断值守，耗费人力②无法采集到室外温度，开启条件判定不准确③数据量大④夜间可视效果差⑤高清摄像头造价高①需配置模拟量转换模块，控制柜结构复杂②采集信息为模拟量信号，不直观总体评价视频监控方式存在较多缺点，直接影响监控效果，传感器监测虽然也存在缺点，但不影响监控效果。。结论淘汰选择表4制表人：XX制表时间：2016年6月5日2、温度传感器感温探头方案选择感温探头的选择感温探头的选择PT1000热电阻PT100热电阻图5制图人：XX制图时间：2016年6月6日通过查询技术资料，详细整理了以上两个型号的感温探头的技术特征和应用情况，进行了以下对比分析，如下表：温度传感器感温探头方案对比表特征型号数据0℃阻值精度价格应用领域结论PT1000热电阻1000欧姆10003000元科研淘汰PT100热电阻100欧姆100900元工业选定表5制表人：XX制表时间：2016年6月7日经过对比，结合课题目标，综合分析两个方案精度、应用条件、造价等指标，最终确定选择PT100为最佳方案。3、数据传输介质方案选择数据传输介质方案选择数据传输介质方案选择网线传输Wifi传输光纤传输图6制图人：XX制图时间：2016年6月10日小组成员提出了3个目前数据传输常用的介质，分别是：网线传输、wifi传输、光纤传输，并对3种方案最大传输速度、传输稳定性、造价三个参数进行对比分析：数据传输介质方案对比表参数类型特性最大传输速度传输稳定性造价结论网线传输250Mbps100米以上会造成网络信号明显衰减超五类网线200元/百米，其他配套设备3000元每套淘汰wifi传输距离越近、速度越块，与路由器传输能力有关遇到隔墙或楼板网络信号会明显衰减网络交换机等设备全套共需10000元淘汰光纤传输1Gbps传输距离能达几十公里不会出现数据丢失单芯光纤100元/百米，其他配套设备2500元每套选择表6制表人：XX制表时间：2016年6月11日经过对比，小组成员发现，光纤传输方式在传输速度、传输稳定性、造价三个方面均具有优势，因此小组成员将数据传输介质确定为——光纤。4、控制柜PLC方案选择小组成员确定控制柜CPU为可编程控制器PLC，并提出以下两个方案：西门子S7-300和西门子S7-200，并对两种方案进行对比，见下表：CPU的选择CPU的选择西门子S7-300西门子S7-200图7制图人：XX制图时间：2016年6月13日控制柜CPU方案对比表参数配置型号参数配置型号西门子S7-300西门子S7-200处理速度0.8-1.2ms0.8-1.2ms存储器2k2k模拟量128路35路数字量1024点248点适用范围中型或大型控制装置的控制单机控制或小型装置的控制结论淘汰选择表7制表人：XX制表时间：2016年6月15日经过以上对比，结合实际需求，因控制点位需求小，PLC选择适用于控制小型或单体装置的西门子S7-200。5、监控平台中控软件的选择监控平台中控软件的选择监控平台中控软件的选择winCCiFIXMCGS图8制图人：XX制图时间：2016年6月16日小组成员详细调研了行业内应用广泛的工业组态软件，最终小组成员通过讨论，提出了以下三种软件方案：西门子WinCC组态软件、通用电气iFIX组态软件、XX昆仑MCGS组态软件。并对三种软件进行对比分析，见下表：中控软件方案对比表软件项目特性WinCCiFIXMCGS品牌德国西门子美国通用XX昆仑应用领域自动化工业控制领域均适用自动化工业控制领域均适用冶金、化工生产流水线控制自定义程度较高高一般与S7-200匹配性完全兼容兼容性一般较差运行稳定性Windows操作装置下流畅Windows操作装置下流畅Windows操作装置下流畅售价5万15万3万性价比高低一般结论选择淘汰淘汰表8制表人：XX制表时间：2016年6月18日对比三个方案运行情况，综合分析，西门子WinCC最佳选择。二、确定最佳方案：经过以上方案选择，最终确定最佳方案为：图9制图人：XX制图时间：2016年6月20日五、制定对策1、确定实施要素：最佳方案确定了，在确定实施对策前，小组首先筛选了实施要素，用装置图展示如下：设计图纸设计图纸制作控制柜设备安装编制控制界面明确自动监控逻辑实施要素装置测试图10制图人：李壮制图时间：2016年7月5日2、制定对策表：小组成员按照5W1H原则，针对XX西站融雪电伴热节能监控装置研发6个要素制定了对策和对策实施的措施，并设定了目标，见下表：对策表序号要素对策目标措施地点完成日期负责人1明确自动监控逻辑编辑控制流程图绘制1张控制流程图控制流程图绘制办公室8月7日XX2设计图纸按照电气原理绘制控制柜内线路图绘制出控制柜内设备3张接线图绘制控制柜内线路图办公室8月15日李X3制作控制柜按照图纸集成控制柜集成1个控制柜控制柜组装配电间8月30日4设备安装安装传感器和信号传输线路1、敷设线缆1200米、光纤300米2、安装温度感应器2个3、安装雨雪感应器1个安装硬件设备雨棚上9月30日5编制控制界面在WINCC软件上制作控制界面，录入控制程序设计两个界面控制界面设计监控室10月15日6装置测试现场试验完成一次装置监控试验模拟室外雨雪天气测试装置运行情况雨棚上11月15日表9制表人：李壮制表时间：2016年7月20日六、对策实施实施一实施一实施内容：控制流程图绘制实施时间：2016年8月1日至8月5日小组成员经过整理分析变量逻辑关系，绘制了控制流程图，如下图：判断手自动判断手自动判断雨雪传感器状态判断近点温度开启电伴热带关闭电伴热带手动无雪高于设定值自动有雪低于设定值变量逻辑关系流程图图11制图人：刘智制图时间：2016年8月5日实施一小结：实施一小结：小组成员分析整理了控制装置流程，绘制了控制装置逻辑流程图，为下一步编辑装置和线路图打下了基础。实施二实施二实施内容：绘制控制柜内线路图实施时间：2016年8月6日至8月10日实施二小结：小组成员绘制了三个控制柜内线路图，为控制柜的组装提供了图纸依据。实施二小结：小组成员绘制了三个控制柜内线路图，为控制柜的组装提供了图纸依据。接线图1：强电配电线路图接线图2：PLC线路图接线图3：控制按钮和指示灯接线图实施三实施三实施内容：控制柜组装实施时间：2016年8月11日至8月25日小组成员完成了控制柜的组装，下图为控制柜内、外部照片：实施三小结：实施三小结：小组成员按照线路图完成控制柜组装，控制柜内元件位置合理、线路正确，逻辑关系正确。实施四实施四实施内容：安装硬件设备实施时间：2016年8月26日至9月15日小组成员委托专业安装人员完成以下设备的安装：硬件设备安装清单设备数量位置温度传感器2个雨棚天沟内雨雪传感器1个雨棚天沟内控制线缆1200米雨棚天沟至控制柜模拟量转换器1套控制柜外6芯单模光纤300米控制柜至中控平台表10制表人：刘智制表时间：2016年8月27日实施四小结：实施四小结：以上设备安装完毕，使装置具备了探测电伴热带温度和户外雨雪情况的硬件条件，为装置采集气象参数提供了硬件支持。实施五实施五实施内容：控制界面设计实施时间：2016年9月16日至9月30日小组成员设计了以下两个控制界面：界面一：用户管理界面XX西站融雪电伴热带远程监控装置XX西站融雪电伴热带远程监控装置界面二：用户监控界面实施五小结：实施五小结：小组成员完成了两个控制界面的设计，实现了运行状态监控的功能，为节能监控装置提供了软件支持。实施六实施六实施内容：模拟室外雨雪天气测试装置运行情况实施时间：2016年10月10日小组成员首先做好以下试验准备工作：⑴将冰块放置在温度传感器上模拟温度低于0℃ ⑵设定启动温度3℃，停止温度15℃⑶向雨雪感应器上喷水，模拟降雪场景试验结果请看当时的照片：实施六小结：实施六小结：照片中可以直观看出，监控装置检测到了雪花时启动电伴热带，从而验证小组成员经过以上对策实施后实现了所研发装置的节能和监控功能。七、效果检查1、检查目标兑现情况⑴监控时间升上去：2017年12月5日XX地区普降大雪，小组成员利用此次降雪检测新研发的融雪电伴热带远程监控装置运行效果。运行过程视频截图如下面的照片所示：系统停止运行状态图系统启动运行状态图系统运行停止清楚地反映了：启动升温停止雨棚上天沟内融雪效果如下面的照片所示：启动前启动前启动后小组成员监测2016年11月16日至2016年12月31日天气情况，并对降雪当日雪前、雪中、雪后装置运行情况进行了记录：降雪天气电伴热运行状态统计表降雪时间装置运行状态开启关闭2016年12月5日5:00至2016年12月6日10:00（29小时）降雪前√降雪中√降雪后√2016年12月27日14:30至2016年12月28日21:30（31小时）降雪前√降雪中√降雪后√表11制表人：XX制表时间：2016年12月31日监控时间（小时）监控时间（小时）04812162024创新前目标值时间244监控时间兑现升上去柱状图创新后HB24监控升上去 图12制图人：XX制图时间：2016年12月31日⑵小组成员经过统计：2016年11月16日-2016年12月31日XX市降雪时间进行统计：降雪天气电伴热带运行耗电量统计表降雪时间降雪时长每百米耗电量（15kw/h/100米）2016年12月5日5:00至2016年12月6日10:0029小时435度2016年12月27日14:30至2016年12月28日21:3031小时465度汇总2016年11月16日-2016年12月31日电伴热带运行共计2.5天(60小时)，耗电量为：900（度），即每百米电伴热带平均月耗电量为600（度）＜2500（度）表12制表人：XX制表时间：2016年12月31日耗电量指标降下来兑现柱状图耗电量指标降下来兑现柱状图每百米月耗电量（度）0创新前目标值时间250010800耗电降下来20001000080006000400012000600创新后图13制图人：XX制图时间：2016年12月31日⑶经过以上效果检查，电伴热带运行监控时间保持为24小时全天候监控，耗电量明显低于2500(度)，均达到了目标要求。2、经济效益⑴减少了设备巡检人员1人，提高了用人效率，可节省用人成本每年约13万元。电伴热带只有在满足启动条件时运行，节电量=（10800-600）*4=40800度每百米电伴热带年节电40800度，节约电费支出3.8964万元（每度电0.955元）。全站共有电伴热带46800米，年共节约电费1823.5万元。3、无形效益⑴消除了电伴热带运行存在火灾等隐患，保证了电伴热带运行安全。⑵加强了车站电伴热带的监管力度，提高了房建设备管控水平。八、标准化一、纳入标准工作：为了进一步巩固电伴热带节能监控装置的研发成果，小组成员制定了以下巩固措施：★把控制装置设计资料图纸整理留存。★编制《融雪电伴热带节能监控装置使用和维修说明书》（津西站[2017]36号），经主管部门批准，已正式实施，规范了使用和检修工作。二、巩固期效果检查1、监控情况：小组成员监测2017年1月1日至2017年3月15日天气情况，并对出现降雪当日雪前、雪中、雪后装置运行情况进行了记录：巩固期降雪天气电伴热带状态统计表降雪时间装置运行状态开启关闭2017年1月15日8:30至2017年1月15日20:00（约11.5小时）降雪前√降雪中√降雪后√2017年2月21日4:30至2017年2月23日9:00（52.5小时）降雪前√降雪中√降雪后√表13制表人：张辉制表时间：2017年3月15日巩固期间内电伴热带节能监控装置实现了24小时全天候的监控。监控时间（小时）监控时间（小时）04812162024创新前目标值时间244监控装置监控时间对比柱状图创新后HB2424效果巩固HB图14制图人：张辉制图时间：2017年3月15日2、节能情况：小组成员经过统计：2017年1月1日-2017年3月15日XX市降雪时间进行统计：巩固期降雪天气电伴热带运行耗电量统计表降雪时间降雪时长每百米耗电量（15kw/h/100米）2017年1月15日8:30至2017年1月15日20:0011.5小时172.5度2017年2月21日4:30