基于模塊化策略的客運(yùn)索道電控柜優(yōu)化設(shè)計(jì)

段 琰 劉旭升 陳 虎 趙振邦 賈睿璽

北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007

0 引言

伴隨著我國旅游經(jīng)濟(jì)的快速增長和滑雪運(yùn)動(dòng)的迅速崛起，客運(yùn)索道作為旅游、滑雪等項(xiàng)目的核心的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)之一，建設(shè)的數(shù)量正逐年增多。如何快速實(shí)現(xiàn)對各種形式復(fù)雜設(shè)備的電氣控制、滿足各類用戶實(shí)際需求，成為當(dāng)前的重要課題。通過對客運(yùn)索道電控柜的模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)，可高效地完成每年數(shù)量龐大的項(xiàng)目需求。

針對客運(yùn)索道的各種類型，將模塊化策略應(yīng)用于客運(yùn)索道電控柜的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，整合出相似度高的功能模塊，其具有集成化、系列化和通用性特點(diǎn)，可應(yīng)用于不同類型項(xiàng)目。模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)方案有利于提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，降低人員時(shí)間成本，完成日益增多的設(shè)計(jì)任務(wù)量，保證項(xiàng)目工期，獲得更大的效益。

1 模塊化策略優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

客運(yùn)索道電控柜的主要控制對象是電機(jī)，電機(jī)為驅(qū)動(dòng)鋼絲繩及運(yùn)載吊具提供動(dòng)力。由于客運(yùn)索道形式的多樣性、被驅(qū)動(dòng)負(fù)載容量大小不一、電機(jī)選型多樣等原因，圍繞配套電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)亦是多種多樣，不同索道的電控柜、元器件參數(shù)、控制方式等各不相同，這為索道電控柜設(shè)計(jì)以及后期運(yùn)行維護(hù)工作帶來很多不便。與此同時(shí)，盡管針對復(fù)雜被控對象的索道電控柜，實(shí)現(xiàn)的功能不盡相同，但是在功能分類之后，供電、監(jiān)控等方面發(fā)掘相似度較高。主要包括電源進(jìn)線與電源分配、主回路與控制回路、線路保護(hù)信號(hào)系統(tǒng)、I/O控制信號(hào)，以及監(jiān)控終端等方面，為實(shí)現(xiàn)客運(yùn)索道電控柜模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)工作提供了可能性。

1.1 電源進(jìn)線與電源分配模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)

客運(yùn)索道屬于特種設(shè)備，根據(jù)各安全規(guī)范的要求，無論哪種形式的客運(yùn)索道，電源進(jìn)線均采用雙回路手動(dòng)切換的供電方式，保證一路供電斷開時(shí)，另外一路供電可以及時(shí)切入，以保障將游客送回地面的時(shí)間最短。

電源分配設(shè)計(jì)原則是將主回路用電和控制回路用電合理分配。主回路為交流三相用電，也有部分采用交流單相用電，分配時(shí)可預(yù)留2種接入方式，保證無論何種主回路均可直接接入到控制柜中。控制回路用電種類比較多，包括交流單向、直流48 V、直流30 V、直流24 V等，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)全面考慮多種供電需求，并在電源容量配比方面設(shè)置安全裕量，以方便應(yīng)對具體項(xiàng)目的控制回路模塊設(shè)計(jì)內(nèi)容增減。

1.2 主回路和控制回路模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)

主回路設(shè)計(jì)方向針對機(jī)械設(shè)備中所有受控電機(jī)，盡管每個(gè)項(xiàng)目需要控制的電機(jī)容量、數(shù)量不盡相同，主回路設(shè)計(jì)采取模塊化策略設(shè)計(jì)后，可以在整體設(shè)計(jì)保持穩(wěn)定不變的情況下，僅作系統(tǒng)性微調(diào)即可。

控制回路設(shè)計(jì)分2個(gè)部分：主驅(qū)動(dòng)控制回路設(shè)計(jì)和輔助驅(qū)動(dòng)控制回路設(shè)計(jì)。無論哪種類型的客運(yùn)索道，驅(qū)動(dòng)部分均包含主驅(qū)動(dòng)和輔助驅(qū)動(dòng)2種方式，故主、輔驅(qū)控制回路可根據(jù)各自的功能需求形成2種模式設(shè)計(jì)。輔驅(qū)控制回路設(shè)計(jì)是以簡單、高效，便于操作和維護(hù)為原則，目的是當(dāng)一路電源斷開，或者主驅(qū)動(dòng)發(fā)生故障時(shí)，操作人員能以最快速度運(yùn)轉(zhuǎn)輔驅(qū)，將乘客運(yùn)至地面。輔驅(qū)控制回路電路設(shè)計(jì)以繼電邏輯控制形式為主。主驅(qū)動(dòng)控制回路以自動(dòng)化控制為核心思想，既能對控制系統(tǒng)全面把握，又能針對每一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，并能對所有故障數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)可視化處理，便于用戶及時(shí)把控設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況，一旦出現(xiàn)故障能及時(shí)處理。

1.3 線路保護(hù)信號(hào)處理模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于不同類型的客運(yùn)索道線路地形、長度各異，導(dǎo)致線路保護(hù)信號(hào)產(chǎn)生差異，凸顯線路保護(hù)信號(hào)模塊化策略設(shè)計(jì)的必要性。得益于信號(hào)采集與運(yùn)用方式上的共性特征，以模塊化設(shè)計(jì)形式處理線路保護(hù)信號(hào)成為可能。設(shè)計(jì)思路是將8個(gè)信號(hào)作為一組模塊，成組設(shè)計(jì)，改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法將每個(gè)新項(xiàng)目都作為特定項(xiàng)目處理，遇到反差較大項(xiàng)目時(shí)修改設(shè)計(jì)圖導(dǎo)致工作量陡增和不確定性。模塊化成組設(shè)計(jì)既考慮到成組模塊加載到任何不同類型項(xiàng)目的可操作性，同時(shí)也兼顧允許每一組模塊局部調(diào)整的便利性。

1.4 I/O控制信號(hào)輸入與輸出模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著自動(dòng)化控制技術(shù)的飛速發(fā)展，以PLC為控制核心的客運(yùn)索道電氣控制系統(tǒng)集成化程度也隨之提升。輸入控制信號(hào)作為控制系統(tǒng)的觸角，將設(shè)備信號(hào)收集到控制系統(tǒng)，經(jīng)PLC整合判斷后，輸出控制信號(hào)傳輸給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使得索道電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較高的控制精度和更寬的控制廣度。

傳統(tǒng)的控制信號(hào)輸入與輸出方式是通過硬件線路逐一處理，面對龐大數(shù)量的信號(hào)采集需求，傳統(tǒng)方法既占用大批硬件資源同時(shí)也帶來巨大的維護(hù)需求。如何更好地滿足系統(tǒng)安裝和用戶使用需求，成為模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

模塊化策略整體解決思路是根據(jù)信號(hào)類型和位置將信號(hào)分組，處理后再以總線方式與系統(tǒng)控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。信號(hào)以4～20 mA模擬量、0～±10V模擬量，驅(qū)動(dòng)平臺(tái)、地下設(shè)備層、迂回平臺(tái)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等方面分類，設(shè)計(jì)從可靠性、傳輸速率和控制精度等多方面考慮。具體的信號(hào)傳輸方式可采用DeviceNet總線方式，就地接入分布式I/O模塊，再通過EtherNet/IP至DeviceNet或者ControlNet到DeviceNet網(wǎng)絡(luò)裝置連接到控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)端設(shè)備無縫集成。相較傳統(tǒng)方式，其優(yōu)點(diǎn)在于不受控制信號(hào)數(shù)量（網(wǎng)絡(luò)最多容納64個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)支持的I/O數(shù)量沒有限制）的限制，同時(shí)也節(jié)省了大量硬件敷設(shè)和維護(hù)人工成本。I/O控制信號(hào)通訊網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 I/O控制信號(hào)通訊網(wǎng)絡(luò)

用于DeviceNet常見網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)為粗纜和細(xì)纜2種圓形介質(zhì)。使用粗纜（d=12.2 mm）作為DeviceNet網(wǎng)絡(luò)主干線，細(xì)纜（d=6.9 mm）作為主干線和現(xiàn)場設(shè)備的連線，T形連接器安裝與主干線上，為分支電纜提供接口。圓形網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)如圖2所示。

圖2 DeviceNet網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)

1.5 監(jiān)控畫面模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，所有類型的客運(yùn)索道均可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)的可視化，盡管不同類型索道的設(shè)備類別不一致，但是無論固定式還是脫掛式索道，其基礎(chǔ)設(shè)備和驅(qū)動(dòng)方式是一致的。再基于I/O控制信號(hào)模塊化設(shè)計(jì)的原則，考慮以控制信號(hào)分類為基準(zhǔn)，可以對監(jiān)控畫面做基本框架模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)，以適用于所有種類的客運(yùn)索道的基本需求。在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行特殊性設(shè)計(jì)。

2 電控柜模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)舉例

電源進(jìn)線、主回路模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用見圖3所示，主電源進(jìn)線可直接接入控制柜母排，主、輔供電轉(zhuǎn)換方便、直觀，適用于各類客運(yùn)索道。

圖3 電源進(jìn)線、主回路模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

如圖4所示，依據(jù)電源分配原則，將控制三相異步電機(jī)的保護(hù)開關(guān)在電源進(jìn)線側(cè)統(tǒng)一規(guī)劃，既滿足被控設(shè)備基本控制要求，也可在容量和數(shù)量方面向下兼容，裝配簡潔、結(jié)構(gòu)緊湊，可應(yīng)用于各種類型索道。

圖4 電源分配模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

如圖5所示，對線路保護(hù)信號(hào)模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)，8個(gè)信號(hào)組成一個(gè)模塊，每個(gè)模塊預(yù)留2個(gè)備用單元，根據(jù)每個(gè)項(xiàng)目具體要求，增減模塊組，既可減少大量硬件裝配和配線工作，便于信號(hào)分組監(jiān)控，同時(shí)用戶的維護(hù)工作量也得以簡化，可滿足不同參數(shù)項(xiàng)目需求。

圖5 線路保護(hù)信號(hào)模塊-模式應(yīng)用

如圖6、圖7所示，在實(shí)際應(yīng)用中，I/O控制信號(hào)輸入輸出模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)，是指將I/O控制信號(hào)分類后在驅(qū)動(dòng)站設(shè)備層、迂回站就地采樣，再通過總線方式與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

圖6 I/O控制信號(hào)輸入輸出模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

圖7 I/O控制信號(hào)輸入輸出模塊-模式應(yīng)用

3 結(jié)語

在客運(yùn)索道電控柜優(yōu)化設(shè)計(jì)中引入模塊化設(shè)計(jì)理念，從供電和監(jiān)控等方面實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)模塊化，可直接應(yīng)用于各種類型的項(xiàng)目，縮短設(shè)計(jì)周期，并減少出錯(cuò)幾率。遇設(shè)計(jì)人員緊缺、工期緊急等情況，其成果尤顯重要。設(shè)計(jì)人員以模塊化電控柜硬件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，可將工作重心放到軟件設(shè)計(jì)上，兼顧特殊功能性設(shè)計(jì)，提升和完善產(chǎn)品質(zhì)量，滿足各類用戶的實(shí)際需求。在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，也相應(yīng)降低人力資源成本；電控柜的模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)，具備通用性、組合性和可兼容性，為產(chǎn)品進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)提供良好平臺(tái)。