一種兼容切換功能的脫掛索道中間站人機(jī)交互系統(tǒng)

賈睿璽 劉旭升 段 琰 鄭 泓 馮顯宗

1 北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計研究院 北京 100007 2 機(jī)械工業(yè)物料搬運(yùn)工程技術(shù)研究中心 北京 100007

0 引言

根據(jù)實際山地地形、運(yùn)量、運(yùn)行模式、線路長度等因素，客運(yùn)索道可分為單線循環(huán)固定抱索器吊椅（廂、籃）式索道（固定索道）、單線脈動循環(huán)固定抱索器吊廂式索道（脈動索道）、雙線往復(fù)吊廂式索道（往復(fù)索道）和單線循環(huán)脫掛抱索器吊廂（椅）式索道（脫掛索道）。固定索道結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)輸能力較小、運(yùn)量和運(yùn)行速度較低；脈動索道雖然運(yùn)行速度較高，但是站內(nèi)運(yùn)行距離較短、站內(nèi)運(yùn)行速度較快（一般在0.4 m/s 左右），使得乘客在站內(nèi)上下車不便；往復(fù)索道抗風(fēng)性能良好、運(yùn)行速度較快（最高速度可達(dá)到12 m/s），同時跨越能力強(qiáng)（最大跨度超過1 000 m），適用于跨江、跨河、高山峽谷等特殊地形。

相比于以上3 種類型索道，除往復(fù)式索道外，脫掛索道彌補(bǔ)了固定索道和脈動索道的不足，適應(yīng)于絕大多數(shù)山地地形，其顯著的優(yōu)勢在于爬升能力強(qiáng)（索道高差能夠接近1 km）、運(yùn)量大、自動化程度高（抱索器進(jìn)出站自動脫開與掛結(jié)、站內(nèi)與站外運(yùn)行速度自動分級）、游客上下車便捷（站內(nèi)運(yùn)行距離較長、運(yùn)行速度可根據(jù)索道站外速度成比例變化，國產(chǎn)索道站內(nèi)最高運(yùn)行速度一般為0.35 m/s 左右），不論是旅游索道，還是滑雪索道，在國內(nèi)外在建或已投入運(yùn)營的索道中逐漸成為主流客運(yùn)索道，受到廣泛青睞。

當(dāng)單條脫掛索道線路較長（一般超過3 km）、運(yùn)量需求較大時，對應(yīng)所需的單條脫掛索道驅(qū)動力、鋼絲繩選型、驅(qū)動輪和迂回輪承受力等都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過索道拖動機(jī)械系統(tǒng)能夠承受的極限，難以滿足實際要求，此時索道需要進(jìn)行分段設(shè)計與分段運(yùn)行?；趩螚l脫掛索道總體設(shè)計方法，利用現(xiàn)有脫掛索道技術(shù)，首先使索道驅(qū)動力進(jìn)行分步，然后再合成，即將索道線路進(jìn)行分級，每一級為一個子索道，各子索道通過級聯(lián)形式接力完成索道整體線路的聯(lián)動運(yùn)行；同時，每個子索道具備單獨運(yùn)行功能，當(dāng)單獨運(yùn)行條件滿足時，各子索道運(yùn)行互不干涉。因此，在上一級子索道與下一級子索道級聯(lián)處，需建立一個中轉(zhuǎn)切換站或中轉(zhuǎn)樞紐站，即中間站，此站可完成索道的拆分和合并。子索道可稱為A 段和B 段、A線和B 線、上段和下段、南線和北線等。目前，國內(nèi)線路較長的索道長度約為7 ～8 km，采用的是兩級脫掛索道+單個中間站級聯(lián)形式，中間站可以是驅(qū)動站與驅(qū)動站、驅(qū)動站與迂回站、迂回站與迂回站任意組合形式。

帶有中間站的脫掛索道給用戶在索道實際需要的吊廂數(shù)量和索道的運(yùn)行方式選擇上增加了靈活性：用戶可以根據(jù)天氣、旅游淡季和旺季、游客量等客觀因素提前決定索道吊廂投運(yùn)數(shù)量，以及將索道切換為獨立運(yùn)行或者聯(lián)動運(yùn)行方式。特別是對于高差較大的帶中間站脫掛索道，溫度隨著海拔升高變化明顯，特殊時間、特殊氣候的高海拔地區(qū)不宜觀賞和駐足，用戶亦可決定某一段索道運(yùn)行，而另一段不運(yùn)行，索道進(jìn)行分時復(fù)用。

本文介紹了一種兼容切換功能的脫掛索道中間站人機(jī)交互系統(tǒng)，該系統(tǒng)在保證基本人機(jī)交互功能基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了兩條脫掛索道在聯(lián)動運(yùn)行與獨立運(yùn)行之間任意切換功能；并對索道全周期運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)控，采用條形圖、曲線圖等不同數(shù)形結(jié)合方式展現(xiàn)相關(guān)數(shù)字量、模擬量變化過程，為索道工作人員提供相對準(zhǔn)確、實時的主要運(yùn)行設(shè)備工況信息。

1 聯(lián)動運(yùn)行與獨立運(yùn)行切換

圖1 為脫掛索道中間站切換機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖，其主要由彎段抬升機(jī)構(gòu)、直線段抬升機(jī)構(gòu)、直線段推車機(jī)構(gòu)、彎段推車機(jī)構(gòu)組成。彎段抬升機(jī)構(gòu)與彎段推車機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)完成子索道彎段處的獨立運(yùn)行，直線段抬升機(jī)構(gòu)與直線段推車機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)完成兩級脫掛索道連接處直線段的獨立運(yùn)行。其中，抬升機(jī)構(gòu)由交流電動推桿提供動力，推車機(jī)構(gòu)由交流電動機(jī)、皮帶張緊裝置和變頻器提供動力。根據(jù)聯(lián)動運(yùn)行與獨立運(yùn)行工況，抬升機(jī)構(gòu)可以對應(yīng)抬起和落下，并附帶抬起到位和落下到位檢測功能，防止抬升機(jī)構(gòu)過度抬起和落下而損壞電動推桿。

在抬升機(jī)構(gòu)到位和索道正常運(yùn)行后，變頻器同步驅(qū)動推車機(jī)構(gòu)工作。主要工作流程為：交流電動機(jī)受控于變頻器，皮帶張緊裝置作為交流電動機(jī)的負(fù)載跟隨電動機(jī)運(yùn)行，進(jìn)而帶動輪胎順時針或逆時針轉(zhuǎn)動，吊廂在直線段和彎段實現(xiàn)雙向加速、減速和勻速運(yùn)行。變頻器啟動條件和運(yùn)行方向由聯(lián)動運(yùn)行和獨立運(yùn)行啟動條件和運(yùn)行方向決定，其速度給定由PLC 控制系統(tǒng)根據(jù)索道線路速度相應(yīng)確定，使吊廂通過直線段和彎段時速度與站內(nèi)速度同步。

索道聯(lián)動運(yùn)行時，此時各切換點位狀態(tài)為：彎段抬升機(jī)構(gòu)處于抬起狀態(tài)，直線段抬升機(jī)構(gòu)處于落下狀態(tài)，彎段推車機(jī)構(gòu)處于停止?fàn)顟B(tài)，直線段推車機(jī)構(gòu)處于運(yùn)行狀態(tài)。兩級索道線路合二為一，合并成為一條索道，直線段推車機(jī)構(gòu)啟動條件與運(yùn)行方向受控于整條索道。

索道獨立運(yùn)行時，此時各切換點位狀態(tài)為：彎段抬升機(jī)構(gòu)處于落下狀態(tài)，直線段抬升機(jī)構(gòu)處于抬起狀態(tài)，彎段推車機(jī)構(gòu)處于運(yùn)行狀態(tài)，直線段推車機(jī)構(gòu)處于停止?fàn)顟B(tài)。整條索道線路一分為二，拆分成為2 條獨立索道。彎段推車機(jī)構(gòu)啟動條件與運(yùn)行方向僅受控于所屬獨立索道。

上述每個抬升機(jī)構(gòu)狀態(tài)，即抬起到位和落下到位位置，由多個限位開關(guān)和接近開關(guān)的狀態(tài)信息組合來實現(xiàn)，如在圖1 中，當(dāng)彎段抬升機(jī)構(gòu)a 處于落下到位狀態(tài)時，直線段抬升機(jī)構(gòu)a 狀態(tài)必須為抬起到位，且每個機(jī)構(gòu)的位置鎖定工具-銷子也必須鎖定到位。機(jī)構(gòu)抬升與落下動作指令在硬件回路與程序控制中具備雙互鎖功能，安全等級較高，最大限度減少了直線段機(jī)構(gòu)與彎段機(jī)構(gòu)定位不佳或交叉工作而引起的安全隱患，若機(jī)構(gòu)初始狀態(tài)直線段機(jī)構(gòu)a 為抬起到位，彎段機(jī)構(gòu)a 為落下到位，如果想改變狀態(tài)，彎段機(jī)構(gòu)a 需先執(zhí)行抬升動作指令，此時直線段機(jī)構(gòu)a 禁止動作；彎段機(jī)構(gòu)a 抬起到位之后，直線段機(jī)構(gòu)a 才能執(zhí)行落下動作指令。任何抬升機(jī)構(gòu)狀態(tài)檢測的異常情況都會觸發(fā)系統(tǒng)報警，索道停止運(yùn)行。

在對各機(jī)構(gòu)精確定位前提下，根據(jù)實際情況，聯(lián)動運(yùn)行切換和獨立運(yùn)行切換可就地在控制箱中進(jìn)行操作；亦可在觸摸屏、手機(jī)等終端上顯示狀態(tài)信息并完成遠(yuǎn)程切換操作。

2 索道運(yùn)行工況全周期監(jiān)控

系統(tǒng)對索道全周期運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)控，采用條形圖、曲線圖等不同數(shù)形結(jié)合方式展現(xiàn)相關(guān)數(shù)字量、模擬量變化過程，其中，索道運(yùn)行速度、電動機(jī)和減速器溫度、電動機(jī)運(yùn)行電流為索道常用監(jiān)測模擬量，中間站切換點位狀態(tài)為索道常用監(jiān)測數(shù)字量。若有運(yùn)行工況數(shù)據(jù)變化異常，索道根據(jù)故障等級立即執(zhí)行相應(yīng)制動模式。

1)系統(tǒng)對獨立和聯(lián)動時索道的主電動機(jī)速度、驅(qū)動輪速度、中間站直線段和彎段速度進(jìn)行實時監(jiān)控。其中，電動機(jī)速度、驅(qū)動輪速度范圍為-3.3 ～6.6 m/s，中間站直線段和彎段速度范圍為-0.35 ～0.35 m/s。索道啟動過程中，運(yùn)行速度逐步按照給定速度增加或減少，最后穩(wěn)定；在運(yùn)行速度穩(wěn)定前，短時間內(nèi)的速度超調(diào)現(xiàn)象屬于正常狀態(tài)，但是如果運(yùn)行速度一直處于振蕩狀態(tài)，在給定速度基準(zhǔn)值處正負(fù)超調(diào)量較大，原因可能有電動機(jī)編碼器反饋故障或電動機(jī)參數(shù)優(yōu)化不佳等，需進(jìn)行進(jìn)一步故障排查。

索道各類反饋速度也具備自檢功能。當(dāng)子索道驅(qū)動站內(nèi)的電動機(jī)速度與驅(qū)動輪速度差值較大時，系統(tǒng)執(zhí)行安全制動模式；當(dāng)任一類速度超過允許范圍時，系統(tǒng)執(zhí)行緊急制動模式。

2)系統(tǒng)對索道電動機(jī)和減速器的溫度進(jìn)行實時監(jiān)控，包括電動機(jī)前軸承溫度、后軸承溫度、繞組溫度、減速器軸承和齒輪箱溫度。其中，電動機(jī)各溫度范圍為-40 ～149℃，減速器軸承和齒輪箱溫度范圍為-40 ～90℃。當(dāng)電動機(jī)各溫度大于119℃或減速器軸承和齒輪箱溫度大于70℃時，系統(tǒng)發(fā)出報警；當(dāng)電動機(jī)各溫度大于139℃或減速器軸承和齒輪箱溫度大于80℃時，系統(tǒng)執(zhí)行安全制動模式；當(dāng)各類溫度傳感器異常時，系統(tǒng)執(zhí)行安全制動模式。減速器外圍安裝有冷卻設(shè)備或潤滑設(shè)備，該設(shè)備根據(jù)減速器齒輪箱溫度而啟動和停止：當(dāng)減速器齒輪箱溫度大于55℃時，冷卻設(shè)備開始工作；直到減速器齒輪箱溫度小于45℃，冷卻設(shè)備停止工作。

3)系統(tǒng)對索道電動機(jī)的運(yùn)行電流進(jìn)行實時監(jiān)控。電動機(jī)運(yùn)行電流較為直觀地反映了電流隨索道速度和負(fù)載變化趨勢：索道啟動、制動過程中變化較大，運(yùn)行過程中相對穩(wěn)定。當(dāng)電動機(jī)實時運(yùn)行電流超過電動機(jī)額定電流的±150%時，系統(tǒng)執(zhí)行安全制動模式。

此外，電流曲線波動的平穩(wěn)性，在索道啟動、運(yùn)行和制動過程中也可反饋出電動機(jī)控制參數(shù)優(yōu)化性能，有助于進(jìn)一步優(yōu)化電動機(jī)控制參數(shù)。

4)系統(tǒng)對中間站切換點位狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。每一個點位反映了直線段和彎段關(guān)鍵部位位置狀態(tài)情況，如直線段和彎段抬升機(jī)構(gòu)抬起、落下是否到位、用于鎖定抬升機(jī)構(gòu)的定位設(shè)備是否到位等，為操作人員對中間站整體聯(lián)動運(yùn)行和獨立運(yùn)行相互切換提供了準(zhǔn)確的狀態(tài)信息，操作人員可以根據(jù)這些信息為索道正常運(yùn)行對應(yīng)進(jìn)行機(jī)構(gòu)調(diào)整。定位設(shè)備一般為定位銷，分為手動推桿和電動推桿2 種，手動推桿需人工進(jìn)行操作，將推桿插入定位孔中，然后用螺母將推桿末端進(jìn)行固定；推桿的伸長和縮短到位信號由接近開關(guān)來獲取；而電動推桿的伸長和縮短指令由PLC 控制系統(tǒng)發(fā)出，其伸長和縮短的到位信號通過讀取電動推桿內(nèi)部附帶的電位器模擬量值來獲取。若有任何一個點位狀態(tài)不到位，系統(tǒng)中的索道啟動條件會自動對應(yīng)提示，其造成的原因可能有檢測開關(guān)安裝位置不準(zhǔn)確、硬件接線有誤、電源供電異?；蛘邆鞲衅鳟惓５?，操作人員需逐一排查。在緊急情況下，如果因上述點位狀態(tài)異常造成索道停止運(yùn)行，此時吊廂中還有乘客，需先將乘客轉(zhuǎn)運(yùn)至索道站。系統(tǒng)在硬件回路和PLC 控制系統(tǒng)中都對到位信號設(shè)置有屏蔽功能，操作人員可在索道負(fù)責(zé)人同意情況下啟動此屏蔽模式，索道限速運(yùn)行。當(dāng)把乘客轉(zhuǎn)運(yùn)完畢后，需立即關(guān)閉屏蔽模式，檢查點位狀態(tài)不到位原因。

3 可靠的硬件組態(tài)和定制的中間站收/發(fā)車功能

系統(tǒng)硬件組態(tài)采用PLC 組態(tài)+可視化界面+整流器+變頻器+以太網(wǎng)+無線局域網(wǎng)的模式，長期運(yùn)行，其穩(wěn)定性和可靠性較高。

在保證脫掛索道中間站聯(lián)動運(yùn)行和獨立運(yùn)行穩(wěn)定切換基礎(chǔ)上，根據(jù)實際運(yùn)行狀態(tài)，利用離合器對索道吊廂運(yùn)行進(jìn)行相應(yīng)的阻車和放行控制，實現(xiàn)定制的中間站發(fā)車/調(diào)車功能。

當(dāng)聯(lián)動運(yùn)行時，若吊廂車庫位于中間站兩側(cè)，發(fā)車方向為順時針方向，此時根據(jù)圖1 所示的脫掛索道中間站切換機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖，在發(fā)車過程中，彎段抬升機(jī)構(gòu)處于抬起狀態(tài)，直線段抬升機(jī)構(gòu)處于落下狀態(tài)，彎段推車機(jī)構(gòu)處于停止?fàn)顟B(tài)，直線段推車機(jī)構(gòu)處于運(yùn)行狀態(tài)。在聯(lián)動運(yùn)行時，位于直線段上的上行阻車離合器和下行阻車離合器根據(jù)吊廂間距自動對吊廂進(jìn)行阻車和放行：當(dāng)間距未達(dá)到設(shè)定值時，吊廂在經(jīng)過離合器過程中，離合器一直處于阻車狀態(tài)，吊廂靜止；當(dāng)間距達(dá)到設(shè)定值時，離合器轉(zhuǎn)為放行狀態(tài)，吊廂運(yùn)行，這種發(fā)車功能可使全部吊廂均勻分布于線路上。在正常運(yùn)行過程中，位于中間站靠近出站側(cè)的離合器-排車離合器，具有調(diào)車功能，即發(fā)揮了在發(fā)車過程中上行阻車離合器和下行阻車離合器的功能，對吊廂間距自動調(diào)整。

索道收車、正常運(yùn)行和發(fā)車3 種工況下，中間站所有離合器除了具備對吊廂自動阻車和放行功能外，還能在本地控制箱或者觸摸屏、手機(jī)等終端上進(jìn)行點動阻車和點動放行操作，人工調(diào)整吊廂間距，為索道工作人員提供了便利的操作條件，特別對大運(yùn)量索道吊廂間距調(diào)整幫助較大。

4 結(jié)語

本文所述的一種兼容切換功能的脫掛索道中間站人機(jī)交互系統(tǒng)，從自動控制和手動控制2 方面有效地解決了帶有中間站的脫掛索道聯(lián)動運(yùn)行與獨立運(yùn)行的切換問題。未來專注于不斷提高該系統(tǒng)的數(shù)字化、自動化和可視化，使系統(tǒng)的智能化水平得到有效的提升；同時致力于實現(xiàn)穩(wěn)定、高效、快速的中間站一鍵式切換解決方案，以期為帶有中間站的脫掛索道的進(jìn)一步升級和優(yōu)化提供技術(shù)參考。