基于模塊化策略的客運索道電控柜優化設計

段 琰 劉旭升 陳 虎 趙振邦 賈睿璽

北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

伴隨著我國旅游經濟的快速增長和滑雪運動的迅速崛起，客運索道作為旅游、滑雪等項目的核心的基礎設施建設之一，建設的數量正逐年增多。如何快速實現對各種形式復雜設備的電氣控制、滿足各類用戶實際需求，成為當前的重要課題。通過對客運索道電控柜的模塊化優化設計，可高效地完成每年數量龐大的項目需求。

針對客運索道的各種類型，將模塊化策略應用于客運索道電控柜的優化設計中，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，可應用于不同類型項目。模塊化優化設計方案有利于提高設計效率，縮短設計周期，降低人員時間成本，完成日益增多的設計任務量，保證項目工期，獲得更大的效益。

1 模塊化策略優化設計思路

客運索道電控柜的主要控制對象是電機，電機為驅動鋼絲繩及運載吊具提供動力。由于客運索道形式的多樣性、被驅動負載容量大小不一、電機選型多樣等原因，圍繞配套電機的控制系統設計亦是多種多樣，不同索道的電控柜、元器件參數、控制方式等各不相同，這為索道電控柜設計以及后期運行維護工作帶來很多不便。與此同時，盡管針對復雜被控對象的索道電控柜，實現的功能不盡相同，但是在功能分類之后，供電、監控等方面發掘相似度較高。主要包括電源進線與電源分配、主回路與控制回路、線路保護信號系統、I/O控制信號，以及監控終端等方面，為實現客運索道電控柜模塊優化設計工作提供了可能性。

1.1 電源進線與電源分配模塊化優化設計

客運索道屬于特種設備，根據各安全規范的要求，無論哪種形式的客運索道，電源進線均采用雙回路手動切換的供電方式，保證一路供電斷開時，另外一路供電可以及時切入，以保障將游客送回地面的時間最短。

電源分配設計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，分配時可預留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，設計時應全面考慮多種供電需求，并在電源容量配比方面設置安全裕量，以方便應對具體項目的控制回路模塊設計內容增減。

1.2 主回路和控制回路模塊化優化設計

主回路設計方向針對機械設備中所有受控電機，盡管每個項目需要控制的電機容量、數量不盡相同，主回路設計采取模塊化策略設計后，可以在整體設計保持穩定不變的情況下，僅作系統性微調即可。

控制回路設計分2個部分：主驅動控制回路設計和輔助驅動控制回路設計。無論哪種類型的客運索道，驅動部分均包含主驅動和輔助驅動2種方式，故主、輔驅控制回路可根據各自的功能需求形成2種模式設計。輔驅控制回路設計是以簡單、高效，便于操作和維護為原則，目的是當一路電源斷開，或者主驅動發生故障時，操作人員能以最快速度運轉輔驅，將乘客運至地面。輔驅控制回路電路設計以繼電邏輯控制形式為主。主驅動控制回路以自動化控制為核心思想，既能對控制系統全面把握，又能針對每一個執行機構進行精準控制，并能對所有故障數據、過程數據可視化處理，便于用戶及時把控設備運轉情況，一旦出現故障能及時處理。

1.3 線路保護信號處理模塊化優化設計

由于不同類型的客運索道線路地形、長度各異，導致線路保護信號產生差異，凸顯線路保護信號模塊化策略設計的必要性。得益于信號采集與運用方式上的共性特征，以模塊化設計形式處理線路保護信號成為可能。設計思路是將8個信號作為一組模塊，成組設計，改變了傳統設計方法將每個新項目都作為特定項目處理，遇到反差較大項目時修改設計圖導致工作量陡增和不確定性。模塊化成組設計既考慮到成組模塊加載到任何不同類型項目的可操作性，同時也兼顧允許每一組模塊局部調整的便利性。

1.4 I/O控制信號輸入與輸出模塊化優化設計

隨著自動化控制技術的飛速發展，以PLC為控制核心的客運索道電氣控制系統集成化程度也隨之提升。輸入控制信號作為控制系統的觸角，將設備信號收集到控制系統，經PLC整合判斷后，輸出控制信號傳輸給執行機構，使得索道電控系統實現較高的控制精度和更寬的控制廣度。

傳統的控制信號輸入與輸出方式是通過硬件線路逐一處理，面對龐大數量的信號采集需求，傳統方法既占用大批硬件資源同時也帶來巨大的維護需求。如何更好地滿足系統安裝和用戶使用需求，成為模塊化優化設計的重點。

模塊化策略整體解決思路是根據信號類型和位置將信號分組，處理后再以總線方式與系統控制中心進行數據傳輸。信號以4～20 mA模擬量、0～±10V模擬量，驅動平臺、地下設備層、迂回平臺、執行機構等方面分類，設計從可靠性、傳輸速率和控制精度等多方面考慮。具體的信號傳輸方式可采用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網絡裝置連接到控制系統，實現控制網絡與遠端設備無縫集成。相較傳統方式，其優點在于不受控制信號數量（網絡最多容納64個節點，每個節點支持的I/O數量沒有限制）的限制，同時也節省了大量硬件敷設和維護人工成本。I/O控制信號通訊網絡如圖1所示。

圖1 I/O控制信號通訊網絡

用于DeviceNet常見網絡介質為粗纜和細纜2種圓形介質。使用粗纜（d=12.2 mm）作為DeviceNet網絡主干線，細纜（d=6.9 mm）作為主干線和現場設備的連線，T形連接器安裝與主干線上，為分支電纜提供接口。圓形網絡介質如圖2所示。

圖2 DeviceNet網絡介質

1.5 監控畫面模塊化優化設計

目前，所有類型的客運索道均可實現實時數據、過程數據的可視化，盡管不同類型索道的設備類別不一致，但是無論固定式還是脫掛式索道，其基礎設備和驅動方式是一致的。再基于I/O控制信號模塊化設計的原則，考慮以控制信號分類為基準，可以對監控畫面做基本框架模塊化優化設計，以適用于所有種類的客運索道的基本需求。在此基礎上，再進行特殊性設計。

2 電控柜模塊化優化設計舉例

電源進線、主回路模塊化優化設計應用見圖3所示，主電源進線可直接接入控制柜母排，主、輔供電轉換方便、直觀，適用于各類客運索道。

圖3 電源進線、主回路模塊化優化設計應用

如圖4所示，依據電源分配原則，將控制三相異步電機的保護開關在電源進線側統一規劃，既滿足被控設備基本控制要求，也可在容量和數量方面向下兼容，裝配簡潔、結構緊湊，可應用于各種類型索道。

圖4 電源分配模塊化優化設計應用

如圖5所示，對線路保護信號模塊化優化設計，8個信號組成一個模塊，每個模塊預留2個備用單元，根據每個項目具體要求，增減模塊組，既可減少大量硬件裝配和配線工作，便于信號分組監控，同時用戶的維護工作量也得以簡化，可滿足不同參數項目需求。

圖5 線路保護信號模塊-模式應用

如圖6、圖7所示，在實際應用中，I/O控制信號輸入輸出模塊化優化設計，是指將I/O控制信號分類后在驅動站設備層、迂回站就地采樣，再通過總線方式與CPU進行數據通訊。

圖6 I/O控制信號輸入輸出模塊化優化設計應用

圖7 I/O控制信號輸入輸出模塊-模式應用

3 結語

在客運索道電控柜優化設計中引入模塊化設計理念，從供電和監控等方面實現功能設計模塊化，可直接應用于各種類型的項目，縮短設計周期，并減少出錯幾率。遇設計人員緊缺、工期緊急等情況，其成果尤顯重要。設計人員以模塊化電控柜硬件設計為基礎，可將工作重心放到軟件設計上，兼顧特殊功能性設計，提升和完善產品質量，滿足各類用戶的實際需求。在提高生產效率的同時，也相應降低人力資源成本；電控柜的模塊化優化設計，具備通用性、組合性和可兼容性，為產品進一步優化升級提供良好平臺。