一種基于光儲(chǔ)的索道吊箱智能監(jiān)控系統(tǒng)

林瑤瑤,王新增,鄭 義,吳炫睿,劉小輝

（1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038；2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819）

0 概述

索道吊箱是索道運(yùn)輸乘客的主要載體[1],其是否具備更加豐富的功能和乘坐舒適度會(huì)直接影響乘客的旅行體驗(yàn)。然而由于索道技術(shù)的特殊性,長(zhǎng)距離有線(xiàn)給單線(xiàn)索道吊箱輸送電能幾乎是不可能的。沒(méi)有充足的電能,就無(wú)法安裝電氣監(jiān)控設(shè)備,豐富吊箱功能和提高吊箱舒適性更無(wú)從談起,因此為吊箱提供持續(xù)的電力供應(yīng)成為當(dāng)務(wù)之急。同時(shí)隨著技術(shù)的發(fā)展,智能監(jiān)控、高速無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)越來(lái)越普及,借助于這些技術(shù),索道吊箱的智能化水平能夠得到很大提高[2]。

目前廣泛使用的索道吊箱大致分為兩種[3],一種是早期的索道吊箱,其設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)陋,基本沒(méi)有電氣設(shè)備,只是一個(gè)由金屬框架和鋼化玻璃組成的封閉空間,如果想要接受外部信息需要在支架上安裝喇叭等擴(kuò)音設(shè)備,這樣吊箱只有在經(jīng)過(guò)支架的時(shí)候才能接收到索道中央控制室提供的部分信息,同時(shí)也可能丟失很多信息。游客錯(cuò)失重要信息,不利于索道的安全運(yùn)行[4]。而且沒(méi)有暖通設(shè)備,夏天吊箱被置于暴曬之中,吊箱內(nèi)部溫度非常高,會(huì)降低游客的舒適度；另一種是安裝簡(jiǎn)單電氣設(shè)備。為了改善游客的旅行體驗(yàn),后期的索道吊箱會(huì)安裝少量通信廣播設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備,讓運(yùn)營(yíng)單位可以將必要信息完整的傳播給廣大游客。然而由于固定式索道的吊箱全生命周期都掛接在索道上,休息時(shí)間也不會(huì)入車(chē)庫(kù),因此無(wú)法為儲(chǔ)能設(shè)備充電,因此該方案不適合固定式索道,只適用于比較先進(jìn)的脫掛式索道。同時(shí)由于索道電池只有休息時(shí)間入庫(kù)后才能進(jìn)行充電,因此吊箱儲(chǔ)能設(shè)備的電量非常有限,這就限制了吊箱內(nèi)廣播播放的時(shí)間以及其他電氣設(shè)備的安裝。吊箱內(nèi)的廣播只能做間歇性播放,并要實(shí)時(shí)監(jiān)控電池電量,保證吊箱廣播可以在緊急情況下使用[5]。

為提高索道吊箱的乘坐舒適度和智能化監(jiān)控水平,給出了一種既適合于固定式索道,也適合于脫掛式索道,基于光伏儲(chǔ)能的索道吊箱智能監(jiān)控系統(tǒng)。選用單面單晶硅光伏組件作為光伏發(fā)電板,采用磷酸鐵鋰電池組作為儲(chǔ)能設(shè)備主體,以低功耗的暖通設(shè)備調(diào)節(jié)吊箱室內(nèi)溫度,以智能PLC為主控器,包括溫度、濕度、光照強(qiáng)度等檢測(cè)設(shè)備,4G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)、語(yǔ)音播放系統(tǒng)等共同組成吊箱智能監(jiān)控系統(tǒng)。最后在一個(gè)索道吊箱上驗(yàn)證了所提方案的有效性。索道吊箱智能監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖,如圖1所示。

圖1 索道吊箱智能監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖

1 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)

為索道吊箱提供連續(xù)可靠的電源是實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控的前提條件,太陽(yáng)能光伏發(fā)電是當(dāng)前已經(jīng)廣泛使用的清潔能源,是未來(lái)替代化石能源的發(fā)展方向之一。利用光伏發(fā)電和儲(chǔ)能設(shè)備為吊箱內(nèi)設(shè)備提供電源,是有效的電源解決方案之一。

索道吊箱的表面積較小,同時(shí)吊箱底面又無(wú)法利用,還要給游客留出一定面積的觀景窗口,因此充分利用空間,精確布置太陽(yáng)能發(fā)電板十分重要。

當(dāng)前新建索道中使用最多的吊箱是8人座吊箱,基本為長(zhǎng)方體,高2 136 mm、長(zhǎng)邊2 075 mm、寬2 027 mm。頂部面積約為4.2 m2,2個(gè)側(cè)面面積分別約為4.4 m2和4.3 m2,則吊箱側(cè)面的總面積為17.4 m2,實(shí)踐中為滿(mǎn)足游客的觀景需求,側(cè)面的利用率為70%,則側(cè)面有效發(fā)電面積為12.2 m2,白天光伏板的平均受光面積是側(cè)面面積的75%,則側(cè)面的有效平均發(fā)電面積是9.2 m2,頂部加側(cè)面的有效發(fā)電面積為13.35 m2。1.6 m×0.9 m太陽(yáng)能光伏發(fā)電板的發(fā)電功率是0.31 kWp,則可以計(jì)算得吊箱光伏發(fā)電系統(tǒng)的總發(fā)電能力是2.87 kWp。

索道吊箱如圖2所示,吊箱頂部與鋼索通過(guò)抱鎖器進(jìn)行連接。

圖2 索道吊箱結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)實(shí)際吊箱的條件,設(shè)計(jì)基于光伏儲(chǔ)能的索道吊箱供電系統(tǒng)由2.87 kWp光伏發(fā)電系統(tǒng)、7.25 kW儲(chǔ)能變流器+5.75 kW·h磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和整流穩(wěn)壓設(shè)備等其他一次、二次設(shè)備組成。

其中,光伏組件全部為單面單晶硅光伏組件,分別接入?yún)R流箱,經(jīng)穩(wěn)壓濾波電路處理后送入儲(chǔ)能控制系統(tǒng),將所發(fā)電儲(chǔ)存到磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中。

儲(chǔ)能裝置采用預(yù)裝式現(xiàn)場(chǎng)控制箱方式,將儲(chǔ)能變流器、儲(chǔ)能電池、能源管控系統(tǒng)、消防、風(fēng)扇等集成在控制箱內(nèi),置于吊箱游客的座位底下。儲(chǔ)能系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程通訊接口。整個(gè)光儲(chǔ)智能供電系統(tǒng)采用孤網(wǎng)運(yùn)行模式。穩(wěn)壓儲(chǔ)能設(shè)備在吊箱內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 穩(wěn)壓儲(chǔ)能設(shè)備內(nèi)部布置圖

索道吊箱光儲(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行模式是:

在夜間,將吊箱送到車(chē)庫(kù)中,利用索道停運(yùn)的時(shí)間可以為吊箱內(nèi)的儲(chǔ)能設(shè)備充電,儲(chǔ)能電池充滿(mǎn)電后會(huì)自動(dòng)與電源脫開(kāi),第二天早晨當(dāng)?shù)跸浔恢饌€(gè)送到索道上,就開(kāi)始正式工作。

在白天,索道正常運(yùn)行過(guò)程中,太陽(yáng)能光伏板發(fā)出的電能會(huì)存入儲(chǔ)能設(shè)備中,智能控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)儲(chǔ)能設(shè)備中的存儲(chǔ)能力和現(xiàn)存電量來(lái)綜合調(diào)配電能,當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備充滿(mǎn)后就會(huì)停止發(fā)電。儲(chǔ)能設(shè)備啟動(dòng)按離網(wǎng)模式啟動(dòng),以孤網(wǎng)模式運(yùn)行,當(dāng)出現(xiàn)極端天氣情況,例如連續(xù)三天陰雨天氣,光伏發(fā)電量大幅下降,智能控制系統(tǒng)就會(huì)減少吊箱內(nèi)用電設(shè)備的使用時(shí)間,綜合監(jiān)控光伏發(fā)電量和電池儲(chǔ)量,優(yōu)先保障最重要的用電需求?？梢栽谝归g索道停運(yùn)的時(shí)候,定期為光伏板做清潔以提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效能。

儲(chǔ)能設(shè)備為外部電源提供36 V、24 V、12 V三種直流電源輸出接口,吊箱內(nèi)的設(shè)備可以根據(jù)需要選擇不同接口來(lái)使用。儲(chǔ)能設(shè)備的穩(wěn)壓濾波電路采用DC-DC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)降壓。索道吊箱光儲(chǔ)供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖,如圖4所示。

圖4 索道吊箱光儲(chǔ)供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 智能監(jiān)控系統(tǒng)

由于光伏發(fā)電的發(fā)電量有限,同時(shí)從成本和重量等方面綜合考慮,儲(chǔ)能設(shè)備也不宜安裝太多,因此吊箱的電氣設(shè)備要盡可能合理配置,而且都要選擇低功耗的設(shè)備。

首先是廣播通信部分。廣播系統(tǒng)存儲(chǔ)了一些景區(qū)和當(dāng)?shù)靥禺a(chǎn)的廣告信息,平時(shí)在運(yùn)行中播放出來(lái)可以起到宣傳作用。由于系統(tǒng)中加入了光伏發(fā)電模塊,因此電能是源源不斷的,這樣就可以改變吊箱內(nèi)廣播的播放模式,甚至實(shí)現(xiàn)連續(xù)播放,可以提高宣傳效果。而在緊急情況下,可以不間斷發(fā)布中央控制室提供的消息,安撫吊箱內(nèi)的游客,屏幕上也會(huì)播放相應(yīng)的宣傳片,是索道吊箱非常重要的設(shè)備。無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)采用4G通信模塊與中央控制室交換信息,采用擴(kuò)音喇叭進(jìn)行播放。平時(shí)的宣傳資料則裝在TF存儲(chǔ)卡中循環(huán)播放,當(dāng)然系統(tǒng)會(huì)設(shè)置為優(yōu)先播放中央控制室的通告信息。當(dāng)索道吊箱內(nèi)的儲(chǔ)能設(shè)備電量不足的時(shí)候就停止宣傳材料的播放,剩余電量必須保證廣播系統(tǒng)48 h使用,以便中央控制室的緊急通知隨時(shí)可以傳達(dá)到吊箱內(nèi)。

其次是低功耗的空調(diào)暖通系統(tǒng),夏天索道運(yùn)行最為繁忙,吊箱大部分時(shí)間是在白天使用,索道吊箱在空中懸掛,白天劇烈的陽(yáng)光會(huì)直曬吊箱,吊箱內(nèi)的溫度會(huì)很高。如果給吊箱配置低功耗的空調(diào)系統(tǒng),可以間歇性為吊箱降溫,增加吊箱內(nèi)游客的舒適度。冬天索道吊箱內(nèi)溫度會(huì)比較低,暖通系統(tǒng)會(huì)根據(jù)吊箱室內(nèi)的溫度,間歇性為吊箱供暖。空調(diào)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)中央控制室提供的天氣情況、吊箱內(nèi)部的溫濕度情況和儲(chǔ)能設(shè)備的現(xiàn)存能量綜合考慮,來(lái)調(diào)節(jié)吊箱內(nèi)的溫度。此功能屬于輔助功能,只在索道能源充足的時(shí)候酌情進(jìn)行啟動(dòng)。

第三是智能監(jiān)控系統(tǒng)。只有掌握吊箱內(nèi)的基本情況才能更好的實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控,在吊箱內(nèi)安裝溫濕度一體傳感器SHT11,用以采集吊箱內(nèi)的溫度和濕度,并發(fā)送給控制系統(tǒng),同時(shí)接受索道中央控制室的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該傳感器在常溫下的測(cè)溫精度為25℃±0.5℃,濕度精度為±3.0%RH,采用串行通信方式傳輸數(shù)據(jù)。這完全可以滿(mǎn)足吊箱監(jiān)控對(duì)溫濕度的要求。

有了檢測(cè)部分和各執(zhí)行機(jī)構(gòu),還要配置一個(gè)綜合的智能監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)度各部分,匯總中央控制室和各子模塊的信息,并將各種信息進(jìn)行綜合分析處理后做出決策。監(jiān)控系統(tǒng)的核心為一臺(tái)可編程控制器(PLC)加一個(gè)帶有觸摸功能的顯示屏的解決方案。采用西門(mén)子PLC S7-200 smart控制,與顯示屏采用以太網(wǎng)通信。在緊急情況下,顯示屏上可以顯示幾個(gè)緊急救援人員的電話(huà)號(hào)碼,在緊急情況下,游客可以給中央控制室的工作人員打電話(huà)溝通索道吊箱內(nèi)的情況。

3 結(jié)論

所研制的智能吊箱對(duì)傳統(tǒng)索道吊箱進(jìn)行改造,充分利用吊箱表面積,增加了光伏發(fā)電系統(tǒng),為索道吊箱增加電氣設(shè)備提供了持續(xù)型能源保障。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)增加了電能匯流和儲(chǔ)存系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)、觸摸屏互動(dòng)交互系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、低功耗暖通系統(tǒng)等智能控制設(shè)備,搭建了更加智能化和人性化的索道吊箱系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了吊箱內(nèi)廣播連續(xù)播放,可以播放更多景點(diǎn)信息、旅游地信息和待推廣產(chǎn)品信息,增加了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,起到宣傳當(dāng)?shù)?、宣傳?dāng)?shù)禺a(chǎn)品和宣傳景區(qū)的作用。同時(shí)對(duì)提高索道工程技術(shù)具有重要意義。