贾睿玺 刘旭升 段 琰 郑 泓 冯显宗

1 北京起重运输机械设计研究院 北京 100007 2 机械工业物料搬运工程技术研究中心 北京 100007

0 引言

根据实际山地地形、运量、运行模式、线路长度等因素，客运索道可分为单线循环固定抱索器吊椅（厢、篮）式索道（固定索道）、单线脉动循环固定抱索器吊厢式索道（脉动索道）、双线往复吊厢式索道（往复索道）和单线循环脱挂抱索器吊厢（椅）式索道（脱挂索道）。固定索道结构简单、运输能力较小、运量和运行速度较低；脉动索道虽然运行速度较高，但是站内运行距离较短、站内运行速度较快（一般在0.4 m/s 左右），使得乘客在站内上下车不便；往复索道抗风性能良好、运行速度较快（最高速度可达到12 m/s），同时跨越能力强（最大跨度超过1 000 m），适用于跨江、跨河、高山峡谷等特殊地形。

相比于以上3 种类型索道，除往复式索道外，脱挂索道弥补了固定索道和脉动索道的不足，适应于绝大多数山地地形，其显著的优势在于爬升能力强（索道高差能够接近1 km）、运量大、自动化程度高（抱索器进出站自动脱开与挂结、站内与站外运行速度自动分级）、游客上下车便捷（站内运行距离较长、运行速度可根据索道站外速度成比例变化，国产索道站内最高运行速度一般为0.35 m/s 左右），不论是旅游索道，还是滑雪索道，在国内外在建或已投入运营的索道中逐渐成为主流客运索道，受到广泛青睐。

当单条脱挂索道线路较长（一般超过3 km）、运量需求较大时，对应所需的单条脱挂索道驱动力、钢丝绳选型、驱动轮和迂回轮承受力等都远远超过索道拖动机械系统能够承受的极限，难以满足实际要求，此时索道需要进行分段设计与分段运行。基于单条脱挂索道总体设计方法，利用现有脱挂索道技术，首先使索道驱动力进行分步，然后再合成，即将索道线路进行分级，每一级为一个子索道，各子索道通过级联形式接力完成索道整体线路的联动运行；同时，每个子索道具备单独运行功能，当单独运行条件满足时，各子索道运行互不干涉。因此，在上一级子索道与下一级子索道级联处，需建立一个中转切换站或中转枢纽站，即中间站，此站可完成索道的拆分和合并。子索道可称为A 段和B 段、A线和B 线、上段和下段、南线和北线等。目前，国内线路较长的索道长度约为7 ～8 km，采用的是两级脱挂索道+单个中间站级联形式，中间站可以是驱动站与驱动站、驱动站与迂回站、迂回站与迂回站任意组合形式。

带有中间站的脱挂索道给用户在索道实际需要的吊厢数量和索道的运行方式选择上增加了灵活性：用户可以根据天气、旅游淡季和旺季、游客量等客观因素提前决定索道吊厢投运数量，以及将索道切换为独立运行或者联动运行方式。特别是对于高差较大的带中间站脱挂索道，温度随着海拔升高变化明显，特殊时间、特殊气候的高海拔地区不宜观赏和驻足，用户亦可决定某一段索道运行，而另一段不运行，索道进行分时复用。

本文介绍了一种兼容切换功能的脱挂索道中间站人机交互系统，该系统在保证基本人机交互功能基础上，实现了两条脱挂索道在联动运行与独立运行之间任意切换功能；并对索道全周期运行工况进行监控，采用条形图、曲线图等不同数形结合方式展现相关数字量、模拟量变化过程，为索道工作人员提供相对准确、实时的主要运行设备工况信息。

1 联动运行与独立运行切换

图1 为脱挂索道中间站切换机械结构示意图，其主要由弯段抬升机构、直线段抬升机构、直线段推车机构、弯段推车机构组成。弯段抬升机构与弯段推车机构负责完成子索道弯段处的独立运行，直线段抬升机构与直线段推车机构负责完成两级脱挂索道连接处直线段的独立运行。其中，抬升机构由交流电动推杆提供动力，推车机构由交流电动机、皮带张紧装置和变频器提供动力。根据联动运行与独立运行工况，抬升机构可以对应抬起和落下，并附带抬起到位和落下到位检测功能，防止抬升机构过度抬起和落下而损坏电动推杆。

在抬升机构到位和索道正常运行后，变频器同步驱动推车机构工作。主要工作流程为：交流电动机受控于变频器，皮带张紧装置作为交流电动机的负载跟随电动机运行，进而带动轮胎顺时针或逆时针转动，吊厢在直线段和弯段实现双向加速、减速和匀速运行。变频器启动条件和运行方向由联动运行和独立运行启动条件和运行方向决定，其速度给定由PLC 控制系统根据索道线路速度相应确定，使吊厢通过直线段和弯段时速度与站内速度同步。

索道联动运行时，此时各切换点位状态为：弯段抬升机构处于抬起状态，直线段抬升机构处于落下状态，弯段推车机构处于停止状态，直线段推车机构处于运行状态。两级索道线路合二为一，合并成为一条索道，直线段推车机构启动条件与运行方向受控于整条索道。

索道独立运行时，此时各切换点位状态为：弯段抬升机构处于落下状态，直线段抬升机构处于抬起状态，弯段推车机构处于运行状态，直线段推车机构处于停止状态。整条索道线路一分为二，拆分成为2 条独立索道。弯段推车机构启动条件与运行方向仅受控于所属独立索道。

上述每个抬升机构状态，即抬起到位和落下到位位置，由多个限位开关和接近开关的状态信息组合来实现，如在图1 中，当弯段抬升机构a 处于落下到位状态时，直线段抬升机构a 状态必须为抬起到位，且每个机构的位置锁定工具-销子也必须锁定到位。机构抬升与落下动作指令在硬件回路与程序控制中具备双互锁功能，安全等级较高，最大限度减少了直线段机构与弯段机构定位不佳或交叉工作而引起的安全隐患，若机构初始状态直线段机构a 为抬起到位，弯段机构a 为落下到位，如果想改变状态，弯段机构a 需先执行抬升动作指令，此时直线段机构a 禁止动作；弯段机构a 抬起到位之后，直线段机构a 才能执行落下动作指令。任何抬升机构状态检测的异常情况都会触发系统报警，索道停止运行。

在对各机构精确定位前提下，根据实际情况，联动运行切换和独立运行切换可就地在控制箱中进行操作；亦可在触摸屏、手机等终端上显示状态信息并完成远程切换操作。

2 索道运行工况全周期监控

系统对索道全周期运行工况进行监控，采用条形图、曲线图等不同数形结合方式展现相关数字量、模拟量变化过程，其中，索道运行速度、电动机和减速器温度、电动机运行电流为索道常用监测模拟量，中间站切换点位状态为索道常用监测数字量。若有运行工况数据变化异常，索道根据故障等级立即执行相应制动模式。

1)系统对独立和联动时索道的主电动机速度、驱动轮速度、中间站直线段和弯段速度进行实时监控。其中，电动机速度、驱动轮速度范围为-3.3 ～6.6 m/s，中间站直线段和弯段速度范围为-0.35 ～0.35 m/s。索道启动过程中，运行速度逐步按照给定速度增加或减少，最后稳定；在运行速度稳定前，短时间内的速度超调现象属于正常状态，但是如果运行速度一直处于振荡状态，在给定速度基准值处正负超调量较大，原因可能有电动机编码器反馈故障或电动机参数优化不佳等，需进行进一步故障排查。

索道各类反馈速度也具备自检功能。当子索道驱动站内的电动机速度与驱动轮速度差值较大时，系统执行安全制动模式；当任一类速度超过允许范围时，系统执行紧急制动模式。

2)系统对索道电动机和减速器的温度进行实时监控，包括电动机前轴承温度、后轴承温度、绕组温度、减速器轴承和齿轮箱温度。其中，电动机各温度范围为-40 ～149℃，减速器轴承和齿轮箱温度范围为-40 ～90℃。当电动机各温度大于119℃或减速器轴承和齿轮箱温度大于70℃时，系统发出报警；当电动机各温度大于139℃或减速器轴承和齿轮箱温度大于80℃时，系统执行安全制动模式；当各类温度传感器异常时，系统执行安全制动模式。减速器外围安装有冷却设备或润滑设备，该设备根据减速器齿轮箱温度而启动和停止：当减速器齿轮箱温度大于55℃时，冷却设备开始工作；直到减速器齿轮箱温度小于45℃，冷却设备停止工作。

3)系统对索道电动机的运行电流进行实时监控。电动机运行电流较为直观地反映了电流随索道速度和负载变化趋势：索道启动、制动过程中变化较大，运行过程中相对稳定。当电动机实时运行电流超过电动机额定电流的±150%时，系统执行安全制动模式。

此外，电流曲线波动的平稳性，在索道启动、运行和制动过程中也可反馈出电动机控制参数优化性能，有助于进一步优化电动机控制参数。

4)系统对中间站切换点位状态进行实时监控。每一个点位反映了直线段和弯段关键部位位置状态情况，如直线段和弯段抬升机构抬起、落下是否到位、用于锁定抬升机构的定位设备是否到位等，为操作人员对中间站整体联动运行和独立运行相互切换提供了准确的状态信息，操作人员可以根据这些信息为索道正常运行对应进行机构调整。定位设备一般为定位销，分为手动推杆和电动推杆2 种，手动推杆需人工进行操作，将推杆插入定位孔中，然后用螺母将推杆末端进行固定；推杆的伸长和缩短到位信号由接近开关来获取；而电动推杆的伸长和缩短指令由PLC 控制系统发出，其伸长和缩短的到位信号通过读取电动推杆内部附带的电位器模拟量值来获取。若有任何一个点位状态不到位，系统中的索道启动条件会自动对应提示，其造成的原因可能有检测开关安装位置不准确、硬件接线有误、电源供电异常或者传感器异常等，操作人员需逐一排查。在紧急情况下，如果因上述点位状态异常造成索道停止运行，此时吊厢中还有乘客，需先将乘客转运至索道站。系统在硬件回路和PLC 控制系统中都对到位信号设置有屏蔽功能，操作人员可在索道负责人同意情况下启动此屏蔽模式，索道限速运行。当把乘客转运完毕后，需立即关闭屏蔽模式，检查点位状态不到位原因。

3 可靠的硬件组态和定制的中间站收/发车功能

系统硬件组态采用PLC 组态+可视化界面+整流器+变频器+以太网+无线局域网的模式，长期运行，其稳定性和可靠性较高。

在保证脱挂索道中间站联动运行和独立运行稳定切换基础上，根据实际运行状态，利用离合器对索道吊厢运行进行相应的阻车和放行控制，实现定制的中间站发车/调车功能。

当联动运行时，若吊厢车库位于中间站两侧，发车方向为顺时针方向，此时根据图1 所示的脱挂索道中间站切换机械结构示意图，在发车过程中，弯段抬升机构处于抬起状态，直线段抬升机构处于落下状态，弯段推车机构处于停止状态，直线段推车机构处于运行状态。在联动运行时，位于直线段上的上行阻车离合器和下行阻车离合器根据吊厢间距自动对吊厢进行阻车和放行：当间距未达到设定值时，吊厢在经过离合器过程中，离合器一直处于阻车状态，吊厢静止；当间距达到设定值时，离合器转为放行状态，吊厢运行，这种发车功能可使全部吊厢均匀分布于线路上。在正常运行过程中，位于中间站靠近出站侧的离合器-排车离合器，具有调车功能，即发挥了在发车过程中上行阻车离合器和下行阻车离合器的功能，对吊厢间距自动调整。

索道收车、正常运行和发车3 种工况下，中间站所有离合器除了具备对吊厢自动阻车和放行功能外，还能在本地控制箱或者触摸屏、手机等终端上进行点动阻车和点动放行操作，人工调整吊厢间距，为索道工作人员提供了便利的操作条件，特别对大运量索道吊厢间距调整帮助较大。

4 结语

本文所述的一种兼容切换功能的脱挂索道中间站人机交互系统，从自动控制和手动控制2 方面有效地解决了带有中间站的脱挂索道联动运行与独立运行的切换问题。未来专注于不断提高该系统的数字化、自动化和可视化，使系统的智能化水平得到有效的提升；同时致力于实现稳定、高效、快速的中间站一键式切换解决方案，以期为带有中间站的脱挂索道的进一步升级和优化提供技术参考。