蒙 娟 田增陽(yáng) 丁洪濤

1北京勞動(dòng)保障職業(yè)學(xué)院 北京 100029 2北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007 3深圳前海索士科技有限公司 深圳 518052

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)旅游產(chǎn)業(yè)的需求日益增加?？瓦\(yùn)索道作為一種基于山岳型地貌的高效交通運(yùn)輸工具，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。這對(duì)客運(yùn)索道的安全運(yùn)營(yíng)與維修管理也提出了更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)TSG S7001—2013《客運(yùn)索道監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則》的規(guī)定，夜間運(yùn)營(yíng)的索道支架上需安裝照明設(shè)施；依據(jù)國(guó)家客運(yùn)索道企業(yè)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)規(guī)范，客運(yùn)索道須在索道支架等重點(diǎn)區(qū)域設(shè)置視頻監(jiān)控設(shè)施。因此，索道支架上的攝像頭、照明燈等電氣設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越普遍，逐漸成為客運(yùn)索道的一種基本需求。

然而，索道支架上的供電問(wèn)題一直都是索道行業(yè)內(nèi)比較棘手的難題。因?yàn)楦鶕?jù)TSG S7001—2013《客運(yùn)索道監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則》的規(guī)定，從安全角度考慮，索道支架只允許使用36 V以下的供電電壓[1]。而索道通常處于偏遠(yuǎn)山區(qū)，索道支架上的設(shè)施供電只能取自索道站房。而一般的索道總長(zhǎng)有數(shù)公里，各個(gè)支架直線分布在整個(gè)索道線路中，支架間的間距數(shù)百米。若采用低壓遠(yuǎn)程供電，在36 V以下低電壓的情況下會(huì)產(chǎn)生非常大線路損耗，且距離站房越遠(yuǎn)的支架，線路損耗越大，往往到達(dá)較遠(yuǎn)支架時(shí)，電壓會(huì)下降很多，僅剩10 V左右甚至更少，達(dá)不到使用標(biāo)準(zhǔn)，離站房越遠(yuǎn)、線路越長(zhǎng)，損耗越大，這一問(wèn)題就越突出。當(dāng)然也可通過(guò)增大導(dǎo)線直徑減少導(dǎo)線內(nèi)阻等方式在一定程度上緩解該問(wèn)題，但是相對(duì)應(yīng)的，使用更大直徑的導(dǎo)線進(jìn)行電力輸送會(huì)大大增加導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，增加索道線路負(fù)荷，增大施工難度，同時(shí)使成本大幅增加。故索道支架的供電的最優(yōu)解即是能在支架本地解決?；谝陨峡紤]，本文提出一種基于太陽(yáng)能供電原理的索道支架供電系統(tǒng)，有效地解決了這一問(wèn)題。

1 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)概述

太陽(yáng)能供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能板在白天陽(yáng)光充足時(shí)，吸收太陽(yáng)能并轉(zhuǎn)化為充電電壓，給蓄電池組充電，作為儲(chǔ)備電源，再由蓄電池組作為電源，給支架攝像頭、LED照明燈、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)控制器本身、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等所有支架用電設(shè)備供電。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)由主控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行智能管控，利用PWM充電技術(shù)，合理控制太陽(yáng)能充電速度，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳輸信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的電池電量、充電狀態(tài)、溫度等狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)選用24 V直流供電蓄電池組與太陽(yáng)能板連接搭配，因此在充放電時(shí)，系統(tǒng)電壓低于規(guī)范所明確要求的36 V安全電壓，嚴(yán)格響應(yīng)了索道檢驗(yàn)的規(guī)范要求。

索道支架上的電氣設(shè)備分布如圖1所示，支架攝像頭安裝在索道支架的橫擔(dān)兩側(cè)，用來(lái)對(duì)支架兩端進(jìn)行視頻信息采集，以確保索道運(yùn)營(yíng)安全；LED照明燈用于照亮索道支架上的工作區(qū)域，以便索道夜間運(yùn)營(yíng)和設(shè)備維護(hù)。太陽(yáng)能板架設(shè)在支架橫擔(dān)之上，其面板應(yīng)調(diào)整至能最大汲取太陽(yáng)光的方向。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)控制器及其附屬設(shè)備，安裝在支架電氣箱內(nèi)；太陽(yáng)能充電用的蓄電池組置于電池箱之中。

圖1 索道支架電氣設(shè)備分布圖

2 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能供電控制系統(tǒng)接線圖如圖2所示，主控制器（PLC）是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，分別連接太陽(yáng)能板和蓄電池組，通過(guò)PWM脈沖調(diào)節(jié)太陽(yáng)能板對(duì)充電電池的能量輸入，控制太陽(yáng)能充電的進(jìn)程和節(jié)奏，將電能儲(chǔ)存到蓄電池組中去。同時(shí)通過(guò)PLC的輸出端口，直接驅(qū)動(dòng)支架攝像頭、LED照明燈和光纖收發(fā)器（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）等外部設(shè)施，為其提供電源的同時(shí)，可以管理其開(kāi)閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)控制和調(diào)節(jié)功能。

圖2 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)接線圖

主控制器留有以太網(wǎng)口，可以通過(guò)以太網(wǎng)連接至系統(tǒng)局域網(wǎng)，與位于索道站房的人機(jī)界面交互數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)支架電氣設(shè)備以及供電狀況的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。同時(shí)預(yù)留了一個(gè)RS485通訊口，方便工程人員對(duì)設(shè)備下載程序和調(diào)試。

2.2 主控制器設(shè)計(jì)

主控制器（PLC）是整個(gè)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的核心，而CPU是主控制器的核心部件。由CPU通過(guò)數(shù)字量輸入電路，采集例如支架攝像頭狀態(tài)、LED照明燈狀態(tài)等數(shù)字量輸入信號(hào)；通過(guò)太陽(yáng)能充電調(diào)節(jié)器電路采集蓄電池電壓和太陽(yáng)能電池的供電電壓（即太陽(yáng)能板電壓）。將這些采集到的輸入信號(hào)經(jīng)由 CPU運(yùn)算決策后，再通過(guò)數(shù)字量輸出電路去控制支架攝像頭、LED照明燈的開(kāi)啟和關(guān)閉；并作用于太陽(yáng)能充電調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)其充電閥門(mén)，控制太陽(yáng)能電池給蓄電池充電的過(guò)程和節(jié)奏[2]。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 主控制器（PLC）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)需要具備通訊功能將所有采集到的信息，如蓄電池的剩余電量、充電電流、數(shù)字量開(kāi)關(guān)狀態(tài)等實(shí)時(shí)地傳送給控制室的監(jiān)控界面，以便操作人員了解設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況；并可以通過(guò)數(shù)字量輸出遠(yuǎn)程控制支架攝像頭、LED燈的開(kāi)啟和關(guān)閉。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)通訊電路，以便PLC可以連接到以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離與控制中心的實(shí)時(shí)通訊。

當(dāng)以太網(wǎng)通訊由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，例如對(duì)于某些特殊線路的索道或者老舊索道改造無(wú)法實(shí)施時(shí)，就需要通過(guò)無(wú)線通訊的方式來(lái)建立支架與主控站之間的聯(lián)系。因此PLC系統(tǒng)內(nèi)集成了無(wú)線通訊電路，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程訪問(wèn)控制中心。

當(dāng)使用方有除支架監(jiān)控和照明以外的其他應(yīng)用需求時(shí)，PLC系統(tǒng)本身的輸入輸出點(diǎn)位和類(lèi)型有可能滿足不了使用方需求，這時(shí)可以通過(guò)擴(kuò)展接口，連接擴(kuò)展模塊，來(lái)完成功能需求的增加。從而將整個(gè)支架的所有控制需求全部整合到主控制器中，再統(tǒng)一與主控站交互信息，從根本上解決支架供電和支架通訊的兩大核心問(wèn)題。其中支架供電的核心問(wèn)題主要是通過(guò)CPU的程序控制太陽(yáng)能充電調(diào)節(jié)器來(lái)執(zhí)行的。

3 太陽(yáng)能充電調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)

在PLC的內(nèi)部電路中，太陽(yáng)能充電調(diào)節(jié)器是系統(tǒng)供電的主要執(zhí)行部分。如圖4所示，來(lái)自控制設(shè)備（CPU）的PWM輸出加到T1的基極，經(jīng)T1的集電極加到P溝道MOS管T2的柵極。MOS管T2就是連接太陽(yáng)能電池和蓄電池的通道。R5為T(mén)1提供電流通路。當(dāng)T1管基極加高電平時(shí)，T1導(dǎo)通，集電極電流在R5上的電壓降加到T2的柵源之間，使T2導(dǎo)通。反之，當(dāng)T1管基極加低電平時(shí)，T1管截止，R5上無(wú)電壓降，T2管截止。D3是穩(wěn)壓管，其作用是鉗位T2的柵源電壓，保護(hù)T2不被擊穿。D2是續(xù)流二極管，L1是平波電感。D1的作用是防止在沒(méi)有陽(yáng)光時(shí)電流反向。

圖4 充電電路設(shè)計(jì)

如果蓄電池在夜晚過(guò)量放電致使過(guò)放保護(hù)動(dòng)作，蓄電池將不會(huì)對(duì)外供電。這時(shí)即使天亮后太陽(yáng)能電池已經(jīng)能對(duì)外供電，但由于控制器已經(jīng)斷電發(fā)不出充電指令，系統(tǒng)會(huì)鎖死。為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，設(shè)置了由R1、R3、R4、D3、D4、D5、D6、T3、C1構(gòu)成了自動(dòng)重啟電路。在蓄電池電壓正常情況下，C1被R4、D4充電至接近蓄電池電壓，這時(shí)晶閘管T3陰極由于電位較高，T3承受零電壓（當(dāng)T1斷開(kāi)時(shí)）或反向電壓（當(dāng)T1導(dǎo)通時(shí)），故晶閘管T3不導(dǎo)通，對(duì)電路沒(méi)有影響。在蓄電池不輸出的情況下，C1通過(guò)D6向負(fù)載放電，幾乎放凈。如果有太陽(yáng)，太陽(yáng)能電池有輸出且超過(guò)了穩(wěn)壓管D4的擊穿電壓與C1電壓的和，則晶閘管T3被加上正向電壓。隨著天亮后陽(yáng)光強(qiáng)度持續(xù)上升，太陽(yáng)電池的電壓越來(lái)越高，當(dāng)由R1、R3分壓的電位較T3陰極電位高時(shí)，晶閘管T3被觸發(fā)導(dǎo)通，則MOS管T2導(dǎo)通，太陽(yáng)能電池向蓄電池充電，控制器得電后啟動(dòng)工作，C1電壓逐漸升高，晶閘管T3逐漸失去正向電壓，晶閘管T3關(guān)斷，啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

4 太陽(yáng)能充電程序設(shè)計(jì)

由于太陽(yáng)能本身是一種不均勻的時(shí)刻變化的能量輸入形式。在確認(rèn)太陽(yáng)能充足，充電電壓足夠時(shí)，才能打開(kāi)充電閥門(mén)對(duì)電池充電，否則將關(guān)閉充電輸入，靜候太陽(yáng)光充足時(shí)，再繼續(xù)充電過(guò)程。太陽(yáng)能充足、電壓足夠，是指太陽(yáng)能電池的電壓（即太陽(yáng)能板吸收陽(yáng)光后在太陽(yáng)能板輸出端所產(chǎn)生的電壓）大于蓄電池電壓的狀態(tài)[3]。同時(shí)，蓄電池的充放電過(guò)程不宜過(guò)度頻繁，折損電池壽命。因此，系統(tǒng)設(shè)定電池電量＜90%時(shí)啟動(dòng)充電，充滿后自動(dòng)停止充電。當(dāng)電壓再度低于90%時(shí)又重新啟動(dòng)充電過(guò)程。充電控制流程如圖5所示。

圖5 太陽(yáng)能充電控制流程圖

充電過(guò)程分為快充和慢充兩個(gè)過(guò)程，當(dāng)電量低于90%時(shí)，充電處于快充模式，此時(shí)將按最大電流調(diào)節(jié)對(duì)電池進(jìn)行充電，在預(yù)先設(shè)定的安全閾值內(nèi)，太陽(yáng)光能夠提供多大的充電電流，就使用多大的電流進(jìn)行充電，目的是在電池電量明顯不足時(shí)，快速地對(duì)電池進(jìn)行充電，提高充電效率。

而當(dāng)蓄電池電量增加至介于90%～100%之間時(shí)，采用慢充，即涓流充電，此時(shí)采用的是PWM恒壓調(diào)節(jié)充電，PWM恒壓調(diào)節(jié)是指通過(guò)脈寬調(diào)制方法（PWM）調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池的輸出電壓恒定在蓄電池充電允許的最大電壓上[4]，從而調(diào)節(jié)輸出電壓穩(wěn)定在涓流充電狀態(tài)，緩慢地對(duì)電池充電。已達(dá)到在電池電量接近充滿時(shí)，精準(zhǔn)控制充電過(guò)程，避免過(guò)充，保障充電安全的效果。

5 太陽(yáng)能板安裝角度測(cè)算

太陽(yáng)能供電系統(tǒng)靠吸收太陽(yáng)光來(lái)汲取能量，為了最大程度地獲取太陽(yáng)能，太陽(yáng)能板的角度調(diào)節(jié)就顯得尤為重要[5]。通常情況下，在正午稍后的時(shí)段會(huì)迎來(lái)太陽(yáng)輻射能量的峰值時(shí)刻。因此，根據(jù)我國(guó)的總體地理位置，將太陽(yáng)能的安裝角度調(diào)節(jié)為南偏西15°為最佳位置。但是在索道支架上安裝太陽(yáng)能板時(shí)，需要辨別方向。

圖6 坐標(biāo)位置

索道線路的特性是上下站房之間的線路是一條直線，線路中所有的支架橫擔(dān)的朝向都是一致的，垂直于索道線路的方向。因此只要能測(cè)算出索道線路的方向，就可以獲得支架橫擔(dān)的方向。從而在支架橫擔(dān)上安裝太陽(yáng)能板時(shí)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果錯(cuò)開(kāi)相應(yīng)的角度，即可獲得最佳安裝位置。為了解決這一問(wèn)題，首先要弄清楚索道線路的方向，利用定位設(shè)備可以分別獲得索道上下站房的定位信息，即經(jīng)緯度信息坐標(biāo)。上下站房之間的連線，即為索道線路的方向。

將地球置于坐標(biāo)系X、Y、Z中，球心在原點(diǎn)上。

地球表面有一點(diǎn)P，坐標(biāo)為(x，y，z)，其經(jīng)緯度分別為α和β。顯然有

若P點(diǎn)移動(dòng)一段位移ds，則

由于只考慮計(jì)算水平距離和水平方位，故可認(rèn)為R不變，可得到

分別平方

可得位移ds被分解成沿東西方向的分量Rcosβdα和沿南北方向的分量Rdβ。

式中：α、β分別是經(jīng)度和緯度，dα、dβ分別是經(jīng)度和緯度的變化量。

假設(shè)經(jīng)過(guò)測(cè)量得到的索道下站的經(jīng)緯度分別為α1和β1，索道上站的經(jīng)緯度分別為α2和β2。把下站作為基點(diǎn)，上站的位置看做是位移，則ds為上、下站之間的距離，而dα=α2-α1、dβ=β2-β1。則此時(shí)兩站之間連線與東方之間的夾角

至此，即可得出索道線路的方向角度，在安裝索道太陽(yáng)能設(shè)備時(shí)，為了獲得南偏西15°的安裝效果，實(shí)際安裝太陽(yáng)能板的方向（即太陽(yáng)能板正面汲取太陽(yáng)光的方向）與支架橫擔(dān)之間的夾角

安裝時(shí)與支架橫擔(dān)順時(shí)針錯(cuò)開(kāi)θ角度，即可獲得想要的最佳安裝位置。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于太陽(yáng)能供電原理的索道支架供電系統(tǒng)，能夠遵守支架供電不得超過(guò)36 V的索道檢驗(yàn)規(guī)則，節(jié)約了在索道線路上施放電纜的成本。該系統(tǒng)不僅能有效地為支架上的監(jiān)控設(shè)備和照明設(shè)備提供電源，還能夠利用通訊技術(shù)將遠(yuǎn)端支架上的設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)回傳，便于管理人員掌控索道信息。在設(shè)計(jì)上考慮了不同地域，不同時(shí)段，不同陽(yáng)光射入條件下的應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)兼顧電池的使用壽命及太陽(yáng)能板安裝角度確定，達(dá)到系統(tǒng)效果最優(yōu)化。該設(shè)計(jì)已經(jīng)在多個(gè)景區(qū)及滑雪場(chǎng)的索道設(shè)備上得到應(yīng)用，結(jié)果表明，該方案有效地解決了索道支架上的供電問(wèn)題。