“双碳”目标下针对机场行李处理系统的能源能耗管控系统模块设计与应用

  ：“2030年前实现碳达峰、2060年前碳中和”是我国应对气候平均状态随时间的变化所确立的“双碳”目标。在此背景下，如何将传统的行李处理系统来进行绿色低碳转型，成为设计师们所关注的问题。在传统行李处理系统中，其控制管理系统模式单一、驱动技术和设备陈旧、无智能化节能功能与技术、无储能技术、设备资源管理技术落后、不能及时观测系统能源消耗情况、无法针对性制定有效的能源优化解决方案等，这样一些问题都会导致行李处理系统能源消耗增加、碳排放量增加。未解决此类问题，本文针对机场行李处理系统，规划设计了可视化能源管理系统。该系统中主要包含设备耗电采集监控系统、能量回收与储能系统、节能控制管理系统、备品备件管理系统、能耗管理系统。各子系统数据共享并协同工作，可最大限度降低行李处理系统的能源消耗，从而完成其向“绿色低碳”目标的快速转型。

  关键词：“双碳”目标；行李处理系统（Baggage Handling System）；设备耗电采集监控系统；节能控制模式；能量回收；储能系统

  2020年9月，习在第七十五界联合国大会一般性辩论上做出力争于2030年前碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现“碳中和”的重要宣示。2030年碳达峰和2060年碳中和（以下简称“双碳”），展现了我国应对气候平均状态随时间的变化的坚定决心，也拉开了中国经济社会发展方式加速向绿色低碳转型的序幕[1]。

  根据国家“十四五”规划，到2025年，我国将新建扩建140个机场，预计旅客运输量达到9.3亿人次。行李处理系统作为机场重要组成部分，担任行李输送和分拣的重要职责，其规模庞大且不间断运行，能源消耗巨大。为响应国家“十四五”规划的号召，同时实现机场行李处理系统向绿色低碳转型的目标，需从行李处理系统中的软件平台和硬件系统来进行多方面考量并寻找有效的解决方案和方法。

  在机场传统行李处理系统中，电机通常选用能效等级为IE1，一台电机的年耗电量约为1095kW•h。以西部某大型机场为例，设备近8000台，行李处理系统中电机年耗电量约为876万kW•h。以2024年商业电标准来计算收费，电费单价为1.4元/kW•h，年耗电花费1226多万元人民币。长年使用下来在电能消耗部分花费比较大。在传统行李处理系统中，通常只有一个总电能表用于计费。这种黑盒的电能消耗模式，无法有效地进行能耗和能源的管控，由于行李系统子系统中没安装电能检查仪表或安装的电能检验测试仪表功能较少而无法获取实时的电量消耗信息，不足以满足电量实时监控的需求，更不可能为节能措施提供有力的数据依据。

  传统行李处理系统设备数量大、种类非常之多，维护系统的正常运行的备品备件数量比较多，同时需要配置很大的场地来存放备件。备件出入库一般会用纸质化方式，这种模式下的备件出入库效率、设备维修、备件的库存量难以把控，势必消耗更多的人力物力，难以满足以“双碳”为目标的绿色低碳型发展要求。针对上述行李处理系统中存在的问题，设计“绿色低碳型”的行李处理系统，成为设计师们的首要任务。

  为解决行李处理系统传统模式下碳排放较大的问题，其系统模块设计最重要的包含设备耗电采集监控系统、能量回收与储能系统、节能控制管理系统、备品备件管理系统、能耗管理系统，如图1所示。设备耗电采集监控系统主要负责现场设备电能数据信息的采集与监控，能量回收与储能系统主要负责将设备产生的剩余能量有效地储存起来，节能控制管理系统负责系统节能模式的实现，备品备件管理系统负责备品备件库存优化配置与管理，能耗管理系统主要负责从能耗角度对设备耗电采集监控系统、能量回收与储能系统、备品备件管理系统来进行数据统计以及分析，形成电能消耗图表。

  设备耗电采集监控系统是采集以及显示现场输送设备电能使用的信息，由于现场输送设备数量庞大，通信方式种类非常之多，若需要精准计算每台设备的能耗情况，需在每台设备上安装电能表来实现，这将导致费用增加，正常的情况下，选择在分区的电力分配柜上安装电能仪表，来获取当前区域中设备的能耗情况。

  传统的行李处理系统中为调节设备输送速度采用电机加变频器加减速机的方式来驱动设备的运行，其优点是机构简单、常规使用的寿命长，适合低速、大扭矩的场合，缺点是备件种类非常之多，启动速度慢，精度低，无法实时调速，耗电量比较大。

  本方案设计的电机为机电一体化驱动系统，将变频器、电机、减速机集成为一体，其优点是安装简单、占地面积小、参数配置易操作、具有较高的控制精度和灵活性，通过频率变化能无极变速，能耗比较低。

  选用某枢纽国际机场现场设备做测试对比分析，测试地点为行李系统输送线，测试设备为同一输送系统中相邻三个工位，满足运行时间相同、负载相同的基本测试条件，如图3所示，电能表连接方式如图4所示。

  对比由三种不相同的型号电机在相同测试条件下消耗的电能，如表1所示。由表1可知，IE4电机相对于IE1电机，其节能比例为62.4%；IE4电机相对于IE3电机，其节能比例为53.4%；IE3电机相对于IE1电机，其节能比例为19.3%。由此可见，IE4型号的电机节约能源的效果显而易见，在新建或者改建的行李系统中，能够最终靠选择IE4级别的一体化电机来实现节能控制。

  在行李处理系统中，输送设备比较多，为节省本金，很难做到每台设施安装一台电能采集表，通常分区设置电力供电柜及电能采集表，每个电力分配柜作为独立的供电子系统，电能采集表可以采集当前区域设备的耗电信息。对于一些关键设备或者耗电量比较大的设备也会安装独立的电能采集表完成实时电能消耗的监控。同时，电力分配上会考虑冗余配电的设计，冗余配电的电力分配系统监控界面如图5所示。这些电能表通过Profinet、RS485等连接方式将电能信息传输到PLC控制器，再由服务器对PLC控制器中的电能信息进行采集和监控，以此来实现行李处理系统全区域化的电能采集和监控。

  能量回收是将行李处理系统中产生的多余能量进行回收。储能系统是将设备运转过程中回收的电能存储在主控柜UPS的电池组内，存储的电能可供给控制管理系统或者照明系统使用。

  在行李系统设备工作的过程中，会出现剩余的能量，将这些剩余的能量充分的利用起来，将会节约电能。对于常规输送设备中，当输送设备空载运行超过一段时间（目前设定5分钟）后断开动力电源启动能量回收，将设备运转的机械能转换成电能，存储到UPS电池组中；对于频繁启动/停止的设备，如队列输送机、值机系统中的称重和注入输送机，额定功率比较大的设备垂直分流器、水平分流器、提升机等，在设备断开动力电源时通过能量回收装置回收能量。对于储能系统，可用本地控制柜中UPS的电池组，也可以在远端布置独立的电池组来实现储能，回收装置依据预算和真实的情况设计。

  通常情况下，行李处理只需单一的启动/停止控制模式，设备的常起常停，通常会因为瞬间启动电流大而增加能源消耗，同时也增加了设备的磨损，降低了设备的常规使用的寿命[2]。设计节能控制模式，在此模式下的设备处于待机模式，当设备需要输送行李时，能马上从节能待机模式下唤醒转入工作模式，这样的节能控制模式可以在保证设备正常工作的条件下，最大限度减少能源消耗，系统节能控制模式图6所示。

  备品备件管理系统主要的功能是完成系统备品备件的存储和出入库的管控。大中型机场行李处理系统备件库备件数量以及种类较多，建立一套智能可视化的备品备件管理系统，采取了合理高效的管理手段和方法帮助修东西的人快速定位以及查找所需备件。同时，采用节能等级更高、功率覆盖范围更广的备件以减少备件品规及数量，是行李处理系统节约能源的重要一环，通过这两种途径间接实现了绿色低碳的目标。

  根据设备相关信息，在备品备件管理系统中进行分类管理，便于进行快速查找备件，设备管理页面显示如图7所示。例如：设备编号为CT363.CLF101-019A，序号中CT3表示为T3航站楼，63表示行李处理系统子系统号为63，CLF101表示到港线A的设备。在设备管理系统中能够最终靠设备编号进行快速精确查找备件，相关备件显示页面中，能够正常的看到备件库存以及其适合使用的范围，以便针对此类备件进行补货或者对其匹配设备做精准安装。科学的设备分类以及备件详细安装说明能节约设备查找时间和维护人员安装时间，从而间接达到节约能源的目的，查找备件以及备件使用的流程如图8所示。

  电机以及驱动器是行李系统中备件数量大、种类多的备件，管理和储存会占用大量的人力物力，通过减少备件库存量和设备种类来间接实现绿色低碳的目标。在硬件选用方面，能选用能效等级为IE4级别的电机驱动设备来减少设备种类以及库存数量。在软件平台上，通过系统预测性维护功能[3]，进行事前设备维护处置来降低设备故障率，这样的形式可以在某些特定的程度上减少库存的备件量。在表2中，行李处理系统某一输送线种不相同的型号的备件，每种备件数量根据现场设备的功率和数量不同而配置，输送线优化前的备件仓库存储的总量为10；经过库存管理优化后，能够正常的使用2种设备，每种备件数量为2，备件仓库存储的总量为4，大幅度的降低了库存备件的购买量，新型设备如IE4级别设备，既能节约电能消耗，又降低了库存。

  此时优化下来库存量降低比例为：（10-4）/10×100% = 60%。对于大型机场行李处理系统输送线所使用的设备和种类的数量更多，使用优良的库存管控方法后，设备备件库存降低将更加明显。

  能耗管理系统是统计设备耗电采集监控系统、能量回收与储能系统、节能管控以及备品备件管控前后电能所消耗的情况，通过图表的方式展现给用户，通过数据的统计对比分析，展示出各子系统在不同条件下的电力消耗情况，以便用户采取更优化的节能措施。

  在设备耗电采集监控系统中，离港线四个电力分配柜。DEP_A01系统运行一个月统计消耗电能为9051.42kW.h，在能耗管理系统中，根据如图9所示的饼图，首先能确定DEP_A01行李输送线中哪一组电力分配柜在行李处理系统运行过程中所消耗电能的比例比较高。图9中，LDP01、LDP04以及LDP03是电能消耗的主要部分，针对电能消耗的主要部分进行设备型号优化以及节能控制模式优化，进而达到最优的节能效果。

  在行李处理系统中，以LDP01系统为例分解其各阶段的能耗以及管控措施，取LDP01系统中的16台电机做测试，能耗措施检测系统的各阶段以一个阶段为节点进行管控和分析。如图10所示，整个测试过程包括系统试运行阶段（第一阶段）、系统正式运行阶段（第二阶段）、电机硬件升级阶段（第三阶段）、启用节能控制管理系统阶段（第四阶段）以及采用能量回收及储能系统阶段（第五阶段），从第二阶段到第五阶段除采用节能管控手段外，系统测试环境和系统设备正常运行时长基本保持一致。经能耗管理系统统计，LDP01电力柜在第一阶段的系统耗电量为1188.64kW.h；设备投入正常运行后，由于系统设备工作时长增加并且使用能耗等级为IE1级的设备，其系统第二阶段的耗电量达到3168.74kW.h；LDP01所在区域的系统设备更换为能耗等级为IE4的设备后，系统耗电量下降明显，其系统第三阶段的耗电量达到1755.92kW.h，相比第二阶段节能比例为：（3168.74-1755.92）/3168.74 = 44.59%，节约能源的效果显而易见；LDP01系统在第四阶段采用了节能控制模式，其耗电量为1654.61kW.h，相比第二阶段节能比例为：（3168.74-1654.61）/3168.74 = 47.78%，采用节能控制模式实现了进一步系统节能；在第五阶段，LDP01系统启用能量回收及储能系统来回收剩余的电能，其系统耗电量为1594.67kW.h，相比第二阶段节能比例为：（3168.74-1594.67）/3168.74 = 49.67%。由此可见，LDP01系统经过不断的方案措施改进，其系统的电能节能比例最高可达到49.67%，节约能源的效果比较良好。资源能耗管理系统能统计行李处理系统所有电力分区设备的能耗情况，并展示优化前后的节约能源的效果，通过全系统各区域的电量消耗分析和管控，可以最大限度降低行李处理系统的电能消耗。

  为了实现双碳目标，践行“绿色低碳”的发展的策略，设计了可视化能源能耗管控系统，系统中主要包含设备耗电采集监控系统、能量回收与储能系统、节能控制管理系统、备品备件管理系统、能耗管理系统，各子系统数据共享并协同工作，最大限度降低行李处理系统的能源消耗，支撑行李处理系统向“绿色低碳”的目标转型。

  资助基金：云南省重大科学技术专项（202202AD080002）基于区块链的人机一体化智能系统价值链网研究与应用示范

  [1]乔英俊,双碳目标下我国汽车产业低碳发展的策略研究.中国软科学,2023年,第6期.

  [2]曾学,机场行李处理系统中的行李检测与跟踪[D].云南大学,2010.

  [3]刘继深,数字孪生技术在机场行李处理系统设备监控与智能运维中的应用.物流技术与应用,2023年,第28期(10).