張　瑩，姜存學(xué)

(江漢大學(xué)文理學(xué)院機(jī)電與建筑工程學(xué)部，湖北武漢430056)

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高壓電線除冰機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

張瑩，姜存學(xué)

(江漢大學(xué)文理學(xué)院機(jī)電與建筑工程學(xué)部，湖北武漢430056)

摘要：除冰機(jī)針對(duì)高壓電線的結(jié)冰問(wèn)題，提出一種機(jī)械除冰方式的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)基于PLC控制，提出完整的除冰及移位控制方案?？筛鶕?jù)控制要求方便改進(jìn)，每次都能復(fù)位到原位再停止，保證了系統(tǒng)的安全性；再與銑削原理除冰的機(jī)械部分結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，高效的解決了高壓線結(jié)冰的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞:銑削除冰PLC控制復(fù)位停止

0引言

架高的高壓輸電線是遠(yuǎn)距離傳輸電能的主要方式，應(yīng)用廣泛，幾乎隨處可見(jiàn)。但是在嚴(yán)寒季節(jié)的時(shí)候，電線上容易結(jié)冰。線路覆冰過(guò)厚會(huì)使其負(fù)荷過(guò)重，壓彎電線甚至折斷；還能造成電路關(guān)鍵部位跳閘[1-3]。高壓輸電線覆冰問(wèn)題嚴(yán)重影響了電力傳輸和使用，因此亟待解決[4-5]。常見(jiàn)除冰方式有人工除冰，物理除冰，撒鹽除冰，機(jī)械除冰等，各有優(yōu)缺點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)采用基于PLC的控制方式，用機(jī)械方法去除輸電線上的覆冰，高效環(huán)保，實(shí)用率高[6-8]。

1除冰機(jī)構(gòu)工作原理

圖1　除冰工作原理

高壓線上附著的冰雪往往比較堅(jiān)硬，難以一次清除。首先用銑刀將堅(jiān)硬的冰塊銑出一道溝槽，再配合滾輪碾壓徹底壓碎冰塊，用“二次清理”方式保證破冰率。除冰機(jī)構(gòu)機(jī)械部分設(shè)計(jì)如圖1所示。

分析除冰系統(tǒng)的工作過(guò)程，主要的工作構(gòu)件是銑刀和滾輪。銑刀的銑削過(guò)程包含了轉(zhuǎn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)兩種方式；而滾輪的運(yùn)動(dòng)主要是滾動(dòng)，滾輪通過(guò)滾動(dòng)的方式壓碎堅(jiān)冰。將銑刀的轉(zhuǎn)動(dòng)和滾輪的滾動(dòng)用一個(gè)電機(jī)來(lái)控制；銑刀的直線運(yùn)動(dòng)，用另一個(gè)電機(jī)來(lái)控制；所以，設(shè)計(jì)兩個(gè)電機(jī)就能完成銑刀和滾輪的基本運(yùn)動(dòng)。如圖2所示。

1.銑刀；2.圓盤(pán)；3.高壓電線；4.模擬堅(jiān)冰；5.滾輪；6.帶傳動(dòng)；7.齒輪傳動(dòng)；8.蝸輪傳動(dòng)；9.傳動(dòng)電機(jī)；10.左右位移電機(jī)。圖2　除冰機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理圖

圍繞該機(jī)構(gòu)的主要工作方式分析。其中的電機(jī)9是傳動(dòng)電機(jī)，用來(lái)同時(shí)控制銑刀的轉(zhuǎn)動(dòng)和滾輪的滾動(dòng)。電機(jī)9通過(guò)渦輪蝸桿傳動(dòng)，分別控制銑刀轉(zhuǎn)動(dòng)和傳遞動(dòng)力給齒輪7；齒輪7通過(guò)傳送帶6傳動(dòng)給滾輪，從而讓滾輪滾動(dòng)。

電機(jī)10的主要作用是控制銑刀的直線移位，電機(jī)10的正反轉(zhuǎn)分別控制銑刀在水平方向左、右移動(dòng)。右移(電機(jī)正轉(zhuǎn))銑削堅(jiān)冰，左移(電機(jī)反轉(zhuǎn))退出銑冰狀態(tài)，為下一個(gè)位置的銑削做準(zhǔn)備。在控制銑刀水平移動(dòng)時(shí)，要特別注意：銑刀銑到什么位置？會(huì)不會(huì)破壞到線體？

圖3　銑刀往返銑削示意圖

為了保護(hù)高壓電線不被銑刀割傷，在銑刀的下方安置了一個(gè)直徑略大于銑刀直徑的圓盤(pán)來(lái)保護(hù)電線；同時(shí)在電線邊緣的對(duì)應(yīng)位置安置一個(gè)限位開(kāi)關(guān)，如圖3中標(biāo)示的右限位開(kāi)關(guān)SQ2。當(dāng)銑刀切削大部分堅(jiān)冰而使圓盤(pán)逐漸靠近電線時(shí)，圓盤(pán)會(huì)先碰到右限位開(kāi)關(guān)，而改變運(yùn)動(dòng)方向，左移退出溝槽。繼續(xù)左移，碰到左邊的限位開(kāi)關(guān)(原位開(kāi)關(guān))時(shí)，已經(jīng)退出銑出的溝槽，運(yùn)動(dòng)到下一處堅(jiān)冰位置繼續(xù)右移銑削。銑刀不停旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在左限位開(kāi)關(guān)和右限位開(kāi)關(guān)(原位開(kāi)關(guān))之間做往返的水平運(yùn)動(dòng)。如圖3所示。

綜上所述，電機(jī)9有轉(zhuǎn)動(dòng)和停止兩個(gè)狀態(tài)；電機(jī)10有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止三種狀態(tài)。

2除冰控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

要設(shè)計(jì)除冰機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)，首先要分析該機(jī)構(gòu)的控制要求：

1)機(jī)構(gòu)每次從原位出發(fā)，也就是初始狀態(tài)下左限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作；

2)機(jī)構(gòu)在左、右限位開(kāi)關(guān)之間自動(dòng)往返；

3)按下停止按鈕，電機(jī)要完成一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)，回到原位以后才停止，保證下一次啟動(dòng)從原位出發(fā)。

圖4　PLC外部接線圖

結(jié)合除冰機(jī)構(gòu)的控制要求，可以設(shè)計(jì)兩個(gè)按鈕：?jiǎn)?dòng)和停止。按下啟動(dòng)按鈕電機(jī)9啟動(dòng)，同時(shí)電機(jī)10啟動(dòng)正轉(zhuǎn)；當(dāng)電機(jī)10正轉(zhuǎn)(右移)到右限位開(kāi)關(guān)，變?yōu)榉崔D(zhuǎn)(左移)；左移碰到左限位開(kāi)關(guān)，正轉(zhuǎn)，如此自動(dòng)往返。

按下停止按鈕，不論機(jī)構(gòu)在哪個(gè)位置，都要完成這一個(gè)周期的動(dòng)作，回到原位，碰到左限位開(kāi)關(guān)才能停止，保證下一次啟動(dòng)從原位安全開(kāi)始。

2.1輸入/輸出分配

根據(jù)控制要求，除冰機(jī)構(gòu)的輸入量有4個(gè)，分別是啟、停按鈕和左、右限位開(kāi)關(guān)；而輸出信號(hào)有3個(gè)，分別是控制電機(jī)9的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電機(jī)10正、反轉(zhuǎn)的接觸器驅(qū)動(dòng)信號(hào)。考慮15%的裕量，選擇FX2N-16MR型號(hào)的PLC即可。輸入、輸出端子分配表如表1。

2.2PLC控制程序設(shè)計(jì)

2.2.1程序控制過(guò)程分析

1)輸出驅(qū)動(dòng)操作說(shuō)明

表1

輸入、輸出端子分配表

表2

輸出端操作

2)啟動(dòng)過(guò)程

按下啟動(dòng)按鈕→Y0，Y1得電，銑刀右移動(dòng)→右移碰到右限位開(kāi)關(guān)X3→Y0，Y2得電，銑刀左移→左移碰到左(原位)限位開(kāi)關(guān)→Y0，Y1得電，銑刀右移動(dòng)，進(jìn)入下一次循環(huán)。

3)停止過(guò)程

按下停止按鈕，銑刀應(yīng)該完成一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)后再停止，分兩種情況討論：

①當(dāng)前銑刀處在左移狀態(tài)，還未到達(dá)原位；這時(shí)銑刀繼續(xù)左移，直到回到原位，碰到左限位開(kāi)關(guān)，才執(zhí)行停止操作，所有的Yi均失電。

②當(dāng)前銑刀處在右移狀態(tài)；這時(shí)銑刀需要先右移到右限位開(kāi)關(guān)的位置，繼續(xù)變?yōu)樽笠茽顟B(tài)，直到回到原位，碰到左限位開(kāi)關(guān)，完成一個(gè)周期，才執(zhí)行停止操作，所有的Yi均失電。

2.2.2程序設(shè)計(jì)梯形圖

圖5　程序梯形圖

2.2.3程序模擬實(shí)現(xiàn)

在實(shí)驗(yàn)室中用軟件模擬整個(gè)操作過(guò)程，將分步驟實(shí)現(xiàn)以上的控制。

1)按下啟動(dòng)按鈕X0(點(diǎn)動(dòng)按鈕)以后，Y0，Y1得電，銑刀轉(zhuǎn)動(dòng)，滾輪滾動(dòng)，銑刀右移(陰影部分表示該線圈得電或該觸頭閉合)；

圖6

2)右移碰到限位開(kāi)關(guān)X3，Y0，Y2得電，銑刀轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)左移；

圖7

3)左移碰到限位開(kāi)關(guān)X2，Y0，Y1得電，銑刀轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)右移，自動(dòng)往返；

圖8

4)當(dāng)處在左移狀態(tài)時(shí)，按下停止開(kāi)關(guān)X1(點(diǎn)動(dòng))以后，Y0，Y2保持得電，繼續(xù)動(dòng)作；M0得電為回到原位時(shí)停止做準(zhǔn)備；

圖9

5 )當(dāng)回到原位，碰到原位開(kāi)關(guān)X2，電路斷電停止；

圖10

6)當(dāng)處在右移狀態(tài)時(shí)，按下停止開(kāi)關(guān)X1(點(diǎn)動(dòng))以后，Y0，Y1保持得電，繼續(xù)動(dòng)作；M0得電為回到原位時(shí)停止做準(zhǔn)備；直到回到原點(diǎn)碰到X2以后，停止，同上。

圖11

3小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式的除冰方法，并配合基于PLC的控制系統(tǒng)，在程序的可編程性方面是非常靈活和方便的。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)中充分考慮安全性，要求每次停止的時(shí)候，機(jī)構(gòu)都回到原位，為下一次重新啟動(dòng)做準(zhǔn)備。結(jié)構(gòu)合理，設(shè)計(jì)高效，具有實(shí)用價(jià)值。

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姜存學(xué)(1972-)，男，湖北隨州人，副教授，博士，主要從事機(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì)，機(jī)械電子，計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究方面的科研和教學(xué)工作，擔(dān)任江漢大學(xué)文理學(xué)院機(jī)電與建筑工程學(xué)部主任。

Design of the control system of the deicing device for overhead power lines

ZHANG Ying, JIANG Cunxue

Abstract:In this paper, we designed the control system of the deicing device for overhead power lines. The system was based on PLC control, with a complete control scheme of deicing and displacement, which could be improved according to requirements, and could be reset to its initial position and stop every time to ensure safety. Combined with the mechanical parts which deice by milling, the whole deicing device was completed, which could efficiently prevent the overhead power lines from icing up.

Keywords:deicing by milling; PLC control; reset and stop

收稿日期：2015-10-11

作者簡(jiǎn)介：張瑩(1982-)，女，湖北武漢人，講師，碩士，主要從事機(jī)械電子工程，數(shù)字化設(shè)計(jì)等方面的科研和教學(xué)工作，擔(dān)任江漢大學(xué)文理學(xué)院機(jī)電與建筑工程學(xué)部機(jī)制專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人。

基金項(xiàng)目：武漢市教育局課題，項(xiàng)目號(hào)：2008K095。

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)02-0091-04