孟 忠，王益博，楊 樂

(西安西電高壓開關有限責任公司，陜西 西安 710077)

絕緣子是電力系統(tǒng)發(fā)電、變電、輸電、配電以及用電領域不可或缺的絕緣設備，主要起機械連接和電氣絕緣作用[1]。高壓隔離開關絕緣子位于高壓隔離開關底座和導電部分中間位置，起到機械連接和電氣絕緣作用。在高壓隔離開關的裝配過程中，安裝絕緣子時，垂直度是關鍵的安裝參數，其直接影響到裝配完成后隔離開關的各項分合閘參數和在電網中的運行可靠性。目前，隔離開關制造廠家在絕緣子裝配時，通常在其上端面放置水平尺，用于檢測安裝垂直度，其安全性、準確性和精度等均不高。還有一種方法是使用全站儀進行測量，全站儀是一種集光、機、電為一體的高技術測量儀器[2]，使用時需要架安置調平、對中和比對計算等繁瑣步驟，效率低下?？傮w上，對絕緣子的安裝和檢測并沒有快速而有效的檢測方法。對高壓隔離開關絕緣子在裝配階段的垂直度實時地檢測和監(jiān)控，并實時調整至垂直度符合技術要求，可非常有效地保證隔離開關裝配質量，并且可實現隔離開關的自動化裝配和檢測。

近年來，由于PLC在控制性能、硬件成本等方面所表現出的綜合優(yōu)勢，其在工業(yè)自動控制領域的應用愈來愈廣泛[3]。本文介紹一種動作準確、功能實用的PCL控制步進電動機動作，利用傾角傳感器測量，以實現高壓隔離開關絕緣子垂直度檢測的裝置及控制方法。其檢測手段高效，數據準確，使用方便，有效地保證了高壓隔離開關絕緣子垂直度的裝配要求。

1 檢測裝置

1.1 測量方案

本文以GW4型126 kV高壓隔離開關產品設計為例。絕緣子安裝及測量位置示意圖如圖1所示，GW4型高壓隔離開關每相有2柱絕緣子，2柱絕緣子尺寸規(guī)格相同，底座位于該工序的安裝平臺上，絕緣子安裝于底座兩端軸承座端面上，絕緣子的上端面為平面，利用基于MEMS的傾角傳感器水平降落至2柱絕緣子的上端面，即可分別檢測出2柱絕緣子的安裝垂直度。2柱絕緣子的間距A和高度尺寸B由具體的高壓隔離開關電壓等級、污穢等級及其他參數決定。

圖1 絕緣子安裝及測量位置示意圖

1.2 檢測裝置結構

高壓隔離開關絕緣子垂直度檢測裝置主要由安裝平臺、立柱、測量臂、步進電動機、絲杠、導軌、測量模塊和控制系統(tǒng)等幾部分組成。底座固定不動，是隔離開關底座和絕緣子安裝的平臺，立柱上部為測量臂，測量臂兩側為測量模塊。

1.3 測量原理

步進電動機是一種利用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉化為相應的角位移或直線位移的執(zhí)行單元[4]。該檢測裝置以2臺步進電動機作為檢測的2步動作的執(zhí)行單元。待測絕緣子安裝于底座上，整體位于安裝平臺上。步進電動機起動后，測量臂兩側的測量模塊沿測量臂水平移動至待測的2柱絕緣子的正上方，動作停止后，垂直步進電動機動作，測量臂和測量模塊整體垂直向下運動至設定距離，測量模塊降落至待測絕緣子端面(見圖2)，測量臂末端安裝有傾角傳感器，測量臂垂直向下行程完成后，兩側傾角傳感器測量出絕緣子垂直度。

圖2 檢測裝置進行絕緣子測量示意圖

2 PLC控制部分

2.1 控制系統(tǒng)結構

三菱FX系列PLC中，FX1N和FX1S由于經濟性好，在單速定長進給控制形式中具有較高的性價比[5]，因此，檢測裝置控制系統(tǒng)選用三菱FX1N-24MT系統(tǒng)PLC作為控制器核心，以三菱FX2N-2AD模擬量輸入模塊為輔助模塊，并且同步進電動機驅動器、步進電動機、限位開關、傾角傳感器和顯示屏等共同組成該檢測裝置的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)結構圖如圖3所示。

圖3 PLC控制系統(tǒng)結構圖

2.2 控制系統(tǒng)程序

PLC控制流程圖如圖4所示。啟動系統(tǒng)后，PLC對水平步進電動機和垂直步進電動機是否在零位進行判斷，以使2個步進電動機動作的起始位置準確，若2個電動機不在零位，以此控制水平步進電動機和垂直步進電動機依次進行歸零動作；歸零動作完成后，PLC控制水平步進電動機動作，電動機動作的位移、速度和方向由PLC輸入信號控制，限位開關對水平步進電動機進行限位保護；水平步進電動機動作完成后，垂直步進電動機動作，同樣，限位開關對垂直步進電動機進行限位保護，電動機動作的位移、速度和方向由PLC輸入信號控制；垂直步進電動機動作到設定位移后停止，傾角傳感器進行2個絕緣子的垂直度值檢測；最后將檢測值返回至PLC系統(tǒng)。

圖4 PLC控制流程圖

2.3 PLC輸入信號確定

該檢測裝置的控制系統(tǒng)通過PLC的脈沖輸出功能，實現步進電動機的方向控制、速度控制與定位控制[6]。檢測裝置所用水平步進電動機和垂直步進電動機的規(guī)格相同，步進電動機的步距角θ=0.9°，步進驅動器細分數m=4，水平步進電動機帶動的測量臂測量模塊向兩端各行走300 mm，垂直步進電動機垂直下走400 mm。絲杠螺距均為D=5 mm，測量模塊向兩側移動和測量臂向下移動的速度V均設為5 mm/s。

控制2個步進電動機的脈沖當量δ：

控制水平步進電動機輸出脈沖數P1：

控制垂直步進電動機輸出脈沖數P2：

控制2個步進電動機的輸出脈沖頻率F：

2.4 PLC程序創(chuàng)建

在PLC編程軟件GX Developer中選擇PLC類型為FXIN，程序類型為梯形圖。創(chuàng)建PLC各動作程序。

1)原點回歸程序創(chuàng)建。以M60繼電器為啟動位，M20為結束標志位，Y006和Y007為2個步進電動機旋轉方向位脈沖端口，選取原點回歸指令ZRN進行步進電動機的原點回歸動作，原點回歸開始速度設為5 000 Hz所控制的速度，爬行速度設為2 000 Hz所控制的速度，X000和X001為近點信號的輸入端口，Y000和Y001為脈沖輸出端口，M8147繼電器對脈沖輸出端口進行監(jiān)控，M8029為指令完成標識位。原點回歸程序創(chuàng)建如圖5所示。

圖5 步進電動機原點回歸程序

2)2個電動機的運動定位程序創(chuàng)建。以M62及M63繼電器為啟動位，水平步進電動機的位移由式1計算可得，具體為96 000個脈沖當量所走的位移，垂直步進電動機的位移由式2計算可得，具體為128 000個脈沖當量所走的位移，2個步進電動機的輸出脈沖頻率由式3計算可得，具體為1 600 Hz，選指令DRVI進行步進電動機定位動作控制，創(chuàng)建2個步進電動機的定位程序如圖6所示。

圖6 水平、垂直步進電動機的定位程序

3)傾角傳感器讀寫程序創(chuàng)建。該檢測裝置所用三菱FX2N-2AD模擬量輸入模塊為12位模/數轉換器，當采樣的模擬量被轉換成12位數字后，數據低8位存儲至BFM#0單元，高4位存儲至BFM#1單元[7]。選取寫指令TO和讀指令FROM。該模塊中，讀指令FROM將其低8位送M100～M107，高4位送M108～M111，讀出數據存至D100。程序如圖7所示。

圖7 傾角傳感器數據讀寫程序

4)2個步進電動機返回程序的創(chuàng)建。參照2個步進電動機的定位程序，設垂直步進電動機的位移為-12 800個脈沖當量所走的位移，設水平步進電動機的位移為-96 000個脈沖當量所走的位移。轉速和各端口不變，電動機轉向相反。創(chuàng)建程序如圖8所示。

圖8 垂直、水平步進電動機返回程序

3 結語

該絕緣子垂直度檢測裝置及其PLC控制的方法，目前已應用于西安西電高壓開關有限責任公司GW4型高壓隔離開關絕緣子的自動化裝配和檢測生產線上。運行實踐證明，該裝置測量數據穩(wěn)定快捷，測量方法簡單實用，檢測裝置穩(wěn)定性好，實現了GW4型高壓隔離開關自動化生產中絕緣子垂直度的檢測。該檢測裝置及其PLC控制方法具有通用性，對其結構尺寸和PLC控制程序做對應修改和調整，可拓展應用于其他型號高壓隔離開關裝配中絕緣子垂直度的檢測，具有較高的推廣價值。

[1] 張海兵，劉少華，余翔. 國內絕緣子的發(fā)展及工藝展望[J]. 廣西電力，2013，36(9):20-24.

[2] 曹掌兵. 分析全站儀在起重機檢驗中的應用[J]. 裝備制造技術，2015(7):259-263.

[3] 王雷，李明，楊成剛，等. 工業(yè)送料機構設計、建模與PLC控制[J]. 重慶理工大學學報，2015(7):24-28.

[4] 喬穎，周杰. PLC步進電機控制技術[J]. 數控技術，2017(7):17-18.

[5] 李金城，付明忠. 三菱FX系列PLC定位控制應用技術[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社，2014.

[6] 韓亮. 步進電機的開環(huán)定位控制系統(tǒng)設計[J]. 常州工學院學報，2015(12):30-34.

[7] 李金城. PLC模擬量與通信控制應用實踐[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社，2011.