賴萬(wàn)斌，劉 斌，龔德文

(1.聚合物成型加工工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省高分子先進(jìn)制造技術(shù)及裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，聚合物新型成型裝備國(guó)家工程研究中心，華南理工大學(xué)，廣東廣州 510641；2.廣東昌恒智能裝備科技有限公司，廣東東莞 523841)

0 引言

電力電纜被廣泛應(yīng)用于城市電網(wǎng)[1]，且普遍采用地下電纜的形式[2]。在傳統(tǒng)的電纜敷設(shè)方式中，以絞磨機(jī)為主通過(guò)鋼絲繩牽引電纜，以電纜輸送機(jī)為輔輸送電纜。這種電纜敷設(shè)方式依靠單一電源控制，電纜敷設(shè)速度調(diào)節(jié)需要人工操作[3]，存在自動(dòng)化程度低的問(wèn)題，更重要的是電纜盤(pán)質(zhì)量大、慣性大，缺乏動(dòng)力裝置，在放卷電纜時(shí)易損壞電纜。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)放線架、電滾輪和牽引機(jī)均帶動(dòng)力裝置的控制系統(tǒng)。可提高電纜敷設(shè)的自動(dòng)化程度，減小電纜因受力不均而受損的風(fēng)險(xiǎn)，保證電纜敷設(shè)質(zhì)量。

1 設(shè)備組成及工藝流程

電力電纜敷設(shè)控制系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備如圖1所示。系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備包括電動(dòng)放線架、電纜龍門(mén)支架、滑輪、電滾輪和牽引機(jī)等。電動(dòng)放線架以2臺(tái)帶剎車功能的伺服電機(jī)為動(dòng)力，電機(jī)通過(guò)減速機(jī)帶動(dòng)橡膠輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)，橡膠輪胎通過(guò)摩擦電纜盤(pán)兩側(cè)輪緣實(shí)現(xiàn)電纜放/收卷。電纜龍門(mén)支架頂部安裝超聲波傳感器以測(cè)量距拖纜滑架的垂直距離，可間接反映此處電纜的張力狀態(tài)。電滾輪具有體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)置直流48 V無(wú)刷電機(jī)為電纜輸送提供輔助動(dòng)力。牽引機(jī)由絞磨機(jī)和伺服電機(jī)改裝而成以便系統(tǒng)控制，它是電纜敷設(shè)所需牽引力的主要來(lái)源。

圖1 電力電纜敷設(shè)控制系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備

控制系統(tǒng)敷設(shè)電纜的工藝流程如下：

(1)安裝電纜敷設(shè)設(shè)備。電動(dòng)放線架布置于電纜敷設(shè)起點(diǎn)處，并用千斤頂頂升電纜盤(pán)至懸空，再將電動(dòng)放線架的橡膠輪胎抱夾電纜盤(pán)輪緣并固定。電纜龍門(mén)支架布置于電動(dòng)放線架出線一側(cè)。在電纜敷設(shè)終點(diǎn)布置牽引機(jī)。鋼絲繩一端連接牽引機(jī)，另一端連接電纜頭，依次通過(guò)電纜龍門(mén)支架上的托攬滑架、沿敷設(shè)路徑的電滾輪和滑輪。

(2)使用控制系統(tǒng)敷設(shè)電纜。若需系統(tǒng)自動(dòng)敷設(shè)電纜，可在人機(jī)界面輸入電纜敷設(shè)速度和加減速時(shí)間等參數(shù)，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，系統(tǒng)控制牽引機(jī)與電滾輪按指定速度敷設(shè)電纜。電動(dòng)放線架根據(jù)電纜放線的張力狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整電纜的放線速度，電纜敷設(shè)結(jié)束后，系統(tǒng)停止。若在電纜敷設(shè)過(guò)程中需回收電纜，可手動(dòng)控制電動(dòng)放線架和電滾輪反轉(zhuǎn)。若需調(diào)整局部電纜敷設(shè)形狀，可將系統(tǒng)切換至手動(dòng)模式，手動(dòng)控制相關(guān)設(shè)備工作即可。

2 電纜展放恒張力控制策略

PID控制算法是典型的閉環(huán)控制算法，是連續(xù)系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的算法之一。PID算法的表達(dá)式[4-5]如式(1)所示。

(1)

式中：t為時(shí)間，s；u(t)為PID算法的輸出值；KP為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)；e(t)為設(shè)定值與實(shí)際輸出值的偏差。

計(jì)算機(jī)通過(guò)離散化的方式進(jìn)行PID運(yùn)算。設(shè)采樣周期為T(mén)，將式(1)離散化，得到離散化的PID算法運(yùn)算表達(dá)式[4]如式(2)所示。

(2)

式中：k為采樣序號(hào)；u(k)為第k次采樣PID調(diào)節(jié)器的輸出值；e(k)為第k次采樣計(jì)算的偏差值；e(k-1)為第k-1次采樣計(jì)算的偏差值。

隨著電纜敷設(shè)進(jìn)行，電纜在電纜盤(pán)上的卷繞半徑不斷減小，由于牽引速度恒定，若保持電纜盤(pán)轉(zhuǎn)速不變，則勢(shì)必造成電纜的展放速度與牽引速度不一致，從而使電纜張力增加。

為保持電纜在放線時(shí)張力恒定，采用基于PID算法的電纜展放控制策略，其原理如圖2所示。設(shè)定托攬滑架距超聲波傳感器目標(biāo)高度為t，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)超聲波傳感器測(cè)得距托攬滑架的實(shí)際高度為h，將超聲波傳感器采集的模擬量信號(hào)通過(guò)A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后傳入PLC，系統(tǒng)將h與t的偏差Δe通過(guò)PID運(yùn)算后輸出模擬量信號(hào)至電動(dòng)放線架的伺服驅(qū)動(dòng)器，以控制電纜盤(pán)的放卷速度。電纜盤(pán)放卷時(shí)PLC經(jīng)PID運(yùn)算使h趨于t，以維持電纜張力趨于恒定。

圖2 基于PID算法的電纜展放控制策略原理圖

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，目標(biāo)平臺(tái)處于最下端，此時(shí)h和Δe最大，電纜張力最小。電纜受牽引力帶動(dòng)托攬滑架上滑，PLC經(jīng)PID運(yùn)算驅(qū)動(dòng)電纜盤(pán)，此時(shí)電纜張力增大并趨于恒張力，Δe減小并趨于0。

電纜展放控制策略的PID框圖如圖3所示。通過(guò)比較器計(jì)算實(shí)測(cè)的托攬滑架的高度h與給定托攬滑架高度t的偏差，由此通過(guò)PID調(diào)節(jié)器計(jì)算輸出值，依次控制系統(tǒng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使電纜放線速度與牽引速度同步以維持電纜的恒張力狀態(tài)，進(jìn)而保證電纜敷設(shè)質(zhì)量。

圖3 電纜展放控制策略的PID框圖

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

由于電纜敷設(shè)控制系統(tǒng)包含100個(gè)電滾輪驅(qū)動(dòng)卡、2個(gè)電動(dòng)放線架伺服驅(qū)動(dòng)器和1個(gè)牽引機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備，并且電纜敷設(shè)控制信息傳輸距離遠(yuǎn)，因此系統(tǒng)為主從式PLC網(wǎng)絡(luò)，控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為以下3層：

(1)監(jiān)控層。其位于系統(tǒng)頂層，主要設(shè)備是人機(jī)界面(HMI)，HMI向上接收操作人員指令，向下通過(guò)EtherNet/IP協(xié)議與控制層設(shè)備傳遞數(shù)據(jù)。

(2)控制層。其位于監(jiān)控層下，包括1臺(tái)主站PLC和11臺(tái)從站PLC。主站PLC向上與HMI交互，向下通過(guò)PROFINET協(xié)議與11臺(tái)從站PLC通訊，此外主站PLC還接收超聲波傳感器采集的數(shù)據(jù)，并輸出模擬量信號(hào)以控制電動(dòng)放線架的伺服驅(qū)動(dòng)器[6]。從站11#PLC輸出模擬量控制牽引伺服驅(qū)動(dòng)器，其余從站PLC通過(guò)RS485協(xié)議與電滾輪驅(qū)動(dòng)卡通訊。

(3)執(zhí)行層。其位于控制層下，包括電動(dòng)放線架伺服驅(qū)動(dòng)器、超聲波傳感器、電滾輪驅(qū)動(dòng)卡和牽引機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器。執(zhí)行層接收上層指令以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并將現(xiàn)場(chǎng)信息回傳至控制層。

電動(dòng)放線架選用臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)，型號(hào)為ECM-B3M-E21315SS1，功率為1.5 kW，減速機(jī)的減速比為1∶80，電動(dòng)放線架伺服驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)為DELTA ASD-B3-2021-M。電滾輪的輸出功率為100 W，內(nèi)置精密減速機(jī)，輸出扭矩可達(dá)24.6 N·m。牽引機(jī)作為電纜敷設(shè)的主要?jiǎng)恿υ?，?yīng)保證較高的輸出功率，故選用型號(hào)為ECMA-F11830RS的伺服電機(jī)，功率為3 kW，牽引機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)為DELTA ASD-A2-3023-M。主站PLC型號(hào)為CPU 1511C-1 PN[7]，從站PLC型號(hào)為CPU 1214C。HMI選用Kinco GL100E,超聲波傳感器選用型號(hào)為T(mén)30UXUB的產(chǎn)品，其模擬量輸出0～10 V DC，檢測(cè)距離為200～2 000 mm。

主站PLC的模擬量I/O接線圖如圖5所示。模擬量I/O模塊使用1個(gè)電壓輸入點(diǎn)位和2個(gè)電壓輸出點(diǎn)位，前者用于接收超聲波傳感器采集的數(shù)據(jù)，后者用于輸出控制電動(dòng)放線架轉(zhuǎn)速的電壓模擬量。

圖5 主站PLC的模擬量I/O接線圖

主站PLC的數(shù)字量I/O接線圖如圖6所示。CPU1511 C數(shù)字量I/O模塊使用了7個(gè)輸入點(diǎn)和8個(gè)輸出點(diǎn)，輸入點(diǎn)包括手/自切換、啟動(dòng)、報(bào)警、停止和急停等，輸出點(diǎn)包括蜂鳴器報(bào)警、伺服正反轉(zhuǎn)和伺服使能等，輸入/輸出點(diǎn)均由外部供電。

圖6 主站PLC的I/O接線圖

3.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括PLC程序和HMI程序設(shè)計(jì)。使用TIA Portal V16軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的PLC程序?？刂葡到y(tǒng)包括自動(dòng)和手動(dòng)2種控制模式，在手動(dòng)控制模式下，可單獨(dú)控制電動(dòng)放線架、牽引機(jī)和某個(gè)電滾輪?？刂葡到y(tǒng)PLC程序流程圖如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)PLC程序流程圖

控制系統(tǒng)PLC程序包括初始化程序、自動(dòng)運(yùn)行程序和故障報(bào)警程序等[8]。初始化程序用于初始系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)位等。自動(dòng)運(yùn)行程序包括傳感器數(shù)據(jù)接收處理程序、PID運(yùn)算程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等。故障報(bào)警程序包括各伺服電機(jī)故障報(bào)警和電滾筒報(bào)警等。PID運(yùn)算的PLC梯形圖程序如圖8所示。

圖8 PID運(yùn)算的PLC梯形圖程序

控制系統(tǒng)的人機(jī)界面包括運(yùn)行首頁(yè)、手動(dòng)控制界面和故障界面?？刂葡到y(tǒng)人機(jī)界面的運(yùn)行首頁(yè)如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)的人機(jī)界面

運(yùn)行首界面包括讀取電纜敷設(shè)參數(shù)、電纜敷設(shè)狀態(tài)、界面切換和控制指令等內(nèi)容。手動(dòng)控制界面包括控制電動(dòng)放線架、牽引機(jī)和電滾輪單獨(dú)運(yùn)行的指令。故障信息界面主要記錄設(shè)備故障等信息。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試采用規(guī)格為ZC-YJLW03-Z-64/110kV-1*500的電纜，長(zhǎng)200 m，質(zhì)量為1 200 kg；電纜盤(pán)外徑為2.800 m，內(nèi)徑為2.300 m，質(zhì)量為1 760 kg。系統(tǒng)測(cè)試包括自動(dòng)放卷測(cè)試和收卷測(cè)試。

系統(tǒng)自動(dòng)放卷測(cè)試的牽引速度設(shè)為4 m/min，選擇自動(dòng)模式開(kāi)始敷設(shè)電纜，使用測(cè)速儀測(cè)試電纜龍門(mén)支架處的電纜敷設(shè)速度。采用傳統(tǒng)方式和控制系統(tǒng)敷設(shè)電纜的速度曲線如圖10所示?？梢钥闯?，傳統(tǒng)方式敷設(shè)電纜速度波動(dòng)較大，且敷設(shè)速度時(shí)而大于最大速度15 m/min，原因在于工人不易控制電纜敷設(shè)速度。而采用控制系統(tǒng)的電纜敷設(shè)速度維持在約4 m/min，敷設(shè)過(guò)程平穩(wěn)，電纜趨于恒張力狀態(tài)。

圖10 采用傳統(tǒng)方式和控制系統(tǒng)敷設(shè)電纜的速度曲線

系統(tǒng)收卷測(cè)試將敷設(shè)的電纜回收至電纜盤(pán)，設(shè)置電纜回收速度5.5 m/min，以電動(dòng)放線架為主，以電滾輪為輔收卷電纜。電動(dòng)放線架收卷電纜的速度曲線如圖11所示?？梢钥闯?，電纜收卷在前5 s開(kāi)始加速到6 m/min，隨后收卷速度維持在5.5 m/min，整個(gè)收卷過(guò)程平穩(wěn)。

圖11 電動(dòng)放線架收卷電纜的速度曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)電力電纜敷設(shè)存在自動(dòng)化程度低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了電纜敷設(shè)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用基于PID算法的恒張力控制策略，可防止電纜出現(xiàn)過(guò)拉扯或過(guò)擠壓等現(xiàn)象，從而有效地保證電纜敷設(shè)的質(zhì)量。測(cè)試該控制系統(tǒng)敷設(shè)電纜和收卷電纜的結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，電纜敷設(shè)速度可調(diào)，滿足設(shè)計(jì)要求，提高了電纜敷設(shè)的自動(dòng)化程度高。