徐 航 尹德昌 萬(wàn)嘉利 李潤(rùn)雨 沙炳衡

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司中衛(wèi)供電公司，寧夏 中衛(wèi) 755000）

0 引言

雙鉤安全帶是電力行業(yè)中一種常見(jiàn)的作業(yè)工具，在我國(guó)電力行業(yè)中被廣泛應(yīng)［1-2］。但隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的雙鉤安全帶仍采用“帶+鉤”結(jié)構(gòu)，已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的工作需求［3］。智能電網(wǎng)就是電網(wǎng)的智能化，也被稱為“電網(wǎng)2.0”，是建立在集成、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)傳感和測(cè)量技術(shù)、先進(jìn)設(shè)備、先進(jìn)控制方法及先進(jìn)決策支持系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)，其主要特征為自愈、激勵(lì)和保護(hù)用戶、抵御攻擊、提供滿足用戶需求的電能質(zhì)量、容許不同發(fā)電形式的接入、啟動(dòng)電力市場(chǎng)及資產(chǎn)的優(yōu)化高效運(yùn)行［4-6］。雙鉤安全帶主要應(yīng)用于電力建設(shè)、線路巡檢、高程試驗(yàn)等登高作業(yè)中，對(duì)智能電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，工具的智能化也是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)［7］。為了實(shí)現(xiàn)與智能桿塔相匹配，要對(duì)雙鉤安全帶進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)。因此，本研究設(shè)計(jì)出一種面向智能電網(wǎng)的智慧互聯(lián)型雙鉤安全帶控制策略，該控制策略基于DSP28377D控制器，與智能桿塔控制器的智能互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)安全帶工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)、中繼互聯(lián)、輔助助爬電機(jī)控制等功能。

1 智慧互聯(lián)型雙鉤安全帶研發(fā)必要性

1.1 智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)是基于先進(jìn)信息技術(shù)構(gòu)建的電力輸送系統(tǒng)，能根據(jù)感知到的信息進(jìn)行有效控制，并管理電力生產(chǎn)、傳輸和分配等過(guò)程。近年來(lái)，我國(guó)電力供應(yīng)技術(shù)發(fā)展十分迅速，電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模在持續(xù)擴(kuò)大，電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的電壓等級(jí)也在不斷提升。智能電網(wǎng)是個(gè)龐大系統(tǒng)，包含了計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等。傳統(tǒng)電網(wǎng)存在巡檢難、新能源發(fā)電難、覆蓋范圍小、配電忙調(diào)和難以并網(wǎng)等問(wèn)題，要想解決上述問(wèn)題，就要實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能化。智能電網(wǎng)具有高速的雙向通信網(wǎng)絡(luò)，并運(yùn)用先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、設(shè)備技術(shù)、控制方法及決策支持系統(tǒng)，能很好地解決傳統(tǒng)電網(wǎng)中存在的覆蓋范圍小、難以并網(wǎng)、配電忙調(diào)等問(wèn)題。

智能電網(wǎng)是一個(gè)具有“智慧”的電網(wǎng)，可給予城市安全可靠的能源支持。智能電網(wǎng)能有效提高能源利用效率，提高電力供應(yīng)的安全性和可靠性，減少電網(wǎng)的能量損耗，降低電網(wǎng)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響。智能電網(wǎng)能更好地結(jié)合新能源發(fā)電，提供一種有效的電力傳輸和分配方式，提高清潔能源的利用率。電網(wǎng)供電的可靠性依賴于通信系統(tǒng)的支持，智能電網(wǎng)具有高速、雙向、實(shí)時(shí)的通信系統(tǒng)，智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取、保護(hù)和控制依賴于強(qiáng)大的信息系統(tǒng)支持。在該領(lǐng)域要重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè)方面內(nèi)容，一是智能電網(wǎng)要具有開(kāi)放式的通信架構(gòu)，即整體形成一個(gè)“即插即用”環(huán)境，使電網(wǎng)各元器件之間能進(jìn)行模塊化通信。二是具有統(tǒng)一的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，使傳感器、智能儀器設(shè)備及應(yīng)用系統(tǒng)之間能實(shí)現(xiàn)流暢的通信，即信息在電網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)中能被充分理解，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和設(shè)備之間、設(shè)備和系統(tǒng)之間、系統(tǒng)和系統(tǒng)之間的相互操作。智能電網(wǎng)通過(guò)融合通信、能源、人工智能等前沿科技產(chǎn)業(yè)，在一定程度上推動(dòng)上下游及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進(jìn)關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展和新產(chǎn)業(yè)的涌現(xiàn)，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與加快裝備的更新，且智能電網(wǎng)為通信、自動(dòng)化、人工智能等技術(shù)的深度融合提供了支持。

1.2 電網(wǎng)高空作業(yè)安全性問(wèn)題

高空作業(yè)是指工作人員在一定位置為基準(zhǔn)的高處進(jìn)行的作業(yè)。電網(wǎng)高空作業(yè)存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，工作時(shí)需要嚴(yán)格按照高空作業(yè)規(guī)范流程進(jìn)行作業(yè)，在高空作業(yè)時(shí)正確佩戴安全帶尤為重要。正確佩戴安全帶還可提高工作效率，在高空作業(yè)時(shí)，如果沒(méi)有安全帶保護(hù)，工作人員的注意力將會(huì)分散到自身安全問(wèn)題上，從而大大影響工作效率。使用安全帶可讓工作人員更加專注工作，提高工作效率。為提高高空作業(yè)的安全性，作業(yè)人員使用安全帶時(shí)須注意以下六個(gè)方面。①正確佩戴。在佩戴安全帶時(shí)，必須保證安全帶的肩帶、腰帶和腿帶正確佩戴，并調(diào)整好大小。如果佩戴安全帶的方式不正確，將會(huì)大大降低安全帶對(duì)工作人員的保護(hù)作用。②固定穩(wěn)定。安全帶必須牢牢固定在工作人員身上，并與工作位置固定連接在一起，要仔細(xì)檢查連接處是否牢固，以確保其不會(huì)在工作中出現(xiàn)高空脫落。③用前檢查。安全帶在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生磨損，因此，使用安全帶之前應(yīng)檢查其是否完好，檢查安全帶帶狀材料的磨損情況、金屬部件的可靠性等。④操作規(guī)范。使用高空安全帶時(shí)，必須嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作，正確栓扣安全鉤、正確連接安全繩。⑤避免損壞。在使用安全帶時(shí)應(yīng)避免過(guò)度拉扯或摩擦，以避免對(duì)安全帶的結(jié)構(gòu)造成不可逆損壞。安全帶在使用結(jié)束后應(yīng)檢查和維護(hù)，從而確保安全帶的安全性。⑥儲(chǔ)存保養(yǎng)。使用完畢后，安全帶應(yīng)存放在干燥通風(fēng)處，應(yīng)盡量避免存放在潮濕環(huán)境中，并定期對(duì)其進(jìn)行檢查保養(yǎng)和更換，以保證安全帶的安全性能。

1.3 安全帶原理及分類

當(dāng)高處作業(yè)人員發(fā)生墜落時(shí)，安全帶可將作業(yè)人員安全懸掛，以免進(jìn)一步墜落。按照安全帶佩戴方式的不同，可將其分為以下三類。①全身安全帶。全身安全帶通常由腰帶、肩帶、腿帶和安全繩組成，肩帶和腿帶十分堅(jiān)韌，能很好地維持高空作業(yè)人員身體的穩(wěn)定性。②半身安全帶。半身安全帶通常由腰帶和安全繩組成，用于固定高空作業(yè)人員的腰部，避免其發(fā)生墜落，半身安全帶常用于一些較為輕便的工作場(chǎng)中。③固定式安全帶。固定式安全帶通常由帶狀材料和安全繩組成，主要用于固定工作人員，將人員固定在工作位置上，從而保證工作人員不會(huì)在工作位置上發(fā)生滑落。

1.4 智慧互聯(lián)型雙鉤安全帶與智能電網(wǎng)關(guān)聯(lián)

高空作業(yè)是電力行業(yè)中的高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)之一，高空作業(yè)安全帶采用大型雙鉤五點(diǎn)式結(jié)構(gòu)，由安全帶體、連接器、安全繩和大雙鉤組成，安全帶本體和安全繩均由高強(qiáng)度聚酯織帶或高強(qiáng)度纖維材料制成，常用于電力運(yùn)輸、煤礦行業(yè)中，可牢牢固定住從事高空作業(yè)人員的身體，保障工作人員的生命安全?，F(xiàn)階段，電力系統(tǒng)作業(yè)中使用的安全帶均為傳統(tǒng)型產(chǎn)品，既無(wú)法實(shí)現(xiàn)自我監(jiān)測(cè)、組網(wǎng)互聯(lián)，又無(wú)法滿足現(xiàn)階段快速發(fā)展的遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)的技術(shù)需求，更無(wú)法在更復(fù)雜工況下實(shí)現(xiàn)對(duì)重物的輔助提升功能。為此，本研究設(shè)計(jì)出一種智慧互聯(lián)型雙鉤安全帶，從而實(shí)現(xiàn)與智能電網(wǎng)的智慧互聯(lián)。

一方面，智慧互聯(lián)型雙鉤安全帶通過(guò)系統(tǒng)自帶的傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)自身安全狀態(tài)，并上傳至手持終端進(jìn)行顯示。另一方面，智慧互聯(lián)型雙鉤安全帶能通過(guò)通信模塊將狀態(tài)上傳至臺(tái)區(qū)綜控中心，進(jìn)行集中調(diào)度管理。同時(shí)，為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的工作需求，對(duì)安全帶增加重物輔助提升的功能，能有效減少工作人員的承載強(qiáng)度，降低負(fù)重工作的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)雙鉤安全帶的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能降低脫鉤風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)安全性。同時(shí)，對(duì)雙鉤安全帶的狀態(tài)監(jiān)測(cè)有助于推進(jìn)檢修智能化，為未來(lái)智能電網(wǎng)全面建成做鋪墊。

2 基本原理

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

基于DSP28377D 的控制器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。DPS28377D 是一款雙核處理器，主頻為200 MHz，采用“雙核（CPU1+CPU2）+雙協(xié)核（CLA1+CLA2）”結(jié)構(gòu)，使處理性能得到提高。DPS28377D 能對(duì)雙鉤安全帶的工作狀態(tài)進(jìn)行快速判斷，提高動(dòng)態(tài)效應(yīng)；能快速實(shí)現(xiàn)安全帶與綜控中心、智能桿塔控制器、便攜式移動(dòng)控制設(shè)備等的互聯(lián)，縮短互聯(lián)時(shí)間；能產(chǎn)生PWM 波形來(lái)控制助爬電機(jī)工作，節(jié)省爬高時(shí)間，同時(shí)能對(duì)200 kg 內(nèi)重設(shè)備進(jìn)行提升，提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的效率。針對(duì)具有故障返回信號(hào)功率模塊和助爬電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)出24 路PWM 驅(qū)動(dòng)故障返回電路，有利于及時(shí)停機(jī)、排查故障，避免故障擴(kuò)大化。設(shè)計(jì)出10路AD 采樣與調(diào)理電路，其中，包括7路雙極性AD和3 路單極性AD，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙鉤安全帶工作時(shí)的多種狀態(tài)量進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)。28377D 片內(nèi)AD 轉(zhuǎn)換電路可配置成12 位單端輸入和16 為差分輸入兩種模式，因此，外圍電路也可設(shè)計(jì)成自由調(diào)節(jié)輸入路徑，方便配置每一路AD 的輸入模式。支持在助爬電機(jī)上安裝光柵編碼器或旋轉(zhuǎn)編碼器，便于選配多種類型的助爬電機(jī)。旋轉(zhuǎn)變壓器解碼選用的是PGA411-Q1 芯片，該芯片具有強(qiáng)大的可編程配置功能，并支持市面上的絕大多數(shù)旋轉(zhuǎn)變壓器。預(yù)留了8 路外部開(kāi)關(guān)輸入接口，方便對(duì)安全帶系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行、啟停、故障清除及其他控制輸入操作。加入了2 位七段數(shù)碼管，方便實(shí)現(xiàn)對(duì)智能安全帶的狀態(tài)、故障狀態(tài)等的顯示功能。為方便試驗(yàn)調(diào)試、查看波形，加入了8 路12 位DA 輸出，能實(shí)現(xiàn)多類型終端設(shè)備互聯(lián)。

圖1 基于DSP28377D的控制器結(jié)構(gòu)

2.2 控制策略

面向智能電網(wǎng)的智慧互聯(lián)型雙鉤安全帶控制策略流程如圖2 所示。組網(wǎng)互聯(lián)控制策略是基于國(guó)網(wǎng)加密芯片進(jìn)行通信的，雙鉤安全帶和綜控中心或地面操控設(shè)備要先進(jìn)行握手校驗(yàn)，校驗(yàn)無(wú)誤后再進(jìn)行互聯(lián)，互聯(lián)后將安全帶的工作狀態(tài)、故障代碼等實(shí)時(shí)上傳顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)處于工作狀態(tài)的安全帶進(jìn)行統(tǒng)一管理，以此來(lái)提高工作效率，降低事故發(fā)生概率。

圖2 組網(wǎng)互聯(lián)控制策略流程

雙鉤安全帶的掛鉤上有兩個(gè)傳感器，一個(gè)是開(kāi)口處的接近開(kāi)關(guān)，另一個(gè)是頂部的微動(dòng)開(kāi)關(guān)。首先，判斷頂部傳感器來(lái)感知掛鉤是否掛接正常，如果不正常，繼續(xù)判斷開(kāi)口處接近開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如果開(kāi)口沒(méi)動(dòng)作，說(shuō)明掛鉤仍掛接在桿塔上；如果開(kāi)口有動(dòng)作，說(shuō)明掛鉤脫離，控制器蜂鳴器發(fā)出脫鉤預(yù)警，同時(shí)地面手持顯示終端會(huì)顯示單鉤脫鉤。其次，檢測(cè)另一只掛鉤的掛接狀態(tài)，如果脫鉤將發(fā)出雙鉤脫鉤報(bào)警，手持終端會(huì)顯示雙鉤脫鉤，并提示停止工作。該雙鉤安全帶能通過(guò)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的回傳，并在工作現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)安全帶狀態(tài)組網(wǎng)互聯(lián)，并集中在地面手持終端上顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的組織管理。

助爬電機(jī)控制邏輯如圖3 所示。先控制助爬電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)自檢，看是否具備啟動(dòng)條件。在具備啟動(dòng)條件后，啟動(dòng)PWM 程序?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行矢量控制，實(shí)現(xiàn)助爬或重物提升。

圖3 助爬電機(jī)控制邏輯

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)本研究設(shè)計(jì)的基于DPS28777D 控制器的智慧互聯(lián)型雙鉤安全帶進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如圖4、圖5 所示。圖4 中的電流1 為流過(guò)安全帶內(nèi)部金屬絲的電流，電流2 為安全帶故障指示屏幕驅(qū)動(dòng)電流，電壓為安全帶雙鉤之間的電壓。由圖4 可知，沒(méi)有掛接時(shí)，雙鉤處于斷路狀態(tài)，鉤間承壓為10 V。當(dāng)安全帶掛接后，雙鉤連通，電壓立刻跌到0 V，即電壓由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑|發(fā)控制器發(fā)出狀態(tài)變化信號(hào)，驅(qū)動(dòng)屏幕顯示故障狀態(tài)。圖5 為助力爬電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由圖5 可知，電壓、電流的品質(zhì)良好，電機(jī)啟動(dòng)起始段轉(zhuǎn)速線性上升，等速斷穩(wěn)速效果良好。

圖4 安全帶故障判斷波形

圖5 助爬電機(jī)試驗(yàn)波形

4 結(jié)語(yǔ)

本研究提出一種面向智能電網(wǎng)的智慧互聯(lián)型雙鉤安全帶控制策略，是基于DSP28377D 控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)掛接狀態(tài)判斷、掛接狀態(tài)預(yù)警、掛接狀態(tài)顯示、助爬輔助電機(jī)控制的，可實(shí)現(xiàn)安全帶與智能桿塔、臺(tái)區(qū)綜控系統(tǒng)的互聯(lián)，并融入到智能電網(wǎng)系統(tǒng)中。本研究詳細(xì)介紹了硬件、軟件設(shè)計(jì)過(guò)程，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的有效性和可行性。