絕緣子垂直度檢測裝置及其PLC控制

孟 忠，王益博，楊 樂

(西安西電高壓開關(guān)有限責(zé)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(lǐng)域不可或缺的絕緣設(shè)備，主要起機械連接和電氣絕緣作用[1]。高壓隔離開關(guān)絕緣子位于高壓隔離開關(guān)底座和導(dǎo)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(guān)的裝配過程中，安裝絕緣子時，垂直度是關(guān)鍵的安裝參數(shù)，其直接影響到裝配完成后隔離開關(guān)的各項分合閘參數(shù)和在電網(wǎng)中的運行可靠性。目前，隔離開關(guān)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(zhǔn)確性和精度等均不高。還有一種方法是使用全站儀進(jìn)行測量，全站儀是一種集光、機、電為一體的高技術(shù)測量儀器[2]，使用時需要架安置調(diào)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(guān)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(diào)整至垂直度符合技術(shù)要求，可非常有效地保證隔離開關(guān)裝配質(zhì)量，并且可實現(xiàn)隔離開關(guān)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(xiàn)出的綜合優(yōu)勢，其在工業(yè)自動控制領(lǐng)域的應(yīng)用愈來愈廣泛[3]。本文介紹一種動作準(zhǔn)確、功能實用的PCL控制步進(jìn)電動機動作，利用傾角傳感器測量，以實現(xiàn)高壓隔離開關(guān)絕緣子垂直度檢測的裝置及控制方法。其檢測手段高效，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，使用方便，有效地保證了高壓隔離開關(guān)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(guān)產(chǎn)品設(shè)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(guān)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(guān)電壓等級、污穢等級及其他參數(shù)決定。

圖1 絕緣子安裝及測量位置示意圖

1.2 檢測裝置結(jié)構(gòu)

高壓隔離開關(guān)絕緣子垂直度檢測裝置主要由安裝平臺、立柱、測量臂、步進(jìn)電動機、絲杠、導(dǎo)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(guān)底座和絕緣子安裝的平臺，立柱上部為測量臂，測量臂兩側(cè)為測量模塊。

1.3 測量原理

步進(jìn)電動機是一種利用電脈沖信號進(jìn)行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)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(jìn)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(jìn)電動機起動后，測量臂兩側(cè)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(jìn)電動機動作，測量臂和測量模塊整體垂直向下運動至設(shè)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(cè)傾角傳感器測量出絕緣子垂直度。

圖2 檢測裝置進(jìn)行絕緣子測量示意圖

2 PLC控制部分

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三菱FX系列PLC中，F(xiàn)X1N和FX1S由于經(jīng)濟性好，在單速定長進(jìn)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(jìn)電動機驅(qū)動器、步進(jìn)電動機、限位開關(guān)、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(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jìn)電動機和垂直步進(jìn)電動機是否在零位進(jìn)行判斷，以使2個步進(jìn)電動機動作的起始位置準(zhǔn)確，若2個電動機不在零位，以此控制水平步進(jìn)電動機和垂直步進(jìn)電動機依次進(jìn)行歸零動作；歸零動作完成后，PLC控制水平步進(jìn)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(guān)對水平步進(jìn)電動機進(jìn)行限位保護(hù)；水平步進(jìn)電動機動作完成后，垂直步進(jìn)電動機動作，同樣，限位開關(guān)對垂直步進(jìn)電動機進(jìn)行限位保護(hù)，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(jìn)電動機動作到設(shè)定位移后停止，傾角傳感器進(jìn)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(xiàn)步進(jìn)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(jìn)電動機和垂直步進(jìn)電動機的規(guī)格相同，步進(jìn)電動機的步距角θ=0.9°，步進(jìn)驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)m=4，水平步進(jìn)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(jìn)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(cè)移動和測量臂向下移動的速度V均設(shè)為5 mm/s。

控制2個步進(jìn)電動機的脈沖當(dāng)量δ：

控制水平步進(jìn)電動機輸出脈沖數(shù)P1：

控制垂直步進(jìn)電動機輸出脈沖數(shù)P2：

控制2個步進(jìn)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(jié)束標(biāo)志位，Y006和Y007為2個步進(jìn)電動機旋轉(zhuǎn)方向位脈沖端口，選取原點回歸指令ZRN進(jìn)行步進(jìn)電動機的原點回歸動作，原點回歸開始速度設(shè)為5 000 Hz所控制的速度，爬行速度設(shè)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(jìn)行監(jiān)控，M8029為指令完成標(biāo)識位。原點回歸程序創(chuàng)建如圖5所示。

圖5 步進(jìn)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(jìn)電動機的位移由式1計算可得，具體為96 000個脈沖當(dāng)量所走的位移，垂直步進(jìn)電動機的位移由式2計算可得，具體為128 000個脈沖當(dāng)量所走的位移，2個步進(jìn)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(jìn)行步進(jìn)電動機定位動作控制，創(chuàng)建2個步進(jìn)電動機的定位程序如圖6所示。

圖6 水平、垂直步進(jìn)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(shù)轉(zhuǎn)換器，當(dāng)采樣的模擬量被轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字后，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存至D100。程序如圖7所示。

圖7 傾角傳感器數(shù)據(jù)讀寫程序

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

圖8 垂直、水平步進(jìn)電動機返回程序

3 結(jié)語

該絕緣子垂直度檢測裝置及其PLC控制的方法，目前已應(yīng)用于西安西電高壓開關(guān)有限責(zé)任公司GW4型高壓隔離開關(guān)絕緣子的自動化裝配和檢測生產(chǎn)線上。運行實踐證明，該裝置測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定快捷，測量方法簡單實用，檢測裝置穩(wěn)定性好，實現(xiàn)了GW4型高壓隔離開關(guān)自動化生產(chǎn)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(jié)構(gòu)尺寸和PLC控制程序做對應(yīng)修改和調(diào)整，可拓展應(yīng)用于其他型號高壓隔離開關(guān)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(nèi)絕緣子的發(fā)展及工藝展望[J]. 廣西電力，2013，36(9):20-24.

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[3] 王雷，李明，楊成剛，等. 工業(yè)送料機構(gòu)設(shè)計、建模與PLC控制[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報，2015(7):24-28.

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