輸電線路導線自動壓接系統(tǒng)研制

劉艷梅，劉嘉興，陳 震，賈 巖

(1.沈陽航空航天大學 自動化學院， 沈陽 110136；2.遼寧省送變電工程有限公司， 沈陽 110179)

導線壓接作為輸變電線路施工過程中十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[1-2]，其工藝好壞直接關(guān)系到電網(wǎng)運行的安全性、規(guī)范性以及實時性[3]。輸電線路導線是由鋁線和鋼線絞合而成的，內(nèi)部是鋼芯，外部用鋁線通過絞合方式纏繞在鋼芯周圍。傳統(tǒng)導線壓接采用液壓連接施工技術(shù)，通過壓接管多個點的壓縮變形對鋁股及鋼芯產(chǎn)生握著力[4]，在壓接過程中需要人工將導線一模一模地移動并人工測量六邊形導線三組對邊距，壓接后還要人工檢測導線對邊距尺寸以及導線移動的距離，操作繁瑣，且測量尺寸不準確，需要大量人力，效率較低[5]。在此情況下，急需設(shè)計一種輸電線路導線自動壓接控制系統(tǒng)，從而提高導線連接質(zhì)量，減少檢修和事故處理次數(shù)。國內(nèi)外對輸變電導線自動壓接技術(shù)系統(tǒng)研究較少，應用也鮮有報道[6-7]，從目前的市場調(diào)研和查閱的參考文獻來看，國內(nèi)山東送變電工程公司開發(fā)的以西門子S7-200為控制器的數(shù)字化導線壓接控制系統(tǒng)，技術(shù)比較成熟，但未見實際應用報道[8]。目前國內(nèi)尚無以單片機為主控器的輸變電導線自動壓接系統(tǒng)。本文在傳統(tǒng)導線壓接系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計一種以單片機為下位機，C#設(shè)計的工業(yè)監(jiān)控界面為上位機的輸電線路導線自動壓接系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)導線壓接過程，可實現(xiàn)導線自動壓接、正六邊形對邊距自動檢測、導線自動移動，上位機界面人工設(shè)定參數(shù)、壓接數(shù)據(jù)自動保存、生成報表等功能，不僅能夠降低勞動強度，還能提高生產(chǎn)效率和工程質(zhì)量。

1 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計

傳統(tǒng)的壓接方式需要手動用專用壓接工具對輸變電導線進行機械壓緊，讓鋼芯和鋁導線在規(guī)定的限度內(nèi)發(fā)生變形，從而將兩者緊密地結(jié)合在一起，使結(jié)構(gòu)更加牢固。壓接過程如圖1所示。此壓接方式對于工作人員而言，勞動量過大，壓接后會影響緊密度，易出現(xiàn)松散情況[9]。為此，本文結(jié)合送變電現(xiàn)場實際施工需求，設(shè)計導線自動壓接控制系統(tǒng)，實現(xiàn)導線自動壓接，導線三組對邊距自動測量、導線自動移動、壓接壓力自動測量、壓接壓力和對邊距自動顯示，設(shè)計便于現(xiàn)場人員操作人工交互的界面，且壓接壓力能承載最大100 mPa的壓力，導線直徑測量精確達到1 mm，移動距離測量精確達到1 mm，能夠滿足實際現(xiàn)場施工需求。

圖1 傳統(tǒng)導線壓接過程示意圖

導線自動壓接硬件系統(tǒng)設(shè)計有兩個方案供選擇，即基于PLC的導線自動壓接系統(tǒng)和基于單片機的導線自動壓接系統(tǒng)?；赑LC的順序控制在程序編寫方面較單片機簡單很多，但成本較高，控制模塊費用昂貴(模擬量輸入模塊、S7200 CPU、數(shù)字量輸出模塊)，還需要220V交流電電源，使現(xiàn)場應用和調(diào)試具有局限性，所以選擇小型輕便、性價比高、操作性強的單片機作為控制器進行系統(tǒng)設(shè)計。本文設(shè)計的輸電線路導線自動壓接系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 輸電線路導線自動壓接系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)的微控制器選用STM32 系列單片機，其性能優(yōu)越，功能強大，價格低廉，易于編程操作[10]。和 AT89C51 相比較，首先，它對于數(shù)據(jù)的分析與處理過程更加快速高效；其次，它可以通過 J-LINK 在線查看內(nèi)存和寄存器，并可以添加多個斷點，使調(diào)試過程更加方便[11-12]。

1.1 導線的自動壓接

為了實現(xiàn)對導線的自動壓接和對壓接鉗壓力的實時監(jiān)控，需要準確測量壓接過程中壓接鉗的壓力，這部分功能主要由壓力測量系統(tǒng)實現(xiàn)。系統(tǒng)中驅(qū)動壓接鉗的液壓泵輸出液體油，用壓力變送器測量液體壓力時，取壓口開在流程管道的側(cè)面，以避免渣滓的沉淀。壓力變送器安裝在取壓口旁，以便測量壓力。壓力變送器內(nèi)部裝有擴散硅片，在擴散硅片上安裝惠斯通電橋，被測液體施壓使橋壁電阻值發(fā)生變化(壓阻效應)，產(chǎn)生差動電壓信號，此信號經(jīng)內(nèi)部專用放大器將量程相對應的信號轉(zhuǎn)化成模擬電壓信號。模擬電壓信號通過單片機I/O管腳進入單片機內(nèi)部，單片機內(nèi)部經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，將測得的壓力顯示出來。

自動壓接驅(qū)動系統(tǒng)主要由液壓泵、壓接鉗、電動推桿等組成。安裝過程中，將液壓泵與壓接鉗相連，電動推桿安裝在液壓泵開關(guān)控制部分。導線到達指定位置后，單片機控制電動推桿啟動液壓泵。當液壓泵壓力到達80 mPa時，開始壓接。當導線直徑壓接到一定數(shù)值時，單片機控制電動推桿關(guān)閉液壓泵。停止10s(液壓泵卸油需要的時間)后再將導線移動一段距離，再次壓接。如此循環(huán)。壓接壓力控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 壓接壓力控制系統(tǒng)原理框圖

1.2 導線壓接尺寸的自動測量

為保證導線壓接的質(zhì)量，需對壓接后導線的尺寸進行準確測量。導線壓接過程中，導線截面由圓形壓接成六邊形，導線壓接前后截面示意圖如圖4所示。本文設(shè)計的壓接后導線尺寸測量系統(tǒng)，對壓接后六邊形導線的三組對邊距進行準確測量。該部分主要由三個紅外傳感器、傳感器支架等組成。將三個紅外傳感器安裝在傳感器支架相鄰的三條邊上，傳感器支架與六邊形導線模具平行，支架的六條邊與模具六條邊分別平行。測量原理圖如圖5所示。

測量時，將三個紅外高精度測距傳感器安裝在傳感器支架相鄰的三個邊上，傳感器支架與六邊形導線模具平行，支架的六條邊與模具六條邊分別平行。這樣測得的三個紅外傳感器到導線的距離就等同于六邊形模具三條相鄰邊到導線的距離(見圖6)，即h1、h2、h3。H1、H2、H3 分別表示正六邊形模具的三個對邊距，為已知數(shù)據(jù)。那么所求導線的三個對邊距即為H1-2h1、H2-2h2、H3-2h3。

圖4 導線壓接前后截面示意圖

圖5 紅外測距部分原理框圖

圖6 對邊距測量原理圖

1.3 壓接鉗的自動移動

自動移動部分的功能主要是實現(xiàn)導線的自動移動壓接，相較于人工移動導線，移動的距離更精準。本文設(shè)計的自動移動部分主要由絲杠滑臺、86步進電機等組成。將步進電機安裝在絲杠結(jié)構(gòu)的齒輪部分，從而實現(xiàn)通過步進電機轉(zhuǎn)動帶動滑臺移動[13-14]。步進電機旋轉(zhuǎn)的角度由輸入的脈沖數(shù)確定，改變脈沖輸入頻率就可以改變步進電機的轉(zhuǎn)數(shù)[15]。本系統(tǒng)通過單片機輸出的脈沖信號來控制步進電機的轉(zhuǎn)向和步數(shù)。起始點由人工設(shè)定，之后通過單片機控制步進電機的轉(zhuǎn)向和步數(shù)，從而控制滑臺的移動方向和移動距離。自動移動部分結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 自動移動部分原理框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 單片機軟件設(shè)計

輸電線路導線自動壓接系統(tǒng)整體程序流程圖如圖8所示。首先，操作員在工業(yè)監(jiān)控界面輸入預期導線壓接后的直徑、導線移動的次數(shù)等參數(shù)，之后工業(yè)監(jiān)控界面的數(shù)據(jù)(即上位機的數(shù)據(jù))傳到下位機控制器單片機中，單片機控制步進電機轉(zhuǎn)動進而帶動滑車(滑車上安有壓鉗)移動。步進電機正(反)轉(zhuǎn)，滑車向左(右)移動，移動次數(shù)到達設(shè)定值后，單片機控制電動推桿，進而控制液壓泵的開閉，開始壓接過程。在壓接過程中，下位機串口屏會實時顯示壓接壓力值和導線對邊距。同時，工業(yè)監(jiān)控界面(即上位機)也會實時顯示導線直徑的數(shù)值變化情況。

圖8 系統(tǒng)主程序控制流程圖

2.2 上位機監(jiān)控界面設(shè)計

監(jiān)控界面由C#設(shè)計完成。C#是微軟公司發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮母呒壋绦蛟O(shè)計語言[16-17]。本系統(tǒng)設(shè)計的上位機監(jiān)控界面如圖9所示，其主要有以下四個模塊：串口設(shè)置模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、參數(shù)監(jiān)控模塊、曲線圖模塊。串口設(shè)置模塊用于掃描單片機在電腦一端連接的串口號和設(shè)置波特率；參數(shù)設(shè)置模塊用于人工設(shè)定預期導線壓接后的直徑，導線移動的次數(shù)，導線一次移動的距離，壓接完成后停留的時間；參數(shù)監(jiān)控模塊用于實時顯示壓接鉗壓接的壓力和導線的直徑；曲線圖模塊用于顯示壓接鉗壓力和導線直徑階段時間內(nèi)的變化情況。

圖9 上位機監(jiān)控界面

上位機通過串口與單片機通信，上位機通過掃描串口可得單片機在電腦一端連接的串口號，同時對波特率參數(shù)進行設(shè)置，本系統(tǒng)波特率設(shè)為9600。數(shù)據(jù)位采用擴展的ASCII碼，發(fā)送為10位，接收為6位，頭碼0xA5，尾碼 0x5A，每個顯示框數(shù)據(jù)占用兩位發(fā)送和接收，這樣可以使顯示的數(shù)據(jù)達到四位有效數(shù)字。定義協(xié)議的原則是盡可能簡單以提高傳輸率，盡可能具有安全性保證數(shù)據(jù)傳輸完整正確?；谶@兩點規(guī)則，本系統(tǒng)的通信協(xié)議為頭碼+數(shù)據(jù)正文+尾碼，通過檢測頭碼尾碼來讀取每組完整的有效數(shù)據(jù)，然后進行界面通知。首先在接收的數(shù)據(jù)中找到頭碼0xA5，然后檢測在此之后的第六位是否為尾碼0x5A，若全部符合則判斷中間為有效數(shù)據(jù)，否則在下一位開始重新尋找頭碼，以此類推。由于每個顯示框數(shù)據(jù)占用兩位發(fā)送和接收，在成功接收到數(shù)據(jù)后要重新兩兩合并，在顯示框中顯示真實數(shù)據(jù)并以圖表形式顯示。

2.3 控制算法設(shè)計

為了實現(xiàn)壓接導線的準確移動，在單片機的程序中，對步進電機轉(zhuǎn)數(shù)部分加入PID控制算法，PID作為一種較通用的控制方法[18-20]，將測量值的偏差輸入值進行分析后做出相應的判斷，輸出一定的信號從而控制執(zhí)行機構(gòu)。控制方程可以表示為

其中，e(t)為實際輸出值與理論輸出值之間的偏差，e(t)=r(t)-c(t)。r(t)是步進電機速度設(shè)定值，c(t)電機轉(zhuǎn)速實際測量值，kp，kI，kD分別為比例，積分微分增益。步進電機轉(zhuǎn)速的PID 控制原理圖如圖10所示。

圖10 步進電機轉(zhuǎn)速PID 控制原理圖

3 壓接現(xiàn)場實驗結(jié)果

本文設(shè)計的輸電線路導線自動壓接控制系統(tǒng)整體實物如圖11所示。

圖11 輸電線路導線自動壓接控制系統(tǒng)整體實物圖

基于上述設(shè)計的軟硬件系統(tǒng)，進行導線自動壓接實驗。實驗過程中，在上位機界面人工輸入導線移動次數(shù)、每次移動的距離等參數(shù)，之后單片機控制步進電機轉(zhuǎn)動進而帶動滑車移動。到達設(shè)定距離后，開始壓接過程。單片機通過電動推桿控制液壓泵給油施壓或回油泄壓，同時下位機串口屏進行壓力值和距離值顯示，上位機顯示這兩者的數(shù)值以及階段內(nèi)數(shù)值變化情況。實驗結(jié)果圖如圖12所示。

圖12 實驗結(jié)果圖

由實驗結(jié)果可知，設(shè)定導線預期直徑為70 mm，移動次數(shù)為5次，一次移動的距離為68 mm，完成一次壓接后的等待時間為30 s。隨著壓力的增大，導線直徑逐漸減小至預期設(shè)定值，很好地顯示了兩者的變化情況，參數(shù)設(shè)置部分則實時顯示了壓力和導線直徑。

4 結(jié)論

本文以單片機為主控器設(shè)計的輸電線路導線自動壓接控制系統(tǒng)，能用三個紅外測距傳感器測量導線三組對邊距，壓力變送器測量液壓泵輸出的壓力，電動推桿控制液壓泵的開閉。上位機可人工設(shè)定導線每步的移動距離以及導線移動的次數(shù)，實時顯示壓接導線的直徑以及壓接鉗壓力的數(shù)值，并將兩者數(shù)值變化以曲線圖形式實時顯示。下位機根據(jù)上位機指令自動移動導線，測量六邊形導線三組對邊距長度以及液壓泵壓接導線的壓力。同時，在下位機串口屏實時顯示導線三組對邊距和壓接壓力。本系統(tǒng)能大大節(jié)省勞動力，提高生產(chǎn)效率和工程質(zhì)量，減少事故率，在導線壓接技術(shù)方面有較好的應用前景。