多機(jī)互聯(lián)電纜敷設(shè)機(jī)協(xié)同控制方法及裝置研究

胡偉，潘彩虹，何青，關(guān)山，辛業(yè)春

（1.杭州凱達(dá)電力建設(shè)有限公司，杭州 311100; 2.東北電力大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院; b.電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

0 引言

隨著電纜直徑和敷設(shè)距離的不斷增加，我國大多采用卷揚(yáng)機(jī)帶動鋼絲繩牽引的方式敷設(shè)電纜[1-2]。但是，當(dāng)電纜彎曲直徑過大時，經(jīng)常會出現(xiàn)電纜絞擰和鎧裝壓扁等問題，導(dǎo)致電纜帶傷運(yùn)行甚至報廢，無法滿足正常電纜敷設(shè)工作[3]。相較于牽引敷設(shè)，串聯(lián)助力敷設(shè)采用多臺電纜敷設(shè)機(jī)代替單個牽引機(jī)，改變了牽引力為主的傳統(tǒng)敷設(shè)方式，減少了敷設(shè)過程中電纜局部受力過大和過度磨損等問題，極大程度上保障了敷設(shè)質(zhì)量，在大直徑電纜長距離敷設(shè)中受到人們的廣泛關(guān)注[4-5]。但是串聯(lián)助力敷設(shè)也存在一些問題，例如：由于復(fù)雜敷設(shè)路徑中各臺敷設(shè)機(jī)的推送長度不同，預(yù)設(shè)夾緊力可能不足以產(chǎn)生所需的推送力而造成各臺敷設(shè)機(jī)的推送速度不一致，這可能增加反向拉力，起反作用，也可能擠壓電纜，增大與管壁的磨損，降低電纜的安裝質(zhì)量。此外，當(dāng)夾緊力不足時，工程實(shí)踐中還可能出現(xiàn)電纜打滑現(xiàn)象，影響電纜敷設(shè)工作的正常進(jìn)行。因此，如何根據(jù)電纜敷設(shè)機(jī)實(shí)時工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同控制是電力系統(tǒng)工作中存在的重點(diǎn)和難點(diǎn)[6]。

基于多機(jī)互聯(lián)敷設(shè)模式，提出了一種多機(jī)互聯(lián)電纜敷設(shè)機(jī)協(xié)同控制方法，研發(fā)了協(xié)調(diào)控制裝置，降低了人力投入，提升了智能化水平，極大地提高了敷設(shè)效率和安裝質(zhì)量。

1 敷設(shè)系統(tǒng)及控制功能分析

1.1 多機(jī)互聯(lián)電纜敷設(shè)系統(tǒng)

多機(jī)互聯(lián)電纜敷設(shè)系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)分為現(xiàn)場層和管控層?，F(xiàn)場層為布置于敷設(shè)路徑上的電纜敷設(shè)機(jī)集合，多臺電纜敷設(shè)機(jī)以助力的方式依次加入電纜敷設(shè)過程，實(shí)時監(jiān)測夾緊力、敷設(shè)速度和敷設(shè)長度等信息，并通過通信模塊與管控層進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)對電纜敷設(shè)工作的遠(yuǎn)程監(jiān)控。管控層以協(xié)調(diào)控制裝置為核心，采用統(tǒng)一控制和個別控制相結(jié)合的控制理念，通過監(jiān)測信息分析、控制指令生成、控制指令下達(dá)等步驟保障多機(jī)協(xié)同，完成電纜敷設(shè)工作。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 多機(jī)互聯(lián)電纜敷設(shè)監(jiān)測原理

多機(jī)互聯(lián)電纜敷設(shè)系統(tǒng)的監(jiān)控對象包括電纜推送速度、夾緊力、電纜頭壓力和敷設(shè)管況。電纜敷設(shè)機(jī)監(jiān)測裝置布置如圖2所示。光電編碼器摩擦輪和導(dǎo)入輪組相配合，當(dāng)電纜到達(dá)或經(jīng)過敷設(shè)機(jī)工作位置會驅(qū)動導(dǎo)入輪組和光電編碼器摩擦輪同步轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)對推送電纜速度的監(jiān)測。輪輻式壓力傳感器布置于夾緊裝置和機(jī)架交匯處，實(shí)現(xiàn)對電纜夾緊力的測量。敷設(shè)電纜監(jiān)測裝置如圖3所示。敷設(shè)電纜監(jiān)測裝置安裝于敷設(shè)電纜頭部，螺桿式壓力傳感器實(shí)現(xiàn)對電纜頭壓力的監(jiān)測，攝像頭并輔以LED燈板實(shí)時監(jiān)測敷設(shè)管況。

圖2 電纜敷設(shè)機(jī)監(jiān)測裝置布置

圖3 敷設(shè)電纜監(jiān)測裝置

1.3 協(xié)調(diào)控制功能

通過分析敷設(shè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和監(jiān)測原理，歸納協(xié)調(diào)控制裝置的具體功能。協(xié)調(diào)控制裝置主要功能如下：1）遠(yuǎn)程集中控制所有敷設(shè)機(jī)以統(tǒng)一的工作參數(shù)（敷設(shè)工作的啟停和敷設(shè)速度等）進(jìn)行敷設(shè)電纜工作，并依據(jù)敷設(shè)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時調(diào)整以保證多機(jī)協(xié)同工作；2）根據(jù)單臺敷設(shè)機(jī)工作狀態(tài)決定何時啟動敷設(shè)機(jī)，以及判定是否存在因預(yù)設(shè)夾緊力不足而造成推送過程中的電纜打滑現(xiàn)象，并對上述內(nèi)容進(jìn)行智能化控制以保證正常的敷設(shè)工作。

2 協(xié)調(diào)控制策略

協(xié)同控制策略包括多機(jī)控制和單機(jī)控制。多機(jī)控制負(fù)責(zé)管理電纜敷設(shè)的全局工作參數(shù)，單機(jī)控制負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)單臺電纜敷設(shè)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。多機(jī)控制和單機(jī)控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同控制，保障電纜敷設(shè)工作正常進(jìn)行。

2.1 多機(jī)控制

多機(jī)控制方法流程如圖4所示，首先設(shè)定全局工作參數(shù)（如電纜型號、直徑和敷設(shè)速度等），并將參數(shù)下達(dá)至各電纜敷設(shè)機(jī)，開始敷設(shè)電纜；然后協(xié)調(diào)控制裝置對全局電纜敷設(shè)工作進(jìn)行監(jiān)控，并實(shí)時判斷敷設(shè)系統(tǒng)是否協(xié)調(diào)工作，如果是，則保持正常工作，如果否，則依據(jù)控制指令和運(yùn)行狀態(tài)對各臺電纜敷設(shè)機(jī)的工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)（即單機(jī)控制），保證多機(jī)協(xié)同工作。同時，協(xié)調(diào)控制裝置還根據(jù)敷設(shè)管況和電纜頭壓力判斷敷設(shè)管道是否堵塞，當(dāng)管道堵塞時緊急停止工作，等工作人員疏通后重新敷設(shè)電纜。此外，如果工作進(jìn)度不符合要求，還可調(diào)節(jié)敷設(shè)速度等全局參數(shù)，保證敷設(shè)工作按期完成。

圖4 多機(jī)控制方法流程

2.2 單機(jī)控制

單機(jī)控制主要依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判定各臺敷設(shè)機(jī)的實(shí)時狀態(tài)，并據(jù)此調(diào)整敷設(shè)機(jī)的相應(yīng)參數(shù)，保證多機(jī)協(xié)同工作。首先單臺敷設(shè)機(jī)接受工作人員設(shè)定的全局工作參數(shù)，啟動監(jiān)測裝置對敷設(shè)機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，準(zhǔn)備開始電纜敷設(shè)工作。當(dāng)監(jiān)測到光電編碼器計數(shù)時，可判定電纜已到達(dá)該敷設(shè)機(jī)工作位置，敷設(shè)機(jī)根據(jù)全局工作參數(shù)按照預(yù)設(shè)的夾緊力對電纜進(jìn)行夾緊，開始電纜推送工作。在電纜推送過程中，當(dāng)光電編碼器所監(jiān)測的速度和設(shè)定的敷設(shè)速度不一致時，可判定出現(xiàn)電纜打滑現(xiàn)象，電纜敷設(shè)機(jī)以步進(jìn)的方式逐步增加夾緊力，保證電纜敷設(shè)工作正常進(jìn)行。單機(jī)控制方法流程如圖5所示。

圖5 單機(jī)控制方法流程

3 協(xié)調(diào)控制裝置

協(xié)調(diào)控制裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。該裝置包括控制核心、人機(jī)接口模塊、通信模塊和電源模塊?？刂坪诵呢?fù)責(zé)協(xié)調(diào)其余各模塊，實(shí)現(xiàn)對電纜敷設(shè)工作的遠(yuǎn)程集中控制，并根據(jù)上述內(nèi)置協(xié)調(diào)控制策略對多個工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，保證多機(jī)協(xié)同控制。通信模塊負(fù)責(zé)接受來自敷設(shè)機(jī)的運(yùn)行信息，并向敷設(shè)機(jī)下達(dá)控制核心制定的調(diào)整指令，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制裝置與敷設(shè)機(jī)的信息交互。人機(jī)接口模塊提供電纜型號、直徑、敷設(shè)速度等工作參數(shù)的設(shè)定界面，并具有敷設(shè)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時顯示功能，為電纜敷設(shè)人員提供便利，提升了人機(jī)交互性能。電源模塊具備超寬電壓輸入功能，保證在復(fù)雜工況中為各模塊提供穩(wěn)定電源輸入。

圖6 協(xié)調(diào)控制裝置結(jié)構(gòu)

控制核心主要包括以STM32F103C8T6 芯片為主控芯片的核心電路。STM32F103C8T6主控芯片以32位ARM Cortex-M為內(nèi)核，采用LQFP48封裝，頻率為72 MHz，程序存儲器容量為64 kB，具有3個USART接口，分別用于與無線通信模塊和人機(jī)接口模塊的通信。STM32F103C8T6芯片外圍電路如圖7所示。

圖7 STM32F103C8T6芯片外圍電路

無線通信模塊采用E22-400T22D無線模塊，其采用SX1268射頻芯片，具有抗干擾能力強(qiáng)和傳輸距離遠(yuǎn)（最遠(yuǎn)距離為5 km）等優(yōu)點(diǎn)，保障通信的穩(wěn)定性。此外，該模塊還具有體積小、傳輸速度快（最高速度：62.5 kBps）、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時性。無線通信模塊電路如圖8所示。

圖8 無線通信模塊電路

人機(jī)接口模塊主要包括串口屏和收發(fā)器兩部分。串口屏采用HYW070型號顯示屏，分辨率為1026 ×600，并且還具有多種組態(tài)控件（數(shù)據(jù)錄入、曲線顯示和增量調(diào)節(jié)等）。收發(fā) 器 選 用SP3232EEY -L/TR模塊，增強(qiáng)傳輸信號的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境下的可靠通信。人機(jī)接口模塊電路如圖9 所示。人機(jī)接口界面如圖10所示。

圖9 人機(jī)接口模塊電路

圖10 人機(jī)接口界面

電源模塊選用URB4805 YMD-10WR3模塊電源，具有超寬電壓輸入范圍，隔離電壓高達(dá)DC 1500 V ，具有輸入過壓、短路和過流保護(hù)功能，目前廣泛應(yīng)用于電力、工控和通信等領(lǐng)域。電源模塊電路如圖11所示。

圖11 電源模塊電路

協(xié)調(diào)控制裝置工作流程如圖12所示，首先利用無線通信模塊建立協(xié)調(diào)控制裝置與敷設(shè)機(jī)的通信，檢查敷設(shè)機(jī)上線臺數(shù)，確認(rèn)無誤后，準(zhǔn)備開始電纜敷設(shè)工作；然后控制核心根據(jù)內(nèi)置的控制策略（即單機(jī)控制和多機(jī)控制）協(xié)調(diào)其余各模塊對敷設(shè)機(jī)進(jìn)行調(diào)整，保證敷設(shè)機(jī)協(xié)同工作。其中，多機(jī)控制所需設(shè)定參數(shù)（如電纜型號、直徑、敷設(shè)速度等）通過人機(jī)接口模塊進(jìn)行設(shè)置，方便工作人員操作。

圖12 協(xié)調(diào)控制裝置工作流程

4 結(jié)語

1）基于多機(jī)互聯(lián)敷設(shè)模式，提出了一種多機(jī)互聯(lián)電纜敷設(shè)機(jī)協(xié)同控制方法，多機(jī)控制管理電纜敷設(shè)的工作進(jìn)度和全局參數(shù)，而單機(jī)控制則根據(jù)全局參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)對敷設(shè)機(jī)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時微調(diào)，單機(jī)控制和多機(jī)控制相結(jié)合，保障多機(jī)協(xié)同工作，降低了人力投入，極大地提升了人性化程度。

2）開發(fā)了協(xié)調(diào)控制裝置，利用無線通信模塊與敷設(shè)機(jī)建立通信，實(shí)現(xiàn)對多臺敷設(shè)機(jī)的遠(yuǎn)程集中管理，并根據(jù)內(nèi)置協(xié)調(diào)控制策略對多工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，提高了電纜敷設(shè)的自動化和智能化水平，保障了敷設(shè)效率和安裝質(zhì)量。