架空電力線自動換模壓接設備的設計

沈 治，沈建明

（常州工業職業技術學院智能控制學院，江蘇 常州 213164）

1 引言

在架線施工的過程中，導線壓接是重要的工序環節之一，輸電導線一般由鋁線和鋼芯絞合而成，在壓接兩根輸電導線前，先去除鋼芯外周的鋁線，然后依次穿鋁接續管、鋼接續管，最后通過液壓機壓接鋼接續管和鋁接續管[1]。現在普遍采用的是人工扶握液壓機的方式，這種方式通常需要多名施工人員配合工作，壓接質量的好壞主要取決于工人的技能經驗，勞動強度大，工作效率低，壓接工藝質量不穩定，壓接管一旦出現彎曲和扭轉，不嚴重時需要校正，超標時則需要隔斷重接，大大降低了施工效率[2]。設計架空電力線自動換模壓接設備，需對其分別進行鋼接緒管（壓接鋼芯）和鋁接續管（壓接表面）的壓接，可以實現自動換模、自動壓接的功能，大大降低了人工強度和提高了生產效率；在導線壓接完成后可以實現測徑和實時顯示當前的壓力、位置、壓接線徑，通過壓接誤差判斷當前壓接是否合格，通過記錄壓接位置信息進行二次壓接和檢測，從而能輔助施工人員根據當前的壓接尺寸正確的控制壓力的變化，從而降低操作難度，提高壓接合格率，節省生產成本。本系統已成功應用于電力電網系統的送電線路的建設中，系統設計合理、運行可靠、大大提高了壓接質量和工作效率。

2 系統機械結構設計

2.1 總體布局

滑臺由底座上的伺服電機和滾珠絲杠驅動，作直線運動，使壓接機構能對鋼管進行多行程精確壓接。壓接機構主要通過兩個高壓油缸，使用模具對用來連接電纜的鋼管進行壓接。抬起機構的作用是，當壓接完成后，將橫梁抬起，使得壓接好的電纜可以從壓接機構中取出。檢測裝置的作用：按照要求，連接電纜的鋼管必須用模具壓成六邊形，六邊形的每個對邊的距離誤差不得超過0.1mm。這個誤差由檢測裝置來檢測，如圖1 所示。

圖1 總體布局Fig.1 Overall Layout

2.2 壓接換模機構設計

由左壓接油缸、右壓接油缸、滑臺和橫梁組成一個框架結構，承受壓接電纜時大約300t 的壓接力。壓接時先用一根小的鋼管將兩根電纜壓接在一起，再用一根粗的鋼管作為保護套壓接上去。所以需要用兩副模具進行壓接。模具的交換由模具架及其驅動機構來自動實現，如圖2 所示。模具架驅動機構由伺服電機加滾珠絲杠組成。

圖2 自動壓接換模機構Fig.2 Automatic Pressing Mould Changing Mechanism

2.3 壓接精度檢測裝置設計

壓接精度檢測裝置設計，如圖3 所示。由雙活塞油缸驅動左、右兩個支架作同步移動，支架上裝有3 組共6 個微型激光位移傳感器，可以同時檢測三組對邊的距離。雙活塞油缸將左、右兩個支架同時向中間拉時，可以檢測壓接六角形的三組對邊的距離。

圖3 壓接精度檢測機構Fig.3 Press Joint Accuracy Inspection Mechanism

3 電氣控制系統設計

3.1 控制系統

設計的架空電力線自動換模壓接設備，包含液壓泵控制模塊、壓接精度檢測模塊、PLC 控制模塊、自動換模行走模塊、自動壓接行走模塊、線纜填裝模塊、人機界面模塊，如圖4 所示。液壓泵控制模塊由伺服電機的轉速控制液壓泵的流量，由壓力和流量傳感器檢測出液壓缸等工作機構的位置信號，實現便捷的位置、速度、壓力控制；線纜填裝機構利用步進電機控制抬起機構自動抬起和放下，便于線纜從壓接機構中填裝和取出；換模行走機構是事先在移動機構上放置兩付壓接模具（一付是用于壓接鋼芯、一付是用來壓接外殼），待線纜填裝完成后能夠自動更換壓接模具；壓接行走機構是利用伺服驅動器進行運動控制，對鋼芯、線纜外殼進行不同位置的自動壓接；壓接精度檢測模塊利用激光位移傳感器將壓接好的鋼芯和線纜外殼進行對角的六邊形檢測，對于不符合精度要求的對角面進行重新壓接；通過PLC 來控制壓接的壓力、速度、位置、保壓時間等，實時信號通過HMI 進行顯示和控制，最終實現線纜的自動壓接和檢測作業。

圖4 控制系統框圖Fig.4 Control System Block Diagram

3.2 控制策略

傳統的架空線纜的壓接質量的好壞主要取決于工人的技能經驗，勞動強度大，工作效率低，壓接工藝質量不穩定。現在利用伺服和步進電機進行位置控制，實現線纜自動裝填、壓接模具的自動更換、不同位置自動壓接。在壓機工作的過程中，應該滿足“壓力-時間-位置”的控制工藝曲線和動作速度要求[3]，如果架空電纜的尺寸發生變化都會引起工藝曲線的變化，因此在工作過程中要實時的按照要求作出相應的調整，故利用模糊控制策略來控制伺服電機的轉速來實現改變液壓泵的流速和壓力，降低液壓泵的能量損耗和提高效率[4]，控制器結構，如圖5 所示。

圖5 模糊PID 控制器結構圖Fig.5 Structure Diagram of Fuzzy-PID Controller

該智能控制的液壓泵根據架空電纜的尺寸不同，壓力范圍（32.8～89.5）MPa，我們以 75MPa 為例，將此當量值設為 1，在實際運行中，壓力傳感器檢測到液壓泵的輸出壓力大于設定值時，此時應該降低液壓泵的轉速，減小液壓泵的輸出流量，反之應提高液壓泵的轉速，增加液壓泵的輸出流量[5]。通過對系統偏差e和變化率ec不斷進行檢測，通過模糊控制規則來實現對比例參數kP、積分參數kI、微分參數kD進行在線的修改，最終找到滿足PID 模糊參數變量的自整定處理，使得被控對象具有更好的動、靜態性能[6]。第K個采樣時間的整定為：

式中：kP0、kI0、kD0—初始值；

△kP、△kI、△kD—修正值。

把偏差e和變化率ec分別包含7 個模糊子集｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，其中各元素代表的含義分別為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大，對應連續性域值為［-6，6］[7]。利用如圖 6 的三角函數來對系統進行模糊化操作，利用加權平均，法進行去模糊化操作。

圖6 隸屬函數Fig.6 Membership Function

模糊規則為整個控制核心，△kP、△kI、△kD的控制規則表，如表 1～表 3 所示。

表 1 △kΡ 的模糊推理規則表Tab.1 Fuzzy Inference Rule Table of △kΡ

表2 △kI 的模糊推理規則表Tab.2 Fuzzy Inference Rule Table of △kI

表3 △kD 的模糊推理規則表Tab.3 Fuzzy Inference Rule Table of △kD

在MATLAB/Simulink 中搭建仿真模型，如式（2）：

式中：k

c—壓力流量放大系統，（m3/s）/Pa；

kf—傳感器的電壓傳感系統，V/m；

kq—變量泵流量比例系數Kq/（m3/（S·V））；

ksv—靜態流量放大系數；

ωsv—電液伺服閥固有頻率，rad/s；

圖7 常規-模糊PID 控制曲線Fig.7 Conventional-Fuzzy PID Control Curve

通過式（2）建立仿真模型，得到的常規-模糊的控制曲線，如圖7 所示。表明在無干擾源情況下，模糊PID 的系統階躍響應時間上升0.4s，超調量為12%，過渡時間0.8s，且波動較小，系統動態特性更佳。充分考慮模糊PID 控制規則和性能，并根據模糊PID 進行合理的參數設置，實現對液壓控制系統的控制和調節，現場調試得到系統不同階段工作數據。壓機實驗過程中不同階段壓力值參，如表4 所示。

表4 不同實驗階段壓力值Tab.4 Pressure Values at Different Stages

由表4 不同階段的壓力值可以看出，壓機不同階段的壓力值能夠滿足液壓控制系統工藝曲線要求，在相同條件下，模糊PID 控制系統響應超調量較小，響應速度較塊，響應曲線在上升時間和調節時間方面具有很好的性能，達到控制要求，效果良好。

3.3 控制流程

表5 輸入/輸出地址分配Tab.5 Input/Output Address Assignment

采用西門子公司的Smart 系列CPU ST40（DC/DC/DC）的PLC 作為主控制器，它具有24DI/16DO，為了便于功能擴展，增加EM DT16（8DI/8DO）數字量輸入/輸出模塊，增加 2 個 EM AM06（4AI/2AO）模擬量輸入/輸出模塊，同時可提供最多3 軸脈沖輸出的設置，脈沖輸出速度從20Hz 到100KHz 可調[8]；運動控制采用西門子公司的V90 伺服，其特點在于利用CPU 本體集成的三個高速輸出點（Q0.0、Q0.1、Q0.3）通過運動控制向導方便的組態為脈沖輸出+方向信號的控制通過，可最多連接3 個V90 實現定位控制[9]，I/O 的地址分配，如表 5 所示。

控制流程，如圖8 所示。設備在機械安裝完成后，必須滿足液壓缸松開、壓接機構在原點、換模機構在原點、抬起裝置抬起才能正式工作。工作模式分為手動/自動模式，在手動模式時，可以進行各機構的點動和電氣元件的測試，當測試完成后，代表設備各部分工作正常，此時可以進入自動模式。在自動模式下，首先操作工人將要壓接的電纜連接好并套上鋼接續管和鋁接續管放在壓接支架上，在啟動后，抬起機構放下，首先壓接鋼芯的模具運行到位，壓接機構按照工藝要求進行鋼芯的鋼接續管的壓接，并實時記錄當前的每一次的壓接位置，在每一次壓接完成后進行壓接精度測量，對于壓接不合格的部分根據事先記錄的位置進行二次壓接；在鋼芯接完成后，自動換模機構更動更換成外殼壓接模具，壓接機構此時再按照工序對外殼的鋁接續管進行壓接，工作步驟同上，待壓接完成后且合格后，抬起機構升起，由工人將壓接完成好的電纜取出，準備下一次的壓接工作。

圖8 控制流程Fig.8 Control Flow

3.4 HMI 監控畫面設計

圖9 主界面Fig.9 Main Interface

監控畫面設計采用MCGS 的觸摸屏，可以利用函數以及腳本設計功能復雜的畫面[10]，本系統我們設計了主界面、自動控制界面和多個子畫面彈出窗口，如圖9～圖11 所示。通過主界面完成各個機構的單步操作和壓接線纜線徑的選擇，只有當處于自動控制模式時，才能進入自動控制界面，在自動控制界面只有當所有機構復位完成之后，才能進入運行狀態，在界面中能夠顯示當前的流量、壓力，在每一次壓接完成后，會判斷每一次的壓接精度（±0.1mm），可以顯示合格/不合格信息，同時實時記錄每一次壓接的位置，對于不合格的壓接，可以在輸入框中輸入位置信息，進行二次壓接。

圖10 自動控制界面Fig.10 Automatic Control Interface

在壓接的過程中利用模糊PID 控制策略來控制液壓泵的輸出壓力，使之壓接工藝質量大大提高。

為了讓操作人員能夠實時監控當前設備的工作情況，對于一些異常情況都設置了“壓接精度測量不合格、換模機構行走越程、壓接機構行走越程、抬起機構運動越程”等子窗口，進行一些狀態信息的報警以及出現故障的提示，方便操作人員排故檢修。程序腳本如下所示，效果如圖11 所示。

圖11 多個子窗口界面Fig.11 Multiple Subwindow Interfaces

4 系統運行情況

圖12 模型圖Fig.12 Model Diagram

系統運行可靠，設計模型，如圖12 所示。以1kV 單芯絕緣架空線為例，不同規格的架空電力線它的電纜外徑、每公里的重量都不盡相同，按照表6 中對應的壓力進行壓接時，按照“壓力-時間-位置”的控制工藝曲線和動作速度要求，實現低壓大流量快進、高壓小流量慢速壓接和大流量快速回程，壓接效果良好。

表6 現場參數測試表Tab.6 Field Parameter Test Table

5 結論

通過結果表明，基于模糊PID 的液壓壓機系統具有較好的超調、穩定性和較快的調節時間，控制性能明顯優于常規PID 控制的液壓壓機系統，使得壓機在整個工作過程中滿足低壓大流量快進、超高壓小流量慢速壓接以及大流量快速回程的特性，縮短了壓接時間，延長了零部件的使用壽命。同時利用PLC 作為主控制器，實現了自動更換壓接模具、壓接機構自動行走的運動控制并實時的進行壓接精度的檢測，解決了以往壓接質量好壞主要取決于工人的技能經驗，勞動強度大、工作效率低、壓接工藝質量不穩定的缺陷，使系統具有更高的可靠性、穩定性和抗干擾性，提高了系統的的動態性能品質。目前該系統運行可靠，在送電線路建設中得到了推廣。