基于PLC 的電力電纜敷設(shè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

吳艾，孫長(zhǎng)群

（1.武漢中電鑫源輸變電工程有限公司；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司武漢供電公司，湖北 武漢 430000）

電力電纜是指用于傳輸電能、分配電能的電纜，通常用于地下電網(wǎng)、企業(yè)內(nèi)部供電以及水下輸電線等。傳統(tǒng)電纜敷設(shè)大多采用角磨機(jī)，借助鋼絲繩實(shí)現(xiàn)電纜的牽引作業(yè)，結(jié)合電纜輸送機(jī)進(jìn)行電纜輸送。但此類方式過(guò)于依賴單一的能源控制，無(wú)論是在設(shè)備的維護(hù)與管理上，還是在敷設(shè)速度的調(diào)節(jié)方面，都需要人工操作，自動(dòng)化水平相對(duì)較低，容易因人員操作失誤，產(chǎn)生安全隱患。且電纜敷設(shè)時(shí)采用的電纜盤慣性較大，容易在放卷電纜過(guò)程中，破壞電纜質(zhì)量。為解決此類問(wèn)題，筆者提出基于PLC 的電力電纜敷設(shè)控制系統(tǒng)，用以提高電纜敷設(shè)質(zhì)量，避免電纜受力不均，提高施工作業(yè)的自動(dòng)化水平。因此，研究此項(xiàng)課題，具有十分重要的意義。

1 設(shè)備組成

電力電纜敷設(shè)控制系統(tǒng)所采用的機(jī)械裝置主要包括電纜盤、橡膠輪胎、電動(dòng)放線架、電纜、電纜龍門支架、超聲波傳感器、托纜滑架、滑輪、鋼絲繩、電滾輪、牽引機(jī)等。其中電動(dòng)放線架主要由底座、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、排線筒、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)槽、擋板、卡槽組成，采用具備剎車功能的伺服電機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，能夠借助減速機(jī)實(shí)現(xiàn)橡膠輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)，之后通過(guò)電纜盤帶動(dòng)兩側(cè)輪緣，達(dá)到電纜收卷、放卷的目的。至于電纜龍門支架的作用則在于支撐母線、設(shè)備或?qū)Ь€，在使用過(guò)程中需要將超聲波傳感裝置放在其頂部，用以測(cè)量與托纜滑架之間的距離，該測(cè)量結(jié)果可以準(zhǔn)確呈現(xiàn)電纜的實(shí)際張力狀態(tài)。而牽引機(jī)則由絞磨機(jī)以及伺服電機(jī)組成，此類組成方式的目的在于更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，為電纜敷設(shè)提供所需牽引力。

2 工藝流程

首先，要完成電纜敷設(shè)裝置的安裝，將電動(dòng)放線架安裝在敷設(shè)起點(diǎn)位置，之后采用千斤頂將電纜盤懸掛在半空，采用橡膠輪胎完成電纜盤輪緣抱夾處理，并進(jìn)行緊固調(diào)整。至于電纜龍門支架則要安裝在電動(dòng)放線架的出線端，將牽引機(jī)設(shè)置在敷設(shè)終點(diǎn)位置。將牽引機(jī)一端與鋼絲繩連接，將鋼絲繩另一端與電纜頭相連，再利用托纜滑架，將鋼絲繩依次通過(guò)電滾輪、滑輪。其次，要采用控制系統(tǒng)進(jìn)行電纜的敷設(shè)作用。如果需要系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電纜的自動(dòng)敷設(shè)，則可在人機(jī)界面錄入操作指令，比如，電纜的敷設(shè)速度、敷設(shè)時(shí)間、加速度、減速度等，之后點(diǎn)擊運(yùn)行模塊，系統(tǒng)便會(huì)控制牽引機(jī)依照既定程序完成電纜敷設(shè)。而電動(dòng)放線架則要結(jié)合電纜放線的實(shí)際張力，完成電纜放線速度的動(dòng)態(tài)調(diào)控，直至電纜敷設(shè)完成后，系統(tǒng)才會(huì)自動(dòng)停止。如果在電纜敷設(shè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)需要收回電纜的情況，則要通過(guò)手動(dòng)控制的方式，實(shí)現(xiàn)電滾輪的翻轉(zhuǎn)。如果要調(diào)整各電纜敷設(shè)形狀，則同樣要采用手動(dòng)操作的方法，進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的調(diào)控。

3 電力電纜展放恒張力控制方法

PID 控制算法是現(xiàn)階段我國(guó)使用最廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，融合PID 控制算法的閉環(huán)控制系統(tǒng)可以將系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出完全返送回來(lái)，從而影響控制器輸出，形成多個(gè)閉環(huán)，利用系統(tǒng)正反饋與負(fù)反饋，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不斷修正，從而做出正確動(dòng)作。具體的PID 算法公式為：

其中，t 表示時(shí)間，單位為s，u（t）表示算法輸出值，Kp 表示比例系數(shù)。T1 代表積分的時(shí)間常數(shù)，Td 表示微分時(shí)間常數(shù)，e（t）則代表設(shè)定值與輸出值之間的偏差。將計(jì)算機(jī)設(shè)備依照離散化的形式完成PID 運(yùn)算，將采樣周期設(shè)定為T，完成上述公式的離散化處理，進(jìn)而獲取離散化的PID 算法公式：

式中，k 代表采樣序號(hào)，u（k）為采樣PID 調(diào)節(jié)裝置的輸出值，e（k）則代表采樣計(jì)算偏差值。隨著電纜敷設(shè)工作的開展，電纜在電纜盤上的纏繞半徑會(huì)進(jìn)一步降低。因?yàn)椴捎肞ID 控制，可以實(shí)現(xiàn)牽引速度的恒定不變，如果電纜轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速同樣保持不變，則必然會(huì)出現(xiàn)電纜展放速率與牽引速度之間的差異性。因此，為了確保電纜在放線過(guò)程中能夠始終維持張力恒定，需要以PID 算法為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)電纜展放的動(dòng)態(tài)調(diào)控，具體原理如圖1 所示。

圖1 以PID 算法為基礎(chǔ)的電纜展放控制原理

假設(shè)托纜滑架與傳感器的間隔高度為t，當(dāng)系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，傳感器測(cè)量的與托纜滑架相隔高度為h，之后將傳感器獲取的模擬量信號(hào)利用A/D（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）模塊進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再傳入可編程邏輯控制器當(dāng)中，由PLC 系統(tǒng)將h 與t 的偏差利用PID 運(yùn)算完成模擬量的輸出，通過(guò)傳送到伺服驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)電纜盤放卷速度的調(diào)節(jié)。在電纜盤放卷的過(guò)程中，PLC 系統(tǒng)在進(jìn)行PID 計(jì)算后，能夠?qū) 無(wú)限趨近于t，從而保證電纜的張拉恒定不變。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，目標(biāo)平臺(tái)處于最下層，此時(shí)，h 與偏差值△e 數(shù)值最高，而電纜張力則為最小值。電纜在牽引力的作用下沿著托纜滑架上移，PLC 系統(tǒng)則經(jīng)過(guò)PID 運(yùn)算后驅(qū)動(dòng)電纜盤。最終使電纜張力不斷提升，直至與恒張力持平，至于△e 則無(wú)限趨近于0。

4 基于PLC 的電力電纜敷設(shè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)路徑探究

4.1 硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的電力電纜敷設(shè)控制系統(tǒng)中共涵蓋100 個(gè)電滾輪驅(qū)動(dòng)卡、1 個(gè)牽引機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)等。由于電纜敷設(shè)控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x相對(duì)較遠(yuǎn)，所以系統(tǒng)應(yīng)采用主從式的PLC 網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)形式可以理解為在總線結(jié)構(gòu)的PLC 子網(wǎng)上存在多個(gè)站，其中只有一個(gè)主站，其他均為從站。采用集中式存取控制技術(shù)完成總線使用權(quán)的分配，通過(guò)在主站中配置輪詢表，即一張機(jī)號(hào)排流順序表，主站會(huì)依照輪詢表的排列順序?qū)恼具M(jìn)行詢問(wèn)，確認(rèn)其是否采用總線，以此達(dá)到分配總線使用權(quán)的目的。具體的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為：監(jiān)控層，主要設(shè)備為人機(jī)界面，是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介接口，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可接受形式的轉(zhuǎn)換，負(fù)責(zé)向上接收操作人指令，向下利用IP 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞；控制層，由主站PLC 以及10 臺(tái)從站PLC 組成，其中主站PLC 負(fù)責(zé)與人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)交互，向下則利用基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與其他從站PLC 完成通信；而其他從站則會(huì)通過(guò)RS485 協(xié)議（儀表通信接口），實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)卡的通訊連接；執(zhí)行層，主要包括電動(dòng)放線架伺服驅(qū)動(dòng)器、牽引機(jī)伺服電機(jī)、傳感器、驅(qū)動(dòng)卡等。執(zhí)行層主要負(fù)責(zé)接收控制層指令，之后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并將數(shù)據(jù)信息返回至控制層。

在電力電纜敷設(shè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用的設(shè)備型號(hào)分別為：臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)作為電動(dòng)放線架，此類伺服電機(jī)可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度，本質(zhì)上屬于補(bǔ)助馬達(dá)間的接變速設(shè)備，相較傳統(tǒng)的交流伺服電機(jī)以及直流伺服電機(jī)來(lái)說(shuō)，臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)優(yōu)勢(shì)在于：無(wú)電刷與換向器，因此工作可靠，對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)要求低，定子繞組散熱較為方便，慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性，適用于高速大力矩工作狀態(tài)，同功率下有較小的體積和重量。至于臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)的功率則為1500W；減速機(jī)，減速比為1:80；伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)則為DA-2021-M；電滾輪，輸出功率為100W，搭配精密減速機(jī)，輸出扭矩在25N·m；牽引機(jī)，能夠?yàn)殡娎|敷設(shè)提供動(dòng)力，因此需要保證具有極高的輸出功率，型號(hào)為ECMA-F11，功率為3000W。其中主站PLC 數(shù)字量I/O（輸入/輸出）接線圖如圖2 所示。

圖2 主站PLC 數(shù)字量I/O 接線圖

其中，模擬量輸入/輸出模塊采用了1 個(gè)電壓輸入電位以及多個(gè)電壓輸出電位，輸入電位的作用在于獲取傳感器收集的數(shù)據(jù)信息，而輸出電位的作用則在于輸出控制電動(dòng)放線架的模擬量。至于主站PLC 的數(shù)字量I/O接線情況則表現(xiàn)為：模擬量輸入模塊包括自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、面板急停、M1 伺服報(bào)警、M2 伺服報(bào)警；模擬量輸出模塊包括蜂鳴器報(bào)警、M1/M2伺服使能、M2 伺服復(fù)位、M1 伺服正轉(zhuǎn)、M1 伺服反轉(zhuǎn)、M1 伺服復(fù)位、M2 伺服正轉(zhuǎn)、M2 伺服反轉(zhuǎn)。由此可知，主站PLC 數(shù)字量I/O 模塊共包含7 個(gè)輸入點(diǎn)以及8 個(gè)輸出點(diǎn)，且輸入點(diǎn)以及輸出點(diǎn)均由外部供電。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC 程序以及人機(jī)交互界面，本次設(shè)計(jì)中采用TIA V16 軟件進(jìn)行PLC 程序的設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)需涵蓋自動(dòng)控制模式以及手動(dòng)控制模式，后者需要單獨(dú)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)放線架、電滾輪的控制。其中初始化程序通常用于初始系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，自動(dòng)運(yùn)行程序則以傳感器數(shù)據(jù)的接收、處理程序位置，同時(shí)還包括PID 運(yùn)算以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。至于故障報(bào)警程序則要將伺服電機(jī)以及電滾輪報(bào)警包括在內(nèi)。而系統(tǒng)的人機(jī)界面則要具備以下模塊：參數(shù)顯示模塊，比如，當(dāng)前速度、目前位置、導(dǎo)引速度、越位位置設(shè)置、主速設(shè)置、張力位置設(shè)置、加速度時(shí)間、減速度時(shí)間、當(dāng)前運(yùn)行模式、設(shè)備運(yùn)作狀態(tài)、電滾筒排序、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)選擇、自動(dòng)單站速度設(shè)置、單站調(diào)節(jié)站號(hào)設(shè)置、自動(dòng)單站速度寫入等；故障復(fù)位；啟動(dòng)；停止；自動(dòng)；手動(dòng)排序讀取；參數(shù)設(shè)置；手動(dòng)畫面；故障查詢。

5 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證本文提出的基于PLC 的電力電纜敷設(shè)控制系統(tǒng)能夠有效運(yùn)行與使用，還需要對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試過(guò)程中，可采用規(guī)格為110kV-1×500 的電纜，長(zhǎng)度設(shè)置在200m，質(zhì)量約為1.2t，電纜盤的外徑在2.8m，內(nèi)徑則為2.3m，質(zhì)量在1.76t 左右，系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程主要包括自動(dòng)放卷以及自動(dòng)收卷。

在自動(dòng)放卷測(cè)試環(huán)節(jié)，需要將牽引速度設(shè)置為4m/min，采用自動(dòng)模式完成電纜的敷設(shè)工作，之后使用測(cè)速裝置測(cè)試電纜龍門支架位置的電纜敷設(shè)速度。具體的速度變化表現(xiàn)為：傳統(tǒng)電纜敷設(shè)方式，5s，電纜敷設(shè)速度為6m/min。10s，電纜敷設(shè)速度為20m/min。20s，電纜敷設(shè)速度為11m/min；控制系統(tǒng)的電纜敷設(shè)方式，5s，電纜敷設(shè)速度為6m/min。10s，電纜敷設(shè)速度為5m/min。20s，電纜敷設(shè)速度為7m/min。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)方式的電纜敷設(shè)速度存在大幅度波動(dòng)，究其原因，在于人工控制的方式無(wú)法有效調(diào)節(jié)電纜的敷設(shè)速度，而采用自動(dòng)控制系統(tǒng)的電纜敷設(shè)速度則始終維持在4m/min，敷設(shè)速度無(wú)明顯波動(dòng)，且電纜也始終維持在恒張力狀態(tài)。在系統(tǒng)收卷測(cè)試過(guò)程中，需要將電纜回收至電纜盤中，設(shè)定收卷速度為5.5m/min，將電滾輪作為收卷電纜，具體的速度變化表現(xiàn)為5s，電纜敷設(shè)速度為6m/min。10s，電纜敷設(shè)速度為5m/min。50s，電纜敷設(shè)速度為5m/min。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，電纜收卷在最開始的5s 處于加速狀態(tài)，之后則會(huì)趨近于5.5m/min，整個(gè)收卷過(guò)程較為平穩(wěn)，無(wú)異常波動(dòng)。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)電力電纜敷設(shè)采用的設(shè)備以及工藝流程開展分析討論，闡述電力電纜展放恒張力控制方法，提出基于PLC 的電力電纜敷設(shè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)路徑，并利用系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可靠性與可行性。根據(jù)結(jié)果顯示，提出的控制系統(tǒng)可以有效防止電纜出現(xiàn)拉扯、擠壓等問(wèn)題，切實(shí)保障電纜敷設(shè)質(zhì)量，且系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，電纜敷設(shè)速度可以結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，使電纜敷設(shè)具有極高的自動(dòng)化水平。