基于PLC的特高压输变电导线智能压接控制系统设计

1、    基于plc的特高压输变电导线智能压接控制系统设计    刘洪正丁宝民吕念马凤臣摘 要：在特高压输变电导线的压接过程中，传统导线压钳技术在压接过程中存在着操作繁琐，压接和测量尺寸不准确，使用人工多等缺点。在传统导线压钳的基础上，以可编程逻辑控制器为主控器设计了一种智能数字化导线压接控制系统，相较于传统导线压接过程，可实现自动化压接、压钳自动/手动推进、对边距自动检测、数据自动保存、生成報表等功能，降低了劳动强度，提高了生产效率和工程质量。关键词：特高压输变电导线；导线压钳；可编程逻辑控制器引言随着输电线路电压等级的不断提高和输电容量越来越大，导线截

2、面也随之加大，在此情况下，采用导线压接技术能够明显提高导线连接质量，减少检修和事故处理次数。导线液压接续施工是架线施工中的一项重要隐蔽工序，通过压接管多个点的压缩变形对铝股及钢芯产生握着力。传统的导线压接工艺需要多人操作，工作效率低，而且由于人工操作会存在压接测量尺寸不准确等缺点。本文在传统的导线压钳基础上开发一种以西门子s7-200为控制器，工业平板为人机界面和上位机的智能数字化导线压接控制系统，只需要操作人员在开始前输入少量预设条件即可自动开始准确压接以及测量。1系统结构及原理整个智能压接系统结构如图1所示，系统按功能分成4个部分：尺寸测量部分，自动压接部分，自动推进部分，数据处理部分。1

3、.1尺寸测量部分尺寸测量部分的作用为测出导线六边形压接点的三组对边距。分别在测量模具和液压钳两处安装距离传感器，然后通过间接换算求得导线尺寸。在测量模具处进行尺寸测量的作用，为在自动压接过程结束后，测量导线各压接点的三组对边距并生成最终测量数据起主要作用，因此精度要求较高。而在液压钳处进行尺寸测量的作用主要在于在自动压接过程中辅助液压钳完成压接。在液压钳处传感器的安装如图2所示，在液压钳下半段钢模处设计如图所示的测量凸台，凸台与下半段钢模相连两者相对静止，在液压钳两侧如图固定位置安装3个距离传感器。首先不放导线空模对接，空模对接上下模具接合时六边形口h1，h2，h3三组标准对边距已知，三个距离

4、传感器测出到凸台的距离d1，d2，d3，以图2中d1为例，放入导线进行压接时，传感器测得距离变化量为d1，由于凸台与下半段钢模共同上下移动，因此h1的变化量也为d1，通过h1+d1可得导线两条垂直受力边目前的对边距。可通过同样方法由d2，d3得到另外两个对边距，利用距离变化量而非距离本身消除了距离测量的起始公差。液压钳上安装空间有限，因此对传感器体积要求很小。本文选择微型激光传感器体积为44.4×31×17mm，便于安装在狭小的空间，而测量分辨率达到1um，且测量范围10-20mm足够满足要求。测量模具的设计以及测量原理如图3所示，整体形状为正六边形，模具上安装有合页及搭扣

5、可以将模具上一半进行开合从而方便导线的放入和取出。在模具内部如图位置安装距离传感器，六边形模具对边传感器之间距离为l。导线被压接完从模具中通过时，6个传感器读出到导线压接点的距离l1至l6。用l-l1-l2和l-l3-l4以及l-l5-l6分别求出导线三个对边距。最后将这三组数据作为对边距检测数据。测量模具传感器的选择主要要求是高精度，因此选择激光三角反射式传感器，测量分辨率达到0.8um，测量范围为45-95mm，满足本文提出的测量指标。1.2自动压接部分自动压接部分的作用是按预定尺寸准确完成导线上点的压接。该部分主要由液压泵和液压钳组成，其中液压泵与液压钳相连提供液压。液压泵上装有压力传感

6、器和电磁阀。电磁阀根据液压泵油路选择三位四通型，可实现加压、减压、维持压力三个动作；压力传感器精度等级0.25，響应时间8ms，保证了压接过程的反应速度以及压接质量。通过工业平板设置预设压接压力sv，plc控制电磁阀使得液压不断上升推动液压钳活塞，同时压力传感器不断向plc反馈压力值pv1，当压力值pv1达到预设值sv时，控制电磁阀处于中位，液压值不变活塞停止，通过距离传感器计算出三条对边距并计算出其中最大值，如果最大值满足预设要求，则维持一段时间使压接成型之后plc控制电磁阀减压，准备下一个点的压接。如果最大值比预设值大，则plc控制电磁阀继续加压，直到对边距满足要求，此时压力为pv2，将预

7、设压接压力sv改为pv2之后控制电磁阀减去压力。如果达到最大压力或导线压接尺寸不再发生变化时仍不满足尺寸要求则报警请求人为干预。1.3自动推进部分自动推进部分完成系统在各个压接点之间的准确移动。整体结构如图4所示，其主要由滚珠丝杠滑台、双轴带刻度手轮的步进电机组成。滑台有效行程1800mm，可载200kg重物，定位精度0.03mm。液压钳和测量模具被螺栓固定在滑台的两个高度差为30mm的滑块上，在整个移动过程中两者水平距离保持恒定，传感器部分均用防护罩保护以防止干扰。滑台两端装有两根可调节高度的伸缩杆，伸缩杆顶部装有抱箍可以固定一定范围内直径的导线，使得导线与地面平行并且紧贴液压钳下半模具，同

8、时导线中心点和测量模具六边形中心点重合方便测量。推进方式分为电动推进和手动推进两种，选择电动推进方式时依靠57步进电机进行驱动。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的电机，主要由plc提供高频脉冲信号和代表正反转的数字量输出进行控制。步进电机保持力矩为1.8nm，推进系统所需扭矩不到0.17nm，足够系统平稳推进。选择手动推进方式时，由于步进电机联轴装有刻度手轮，压接开始前选用手动推进方式控制驱动器解除步进电机自锁状态即可摇动手轮通过刻度精确移动液压钳。压接的第一点由人工选择，固定好导线，之后plc根据预设的导线压接型号从程序中自动读取压接路线。通过控制步进电机按特定方向转动特定角度，从而控

9、制丝杠转动完成搭载液压钳和测量模具平台的水平移动。压接完毕后，控制平台向左移动固定的距离使得测量模具对准最后的压接点，接着沿压接路线的反方向依次对每个压接点进行测量。1.4数据处理部分数据处理部分的作用为将结果数据生成相应格式报表。这部分功能由plc和工业平板完成。压接开始前，操作员通过触摸屏输入压接型号，组态软件为每个压接点提供如下变量：压接序号、压力值、压接和测量过程中分别测得的三组对边距值。每个点自动压接完成后，plc将最终压力值以及液压钳测得的三组对边距值送往平板电脑中，由组态软件自动归档。每个点自动测量完成后，plc再将测得的三组对边距进行归档。最终自动将数据生成excel以及pdf

10、文件以供参考，并可通过与平板连接的打印机实现打印功能。2控制系统硬件设计plc选择西门子系列s7-200，cpu为224xp。因为要驱动步进电机所以选择晶体管输出型，提供有高速脉冲输出以驱动步进电机，并带有1个4通道模拟量输入模块em231用来接收液压钳上3个距离传感器和1个压力传感器4-20ma模拟量输出信号。另外由于测量模具上6个距离传感器输出信号是以太网数字信号，因此再带有1个以太网通信模块cp243-1和1个交换机用来和它们组成局域网进行通信。选用西门子ipc677d系列的平板电脑作为人机界面，安装win7操作系统以及wincc組态软件，同时作为上位机使用，附带连接打印机能够打印测量结

11、果。系统的所有硬件配置如表1所示：系统所有的硬件供电模块均由350w工业开关电源负责，220v交流电和开关电源之间为了保证安全加上总开关进行控制。plc控制系统的接线图如图5所示：3软件设计方案3.1 plc软件设计导线压接测量整个过程的控制系统程序流程图如图6所示。plc程序是通过step7 microwin_v4 sp9软件采用梯形图进行开发，主要plc网络程序包括系统初始化，距离，压力传感器检测值的a/d转换，以太网通信数据的接收，手动电动方式的选择，电磁阀的三位控制，步进电机的方向角度控制，预设压力值的调整，压力值以及对边距等数据的计算和存储。3.2工业平板软件设计工业平板的组态界面由

12、wincc组态软件进行开发，根据功能要求，组态界面主要应具有以下功能：参数输入，实时数据显示，数据存储，生成报表文件。前两个功能除了设计相应的界面，主要在于将人机组态界面与plc的输入输出口及存储单元之间建立相应的联系，从而实现触摸屏敏感元件对plc参数的输入及plc当前值及历史信息自触摸屏的输入。数据存储功能主要通过wincc中集成的vbs脚本来完成，利用vbs脚本，wincc可以实现与数据库以及excel等软件的连接。通过ado的形式与sql server数据库连接并在特定的时间向其中写入数据。生成报表文件要求将测得压力值以及对边距以excel及pdf形式的文件表现出来。利用sql语句访问

13、数据库，并将数据库中数据导出到excel文件中生成表格。pdf文件通过vbs脚本调用acrobat distiller对象即可生成。通过wincc软件与内嵌脚本vbs相结合，从而实现数据的存储以及报表生成打印等功能。4结语提出了一种智能数字化导线压接控制系统的设计方案。采用可靠性高的s7-200可编程控制器，增加了人机界面，简化了压接步骤，节省了人力资源，提高了压接精度。整套系统具有操作方便，精度高，可靠性好的优点，拥有良好的应用前景。参考文献：1李庆林.架空送电线路施工手册m.北京：中国电力出版社，2002：596.2熊伍泉，李棠.架空线压接管产生握着力机理的探讨 j.广东输电与变电技术，2004（4）：9-11.3冯斌.导线压接技术在变电站中的应用分析j.电工文摘，