基于PLC的特高壓輸變電導線智能壓接控制系統設計

劉洪正　丁寶民　呂念　馬鳳臣

摘 要：在特高壓輸變電導線的壓接過程中，傳統導線壓鉗技術在壓接過程中存在著操作繁瑣，壓接和測量尺寸不準確，使用人工多等缺點。在傳統導線壓鉗的基礎上，以可編程邏輯控制器為主控器設計了一種智能數字化導線壓接控制系統，相較于傳統導線壓接過程，可實現自動化壓接、壓鉗自動/手動推進、對邊距自動檢測、數據自動保存、生成報表等功能，降低了勞動強度，提高了生產效率和工程質量。

關鍵詞：特高壓輸變電導線；導線壓鉗；可編程邏輯控制器

引言

隨著輸電線路電壓等級的不斷提高和輸電容量越來越大，導線截面也隨之加大，在此情況下，采用導線壓接技術能夠明顯提高導線連接質量，減少檢修和事故處理次數。導線液壓接續施工是架線施工中的一項重要隱蔽工序，通過壓接管多個點的壓縮變形對鋁股及鋼芯產生握著力。傳統的導線壓接工藝需要多人操作，工作效率低，而且由于人工操作會存在壓接測量尺寸不準確等缺點。本文在傳統的導線壓鉗基礎上開發一種以西門子S7-200為控制器，工業平板為人機界面和上位機的智能數字化導線壓接控制系統，只需要操作人員在開始前輸入少量預設條件即可自動開始準確壓接以及測量。

1系統結構及原理

整個智能壓接系統結構如圖1所示，系統按功能分成4個部分：尺寸測量部分，自動壓接部分，自動推進部分，數據處理部分。

1.1尺寸測量部分

尺寸測量部分的作用為測出導線六邊形壓接點的三組對邊距。分別在測量模具和液壓鉗兩處安裝距離傳感器，然后通過間接換算求得導線尺寸。在測量模具處進行尺寸測量的作用，為在自動壓接過程結束后，測量導線各壓接點的三組對邊距并生成最終測量數據起主要作用，因此精度要求較高。而在液壓鉗處進行尺寸測量的作用主要在于在自動壓接過程中輔助液壓鉗完成壓接。

在液壓鉗處傳感器的安裝如圖2所示，在液壓鉗下半段鋼模處設計如圖所示的測量凸臺，凸臺與下半段鋼模相連兩者相對靜止，在液壓鉗兩側如圖固定位置安裝3個距離傳感器。首先不放導線空模對接，空模對接上下模具接合時六邊形口H1，H2，H3三組標準對邊距已知，三個距離傳感器測出到凸臺的距離D1，D2，D3，以圖2中D1為例，放入導線進行壓接時，傳感器測得距離變化量為△D1，由于凸臺與下半段鋼模共同上下移動，因此H1的變化量也為△D1，通過H1+△D1可得導線兩條垂直受力邊目前的對邊距。可通過同樣方法由D2，D3得到另外兩個對邊距，利用距離變化量而非距離本身消除了距離測量的起始公差。液壓鉗上安裝空間有限，因此對傳感器體積要求很小。本文選擇微型激光傳感器體積為44.4×31×17mm，便于安裝在狹小的空間，而測量分辨率達到1um，且測量范圍10-20mm足夠滿足要求。

測量模具的設計以及測量原理如圖3所示，整體形狀為正六邊形，模具上安裝有合頁及搭扣可以將模具上一半進行開合從而方便導線的放入和取出。在模具內部如圖位置安裝距離傳感器，六邊形模具對邊傳感器之間距離為L。導線被壓接完從模具中通過時，6個傳感器讀出到導線壓接點的距離L1至L6。用L-L1-L2和L-L3-L4以及L-L5-L6分別求出導線三個對邊距。最后將這三組數據作為對邊距檢測數據。測量模具傳感器的選擇主要要求是高精度，因此選擇激光三角反射式傳感器，測量分辨率達到0.8um，測量范圍為45-95mm，滿足本文提出的測量指標。

1.2自動壓接部分

自動壓接部分的作用是按預定尺寸準確完成導線上點的壓接。該部分主要由液壓泵和液壓鉗組成，其中液壓泵與液壓鉗相連提供液壓。液壓泵上裝有壓力傳感器和電磁閥。電磁閥根據液壓泵油路選擇三位四通型，可實現加壓、減壓、維持壓力三個動作；壓力傳感器精度等級0.25，響應時間8ms，保證了壓接過程的反應速度以及壓接質量。

通過工業平板設置預設壓接壓力SV，PLC控制電磁閥使得液壓不斷上升推動液壓鉗活塞，同時壓力傳感器不斷向PLC反饋壓力值PV1，當壓力值PV1達到預設值SV時，控制電磁閥處于中位，液壓值不變活塞停止，通過距離傳感器計算出三條對邊距并計算出其中最大值，如果最大值滿足預設要求，則維持一段時間使壓接成型之后PLC控制電磁閥減壓，準備下一個點的壓接。如果最大值比預設值大，則PLC控制電磁閥繼續加壓，直到對邊距滿足要求，此時壓力為PV2，將預設壓接壓力SV改為Pv2之后控制電磁閥減去壓力。如果達到最大壓力或導線壓接尺寸不再發生變化時仍不滿足尺寸要求則報警請求人為干預。

1.3自動推進部分

自動推進部分完成系統在各個壓接點之間的準確移動。整體結構如圖4所示，其主要由滾珠絲杠滑臺、雙軸帶刻度手輪的步進電機組成。滑臺有效行程1800mm，可載200kg重物，定位精度0.03mm。液壓鉗和測量模具被螺栓固定在滑臺的兩個高度差為30mm的滑塊上，在整個移動過程中兩者水平距離保持恒定，傳感器部分均用防護罩保護以防止干擾。滑臺兩端裝有兩根可調節高度的伸縮桿，伸縮桿頂部裝有抱箍可以固定一定范圍內直徑的導線，使得導線與地面平行并且緊貼液壓鉗下半模具，同時導線中心點和測量模具六邊形中心點重合方便測量。

推進方式分為電動推進和手動推進兩種，選擇電動推進方式時依靠57步進電機進行驅動。步進電機是一種將電脈沖信號轉換成角位移的電機，主要由PLC提供高頻脈沖信號和代表正反轉的數字量輸出進行控制。步進電機保持力矩為1.8NM，推進系統所需扭矩不到0.17NM，足夠系統平穩推進。選擇手動推進方式時，由于步進電機聯軸裝有刻度手輪，壓接開始前選用手動推進方式控制驅動器解除步進電機自鎖狀態即可搖動手輪通過刻度精確移動液壓鉗。

壓接的第一點由人工選擇，固定好導線，之后PLC根據預設的導線壓接型號從程序中自動讀取壓接路線。通過控制步進電機按特定方向轉動特定角度，從而控制絲杠轉動完成搭載液壓鉗和測量模具平臺的水平移動。壓接完畢后，控制平臺向左移動固定的距離使得測量模具對準最后的壓接點，接著沿壓接路線的反方向依次對每個壓接點進行測量。

1.4數據處理部分

數據處理部分的作用為將結果數據生成相應格式報表。這部分功能由PLC和工業平板完成。

壓接開始前，操作員通過觸摸屏輸入壓接型號，組態軟件為每個壓接點提供如下變量：壓接序號、壓力值、壓接和測量過程中分別測得的三組對邊距值。每個點自動壓接完成后，PLC將最終壓力值以及液壓鉗測得的三組對邊距值送往平板電腦中，由組態軟件自動歸檔。每個點自動測量完成后，PLC再將測得的三組對邊距進行歸檔。最終自動將數據生成Excel以及pdf文件以供參考，并可通過與平板連接的打印機實現打印功能。

2控制系統硬件設計

PLC選擇西門子系列S7-200，CPU為224XP。因為要驅動步進電機所以選擇晶體管輸出型，提供有高速脈沖輸出以驅動步進電機，并帶有1個4通道模擬量輸入模塊EM231用來接收液壓鉗上3個距離傳感器和1個壓力傳感器4-20mA模擬量輸出信號。另外由于測量模具上6個距離傳感器輸出信號是以太網數字信號，因此再帶有1個以太網通信模塊CP243-1和1個交換機用來和它們組成局域網進行通信。選用西門子IPC677D系列的平板電腦作為人機界面，安裝Win7操作系統以及WinCC組態軟件，同時作為上位機使用，附帶連接打印機能夠打印測量結果。

系統的所有硬件配置如表1所示：

系統所有的硬件供電模塊均由350W工業開關電源負責，220V交流電和開關電源之間為了保證安全加上總開關進行控制。

PLC控制系統的接線圖如圖5所示：

3軟件設計方案

3.1 PLC軟件設計

導線壓接測量整個過程的控制系統程序流程圖如圖6所示。

PLC程序是通過STEP7 MicroWIN_V4 SP9軟件采用梯形圖進行開發，主要PLC網絡程序包括系統初始化，距離，壓力傳感器檢測值的A/D轉換，以太網通信數據的接收，手動電動方式的選擇，電磁閥的三位控制，步進電機的方向角度控制，預設壓力值的調整，壓力值以及對邊距等數據的計算和存儲。

3.2工業平板軟件設計

工業平板的組態界面由WinCC組態軟件進行開發，根據功能要求，組態界面主要應具有以下功能：參數輸入，實時數據顯示，數據存儲，生成報表文件。前兩個功能除了設計相應的界面，主要在于將人機組態界面與PLC的輸入輸出口及存儲單元之間建立相應的聯系，從而實現觸摸屏敏感元件對PLC參數的輸入及PLC當前值及歷史信息自觸摸屏的輸入。

數據存儲功能主要通過WinCC中集成的VBS腳本來完成，利用VBS腳本，WinCC可以實現與數據庫以及Excel等軟件的連接。通過ADO的形式與SQL SERVER數據庫連接并在特定的時間向其中寫入數據。生成報表文件要求將測得壓力值以及對邊距以Excel及pdf形式的文件表現出來。利用SQL語句訪問數據庫，并將數據庫中數據導出到Excel文件中生成表格。pdf文件通過VBS腳本調用Acrobat Distiller對象即可生成。通過WinCC軟件與內嵌腳本VBS相結合，從而實現數據的存儲以及報表生成打印等功能。

4結語

提出了一種智能數字化導線壓接控制系統的設計方案。采用可靠性高的S7-200可編程控制器，增加了人機界面，簡化了壓接步驟，節省了人力資源，提高了壓接精度。整套系統具有操作方便，精度高，可靠性好的優點，擁有良好的應用前景。

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