智能化張力機(jī)的研究與應(yīng)用

陳笑梅，王小霞

（1.國(guó)家電網(wǎng)甘肅送變電工程公司甘肅誠(chéng)信電力機(jī)具制造有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730050；2.國(guó)家電網(wǎng)甘肅送變電工程公司甘肅誠(chéng)信電力機(jī)具制造有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730050）

1 引言

近年來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)建設(shè)施工任務(wù)繁重，線路電壓等級(jí)不斷升高，工程工期短，質(zhì)量要求高，對(duì)施工機(jī)具也提出更高要求。

張力機(jī)是輸電線路架線施工中的重要放線設(shè)備。常用的張力放線張力機(jī)都是液壓控制方式，主要通過觀察液壓系統(tǒng)壓力表顯示，手工操作液壓控制閥，調(diào)節(jié)閥體開啟程度控制液壓馬達(dá)的出口壓力，達(dá)到控制張力機(jī)放線張力的目的。張力機(jī)選用發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，主傳動(dòng)系統(tǒng)為液壓系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為雙摩擦卷筒。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵泵油建立系統(tǒng)壓力，放線時(shí)雙摩擦卷筒被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)減速機(jī)、液壓馬達(dá)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)溢流閥，設(shè)定馬達(dá)出口壓力，張力機(jī)即可按照要求的張力放線作業(yè)。除了被動(dòng)放線作業(yè)，張力機(jī)還可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)牽引與松線工況，配合現(xiàn)場(chǎng)放線時(shí)導(dǎo)線壓接和緊線作業(yè)。但現(xiàn)有張力機(jī)存在的問題和主要缺陷是:1）現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)放線速度波動(dòng)會(huì)引起主液壓系統(tǒng)的壓力波動(dòng)，隨之引起放線張力的波動(dòng)，如果操作人員不及時(shí)調(diào)節(jié)，即造成放線張力不恒定，影響施工質(zhì)量；2）各種工況下制動(dòng)器的開啟和關(guān)閉狀態(tài)需要人工操作，主動(dòng)與被動(dòng)工作三種工況下主溢流閥的開啟程度需要操作人員手工調(diào)節(jié)，既要求操作人員經(jīng)驗(yàn)豐富，又要求操作人員注意力高度集中，增加人員勞動(dòng)強(qiáng)度；3）儀表盤空間有限，需要顯示的工作點(diǎn)受限制，操作使用和故障維修不直觀方便；4）現(xiàn)場(chǎng)操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，液壓控制張力機(jī)安全保護(hù)設(shè)置有限，易誤操作造成施工事故；5）整機(jī)出廠后即定型，對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造優(yōu)化和擴(kuò)展功能工序十分復(fù)雜。

在750KV及以上高電壓等級(jí)線路放線施工中，傳統(tǒng)張力機(jī)的這些弊端顯得更為突出，因此，我司針對(duì)500KV及以上高電壓等級(jí)線路施工中展放導(dǎo)線的張力機(jī)進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。

2 方案確定

公司采用全球技術(shù)領(lǐng)先的德國(guó)力士樂公司的液壓控制系統(tǒng)，不能根本性解決遇到的上述問題。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備電子化進(jìn)程加速，尤其是工業(yè)控制微處理器的應(yīng)用，先進(jìn)的控制理念解決了很多機(jī)械和液壓設(shè)備自身不能克服的缺陷。工業(yè)控制微處理器可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，實(shí)時(shí)檢測(cè)，準(zhǔn)確快速調(diào)節(jié)，智能聯(lián)動(dòng)控制，液晶多畫面顯示，故障提示與報(bào)警等功能，編程方便，可及時(shí)更改系統(tǒng)參數(shù)，針對(duì)液壓控制張力機(jī)存在的各種問題，均可得到根本有效的解決，因此確定采用工業(yè)控制微處理器作為中心控制單元，利用先進(jìn)的電子和軟件技術(shù)改進(jìn)張力機(jī)控制方式，提供一種智能控制的、可優(yōu)化和擴(kuò)展功能的張力機(jī)。

3 控制原理

以原來(lái)的液壓控制張力機(jī)為載體，整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理不變，對(duì)其進(jìn)行了一個(gè)智能化控制的改造，將原來(lái)的液、電結(jié)合控制系統(tǒng)變?yōu)橐晕⑻幚砥鳛榭刂坪诵牡碾娮又悄芸刂骑@示的電氣系統(tǒng)。組成設(shè)備的機(jī)械、液壓和電氣三大部分，機(jī)械部分不變，液壓傳動(dòng)部分不變，液壓控制和顯示部分變?yōu)殡姎饪刂坪惋@示方式，電氣部分作了較大的改動(dòng)。控制顯示系統(tǒng)主要分為操作控制和顯示兩部分，原來(lái)系統(tǒng)的操作控制包括:主泵控制手柄，遠(yuǎn)程溢流閥，電氣開關(guān)，油門手柄，操作控制手柄、開關(guān)可直接控制相應(yīng)的部件工作；顯示部分有:在液壓回路中接壓力表顯示系統(tǒng)工作壓力，在電氣回路中接指示燈顯示電路工作狀況，將發(fā)動(dòng)機(jī)的工作信號(hào)接儀表和指示燈進(jìn)行顯示，接傳感器和顯示儀表到顯示面板顯示收放線長(zhǎng)度；智能化控制系統(tǒng)中操作控制部分由電位計(jì)手柄和開關(guān)組成，調(diào)節(jié)電位計(jì)手柄和開關(guān)，其電信號(hào)輸入微處理器，經(jīng)控制程序運(yùn)算后通過微處理器輸出端輸出控制信號(hào)到各類電磁閥控制設(shè)備工作；顯示部分為在原來(lái)接壓力表的回路中接入壓力傳感器，傳感器信號(hào)和其他電路工作信號(hào)一起接到微處理器的輸入端，通過CAN總線將信號(hào)傳輸?shù)斤@示器進(jìn)行顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)的油壓、充電指示等個(gè)別重要工作信號(hào)接指示燈顯示，其余工作信號(hào)均通過CAN總線傳輸?shù)斤@示器進(jìn)行顯示。

4 系統(tǒng)組成

實(shí)現(xiàn)智能化改造，首先做元件選型方面的更改，即:發(fā)動(dòng)機(jī)選為電控形式，主泵、主溢流閥選為電比例形式。然后是電氣控制原理的更改，電氣控制系統(tǒng)分硬件和軟件兩部分，硬件部分由16位微處理器、顯示器、壓力傳感器、速度長(zhǎng)度傳感器、溫度傳感器、主泵控制電位計(jì)（速度設(shè)定電位計(jì)）、牽引力設(shè)定電位計(jì)、輔助壓力設(shè)定電位計(jì)、工作模式選擇開關(guān)、安全報(bào)警信號(hào)開關(guān)、工作控制開關(guān)、各比例電磁閥、各開關(guān)電磁閥、CAN總線等組成；軟件部分由專業(yè)軟件開發(fā)技術(shù)人員編寫完成，通過在模擬裝置上進(jìn)行反復(fù)的功能實(shí)現(xiàn)測(cè)試后下載到微處理器中使用。

系統(tǒng)組成如圖1所示:

圖1

6 信號(hào)流程

智能化張力機(jī)工作時(shí)，如圖2電氣原理圖所示，閉合顯示器工作開關(guān)6，整機(jī)各系統(tǒng)得電處于等待啟動(dòng)工作狀態(tài)。微處理器22得電后，系統(tǒng)自檢并經(jīng)CAN總線21將信息傳輸?shù)斤@示器20顯示檢測(cè)結(jié)果，若有錯(cuò)誤則系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)，通過顯示器20顯示錯(cuò)誤名稱，提示操作人員檢查排除，若無(wú)錯(cuò)誤則扳動(dòng)啟動(dòng)開關(guān)4啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)由發(fā)動(dòng)機(jī)（ECU）40經(jīng)CAN總線21傳輸?shù)斤@示器20顯示，此時(shí)濾油器工作信號(hào)9、工況選擇開關(guān)信號(hào)10和11、工作模式開關(guān)信號(hào)12、風(fēng)扇支腿工作控制開關(guān)信號(hào)13、放線長(zhǎng)度及速度傳感器信號(hào)14、液壓系統(tǒng)各壓力傳感器信號(hào)15、各壓力設(shè)定電位計(jì)手柄信號(hào)16、液壓油溫度傳感器信號(hào)17、主泵控制手柄信號(hào)18以及張力輪牽引選擇電磁閥信號(hào)24和25、風(fēng)扇開關(guān)電磁閥信號(hào)26、張力輪剎車電磁閥信號(hào)27和28、風(fēng)扇調(diào)壓電磁閥信號(hào)29、尾架調(diào)壓電磁閥信號(hào)30、張力輪張力調(diào)節(jié)電磁閥信號(hào)31和32、主泵正反向控制電磁閥信號(hào)33和34等等各項(xiàng)微處理器的輸入輸出信號(hào)均經(jīng)過CAN總線21傳輸?shù)斤@示器20顯示，觀察顯示器顯示的發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)壓力、液壓油溫度、制動(dòng)器狀態(tài)、比例電磁閥工作電流值等參數(shù)是否正常，如正常，則張力機(jī)進(jìn)入初始狀態(tài)，即工作待命狀態(tài)。

實(shí)現(xiàn)張力放線作業(yè)時(shí)，在初始狀態(tài)下操作顯示器20功能鍵打開制動(dòng)器，操作開關(guān)12選擇工作模式為自動(dòng)模式，操作開關(guān)10和11選擇工況為張力工況，操作電位計(jì)手柄16設(shè)定各張力輪張力、尾架壓力數(shù)值，操作電位計(jì)手柄18設(shè)定為張力工況，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)油門到適宜的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，即可通知指揮處開始放線工作。

實(shí)現(xiàn)主動(dòng)牽引與松線作業(yè)時(shí)，在初始狀態(tài)下操作顯示器20功能鍵打開制動(dòng)器，操作開關(guān)12選擇工作模式為自動(dòng)模式，操作開關(guān)10和11選擇工況為牽引松線工況，操作電位計(jì)手柄16設(shè)定最大牽引力、尾架壓力數(shù)值，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)油門到適宜的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，上下扳動(dòng)操作電位計(jì)手柄18即可進(jìn)行張力機(jī)的牽引或松線作業(yè)。

張力機(jī)在各種工況下作業(yè)時(shí)，壓力傳感器、速度長(zhǎng)度傳感器、溫度傳感器等實(shí)時(shí)檢測(cè)并傳輸信號(hào)到微處理器，處理器判斷信號(hào)值與設(shè)定值的偏差并計(jì)算輸出控制信號(hào)到各個(gè)控制電磁閥，控制整機(jī)按照要求的參數(shù)協(xié)調(diào)工作。暫停張力機(jī)張力或牽引與松線作業(yè)時(shí)，張力機(jī)進(jìn)入自動(dòng)復(fù)位狀態(tài)，控制程序會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)增大張力輪張力溢流閥壓力，使張力輪可靠靜止，避免導(dǎo)線因張力太大慢速向前蠕動(dòng)。

7 功能實(shí)現(xiàn)

智能化張力機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的主要功能有:

一、張力機(jī)整機(jī)智能控制系統(tǒng)選用16位微處理器單片機(jī)，液壓系統(tǒng)、柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)整體數(shù)字控制，系統(tǒng)微處理器、顯示器和發(fā)動(dòng)機(jī)ECU之間通過CAN總線進(jìn)行通訊，利用CAN總線實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)各項(xiàng)工作參數(shù)顯示、柴油機(jī)故障報(bào)警等功能。

圖2 電氣原理圖

二、系統(tǒng)安全實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)控和保障；系統(tǒng)開機(jī)后程序自檢，液晶屏顯示器彈出消息窗口顯示自檢結(jié)果和工作狀態(tài)提示；系統(tǒng)還有誤操作保護(hù)和故障保護(hù)功能，綜合多年設(shè)計(jì)加工和現(xiàn)場(chǎng)使用的經(jīng)驗(yàn)，編制了各種故障、錯(cuò)誤的判斷和安全保護(hù)程序，由微處理器循環(huán)檢測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤和故障由液晶屏顯示器顯示出錯(cuò)，并提示故障或錯(cuò)誤原因，然后判斷故障或錯(cuò)誤類別，控制設(shè)備安全運(yùn)行或進(jìn)入安全制動(dòng)狀態(tài)；

三、實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)過載保護(hù)和牽引力過載保護(hù)功能；張力機(jī)在主動(dòng)牽引與松線工況下，根據(jù)設(shè)定的牽引力、牽引速度的手柄電位計(jì)輸入計(jì)算輸出，控制整機(jī)工作，若出現(xiàn)柴油機(jī)過載，功率極限載荷控制程序?qū)⒃綑?quán)減小牽引速度，保證牽引力進(jìn)行牽引，在柴油機(jī)不過載的情況下保證張力機(jī)正常牽引工作。牽引力實(shí)現(xiàn)智能控制，牽引時(shí)當(dāng)實(shí)際牽引力達(dá)到牽引力手柄電位計(jì)預(yù)設(shè)值時(shí)，牽引停滯，液壓系統(tǒng)處于保壓狀態(tài)，實(shí)際牽引力下降時(shí)再次開始牽引，若不下降保壓一定時(shí)間（可預(yù)設(shè)）系統(tǒng)回到“自動(dòng)復(fù)位狀態(tài)”，制動(dòng)器接合。

四、張力機(jī)實(shí)現(xiàn)恒張力控制；張力放線施工中對(duì)張力機(jī)很重要的一項(xiàng)要求是保持恒張力放線，傳統(tǒng)控制方式均為開環(huán)控制模式，放線過程中速度變化引起液壓系統(tǒng)壓力波動(dòng)，導(dǎo)致放線張力波動(dòng)，必須手動(dòng)調(diào)節(jié)張力調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定張力，操作煩瑣影響施工質(zhì)量。采用微處理器的智能控制方式為閉環(huán)控制模式，通過自動(dòng)、手動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇自動(dòng)模式，在自動(dòng)模式下，放線過程中速度變化時(shí)，系統(tǒng)壓力傳感器檢測(cè)到壓力變化反饋到微處理器自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)主溢流閥壓力，保持張力恒定不受牽引速度等因素影響，調(diào)節(jié)迅速準(zhǔn)確幾乎無(wú)波動(dòng)，達(dá)到了恒張力放線的施工要求，很受施工單位歡迎；

五、張力機(jī)有主動(dòng)和被動(dòng)兩種工況，操作面板安裝了工況選擇開關(guān)，操作開關(guān)選定工況，信號(hào)即輸入微處理器，微處理器根據(jù)輸入信號(hào)智能調(diào)節(jié)各主溢流閥壓力，不需要人工操作，在主動(dòng)工況時(shí)保證快速牽引或者安全快速松線，被動(dòng)工況時(shí)根據(jù)導(dǎo)線上的張力動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)主溢流閥壓力，確保設(shè)備安全、有效工作，不出現(xiàn)跑線現(xiàn)象；

六、風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。牽引機(jī)啟動(dòng)開始工作后，風(fēng)扇系統(tǒng)即進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)，不需人工操作。液壓油溫度傳感器自動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)液壓系統(tǒng)溫度，信號(hào)輸入到微處理器中，控制程序自動(dòng)判斷，當(dāng)溫度高于40℃時(shí)，處理器自動(dòng)輸出信號(hào)打開風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)冷卻，根據(jù)溫度高低自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇系統(tǒng)比例電磁閥的控制電流，控制風(fēng)扇系統(tǒng)壓力，從而控制冷卻風(fēng)力大小。當(dāng)溫度低于35℃時(shí)，處理器自動(dòng)輸出信號(hào)關(guān)閉風(fēng)扇系統(tǒng)電磁閥，使其停止工作。現(xiàn)場(chǎng)施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，環(huán)境條件比較惡劣，該功能可以減輕操作人員壓力，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

8 軟件框圖

智能化張力機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)是采用微處理器通過軟件實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)功能，既解決了傳統(tǒng)的液壓機(jī)械傳動(dòng)不能解決的技術(shù)難題，又提供了智能控制的、可優(yōu)化和擴(kuò)展功能的張力機(jī)，留下了充分的改進(jìn)和提高的空間，其軟件如流程圖3所示。

圖3

9 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用

智能化張力機(jī)研制出來(lái)在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過實(shí)際放線使用后，顯示出很強(qiáng)的優(yōu)越性，在極大的提高設(shè)備安全可靠性的同時(shí)也極大地降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，使設(shè)備的使用性能得到很大的提高，具體方面有:

1.恒張力控制功能在現(xiàn)場(chǎng)使用中效果很好，張力大小不受牽引速度與負(fù)載的影響，使導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)展放，在放線過程突然出現(xiàn)意外的速度變化與壓力波動(dòng)時(shí)，2秒左右的時(shí)間控制系統(tǒng)即可調(diào)節(jié)好系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定工作，在兩臺(tái)設(shè)備同時(shí)使用展放4分裂導(dǎo)線時(shí)，只要提前預(yù)設(shè)好各個(gè)張力輪張力值即可，放線工作時(shí)控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)好系統(tǒng)壓力，4根導(dǎo)線可以平穩(wěn)同步展放，減少了操作人員的工作量并提高了放線工程質(zhì)量。

2.簡(jiǎn)化操作，實(shí)現(xiàn)各種工況設(shè)置下的智能調(diào)節(jié)和聯(lián)動(dòng)，風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了完全的自動(dòng)檢測(cè)和控制，柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了18項(xiàng)故障和安全檢測(cè)警告，不僅可以報(bào)警，也可以提示故障類別，大大降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了設(shè)備施工的安全可靠性。

3.液晶顯示屏可以顯示很多系統(tǒng)參數(shù)，這比以前的設(shè)備觀察起來(lái)方便多了。

智能化張力機(jī)在使用過程中也遇到了一些問題，主要表現(xiàn)為智能化控制系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用人員來(lái)講還很陌生。現(xiàn)場(chǎng)操作人員以前多有機(jī)械設(shè)備使用和維修經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于機(jī)械和液壓系統(tǒng)接觸多，比較熟悉，出了問題敢于動(dòng)手，但是對(duì)于電氣系統(tǒng)尤其是微處理器和傳感器很少接觸，有神秘感，操作人員不敢調(diào)試，出了故障更不知如何下手，有時(shí)只是電氣線路接線頭松動(dòng)這樣簡(jiǎn)單的問題也不敢處理，害怕?lián)p壞電氣元件。分析原因，主要是對(duì)于微處理器控制系統(tǒng)這樣的新事物，現(xiàn)場(chǎng)的使用人員還需要一個(gè)逐步認(rèn)識(shí)接受和熟悉的過程，隨著智能化張力機(jī)明顯的優(yōu)越性逐步被大家認(rèn)識(shí)到，智能控制系統(tǒng)將逐步取代機(jī)械液壓控制系統(tǒng)，成為高電壓等級(jí)線路施工設(shè)備主流控制方式，我公司也需要加強(qiáng)培訓(xùn)工作，加大對(duì)操作使用人員的培訓(xùn)力度，早日適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)使用的需要。

10 經(jīng)濟(jì)性分析與總結(jié)

智能化張力機(jī)所有的重要參數(shù)或狀態(tài)均通過顯示器數(shù)字化顯示；實(shí)現(xiàn)了完全的恒張力控制和失壓保護(hù)；張力的預(yù)置值和實(shí)時(shí)張力值可以同時(shí)直觀數(shù)字顯示；工況切換時(shí)主壓力控制閥智能控制從而極大地簡(jiǎn)化了操作；控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)準(zhǔn)確顯示故障情況等等，都是以往傳統(tǒng)張力機(jī)所不能比擬的。

從技術(shù)角度看，張力機(jī)智能化是一次質(zhì)的飛躍；從使用角度看，性能優(yōu)越，操作簡(jiǎn)單，安全可靠；從經(jīng)濟(jì)角度看，成本增加不多，智能化硬件成本約5-8萬(wàn)元，而且隨著設(shè)備噸位的增加，這部分增加費(fèi)用占總成本的比例將進(jìn)一步降低。因此智能化設(shè)備有著廣闊的前景，也是大勢(shì)所趨。加快應(yīng)用并完善該技術(shù)以早日替代傳統(tǒng)設(shè)備，已經(jīng)是迫在眉睫。