基于PLC 的電力電纜敷設控制系統設計分析

吳艾，孫長群

（1.武漢中電鑫源輸變電工程有限公司；2.國網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、企業內部供電以及水下輸電線等。傳統電纜敷設大多采用角磨機，借助鋼絲繩實現電纜的牽引作業，結合電纜輸送機進行電纜輸送。但此類方式過于依賴單一的能源控制，無論是在設備的維護與管理上，還是在敷設速度的調節方面，都需要人工操作，自動化水平相對較低，容易因人員操作失誤，產生安全隱患。且電纜敷設時采用的電纜盤慣性較大，容易在放卷電纜過程中，破壞電纜質量。為解決此類問題，筆者提出基于PLC 的電力電纜敷設控制系統，用以提高電纜敷設質量，避免電纜受力不均，提高施工作業的自動化水平。因此，研究此項課題，具有十分重要的意義。

1 設備組成

電力電纜敷設控制系統所采用的機械裝置主要包括電纜盤、橡膠輪胎、電動放線架、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、牽引機等。其中電動放線架主要由底座、轉動裝置、驅動電機、排線筒、轉軸、轉槽、擋板、卡槽組成，采用具備剎車功能的伺服電機作為動力來源，能夠借助減速機實現橡膠輪胎的轉動，之后通過電纜盤帶動兩側輪緣，達到電纜收卷、放卷的目的。至于電纜龍門支架的作用則在于支撐母線、設備或導線，在使用過程中需要將超聲波傳感裝置放在其頂部，用以測量與托纜滑架之間的距離，該測量結果可以準確呈現電纜的實際張力狀態。而牽引機則由絞磨機以及伺服電機組成，此類組成方式的目的在于更好地實現系統控制，為電纜敷設提供所需牽引力。

2 工藝流程

首先，要完成電纜敷設裝置的安裝，將電動放線架安裝在敷設起點位置，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，并進行緊固調整。至于電纜龍門支架則要安裝在電動放線架的出線端，將牽引機設置在敷設終點位置。將牽引機一端與鋼絲繩連接，將鋼絲繩另一端與電纜頭相連，再利用托纜滑架，將鋼絲繩依次通過電滾輪、滑輪。其次，要采用控制系統進行電纜的敷設作用。如果需要系統實現電纜的自動敷設，則可在人機界面錄入操作指令，比如，電纜的敷設速度、敷設時間、加速度、減速度等，之后點擊運行模塊，系統便會控制牽引機依照既定程序完成電纜敷設。而電動放線架則要結合電纜放線的實際張力，完成電纜放線速度的動態調控，直至電纜敷設完成后，系統才會自動停止。如果在電纜敷設環節出現需要收回電纜的情況，則要通過手動控制的方式，實現電滾輪的翻轉。如果要調整各電纜敷設形狀，則同樣要采用手動操作的方法，進行相關設備的調控。

3 電力電纜展放恒張力控制方法

PID 控制算法是現階段我國使用最廣泛的調節器控制規律，融合PID 控制算法的閉環控制系統可以將系統被控對象的輸出完全返送回來，從而影響控制器輸出，形成多個閉環，利用系統正反饋與負反饋，實現系統的不斷修正，從而做出正確動作。具體的PID 算法公式為：

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

式中，k 代表采樣序號，u（k）為采樣PID 調節裝置的輸出值，e（k）則代表采樣計算偏差值。隨著電纜敷設工作的開展，電纜在電纜盤上的纏繞半徑會進一步降低。因為采用PID 控制，可以實現牽引速度的恒定不變，如果電纜轉盤轉速同樣保持不變，則必然會出現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程中能夠始終維持張力恒定，需要以PID 算法為基礎，實現電纜展放的動態調控，具體原理如圖1 所示。

圖1 以PID 算法為基礎的電纜展放控制原理

假設托纜滑架與傳感器的間隔高度為t，當系統處于運行狀態時，傳感器測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利用A/D（模擬數字轉換器）模塊進一步轉化為數字量，再傳入可編程邏輯控制器當中，由PLC 系統將h 與t 的偏差利用PID 運算完成模擬量的輸出，通過傳送到伺服驅動器，實現電纜盤放卷速度的調節。在電纜盤放卷的過程中，PLC 系統在進行PID 計算后，能夠將h 無限趨近于t，從而保證電纜的張拉恒定不變。在系統運行過程中，目標平臺處于最下層，此時，h 與偏差值△e 數值最高，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 系統則經過PID 運算后驅動電纜盤。最終使電纜張力不斷提升，直至與恒張力持平，至于△e 則無限趨近于0。

4 基于PLC 的電力電纜敷設控制系統設計路徑探究

4.1 硬件設計

本次設計的電力電纜敷設控制系統中共涵蓋100 個電滾輪驅動卡、1 個牽引機伺服驅動機等。由于電纜敷設控制數據傳輸的距離相對較遠，所以系統應采用主從式的PLC 網絡。該網絡形式可以理解為在總線結構的PLC 子網上存在多個站，其中只有一個主站，其他均為從站。采用集中式存取控制技術完成總線使用權的分配，通過在主站中配置輪詢表，即一張機號排流順序表，主站會依照輪詢表的排列順序對從站進行詢問，確認其是否采用總線，以此達到分配總線使用權的目的。具體的控制系統硬件結構表現為：監控層，主要設備為人機界面，是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介接口，能夠實現信息的內部形式與人類可接受形式的轉換，負責向上接收操作人指令，向下利用IP 協議進行數據傳遞；控制層，由主站PLC 以及10 臺從站PLC 組成，其中主站PLC 負責與人機界面實現交互，向下則利用基于工業以太網技術的自動化總線標準協議與其他從站PLC 完成通信；而其他從站則會通過RS485 協議（儀表通信接口），實現與驅動卡的通訊連接；執行層，主要包括電動放線架伺服驅動器、牽引機伺服電機、傳感器、驅動卡等。執行層主要負責接收控制層指令，之后驅動執行機構，并將數據信息返回至控制層。

在電力電纜敷設控制系統設計過程中，采用的設備型號分別為：臺達伺服電機作為電動放線架，此類伺服電機可以將電信號轉換為轉軸的角位移或角速度，本質上屬于補助馬達間的接變速設備，相較傳統的交流伺服電機以及直流伺服電機來說，臺達伺服電機優勢在于：無電刷與換向器，因此工作可靠，對維護和保養要求低，定子繞組散熱較為方便，慣量小，易于提高系統的快速性，適用于高速大力矩工作狀態，同功率下有較小的體積和重量。至于臺達伺服電機的功率則為1500W；減速機，減速比為1:80；伺服驅動器型號則為DA-2021-M；電滾輪，輸出功率為100W，搭配精密減速機，輸出扭矩在25N·m；牽引機，能夠為電纜敷設提供動力，因此需要保證具有極高的輸出功率，型號為ECMA-F11，功率為3000W。其中主站PLC 數字量I/O（輸入/輸出）接線圖如圖2 所示。

圖2 主站PLC 數字量I/O 接線圖

其中，模擬量輸入/輸出模塊采用了1 個電壓輸入電位以及多個電壓輸出電位，輸入電位的作用在于獲取傳感器收集的數據信息，而輸出電位的作用則在于輸出控制電動放線架的模擬量。至于主站PLC 的數字量I/O接線情況則表現為：模擬量輸入模塊包括自動模式、手動模式、啟動按鈕、停止按鈕、面板急停、M1 伺服報警、M2 伺服報警；模擬量輸出模塊包括蜂鳴器報警、M1/M2伺服使能、M2 伺服復位、M1 伺服正轉、M1 伺服反轉、M1 伺服復位、M2 伺服正轉、M2 伺服反轉。由此可知，主站PLC 數字量I/O 模塊共包含7 個輸入點以及8 個輸出點，且輸入點以及輸出點均由外部供電。

4.2 軟件設計

軟件設計主要包括PLC 程序以及人機交互界面，本次設計中采用TIA V16 軟件進行PLC 程序的設計，控制系統需涵蓋自動控制模式以及手動控制模式，后者需要單獨實現電動放線架、電滾輪的控制。其中初始化程序通常用于初始系統的運行參數，自動運行程序則以傳感器數據的接收、處理程序位置，同時還包括PID 運算以及設備驅動程序。至于故障報警程序則要將伺服電機以及電滾輪報警包括在內。而系統的人機界面則要具備以下模塊：參數顯示模塊，比如，當前速度、目前位置、導引速度、越位位置設置、主速設置、張力位置設置、加速度時間、減速度時間、當前運行模式、設備運作狀態、電滾筒排序、正轉反轉選擇、自動單站速度設置、單站調節站號設置、自動單站速度寫入等；故障復位；啟動；停止；自動；手動排序讀取；參數設置；手動畫面；故障查詢。

5 系統測試

為了驗證本文提出的基于PLC 的電力電纜敷設控制系統能夠有效運行與使用，還需要對系統功能進行測試，在測試過程中，可采用規格為110kV-1×500 的電纜，長度設置在200m，質量約為1.2t，電纜盤的外徑在2.8m，內徑則為2.3m，質量在1.76t 左右，系統測試過程主要包括自動放卷以及自動收卷。

在自動放卷測試環節，需要將牽引速度設置為4m/min，采用自動模式完成電纜的敷設工作，之后使用測速裝置測試電纜龍門支架位置的電纜敷設速度。具體的速度變化表現為：傳統電纜敷設方式，5s，電纜敷設速度為6m/min。10s，電纜敷設速度為20m/min。20s，電纜敷設速度為11m/min；控制系統的電纜敷設方式，5s，電纜敷設速度為6m/min。10s，電纜敷設速度為5m/min。20s，電纜敷設速度為7m/min。根據上述數據可以發現，傳統方式的電纜敷設速度存在大幅度波動，究其原因，在于人工控制的方式無法有效調節電纜的敷設速度，而采用自動控制系統的電纜敷設速度則始終維持在4m/min，敷設速度無明顯波動，且電纜也始終維持在恒張力狀態。在系統收卷測試過程中，需要將電纜回收至電纜盤中，設定收卷速度為5.5m/min，將電滾輪作為收卷電纜，具體的速度變化表現為5s，電纜敷設速度為6m/min。10s，電纜敷設速度為5m/min。50s，電纜敷設速度為5m/min。根據上述數據可以發現，電纜收卷在最開始的5s 處于加速狀態，之后則會趨近于5.5m/min，整個收卷過程較為平穩，無異常波動。

6 結語

綜上所述，通過對電力電纜敷設采用的設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 的電力電纜敷設控制系統設計路徑，并利用系統測試實驗來驗證控制系統的設計可靠性與可行性。根據結果顯示，提出的控制系統可以有效防止電纜出現拉扯、擠壓等問題，切實保障電纜敷設質量，且系統能夠實現穩定運行，電纜敷設速度可以結合實際需求進行適當調節，使電纜敷設具有極高的自動化水平。