架空电力线自动换模压接设备的设计

沈 治，沈建明

（常州工业职业技术学院智能控制学院，江苏 常州 213164）

1 引言

在架线施工的过程中，导线压接是重要的工序环节之一，输电导线一般由铝线和钢芯绞合而成，在压接两根输电导线前，先去除钢芯外周的铝线，然后依次穿铝接续管、钢接续管，最后通过液压机压接钢接续管和铝接续管[1]。现在普遍采用的是人工扶握液压机的方式，这种方式通常需要多名施工人员配合工作，压接质量的好坏主要取决于工人的技能经验，劳动强度大，工作效率低，压接工艺质量不稳定，压接管一旦出现弯曲和扭转，不严重时需要校正，超标时则需要隔断重接，大大降低了施工效率[2]。设计架空电力线自动换模压接设备，需对其分别进行钢接绪管（压接钢芯）和铝接续管（压接表面）的压接，可以实现自动换模、自动压接的功能，大大降低了人工强度和提高了生产效率；在导线压接完成后可以实现测径和实时显示当前的压力、位置、压接线径，通过压接误差判断当前压接是否合格，通过记录压接位置信息进行二次压接和检测，从而能辅助施工人员根据当前的压接尺寸正确的控制压力的变化，从而降低操作难度，提高压接合格率，节省生产成本。本系统已成功应用于电力电网系统的送电线路的建设中，系统设计合理、运行可靠、大大提高了压接质量和工作效率。

2 系统机械结构设计

2.1 总体布局

滑台由底座上的伺服电机和滚珠丝杠驱动，作直线运动，使压接机构能对钢管进行多行程精确压接。压接机构主要通过两个高压油缸，使用模具对用来连接电缆的钢管进行压接。抬起机构的作用是，当压接完成后，将横梁抬起，使得压接好的电缆可以从压接机构中取出。检测装置的作用：按照要求，连接电缆的钢管必须用模具压成六边形，六边形的每个对边的距离误差不得超过0.1mm。这个误差由检测装置来检测，如图1 所示。

图1 总体布局Fig.1 Overall Layout

2.2 压接换模机构设计

由左压接油缸、右压接油缸、滑台和横梁组成一个框架结构，承受压接电缆时大约300t 的压接力。压接时先用一根小的钢管将两根电缆压接在一起，再用一根粗的钢管作为保护套压接上去。所以需要用两副模具进行压接。模具的交换由模具架及其驱动机构来自动实现，如图2 所示。模具架驱动机构由伺服电机加滚珠丝杠组成。

图2 自动压接换模机构Fig.2 Automatic Pressing Mould Changing Mechanism

2.3 压接精度检测装置设计

压接精度检测装置设计，如图3 所示。由双活塞油缸驱动左、右两个支架作同步移动，支架上装有3 组共6 个微型激光位移传感器，可以同时检测三组对边的距离。双活塞油缸将左、右两个支架同时向中间拉时，可以检测压接六角形的三组对边的距离。

图3 压接精度检测机构Fig.3 Press Joint Accuracy Inspection Mechanism

3 电气控制系统设计

3.1 控制系统

设计的架空电力线自动换模压接设备，包含液压泵控制模块、压接精度检测模块、PLC 控制模块、自动换模行走模块、自动压接行走模块、线缆填装模块、人机界面模块，如图4 所示。液压泵控制模块由伺服电机的转速控制液压泵的流量，由压力和流量传感器检测出液压缸等工作机构的位置信号，实现便捷的位置、速度、压力控制；线缆填装机构利用步进电机控制抬起机构自动抬起和放下，便于线缆从压接机构中填装和取出；换模行走机构是事先在移动机构上放置两付压接模具（一付是用于压接钢芯、一付是用来压接外壳），待线缆填装完成后能够自动更换压接模具；压接行走机构是利用伺服驱动器进行运动控制，对钢芯、线缆外壳进行不同位置的自动压接；压接精度检测模块利用激光位移传感器将压接好的钢芯和线缆外壳进行对角的六边形检测，对于不符合精度要求的对角面进行重新压接；通过PLC 来控制压接的压力、速度、位置、保压时间等，实时信号通过HMI 进行显示和控制，最终实现线缆的自动压接和检测作业。

图4 控制系统框图Fig.4 Control System Block Diagram

3.2 控制策略

传统的架空线缆的压接质量的好坏主要取决于工人的技能经验，劳动强度大，工作效率低，压接工艺质量不稳定。现在利用伺服和步进电机进行位置控制，实现线缆自动装填、压接模具的自动更换、不同位置自动压接。在压机工作的过程中，应该满足“压力-时间-位置”的控制工艺曲线和动作速度要求[3]，如果架空电缆的尺寸发生变化都会引起工艺曲线的变化，因此在工作过程中要实时的按照要求作出相应的调整，故利用模糊控制策略来控制伺服电机的转速来实现改变液压泵的流速和压力，降低液压泵的能量损耗和提高效率[4]，控制器结构，如图5 所示。

图5 模糊PID 控制器结构图Fig.5 Structure Diagram of Fuzzy-PID Controller

该智能控制的液压泵根据架空电缆的尺寸不同，压力范围（32.8～89.5）MPa，我们以 75MPa 为例，将此当量值设为 1，在实际运行中，压力传感器检测到液压泵的输出压力大于设定值时，此时应该降低液压泵的转速，减小液压泵的输出流量，反之应提高液压泵的转速，增加液压泵的输出流量[5]。通过对系统偏差e和变化率ec不断进行检测，通过模糊控制规则来实现对比例参数kP、积分参数kI、微分参数kD进行在线的修改，最终找到满足PID 模糊参数变量的自整定处理，使得被控对象具有更好的动、静态性能[6]。第K个采样时间的整定为：

式中：kP0、kI0、kD0—初始值；

△kP、△kI、△kD—修正值。

把偏差e和变化率ec分别包含7 个模糊子集｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，其中各元素代表的含义分别为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，对应连续性域值为［-6，6］[7]。利用如图 6 的三角函数来对系统进行模糊化操作，利用加权平均，法进行去模糊化操作。

图6 隶属函数Fig.6 Membership Function

模糊规则为整个控制核心，△kP、△kI、△kD的控制规则表，如表 1～表 3 所示。

表 1 △kΡ 的模糊推理规则表Tab.1 Fuzzy Inference Rule Table of △kΡ

表2 △kI 的模糊推理规则表Tab.2 Fuzzy Inference Rule Table of △kI

表3 △kD 的模糊推理规则表Tab.3 Fuzzy Inference Rule Table of △kD

在MATLAB/Simulink 中搭建仿真模型，如式（2）：

式中：k

c—压力流量放大系统，（m3/s）/Pa；

kf—传感器的电压传感系统，V/m；

kq—变量泵流量比例系数Kq/（m3/（S·V））；

ksv—静态流量放大系数；

ωsv—电液伺服阀固有频率，rad/s；

图7 常规-模糊PID 控制曲线Fig.7 Conventional-Fuzzy PID Control Curve

通过式（2）建立仿真模型，得到的常规-模糊的控制曲线，如图7 所示。表明在无干扰源情况下，模糊PID 的系统阶跃响应时间上升0.4s，超调量为12%，过渡时间0.8s，且波动较小，系统动态特性更佳。充分考虑模糊PID 控制规则和性能，并根据模糊PID 进行合理的参数设置，实现对液压控制系统的控制和调节，现场调试得到系统不同阶段工作数据。压机实验过程中不同阶段压力值参，如表4 所示。

表4 不同实验阶段压力值Tab.4 Pressure Values at Different Stages

由表4 不同阶段的压力值可以看出，压机不同阶段的压力值能够满足液压控制系统工艺曲线要求，在相同条件下，模糊PID 控制系统响应超调量较小，响应速度较块，响应曲线在上升时间和调节时间方面具有很好的性能，达到控制要求，效果良好。

3.3 控制流程

表5 输入/输出地址分配Tab.5 Input/Output Address Assignment

采用西门子公司的Smart 系列CPU ST40（DC/DC/DC）的PLC 作为主控制器，它具有24DI/16DO，为了便于功能扩展，增加EM DT16（8DI/8DO）数字量输入/输出模块，增加 2 个 EM AM06（4AI/2AO）模拟量输入/输出模块，同时可提供最多3 轴脉冲输出的设置，脉冲输出速度从20Hz 到100KHz 可调[8]；运动控制采用西门子公司的V90 伺服，其特点在于利用CPU 本体集成的三个高速输出点（Q0.0、Q0.1、Q0.3）通过运动控制向导方便的组态为脉冲输出+方向信号的控制通过，可最多连接3 个V90 实现定位控制[9]，I/O 的地址分配，如表 5 所示。

控制流程，如图8 所示。设备在机械安装完成后，必须满足液压缸松开、压接机构在原点、换模机构在原点、抬起装置抬起才能正式工作。工作模式分为手动/自动模式，在手动模式时，可以进行各机构的点动和电气元件的测试，当测试完成后，代表设备各部分工作正常，此时可以进入自动模式。在自动模式下，首先操作工人将要压接的电缆连接好并套上钢接续管和铝接续管放在压接支架上，在启动后，抬起机构放下，首先压接钢芯的模具运行到位，压接机构按照工艺要求进行钢芯的钢接续管的压接，并实时记录当前的每一次的压接位置，在每一次压接完成后进行压接精度测量，对于压接不合格的部分根据事先记录的位置进行二次压接；在钢芯接完成后，自动换模机构更动更换成外壳压接模具，压接机构此时再按照工序对外壳的铝接续管进行压接，工作步骤同上，待压接完成后且合格后，抬起机构升起，由工人将压接完成好的电缆取出，准备下一次的压接工作。

图8 控制流程Fig.8 Control Flow

3.4 HMI 监控画面设计

图9 主界面Fig.9 Main Interface

监控画面设计采用MCGS 的触摸屏，可以利用函数以及脚本设计功能复杂的画面[10]，本系统我们设计了主界面、自动控制界面和多个子画面弹出窗口，如图9～图11 所示。通过主界面完成各个机构的单步操作和压接线缆线径的选择，只有当处于自动控制模式时，才能进入自动控制界面，在自动控制界面只有当所有机构复位完成之后，才能进入运行状态，在界面中能够显示当前的流量、压力，在每一次压接完成后，会判断每一次的压接精度（±0.1mm），可以显示合格/不合格信息，同时实时记录每一次压接的位置，对于不合格的压接，可以在输入框中输入位置信息，进行二次压接。

图10 自动控制界面Fig.10 Automatic Control Interface

在压接的过程中利用模糊PID 控制策略来控制液压泵的输出压力，使之压接工艺质量大大提高。

为了让操作人员能够实时监控当前设备的工作情况，对于一些异常情况都设置了“压接精度测量不合格、换模机构行走越程、压接机构行走越程、抬起机构运动越程”等子窗口，进行一些状态信息的报警以及出现故障的提示，方便操作人员排故检修。程序脚本如下所示，效果如图11 所示。

图11 多个子窗口界面Fig.11 Multiple Subwindow Interfaces

4 系统运行情况

图12 模型图Fig.12 Model Diagram

系统运行可靠，设计模型，如图12 所示。以1kV 单芯绝缘架空线为例，不同规格的架空电力线它的电缆外径、每公里的重量都不尽相同，按照表6 中对应的压力进行压接时，按照“压力-时间-位置”的控制工艺曲线和动作速度要求，实现低压大流量快进、高压小流量慢速压接和大流量快速回程，压接效果良好。

表6 现场参数测试表Tab.6 Field Parameter Test Table

5 结论

通过结果表明，基于模糊PID 的液压压机系统具有较好的超调、稳定性和较快的调节时间，控制性能明显优于常规PID 控制的液压压机系统，使得压机在整个工作过程中满足低压大流量快进、超高压小流量慢速压接以及大流量快速回程的特性，缩短了压接时间，延长了零部件的使用寿命。同时利用PLC 作为主控制器，实现了自动更换压接模具、压接机构自动行走的运动控制并实时的进行压接精度的检测，解决了以往压接质量好坏主要取决于工人的技能经验，劳动强度大、工作效率低、压接工艺质量不稳定的缺陷，使系统具有更高的可靠性、稳定性和抗干扰性，提高了系统的的动态性能品质。目前该系统运行可靠，在送电线路建设中得到了推广。