智能化張力機(jī)的研究與應(yīng)用

陳笑梅，王小霞

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

1 引言

近年來，國家電網(wǎng)建設(shè)施工任務(wù)繁重，線路電壓等級不斷升高，工程工期短，質(zhì)量要求高，對施工機(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)動機(jī)作為動力源，主傳動系統(tǒng)為液壓系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為雙摩擦卷筒。發(fā)動機(jī)驅(qū)動液壓泵泵油建立系統(tǒng)壓力，放線時(shí)雙摩擦卷筒被動旋轉(zhuǎn)，帶動減速機(jī)、液壓馬達(dá)被動旋轉(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)。除了被動放線作業(yè)，張力機(jī)還可實(shí)現(xiàn)主動牽引與松線工況，配合現(xiàn)場放線時(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)場施工時(shí)放線速度波動會引起主液壓系統(tǒng)的壓力波動，隨之引起放線張力的波動，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）各種工況下制動器的開啟和關(guān)閉狀態(tài)需要人工操作，主動與被動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)場操作人員勞動強(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500KV及以上高電壓等級線路施工中展放導(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，準(zhǔn)確快速調(diào)節(jié)，智能聯(lián)動控制，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，對其進(jìn)行了一個(gè)智能化控制的改造，將原來的液、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?？刂骑@示系統(tǒng)主要分為操作控制和顯示兩部分，原來系統(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)動機(jī)的工作信號接儀表和指示燈進(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到各類電磁閥控制設(shè)備工作；顯示部分為在原來接壓力表的回路中接入壓力傳感器，傳感器信號和其他電路工作信號一起接到微處理器的輸入端，通過CAN總線將信號傳輸?shù)斤@示器進(jìn)行顯示，發(fā)動機(jī)的油壓、充電指示等個(gè)別重要工作信號接指示燈顯示，其余工作信號均通過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，若無錯(cuò)誤則扳動啟動開關(guān)4啟動發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)的工作參數(shù)由發(fā)動機(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9、工況選擇開關(guān)信號10和11、工作模式開關(guān)信號12、風(fēng)扇支腿工作控制開關(guān)信號13、放線長度及速度傳感器信號14、液壓系統(tǒng)各壓力傳感器信號15、各壓力設(shè)定電位計(jì)手柄信號16、液壓油溫度傳感器信號17、主泵控制手柄信號18以及張力輪牽引選擇電磁閥信號24和25、風(fēng)扇開關(guān)電磁閥信號26、張力輪剎車電磁閥信號27和28、風(fēng)扇調(diào)壓電磁閥信號29、尾架調(diào)壓電磁閥信號30、張力輪張力調(diào)節(jié)電磁閥信號31和32、主泵正反向控制電磁閥信號33和34等等各項(xiàng)微處理器的輸入輸出信號均經(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)動機(jī)、液壓系統(tǒng)壓力、液壓油溫度、制動器狀態(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功能鍵打開制動器，操作開關(guān)12選擇工作模式為自動模式，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)動機(jī)油門到適宜的發(fā)動機(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功能鍵打開制動器，操作開關(guān)12選擇工作模式為自動模式，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)動機(jī)油門到適宜的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下，上下扳動操作電位計(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、速度長度傳感器、溫度傳感器等實(shí)時(shí)檢測并傳輸信號到微處理器，處理器判斷信號值與設(shè)定值的偏差并計(jì)算輸出控制信號到各個(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)入自動復(fù)位狀態(tài)，控制程序會自動調(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。

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“自動復(fù)位狀態(tài)”，制動器接合。

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，導(dǎo)致放線張力波動，必須手動調(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、手動轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇自動模式，在自動模式下，放線過程中速度變化時(shí)，系統(tǒng)壓力傳感器檢測到壓力變化反饋到微處理器自動調(diào)節(jié)輸出信號，動態(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)確幾乎無波動，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)有主動和被動兩種工況，操作面板安裝了工況選擇開關(guān)，操作開關(guān)選定工況，信號即輸入微處理器，微處理器根據(jù)輸入信號智能調(diào)節(jié)各主溢流閥壓力，不需要人工操作，在主動工況時(shí)保證快速牽引或者安全快速松線，被動工況時(shí)根據(jù)導(dǎo)線上的張力動態(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)自動控制。牽引機(jī)啟動開始工作后，風(fēng)扇系統(tǒng)即進(jìn)入自動工作狀態(tài)，不需人工操作。液壓油溫度傳感器自動實(shí)時(shí)檢測液壓系統(tǒng)溫度，信號輸入到微處理器中，控制程序自動判斷，當(dāng)溫度高于40℃時(shí)，處理器自動輸出信號打開風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)冷卻，根據(jù)溫度高低自動調(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)，處理器自動輸出信號關(guān)閉風(fēng)扇系統(tǒng)電磁閥，使其停止工作?，F(xiàn)場施工人員勞動強(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)場實(shí)際使用

智能化張力機(jī)研制出來在現(xiàn)場經(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，風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了完全的自動檢測和控制，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)對現(xiàn)場使用人員來講還很陌生?，F(xiàn)場操作人員以前多有機(jī)械設(shè)備使用和維修經(jīng)驗(yàn)，對于機(jī)械和液壓系統(tǒng)接觸多，比較熟悉，出了問題敢于動手，但是對于電氣系統(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這樣簡單的問題也不敢處理，害怕?lián)p壞電氣元件。分析原因，主要是對于微處理器控制系統(tǒng)這樣的新事物，現(xiàn)場的使用人員還需要一個(gè)逐步認(rèn)識接受和熟悉的過程，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，加大對操作使用人員的培訓(xùn)力度，早日適應(yīng)現(xiàn)場使用的需要。

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。