智能化全景感知多機互聯(lián)電纜敷設(shè)系統(tǒng)的設(shè)計

盧 飛，趙 峰，胡 堅，關(guān) 山，崔金棟

（1.杭州凱達電力建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310030;2.東北電力大學機械工程學院，吉林 吉林 132012）

電力電纜在電力系統(tǒng)中負責對發(fā)、配、輸、變、供電線路中強電電能傳輸。電纜敷設(shè)方式對保證輸電線路的安全性和可靠性十分重要。目前我國大部分電纜敷設(shè)多采用以絞磨機帶動鋼絲繩牽引電纜的方式進行管道敷設(shè)[1-2]，但是隨著大直徑電纜的應用、電纜敷設(shè)長度的增加及敷設(shè)路徑復雜多變等工況的出現(xiàn)[3]，往往會導致電纜絞擰和損傷，無法滿足電纜的正常工作，而且，當電纜彎曲直徑過大時會出現(xiàn)電纜磨損和鎧裝壓扁等問題[4-6]，需要工作人員適時調(diào)整，極大地增加了勞動強度，傳統(tǒng)的電纜敷設(shè)方式已無法滿足現(xiàn)代化電網(wǎng)建設(shè)要求。

1 多機互聯(lián)電纜敷設(shè)系統(tǒng)

基于智能化全景感知的多機互聯(lián)電纜敷設(shè)系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖1所示，由位于不同電纜井內(nèi)的電纜敷設(shè)機和協(xié)調(diào)控制終端兩部分組成。多臺電纜敷設(shè)機以接力的方式逐步加入電纜敷設(shè)過程，實時采集夾緊力、敷設(shè)速度、敷設(shè)長度等信息，并通過通信模塊將監(jiān)測參數(shù)上傳協(xié)調(diào)控制終端，實現(xiàn)對多臺電纜敷設(shè)機工作狀態(tài)的監(jiān)測。一旦出現(xiàn)工作參數(shù)不一致的情況，協(xié)調(diào)控制終端將對工況參數(shù)進行統(tǒng)一優(yōu)化，保障各臺電纜敷設(shè)機協(xié)同工作。

2 電纜敷設(shè)機結(jié)構(gòu)設(shè)計

電纜敷設(shè)機總體結(jié)構(gòu)及工作方式如圖2所示，包括運載車、升降裝置、電纜推送機和監(jiān)控裝置4部分。運載車是電纜敷設(shè)機的轉(zhuǎn)運與支撐裝置，方便電纜敷設(shè)機的運輸，并協(xié)調(diào)升降裝置實現(xiàn)電纜井內(nèi)及井上敷設(shè)。升降裝置實現(xiàn)對推送機的升降，如圖2(a)為井內(nèi)電纜穿管敷設(shè)模式，運載車橫跨電纜井兩端，通過升降機將推送機降至電纜井內(nèi)并對準敷設(shè)管實現(xiàn)電纜井內(nèi)電纜敷設(shè)，如圖2(b)為地面電纜敷設(shè)工作模式，通過升降機將推送機提升至運載車之上，實現(xiàn)地面電纜敷設(shè)。推送機改變傳統(tǒng)電纜敷設(shè)以拉力為主的敷設(shè)模式，針對不同電纜型號以一定的預緊力夾持電纜，通過電纜與推送機橡膠履帶之間摩擦力實現(xiàn)電纜的推送敷設(shè)。監(jiān)控裝置實現(xiàn)對電纜敷設(shè)工況參數(shù)的實時監(jiān)測、顯示，并將運行參數(shù)傳送協(xié)調(diào)控制終端，協(xié)調(diào)控制終對各敷設(shè)機運行參數(shù)進行統(tǒng)一優(yōu)化，確保各敷設(shè)機協(xié)調(diào)工作。

2.1 升降裝置的設(shè)計

升降裝置示意圖如圖3所示，該裝置主要由絲杠升降機、傳動軸、聯(lián)軸器、減速器、升降電機五部分組成。升降裝置采用對稱式設(shè)計，以電機為動力，通過單輸入雙輸出的減速器將動力傳至兩端的絲杠升降機，保證兩端升降同步。升降電機和傳動軸通過柔性聯(lián)軸器連接，降低了裝配精度，安裝維護方便。絲杠升降機具備動載自鎖功能，可以將電纜推送機鎖定在規(guī)定工作高度，滿足工作要求。針對實際工況，升降裝置在監(jiān)控裝置控制下可實現(xiàn)井下和地面兩種工作模式。尤其當井下敷設(shè)時，還可對推送機位置進行微調(diào)，保證電纜和敷設(shè)管道對齊，避免電纜產(chǎn)生過大彎曲。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

圖3 電纜敷設(shè)機升降裝置示意圖

2.2 電纜推送機的設(shè)計

電纜推送機主要包括夾緊裝置、推送裝置。電纜推送機整機長1000mm，高483mm，寬443mm，適用于在電纜敷設(shè)井內(nèi)的狹小空間作業(yè)。

夾緊裝置如圖4所示，主要由電機、對稱螺紋絲杠、絲母及壓力傳感器組成。當電纜進入推送裝置后，監(jiān)控裝置會依據(jù)待敷設(shè)電纜參數(shù)控制電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動，在絲母的約束下使推送裝置的上下傳送帶相對運動，對電纜施加一定的預緊力，保障在傳送帶和電纜間產(chǎn)生足夠的推送摩擦力。

圖4 夾緊裝置示意圖

圖5 推送裝置示意圖

推送裝置如圖5所示，主要由推送電機、減速器、動力傳遞機構(gòu)、推送帶、導入輪及檢測模塊組成。為了減小推送機在寬度方向的尺寸，將電機布置于推送機上方，通過一對齒輪將動力傳送至推送帶，齒輪傳動進一步增大了傳動比，提升了推送裝置的轉(zhuǎn)矩，減小了減速器的重量。導入輪除保障電纜在推送過程中不從推送機滑出外，其另一重要作用是驅(qū)動檢測模塊實現(xiàn)電纜推送速度及推送長度的檢測。當推送機在正常工況下工作時，電纜帶動導入輪旋轉(zhuǎn)，導入輪通過摩擦輪驅(qū)動光電編碼器實現(xiàn)電纜推送速度的檢測。一旦由于夾緊力不足導致電纜推送出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象時，光電編碼器檢測將不連續(xù)，監(jiān)控裝置監(jiān)測到該現(xiàn)象出現(xiàn)時，控制夾緊電機啟動，以預設(shè)的夾緊力增量施加壓力，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

2.3 監(jiān)控裝置的設(shè)計

監(jiān)控裝置以MSP430F149IPMR主控芯片，包含信息采集模塊、顯示模塊、通信模塊、智能化控制模塊等部分，完成對電纜敷設(shè)機工況參數(shù)的實時監(jiān)測、顯示及智能化控制。

信息采集模塊由稱重測力傳感器、光電編碼器及相關(guān)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，實現(xiàn)對夾緊力及電纜推送速度的測量；為實現(xiàn)電纜推送機與協(xié)調(diào)控制終端的多對一雙向數(shù)據(jù)通信，采用低功耗、高性能、遠距離收發(fā)的LoRa無線通信模塊[11]，LoRa模塊支持Lo-RaWAN標準協(xié)議，串口數(shù)據(jù)透傳雙向通信，目前已廣泛應用于智能抄表、智慧路燈、智慧農(nóng)業(yè)、智能停車、智能安防等領(lǐng)域[12-15]；智能控制模塊為監(jiān)控裝置內(nèi)置的控制算法，由于串聯(lián)投入工作的每臺電纜推送機推送的電纜長度不同，預設(shè)的夾緊力可能不足以產(chǎn)生足夠的推送力而造成電纜在推送過程中出現(xiàn)“打滑”的現(xiàn)象，一旦系統(tǒng)監(jiān)測到“打滑”現(xiàn)象發(fā)生，控制模塊將啟動夾緊電機以預設(shè)的夾緊力增量對電纜夾緊，直至“打滑”現(xiàn)象消除，控制過程自動執(zhí)行，無需人的干預，控制過程迅速，保障電纜推送過程順利執(zhí)行。

圖6為工況監(jiān)控系統(tǒng)主界面，其中運行參數(shù)一欄為由協(xié)調(diào)控制終端統(tǒng)一發(fā)送的電纜及控制參數(shù)，電纜敷設(shè)機根據(jù)電纜參數(shù)預定夾緊力閾值，當敷設(shè)機啟動后夾緊電機根據(jù)閾值夾緊電纜，以統(tǒng)一的推送速度開始工作。工況參數(shù)一欄則顯示當前電纜推送機的工作情況，當監(jiān)測到“打滑”現(xiàn)象發(fā)生時，打滑監(jiān)測旁的綠色指示燈變紅并閃爍，敷設(shè)機自動調(diào)整夾緊力，同時將該事件上傳協(xié)調(diào)控制終端。

圖6 電纜敷設(shè)機顯示模塊主界面

3 協(xié)調(diào)控制終端的設(shè)計

協(xié)調(diào)控制終端以平板電腦為載體，通過LoRa無線通信模塊建立起與電纜敷設(shè)機的一對多通信系統(tǒng)，借助監(jiān)控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)對電纜敷設(shè)現(xiàn)場的全景感知與優(yōu)化控制。系統(tǒng)的工作流程如圖7所示，首先協(xié)調(diào)控制終端與敷設(shè)機建立通信，檢查敷設(shè)機上線臺數(shù)，確認無誤后，統(tǒng)一設(shè)置電纜敷設(shè)參數(shù)（如電纜型號、直徑、敷設(shè)速度等），并下傳至各電纜敷設(shè)機，電纜敷設(shè)開始，然后協(xié)調(diào)控制終端實時接受工況參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理，判定系統(tǒng)是否協(xié)調(diào)工作，如果是，保持正常工作，如果否，則優(yōu)化敷設(shè)參數(shù)并對各敷設(shè)機進行統(tǒng)一控制，保證敷設(shè)機協(xié)同工作。

4 結(jié)束語

提出了基于智能化全景感知的多機互聯(lián)電纜敷設(shè)系統(tǒng)，多臺敷設(shè)機以接力的形式加入電纜敷設(shè)工作，并在協(xié)調(diào)控制終端的協(xié)調(diào)下配合工作，實現(xiàn)了大直徑電纜在復雜工況條件下的智能化敷設(shè)，降低了勞動強度，提升了電纜敷設(shè)的自動化水平，極大地提高了電纜敷設(shè)的工作效率。

圖7 系統(tǒng)工作流程圖

設(shè)計了一套以推送力為主的電纜敷設(shè)機，實現(xiàn)電纜敷設(shè)過程中工況參數(shù)的實時監(jiān)測、顯示和智能化控制，避免了鎧裝壓扁、絞擰等問題的發(fā)生，并且通過升降裝置可應用于多種工作模式，滿足電纜敷設(shè)的工作需求。

研發(fā)了協(xié)調(diào)控制終端，利用LoRa無線通信模塊與多臺敷設(shè)機建立通信，并通過監(jiān)控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)對敷設(shè)場景的智能化監(jiān)控，減少了人力投入，提升了電纜敷設(shè)的智能化水平。