盧 飛，趙 峰，胡 堅(jiān)，關(guān) 山，崔金棟

（1.杭州凱達(dá)電力建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310030;2.東北電力大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

電力電纜在電力系統(tǒng)中負(fù)責(zé)對發(fā)、配、輸、變、供電線路中強(qiáng)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(jī)帶動(dòng)鋼絲繩牽引電纜的方式進(jìn)行管道敷設(shè)[1-2]，但是隨著大直徑電纜的應(yīng)用、電纜敷設(shè)長度的增加及敷設(shè)路徑復(fù)雜多變等工況的出現(xiàn)[3]，往往會(huì)導(dǎo)致電纜絞擰和損傷，無法滿足電纜的正常工作，而且，當(dāng)電纜彎曲直徑過大時(shí)會(huì)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(shí)調(diào)整，極大地增加了勞動(dòng)強(qiáng)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(jī)互聯(lián)電纜敷設(shè)系統(tǒng)

基于智能化全景感知的多機(jī)互聯(lián)電纜敷設(shè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，由位于不同電纜井內(nèi)的電纜敷設(shè)機(jī)和協(xié)調(diào)控制終端兩部分組成。多臺(tái)電纜敷設(shè)機(jī)以接力的方式逐步加入電纜敷設(shè)過程，實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對多臺(tái)電纜敷設(shè)機(jī)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(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化，保障各臺(tái)電纜敷設(shè)機(jī)協(xié)同工作。

2 電纜敷設(shè)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電纜敷設(shè)機(jī)總體結(jié)構(gòu)及工作方式如圖2所示，包括運(yùn)載車、升降裝置、電纜推送機(jī)和監(jiān)控裝置4部分。運(yùn)載車是電纜敷設(shè)機(jī)的轉(zhuǎn)運(yùn)與支撐裝置，方便電纜敷設(shè)機(jī)的運(yùn)輸，并協(xié)調(diào)升降裝置實(shí)現(xiàn)電纜井內(nèi)及井上敷設(shè)。升降裝置實(shí)現(xiàn)對推送機(jī)的升降，如圖2(a)為井內(nèi)電纜穿管敷設(shè)模式，運(yùn)載車橫跨電纜井兩端，通過升降機(jī)將推送機(jī)降至電纜井內(nèi)并對準(zhǔn)敷設(shè)管實(shí)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(jī)將推送機(jī)提升至運(yùn)載車之上，實(shí)現(xiàn)地面電纜敷設(shè)。推送機(jī)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(hào)以一定的預(yù)緊力夾持電纜，通過電纜與推送機(jī)橡膠履帶之間摩擦力實(shí)現(xiàn)電纜的推送敷設(shè)。監(jiān)控裝置實(shí)現(xiàn)對電纜敷設(shè)工況參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、顯示，并將運(yùn)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(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化，確保各敷設(shè)機(jī)協(xié)調(diào)工作。

2.1 升降裝置的設(shè)計(jì)

升降裝置示意圖如圖3所示，該裝置主要由絲杠升降機(jī)、傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器、減速器、升降電機(jī)五部分組成。升降裝置采用對稱式設(shè)計(jì)，以電機(jī)為動(dòng)力，通過單輸入雙輸出的減速器將動(dòng)力傳至兩端的絲杠升降機(jī)，保證兩端升降同步。升降電機(jī)和傳動(dòng)軸通過柔性聯(lián)軸器連接，降低了裝配精度，安裝維護(hù)方便。絲杠升降機(jī)具備動(dòng)載自鎖功能，可以將電纜推送機(jī)鎖定在規(guī)定工作高度，滿足工作要求。針對實(shí)際工況，升降裝置在監(jiān)控裝置控制下可實(shí)現(xiàn)井下和地面兩種工作模式。尤其當(dāng)井下敷設(shè)時(shí)，還可對推送機(jī)位置進(jìn)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(jī)升降裝置示意圖

2.2 電纜推送機(jī)的設(shè)計(jì)

電纜推送機(jī)主要包括夾緊裝置、推送裝置。電纜推送機(jī)整機(jī)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(jī)、對稱螺紋絲杠、絲母及壓力傳感器組成。當(dāng)電纜進(jìn)入推送裝置后，監(jiān)控裝置會(huì)依據(jù)待敷設(shè)電纜參數(shù)控制電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，在絲母的約束下使推送裝置的上下傳送帶相對運(yùn)動(dòng)，對電纜施加一定的預(yù)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(jī)、減速器、動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)、推送帶、導(dǎo)入輪及檢測模塊組成。為了減小推送機(jī)在寬度方向的尺寸，將電機(jī)布置于推送機(jī)上方，通過一對齒輪將動(dòng)力傳送至推送帶，齒輪傳動(dòng)進(jìn)一步增大了傳動(dòng)比，提升了推送裝置的轉(zhuǎn)矩，減小了減速器的重量。導(dǎo)入輪除保障電纜在推送過程中不從推送機(jī)滑出外，其另一重要作用是驅(qū)動(dòng)檢測模塊實(shí)現(xiàn)電纜推送速度及推送長度的檢測。當(dāng)推送機(jī)在正常工況下工作時(shí)，電纜帶動(dòng)導(dǎo)入輪旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)入輪通過摩擦輪驅(qū)動(dòng)光電編碼器實(shí)現(xiàn)電纜推送速度的檢測。一旦由于夾緊力不足導(dǎo)致電纜推送出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象時(shí)，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(shí)，控制夾緊電機(jī)啟動(dòng)，以預(yù)設(shè)的夾緊力增量施加壓力，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

2.3 監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)

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(jī)工況參數(shù)的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對夾緊力及電纜推送速度的測量；為實(shí)現(xiàn)電纜推送機(jī)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(yuǎn)距離收發(fā)的LoRa無線通信模塊[11]，LoRa模塊支持Lo-RaWAN標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，串口數(shù)據(jù)透傳雙向通信，目前已廣泛應(yīng)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(tái)電纜推送機(jī)推送的電纜長度不同，預(yù)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(dòng)夾緊電機(jī)以預(yù)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(dòng)執(zhí)行，無需人的干預(yù)，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(yùn)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(jī)根據(jù)電纜參數(shù)預(yù)定夾緊力閾值，當(dāng)敷設(shè)機(jī)啟動(dòng)后夾緊電機(jī)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(dāng)前電纜推送機(jī)的工作情況，當(dāng)監(jiān)測到“打滑”現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，打滑監(jiān)測旁的綠色指示燈變紅并閃爍，敷設(shè)機(jī)自動(dòng)調(diào)整夾緊力，同時(shí)將該事件上傳協(xié)調(diào)控制終端。

圖6 電纜敷設(shè)機(jī)顯示模塊主界面

3 協(xié)調(diào)控制終端的設(shè)計(jì)

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(jī)的一對多通信系統(tǒng)，借助監(jiān)控系統(tǒng)軟件實(shí)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(jī)建立通信，檢查敷設(shè)機(jī)上線臺(tái)數(shù)，確認(rèn)無誤后，統(tǒng)一設(shè)置電纜敷設(shè)參數(shù)（如電纜型號(hào)、直徑、敷設(shè)速度等），并下傳至各電纜敷設(shè)機(jī)，電纜敷設(shè)開始，然后協(xié)調(diào)控制終端實(shí)時(shí)接受工況參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)進(jìn)行統(tǒng)一控制，保證敷設(shè)機(jī)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(jī)互聯(lián)電纜敷設(shè)系統(tǒng)，多臺(tái)敷設(shè)機(jī)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(shí)現(xiàn)了大直徑電纜在復(fù)雜工況條件下的智能化敷設(shè)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了電纜敷設(shè)的自動(dòng)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(jì)了一套以推送力為主的電纜敷設(shè)機(jī)，實(shí)現(xiàn)電纜敷設(shè)過程中工況參數(shù)的實(shí)時(shí)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(yīng)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(tái)敷設(shè)機(jī)建立通信，并通過監(jiān)控系統(tǒng)軟件實(shí)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。