馬利群,杜永恒,李文斐,龔自濤,杜 婷

(1.邯鄲欣和電力建設(shè)有限公司,河北 邯鄲 056005;2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司邯鄲供電分公司,河北 邯鄲 056002;3.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司,河北 石家莊 050021)

0 引言

隨著電網(wǎng)建設(shè)和公共交通的高速發(fā)展,在輸電線路的施工過程中,經(jīng)?？缭诫娏€路、高鐵、高速等被跨越物[1]。在跨越性施工項(xiàng)目必須進(jìn)行封網(wǎng)作業(yè)以保證被跨越物的安全,避免電力線路停電或交通中斷[2]。封網(wǎng)裝置通常由撐網(wǎng)滑輪、臨塔連接繩、網(wǎng)繩連接繩、絕緣桿、承載繩構(gòu)成,其中承載繩采用輸電導(dǎo)線或迪尼瑪承載繩。傳統(tǒng)封網(wǎng)作業(yè)采用搭設(shè)跨越架封網(wǎng)或人工飛車出線封網(wǎng)[3]。其中,搭設(shè)跨越架封網(wǎng)為在被跨越物兩側(cè)搭建盤扣式腳手架,再架設(shè)封網(wǎng)保護(hù)被跨越物,存在施工成本高、施工工期長(zhǎng)以及跨部門協(xié)調(diào)難度大等缺點(diǎn)[4]。人工飛車出線封網(wǎng)為高空作業(yè)人員搭坐人力飛車在導(dǎo)線上封網(wǎng)作業(yè),雖然避免了搭建跨越架,但是人員處于高空、高壓、強(qiáng)電場(chǎng)的環(huán)境中,高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大,人身傷亡事故的潛在危險(xiǎn)高[5]。此外,傳統(tǒng)封網(wǎng)方式受地形限制大,如在山地大跨越、大檔距、低弧垂處無法進(jìn)行封網(wǎng)作業(yè)[6]。

針對(duì)傳統(tǒng)封網(wǎng)作業(yè)的缺點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了一種輸 電線路封網(wǎng)作業(yè)車控制系統(tǒng),以STM32F103VET6單片機(jī)為控制核心,通過各傳感器采集導(dǎo)線壓力、位移和姿態(tài)信息,采用PID控制算法調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)封網(wǎng)作業(yè)車在導(dǎo)線上穩(wěn)定勻速移動(dòng)。通過LoRa無線通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控、數(shù)據(jù)傳輸,使多組輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車同步移動(dòng),并拖動(dòng)撐網(wǎng)滑輪完成封網(wǎng)作業(yè)。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為使輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車在輸電線路上的兩側(cè)相導(dǎo)線上移動(dòng),牽引封網(wǎng)裝置到被跨越物上方完成封網(wǎng)施工作業(yè),輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車采用4個(gè)壓線動(dòng)力輪,并分為上下2組,將導(dǎo)線置入上下2組壓線動(dòng)力輪中,要求輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測(cè)壓線動(dòng)力輪對(duì)導(dǎo)線的壓力,通過控制推桿電機(jī)的伸縮長(zhǎng)度進(jìn)而調(diào)整上下2組壓線動(dòng)力輪的間距,使動(dòng)力輪與導(dǎo)線的摩擦力滿足在導(dǎo)線上移動(dòng)和拖曳拖網(wǎng)裝置。同時(shí),為防止拖曳過程兩側(cè)相導(dǎo)線上的封網(wǎng)作業(yè)車移速不同導(dǎo)致封網(wǎng)裝置變形,兩側(cè)的封網(wǎng)作業(yè)車必須同步移動(dòng),因此輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車應(yīng)能采集在導(dǎo)線上的移動(dòng)距離,通過與其他作業(yè)車相互通信,使兩側(cè)作業(yè)車的實(shí)時(shí)位移數(shù)據(jù)一致,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同步移動(dòng)。此外,由于輸電線路具有一定的弧垂,輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車在導(dǎo)線移動(dòng)時(shí)必然在前后方向上存在傾斜角,進(jìn)而對(duì)作業(yè)車的移動(dòng)速度產(chǎn)生影響。因此封網(wǎng)作業(yè)車需采集姿態(tài)信息,可根據(jù)傾斜角調(diào)整移動(dòng)速度。

輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車控制系統(tǒng)可根據(jù)上位機(jī)的遠(yuǎn)程指令,實(shí)現(xiàn)在輸電線路導(dǎo)線上前后移動(dòng),剎車鎖死的運(yùn)動(dòng)功能;在拖曳封網(wǎng)裝置過程中,實(shí)現(xiàn)封網(wǎng)作業(yè)車之間同步移動(dòng);當(dāng)檢測(cè)到作業(yè)車距前后方障礙物過近時(shí),可自行停止移動(dòng)。針對(duì)上述控制需求,輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車控制系統(tǒng)以STM32F103VET6單片機(jī)為控制核心[7],采用壓力傳感器采集壓線動(dòng)力輪對(duì)導(dǎo)線的壓力,利用光電編碼器采集作業(yè)車的位移數(shù)據(jù),使用陀螺儀模塊測(cè)量作業(yè)車的傾斜角數(shù)據(jù),單片機(jī)根據(jù)上述傳感器采集的數(shù)據(jù),通過軟件算法處理執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多組輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車同步移動(dòng),并拖動(dòng)撐網(wǎng)滑輪完成封網(wǎng)作業(yè)。

為使輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車各功能實(shí)現(xiàn),控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主控模塊、傳感器采集模塊、LoRa無線通信模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊。主控模塊用于處理控制指令和傳感器采集的數(shù)據(jù)并控制電機(jī)轉(zhuǎn)速;傳感器采集模塊用于采集壓線輪對(duì)導(dǎo)線的壓力,作業(yè)車的移動(dòng)距離、傾斜角和與前后障礙物的距離。LoRa無線通信模塊用于作業(yè)車與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸,接收控制指令和發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù);電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)主控模塊的輸出指令調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速和推桿電機(jī)伸縮長(zhǎng)度;電源模塊為其他模塊提供穩(wěn)定電源。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊電路設(shè)計(jì)

主控模塊電路包括MCU、晶振電路、復(fù)位電路、BOOT設(shè) 置電路、JTAG/SW電 路 和 指 示 燈 電路。主控模塊的MCU采用意法半導(dǎo)體公司出品的基于ARM內(nèi)核增強(qiáng)型32位單片機(jī)STM32F103VET6[8],其主頻高達(dá)72 MHz,滿足輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車封網(wǎng)過程中的高速?gòu)?fù)雜運(yùn)算需求。其芯片引腳為100腳,自帶20 Kb的RAM和512 Kb的FLASH,封裝為L(zhǎng)QFP,工作電壓為3.3 V,其I/O引腳支持重映射功能。晶振電路負(fù)責(zé)為MCU提供時(shí)鐘源;復(fù)位電路通過將MCU的NRST引腳的置于低電平實(shí)現(xiàn)外部復(fù)位;BOOT設(shè)置電路用于更改MCU的啟動(dòng)方式;JTAG/SW電路用于燒錄和調(diào)試程序算法;指示燈電路控制LED燈用以指示MCU狀態(tài)。

2.2 傳感器電路設(shè)計(jì)

2.2.1 光電編碼器測(cè)距電路

在輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車設(shè)置一個(gè)帶光電編碼器的從動(dòng)輪,當(dāng)作業(yè)車在導(dǎo)線上行走時(shí),利用從動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)角,即光電編碼器的脈沖值計(jì)算出作業(yè)車的行走距離。光電編碼器采用歐姆龍公司的E6B2-CWZ5B,工作電壓為12 V、工作電流為80 m A、輸出方式為PNP集電極開路輸出,其旋轉(zhuǎn)1周可輸出1 000脈沖信號(hào),將編碼器的輸出直接接到STM32F103VET6的定時(shí)器通道1和通道2引腳上,直接利用STM32F103VET6芯片自帶的編碼器接口模式,以硬件的方式讀取編碼器的脈沖值。

2.2.2 壓力采集電路

壓力采集電路包含壓力傳感器和高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,其中壓力傳感器將壓力量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓值,高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將電壓值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳輸給主控模塊。壓力傳感器采用金諾公司的JHBMH1壓力傳感器,其量程為0~200 kg,工作電壓為12 V。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用HX711,其為高精度稱重傳感器而設(shè)計(jì)的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片,具有2路可選擇差分信號(hào)輸入,片內(nèi)整合低噪聲可編程放大器,放大增益可為32、64和128,工作電壓為5 V,工作電流為1.7 m A,輸出方式為串口通信。

2.2.3 陀螺儀電路

陀螺儀采用六軸數(shù)字運(yùn)動(dòng)傳感器芯片MPU6050,其封裝為QFN,并整合了三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)。其中三軸陀螺儀的測(cè)量范圍為為±250°/s、±500°/s、±1 000°/s和±2 000°/s,工作電壓為3.3 V,工作電流為5 m A,可通過600 k Hz的IIC通信直接將解算好的傾斜角數(shù)據(jù)傳輸給主控芯片。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路主要用于對(duì)主控模塊輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行處理和功率放大,進(jìn)而控制壓線動(dòng)力輪的轉(zhuǎn)速和推桿電機(jī)的伸縮長(zhǎng)度。驅(qū)動(dòng)電路為H橋,驅(qū)動(dòng)芯片采用HIP4081A高速全橋驅(qū)動(dòng)芯片[9]。HIP4081A是一款高頻、中壓、N溝道型全橋驅(qū)動(dòng)芯片,具有獨(dú)立的高端和低端輸入通道,工作電壓為12 V,其峰值驅(qū)動(dòng)能力達(dá)80 V/2.5 A,工作頻率可達(dá)1 MHz,可分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)4個(gè)N溝道MOS管,具有能控制所有輸入的禁止端,可方便的與外接元器件構(gòu)成保護(hù)電路[10]。

2.4 LoRa無線通信電路設(shè)計(jì)

輸電線路多功能作業(yè)車與上位機(jī)和其他作業(yè)車通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信,LoRa無線通信電路采用億佰特公司的E220-900M22S模塊,工作電壓為3.3 V,實(shí)測(cè)通信距離可達(dá)5 500 m,最大發(fā)射功率160 mW,滿足輸電線路遠(yuǎn)距離通信要求。

2.5 電源電路設(shè)計(jì)

輸電線路多功能作業(yè)車采用24 V鋰電池供電,控制系統(tǒng)中的其他模塊的供電要求各不一致。其中,主控模塊、陀螺儀電路和LoRa無線通信模塊的供電要求為3.3 V,數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片HX711的供電要求為5 V,光電編碼器電路、壓力傳感器和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路供電要求為12 V。本設(shè)分別計(jì)采用降壓芯片LM2596S-12和LM2596S-5將24 V電壓轉(zhuǎn)化為12 V和5 V,再通過AMS1117-3.3正向低壓降穩(wěn)壓器將5 V轉(zhuǎn)化為3.3 V,滿足各模塊供電要求。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

輸電線路多功能作業(yè)控制系統(tǒng)上電工作后,主控模塊MCU進(jìn)行初始化操作,對(duì)系統(tǒng)的時(shí)鐘、定時(shí)器、通信接口、中斷響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行初始化,然后進(jìn)行與上位機(jī)進(jìn)行LoRa無線通信連接,連接成功后進(jìn)入等待接收控制指令的循環(huán)狀態(tài)。在循環(huán)狀態(tài)中,分別讀取各傳感器的信息,并向上位機(jī)發(fā)送本機(jī)狀態(tài),等待上位機(jī)的控制指令,待接收到控制指令后便執(zhí)行相應(yīng)的程序。若LoRa無線通信失敗,執(zhí)行閉鎖電機(jī)程序,重新進(jìn)行LoRa無線通信連接。控制系統(tǒng)主程序流程示意如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)主程序流程示意

3.2 導(dǎo)線壓力自適應(yīng)程序設(shè)計(jì)

為了防止壓線動(dòng)力輪壓傷導(dǎo)線以及導(dǎo)線從壓線動(dòng)力輪中脫落,通過調(diào)整推桿電機(jī)的伸縮長(zhǎng)度使下組的壓線動(dòng)力輪對(duì)導(dǎo)線的壓力處于規(guī)定范圍。通過讀取HX711檢測(cè)的壓力值并判斷是否處于規(guī)定值以內(nèi),若壓力偏差超過規(guī)定值以外,調(diào)整推桿電機(jī)的伸縮長(zhǎng)度,使壓力值處于規(guī)定范圍。導(dǎo)線壓力自適應(yīng)程序流程示意如圖2所示。

圖2 導(dǎo)線壓力自適應(yīng)程序流程示意

3.3 光電編碼器測(cè)距程序

控制系統(tǒng)采用光電碼盤從動(dòng)輪檢測(cè)封網(wǎng)作業(yè)車的實(shí)際行走距離,通過設(shè)置定時(shí)器中斷函數(shù),每隔0.5 s觸發(fā),讀取光電碼盤脈沖數(shù)的增量,根據(jù)從動(dòng)輪輪徑便可計(jì)算封網(wǎng)作業(yè)車的實(shí)際行走距離。圖3為光電編碼器測(cè)距主程序流程示意。

圖3 光電編碼器測(cè)距主程序流程示意

3.4 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制程序設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)同步封網(wǎng),需要兩側(cè)相導(dǎo)線上的封網(wǎng)作業(yè)車保持行走距離一致,將作業(yè)車之間的距離差作為調(diào)速環(huán)的誤差量,同時(shí)引入傾斜角對(duì)作業(yè)車速度變化的干擾量,根據(jù)不同傾斜角范圍選擇PID參數(shù),調(diào)節(jié)主控模塊的PWM脈沖輸出量,實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,使距離偏差為零。圖4為電機(jī)轉(zhuǎn)速控制程序流程示意。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制程序流程示意

4 實(shí)際測(cè)試

4.1 同步移動(dòng)控制測(cè)試

將2臺(tái)輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車分別放置于平行的2條輸電線路上的相同起點(diǎn)位置,2臺(tái)作業(yè)車之間和上位機(jī)建立Lo Ra無線通信連接。通過上位機(jī)下達(dá)同步移動(dòng)指令,命令2臺(tái)作業(yè)車同時(shí)移動(dòng)100 m,待作業(yè)車停止運(yùn)動(dòng)后,測(cè)量?jī)绍嚱K點(diǎn)位置的距離差,重復(fù)測(cè)試10次并取其平均值。經(jīng)實(shí)際測(cè)試輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車同步移動(dòng)控制100 m的誤差為37 mm,滿足220 k V及以下電壓等級(jí)的輸電線路同步封網(wǎng)要求。

4.2 輸電線路封網(wǎng)作業(yè)導(dǎo)線壓力自適應(yīng)測(cè)試

將輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車放置于10 mm、20 mm、30 mm、40 mm線徑的導(dǎo)線上,通過壓力自適應(yīng)程序調(diào)整整推桿電機(jī)的伸縮長(zhǎng)度,并記錄每種線徑導(dǎo)線的10次壓力值。經(jīng)實(shí)際測(cè)試在線徑導(dǎo)線下壓力值偏差不超過2.5 N,滿足適應(yīng)不同電壓等級(jí)導(dǎo)線的需求。

4.3 輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車牽引力測(cè)試

將輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車放置于輸電線路上,與拉力計(jì)水平連接,并使拉力計(jì)另一端固定于輸電桿塔,啟動(dòng)輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車前進(jìn)拖曳拉力計(jì),直到輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車發(fā)生原地滑動(dòng)無法牽引行進(jìn),記下測(cè)力計(jì)讀數(shù)。經(jīng)重復(fù)測(cè)試10次取平均值并記為輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車最大牽引力為1 150 N。滿足輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車拖曳封網(wǎng)網(wǎng)片要求。

5 結(jié)論

本文提出了輸電線路封網(wǎng)作業(yè)車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,研究了控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)控制原理,提出了以STM32單片機(jī)為控制核心,融合多傳感器和電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的封網(wǎng)作業(yè)車。通過實(shí)際封網(wǎng)施工測(cè)試,達(dá)到預(yù)期的功能,證明該控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)線上同步移動(dòng),拖曳封網(wǎng)裝置完成封網(wǎng)作業(yè),實(shí)現(xiàn)代替人工封網(wǎng),具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。