基于PLC 的电力电缆敷设控制系统设计分析

吴艾，孙长群

（1.武汉中电鑫源输变电工程有限公司；2.国网湖北省电力公司武汉供电公司，湖北 武汉 430000）

电力电缆是指用于传输电能、分配电能的电缆，通常用于地下电网、企业内部供电以及水下输电线等。传统电缆敷设大多采用角磨机，借助钢丝绳实现电缆的牵引作业，结合电缆输送机进行电缆输送。但此类方式过于依赖单一的能源控制，无论是在设备的维护与管理上，还是在敷设速度的调节方面，都需要人工操作，自动化水平相对较低，容易因人员操作失误，产生安全隐患。且电缆敷设时采用的电缆盘惯性较大，容易在放卷电缆过程中，破坏电缆质量。为解决此类问题，笔者提出基于PLC 的电力电缆敷设控制系统，用以提高电缆敷设质量，避免电缆受力不均，提高施工作业的自动化水平。因此，研究此项课题，具有十分重要的意义。

1 设备组成

电力电缆敷设控制系统所采用的机械装置主要包括电缆盘、橡胶轮胎、电动放线架、电缆、电缆龙门支架、超声波传感器、托缆滑架、滑轮、钢丝绳、电滚轮、牵引机等。其中电动放线架主要由底座、转动装置、驱动电机、排线筒、转轴、转槽、挡板、卡槽组成，采用具备刹车功能的伺服电机作为动力来源，能够借助减速机实现橡胶轮胎的转动，之后通过电缆盘带动两侧轮缘，达到电缆收卷、放卷的目的。至于电缆龙门支架的作用则在于支撑母线、设备或导线，在使用过程中需要将超声波传感装置放在其顶部，用以测量与托缆滑架之间的距离，该测量结果可以准确呈现电缆的实际张力状态。而牵引机则由绞磨机以及伺服电机组成，此类组成方式的目的在于更好地实现系统控制，为电缆敷设提供所需牵引力。

2 工艺流程

首先，要完成电缆敷设装置的安装，将电动放线架安装在敷设起点位置，之后采用千斤顶将电缆盘悬挂在半空，采用橡胶轮胎完成电缆盘轮缘抱夹处理，并进行紧固调整。至于电缆龙门支架则要安装在电动放线架的出线端，将牵引机设置在敷设终点位置。将牵引机一端与钢丝绳连接，将钢丝绳另一端与电缆头相连，再利用托缆滑架，将钢丝绳依次通过电滚轮、滑轮。其次，要采用控制系统进行电缆的敷设作用。如果需要系统实现电缆的自动敷设，则可在人机界面录入操作指令，比如，电缆的敷设速度、敷设时间、加速度、减速度等，之后点击运行模块，系统便会控制牵引机依照既定程序完成电缆敷设。而电动放线架则要结合电缆放线的实际张力，完成电缆放线速度的动态调控，直至电缆敷设完成后，系统才会自动停止。如果在电缆敷设环节出现需要收回电缆的情况，则要通过手动控制的方式，实现电滚轮的翻转。如果要调整各电缆敷设形状，则同样要采用手动操作的方法，进行相关设备的调控。

3 电力电缆展放恒张力控制方法

PID 控制算法是现阶段我国使用最广泛的调节器控制规律，融合PID 控制算法的闭环控制系统可以将系统被控对象的输出完全返送回来，从而影响控制器输出，形成多个闭环，利用系统正反馈与负反馈，实现系统的不断修正，从而做出正确动作。具体的PID 算法公式为：

其中，t 表示时间，单位为s，u（t）表示算法输出值，Kp 表示比例系数。T1 代表积分的时间常数，Td 表示微分时间常数，e（t）则代表设定值与输出值之间的偏差。将计算机设备依照离散化的形式完成PID 运算，将采样周期设定为T，完成上述公式的离散化处理，进而获取离散化的PID 算法公式：

式中，k 代表采样序号，u（k）为采样PID 调节装置的输出值，e（k）则代表采样计算偏差值。随着电缆敷设工作的开展，电缆在电缆盘上的缠绕半径会进一步降低。因为采用PID 控制，可以实现牵引速度的恒定不变，如果电缆转盘转速同样保持不变，则必然会出现电缆展放速率与牵引速度之间的差异性。因此，为了确保电缆在放线过程中能够始终维持张力恒定，需要以PID 算法为基础，实现电缆展放的动态调控，具体原理如图1 所示。

图1 以PID 算法为基础的电缆展放控制原理

假设托缆滑架与传感器的间隔高度为t，当系统处于运行状态时，传感器测量的与托缆滑架相隔高度为h，之后将传感器获取的模拟量信号利用A/D（模拟数字转换器）模块进一步转化为数字量，再传入可编程逻辑控制器当中，由PLC 系统将h 与t 的偏差利用PID 运算完成模拟量的输出，通过传送到伺服驱动器，实现电缆盘放卷速度的调节。在电缆盘放卷的过程中，PLC 系统在进行PID 计算后，能够将h 无限趋近于t，从而保证电缆的张拉恒定不变。在系统运行过程中，目标平台处于最下层，此时，h 与偏差值△e 数值最高，而电缆张力则为最小值。电缆在牵引力的作用下沿着托缆滑架上移，PLC 系统则经过PID 运算后驱动电缆盘。最终使电缆张力不断提升，直至与恒张力持平，至于△e 则无限趋近于0。

4 基于PLC 的电力电缆敷设控制系统设计路径探究

4.1 硬件设计

本次设计的电力电缆敷设控制系统中共涵盖100 个电滚轮驱动卡、1 个牵引机伺服驱动机等。由于电缆敷设控制数据传输的距离相对较远，所以系统应采用主从式的PLC 网络。该网络形式可以理解为在总线结构的PLC 子网上存在多个站，其中只有一个主站，其他均为从站。采用集中式存取控制技术完成总线使用权的分配，通过在主站中配置轮询表，即一张机号排流顺序表，主站会依照轮询表的排列顺序对从站进行询问，确认其是否采用总线，以此达到分配总线使用权的目的。具体的控制系统硬件结构表现为：监控层，主要设备为人机界面，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介接口，能够实现信息的内部形式与人类可接受形式的转换，负责向上接收操作人指令，向下利用IP 协议进行数据传递；控制层，由主站PLC 以及10 台从站PLC 组成，其中主站PLC 负责与人机界面实现交互，向下则利用基于工业以太网技术的自动化总线标准协议与其他从站PLC 完成通信；而其他从站则会通过RS485 协议（仪表通信接口），实现与驱动卡的通讯连接；执行层，主要包括电动放线架伺服驱动器、牵引机伺服电机、传感器、驱动卡等。执行层主要负责接收控制层指令，之后驱动执行机构，并将数据信息返回至控制层。

在电力电缆敷设控制系统设计过程中，采用的设备型号分别为：台达伺服电机作为电动放线架，此类伺服电机可以将电信号转换为转轴的角位移或角速度，本质上属于补助马达间的接变速设备，相较传统的交流伺服电机以及直流伺服电机来说，台达伺服电机优势在于：无电刷与换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低，定子绕组散热较为方便，惯量小，易于提高系统的快速性，适用于高速大力矩工作状态，同功率下有较小的体积和重量。至于台达伺服电机的功率则为1500W；减速机，减速比为1:80；伺服驱动器型号则为DA-2021-M；电滚轮，输出功率为100W，搭配精密减速机，输出扭矩在25N·m；牵引机，能够为电缆敷设提供动力，因此需要保证具有极高的输出功率，型号为ECMA-F11，功率为3000W。其中主站PLC 数字量I/O（输入/输出）接线图如图2 所示。

图2 主站PLC 数字量I/O 接线图

其中，模拟量输入/输出模块采用了1 个电压输入电位以及多个电压输出电位，输入电位的作用在于获取传感器收集的数据信息，而输出电位的作用则在于输出控制电动放线架的模拟量。至于主站PLC 的数字量I/O接线情况则表现为：模拟量输入模块包括自动模式、手动模式、启动按钮、停止按钮、面板急停、M1 伺服报警、M2 伺服报警；模拟量输出模块包括蜂鸣器报警、M1/M2伺服使能、M2 伺服复位、M1 伺服正转、M1 伺服反转、M1 伺服复位、M2 伺服正转、M2 伺服反转。由此可知，主站PLC 数字量I/O 模块共包含7 个输入点以及8 个输出点，且输入点以及输出点均由外部供电。

4.2 软件设计

软件设计主要包括PLC 程序以及人机交互界面，本次设计中采用TIA V16 软件进行PLC 程序的设计，控制系统需涵盖自动控制模式以及手动控制模式，后者需要单独实现电动放线架、电滚轮的控制。其中初始化程序通常用于初始系统的运行参数，自动运行程序则以传感器数据的接收、处理程序位置，同时还包括PID 运算以及设备驱动程序。至于故障报警程序则要将伺服电机以及电滚轮报警包括在内。而系统的人机界面则要具备以下模块：参数显示模块，比如，当前速度、目前位置、导引速度、越位位置设置、主速设置、张力位置设置、加速度时间、减速度时间、当前运行模式、设备运作状态、电滚筒排序、正转反转选择、自动单站速度设置、单站调节站号设置、自动单站速度写入等；故障复位；启动；停止；自动；手动排序读取；参数设置；手动画面；故障查询。

5 系统测试

为了验证本文提出的基于PLC 的电力电缆敷设控制系统能够有效运行与使用，还需要对系统功能进行测试，在测试过程中，可采用规格为110kV-1×500 的电缆，长度设置在200m，质量约为1.2t，电缆盘的外径在2.8m，内径则为2.3m，质量在1.76t 左右，系统测试过程主要包括自动放卷以及自动收卷。

在自动放卷测试环节，需要将牵引速度设置为4m/min，采用自动模式完成电缆的敷设工作，之后使用测速装置测试电缆龙门支架位置的电缆敷设速度。具体的速度变化表现为：传统电缆敷设方式，5s，电缆敷设速度为6m/min。10s，电缆敷设速度为20m/min。20s，电缆敷设速度为11m/min；控制系统的电缆敷设方式，5s，电缆敷设速度为6m/min。10s，电缆敷设速度为5m/min。20s，电缆敷设速度为7m/min。根据上述数据可以发现，传统方式的电缆敷设速度存在大幅度波动，究其原因，在于人工控制的方式无法有效调节电缆的敷设速度，而采用自动控制系统的电缆敷设速度则始终维持在4m/min，敷设速度无明显波动，且电缆也始终维持在恒张力状态。在系统收卷测试过程中，需要将电缆回收至电缆盘中，设定收卷速度为5.5m/min，将电滚轮作为收卷电缆，具体的速度变化表现为5s，电缆敷设速度为6m/min。10s，电缆敷设速度为5m/min。50s，电缆敷设速度为5m/min。根据上述数据可以发现，电缆收卷在最开始的5s 处于加速状态，之后则会趋近于5.5m/min，整个收卷过程较为平稳，无异常波动。

6 结语

综上所述，通过对电力电缆敷设采用的设备以及工艺流程开展分析讨论，阐述电力电缆展放恒张力控制方法，提出基于PLC 的电力电缆敷设控制系统设计路径，并利用系统测试实验来验证控制系统的设计可靠性与可行性。根据结果显示，提出的控制系统可以有效防止电缆出现拉扯、挤压等问题，切实保障电缆敷设质量，且系统能够实现稳定运行，电缆敷设速度可以结合实际需求进行适当调节，使电缆敷设具有极高的自动化水平。