張　瑩，姜存學

(江漢大學文理學院機電與建筑工程學部，湖北武漢430056)

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高壓電線除冰機控制系統(tǒng)的設計*

張瑩，姜存學

(江漢大學文理學院機電與建筑工程學部，湖北武漢430056)

摘要：除冰機針對高壓電線的結冰問題，提出一種機械除冰方式的控制系統(tǒng)設計。該系統(tǒng)基于PLC控制，提出完整的除冰及移位控制方案?？筛鶕刂埔蠓奖愀倪M，每次都能復位到原位再停止，保證了系統(tǒng)的安全性；再與銑削原理除冰的機械部分結合，構成一個完整的設計系統(tǒng)，高效的解決了高壓線結冰的問題。

關鍵詞:銑削除冰PLC控制復位停止

0引言

架高的高壓輸電線是遠距離傳輸電能的主要方式，應用廣泛，幾乎隨處可見。但是在嚴寒季節(jié)的時候，電線上容易結冰。線路覆冰過厚會使其負荷過重，壓彎電線甚至折斷；還能造成電路關鍵部位跳閘[1-3]。高壓輸電線覆冰問題嚴重影響了電力傳輸和使用，因此亟待解決[4-5]。常見除冰方式有人工除冰，物理除冰，撒鹽除冰，機械除冰等，各有優(yōu)缺點。本次設計采用基于PLC的控制方式，用機械方法去除輸電線上的覆冰，高效環(huán)保，實用率高[6-8]。

1除冰機構工作原理

圖1　除冰工作原理

高壓線上附著的冰雪往往比較堅硬，難以一次清除。首先用銑刀將堅硬的冰塊銑出一道溝槽，再配合滾輪碾壓徹底壓碎冰塊，用“二次清理”方式保證破冰率。除冰機構機械部分設計如圖1所示。

分析除冰系統(tǒng)的工作過程，主要的工作構件是銑刀和滾輪。銑刀的銑削過程包含了轉動和直線運動兩種方式；而滾輪的運動主要是滾動，滾輪通過滾動的方式壓碎堅冰。將銑刀的轉動和滾輪的滾動用一個電機來控制；銑刀的直線運動，用另一個電機來控制；所以，設計兩個電機就能完成銑刀和滾輪的基本運動。如圖2所示。

1.銑刀；2.圓盤；3.高壓電線；4.模擬堅冰；5.滾輪；6.帶傳動；7.齒輪傳動；8.蝸輪傳動；9.傳動電機；10.左右位移電機。圖2　除冰機構的運動原理圖

圍繞該機構的主要工作方式分析。其中的電機9是傳動電機，用來同時控制銑刀的轉動和滾輪的滾動。電機9通過渦輪蝸桿傳動，分別控制銑刀轉動和傳遞動力給齒輪7；齒輪7通過傳送帶6傳動給滾輪，從而讓滾輪滾動。

電機10的主要作用是控制銑刀的直線移位，電機10的正反轉分別控制銑刀在水平方向左、右移動。右移(電機正轉)銑削堅冰，左移(電機反轉)退出銑冰狀態(tài)，為下一個位置的銑削做準備。在控制銑刀水平移動時，要特別注意：銑刀銑到什么位置？會不會破壞到線體？

圖3　銑刀往返銑削示意圖

為了保護高壓電線不被銑刀割傷，在銑刀的下方安置了一個直徑略大于銑刀直徑的圓盤來保護電線；同時在電線邊緣的對應位置安置一個限位開關，如圖3中標示的右限位開關SQ2。當銑刀切削大部分堅冰而使圓盤逐漸靠近電線時，圓盤會先碰到右限位開關，而改變運動方向，左移退出溝槽。繼續(xù)左移，碰到左邊的限位開關(原位開關)時，已經退出銑出的溝槽，運動到下一處堅冰位置繼續(xù)右移銑削。銑刀不停旋轉，同時在左限位開關和右限位開關(原位開關)之間做往返的水平運動。如圖3所示。

綜上所述，電機9有轉動和停止兩個狀態(tài)；電機10有正轉、反轉和停止三種狀態(tài)。

2除冰控制系統(tǒng)設計

要設計除冰機構的控制系統(tǒng)，首先要分析該機構的控制要求：

1)機構每次從原位出發(fā)，也就是初始狀態(tài)下左限位開關動作；

2)機構在左、右限位開關之間自動往返；

3)按下停止按鈕，電機要完成一個周期的運動，回到原位以后才停止，保證下一次啟動從原位出發(fā)。

圖4　PLC外部接線圖

結合除冰機構的控制要求，可以設計兩個按鈕：啟動和停止。按下啟動按鈕電機9啟動，同時電機10啟動正轉；當電機10正轉(右移)到右限位開關，變?yōu)榉崔D(左移)；左移碰到左限位開關，正轉，如此自動往返。

按下停止按鈕，不論機構在哪個位置，都要完成這一個周期的動作，回到原位，碰到左限位開關才能停止，保證下一次啟動從原位安全開始。

2.1輸入/輸出分配

根據控制要求，除冰機構的輸入量有4個，分別是啟、停按鈕和左、右限位開關；而輸出信號有3個，分別是控制電機9的驅動信號，電機10正、反轉的接觸器驅動信號?？紤]15%的裕量，選擇FX2N-16MR型號的PLC即可。輸入、輸出端子分配表如表1。

2.2PLC控制程序設計

2.2.1程序控制過程分析

1)輸出驅動操作說明

表1

輸入、輸出端子分配表

表2

輸出端操作

2)啟動過程

按下啟動按鈕→Y0，Y1得電，銑刀右移動→右移碰到右限位開關X3→Y0，Y2得電，銑刀左移→左移碰到左(原位)限位開關→Y0，Y1得電，銑刀右移動，進入下一次循環(huán)。

3)停止過程

按下停止按鈕，銑刀應該完成一個周期的運動后再停止，分兩種情況討論：

①當前銑刀處在左移狀態(tài)，還未到達原位；這時銑刀繼續(xù)左移，直到回到原位，碰到左限位開關，才執(zhí)行停止操作，所有的Yi均失電。

②當前銑刀處在右移狀態(tài)；這時銑刀需要先右移到右限位開關的位置，繼續(xù)變?yōu)樽笠茽顟B(tài)，直到回到原位，碰到左限位開關，完成一個周期，才執(zhí)行停止操作，所有的Yi均失電。

2.2.2程序設計梯形圖

圖5　程序梯形圖

2.2.3程序模擬實現

在實驗室中用軟件模擬整個操作過程，將分步驟實現以上的控制。

1)按下啟動按鈕X0(點動按鈕)以后，Y0，Y1得電，銑刀轉動，滾輪滾動，銑刀右移(陰影部分表示該線圈得電或該觸頭閉合)；

圖6

2)右移碰到限位開關X3，Y0，Y2得電，銑刀轉動同時左移；

圖7

3)左移碰到限位開關X2，Y0，Y1得電，銑刀轉動同時右移，自動往返；

圖8

4)當處在左移狀態(tài)時，按下停止開關X1(點動)以后，Y0，Y2保持得電，繼續(xù)動作；M0得電為回到原位時停止做準備；

圖9

5 )當回到原位，碰到原位開關X2，電路斷電停止；

圖10

6)當處在右移狀態(tài)時，按下停止開關X1(點動)以后，Y0，Y1保持得電，繼續(xù)動作；M0得電為回到原位時停止做準備；直到回到原點碰到X2以后，停止，同上。

圖11

3小結

本文設計了一種機械式的除冰方法，并配合基于PLC的控制系統(tǒng)，在程序的可編程性方面是非常靈活和方便的。在設計控制系統(tǒng)中充分考慮安全性，要求每次停止的時候，機構都回到原位，為下一次重新啟動做準備。結構合理，設計高效，具有實用價值。

參考文獻

[1]郭文鳳，張啟功. 模塊式高壓電線除冰器設計[J]. 科技視界，2012(26)271-272.

[2]莫榮. 高壓線自動除冰器設計[J]. 大觀周刊，2012(48)130-131.

[3]張海霞，孫煒，繆思怡.高壓輸電線除冰機器人的建模及運動控制[J]. 計算機工程與應用，2010,46(10):190-192.

[4]王超，魏世民，廖啟征.高壓輸電線上除冰機器人的系統(tǒng)設計[J].機械工程與自動化，2010(1)148-149.

[5]王聰，孫煒，向陽琴.輸電線除冰機器人運動控制系統(tǒng)設計[J].微計算機信息，2010,26(32):141-142.

[6]王耀南，魏書寧，印峰，楊易旻，等.輸電線路除冰機器人關鍵技術綜述[J]. 機械工程學報，2011,47(23):30-38.

[7]朱建鑫，王躍進，鄭威，張杰，等.一種架空電線除冰器的設計[J]. 山東工業(yè)技術，2015(15)247-248.

[8]劉建偉，周婭，黃祖欽，廖燕軍，等. 高壓輸電線路除冰技術綜述[J]. 機械設計與制造，2012(5)285-287.

姜存學(1972-)，男，湖北隨州人，副教授，博士，主要從事機械自動化設計，機械電子，計算機應用研究方面的科研和教學工作，擔任江漢大學文理學院機電與建筑工程學部主任。

Design of the control system of the deicing device for overhead power lines

ZHANG Ying, JIANG Cunxue

Abstract:In this paper, we designed the control system of the deicing device for overhead power lines. The system was based on PLC control, with a complete control scheme of deicing and displacement, which could be improved according to requirements, and could be reset to its initial position and stop every time to ensure safety. Combined with the mechanical parts which deice by milling, the whole deicing device was completed, which could efficiently prevent the overhead power lines from icing up.

Keywords:deicing by milling; PLC control; reset and stop

收稿日期：2015-10-11

作者簡介：張瑩(1982-)，女，湖北武漢人，講師，碩士，主要從事機械電子工程，數字化設計等方面的科研和教學工作，擔任江漢大學文理學院機電與建筑工程學部機制專業(yè)負責人。

基金項目：武漢市教育局課題，項目號：2008K095。

中圖分類號：TP29

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)02-0091-04