智能化全景感知多机互联电缆敷设系统的设计

卢 飞，赵 峰，胡 坚，关 山，崔金栋

（1.杭州凯达电力建设有限公司，浙江 杭州 310030;2.东北电力大学机械工程学院，吉林 吉林 132012）

电力电缆在电力系统中负责对发、配、输、变、供电线路中强电电能传输。电缆敷设方式对保证输电线路的安全性和可靠性十分重要。目前我国大部分电缆敷设多采用以绞磨机带动钢丝绳牵引电缆的方式进行管道敷设[1-2]，但是随着大直径电缆的应用、电缆敷设长度的增加及敷设路径复杂多变等工况的出现[3]，往往会导致电缆绞拧和损伤，无法满足电缆的正常工作，而且，当电缆弯曲直径过大时会出现电缆磨损和铠装压扁等问题[4-6]，需要工作人员适时调整，极大地增加了劳动强度，传统的电缆敷设方式已无法满足现代化电网建设要求。

1 多机互联电缆敷设系统

基于智能化全景感知的多机互联电缆敷设系统整体设计方案如图1所示，由位于不同电缆井内的电缆敷设机和协调控制终端两部分组成。多台电缆敷设机以接力的方式逐步加入电缆敷设过程，实时采集夹紧力、敷设速度、敷设长度等信息，并通过通信模块将监测参数上传协调控制终端，实现对多台电缆敷设机工作状态的监测。一旦出现工作参数不一致的情况，协调控制终端将对工况参数进行统一优化，保障各台电缆敷设机协同工作。

2 电缆敷设机结构设计

电缆敷设机总体结构及工作方式如图2所示，包括运载车、升降装置、电缆推送机和监控装置4部分。运载车是电缆敷设机的转运与支撑装置，方便电缆敷设机的运输，并协调升降装置实现电缆井内及井上敷设。升降装置实现对推送机的升降，如图2(a)为井内电缆穿管敷设模式，运载车横跨电缆井两端，通过升降机将推送机降至电缆井内并对准敷设管实现电缆井内电缆敷设，如图2(b)为地面电缆敷设工作模式，通过升降机将推送机提升至运载车之上，实现地面电缆敷设。推送机改变传统电缆敷设以拉力为主的敷设模式，针对不同电缆型号以一定的预紧力夹持电缆，通过电缆与推送机橡胶履带之间摩擦力实现电缆的推送敷设。监控装置实现对电缆敷设工况参数的实时监测、显示，并将运行参数传送协调控制终端，协调控制终对各敷设机运行参数进行统一优化，确保各敷设机协调工作。

2.1 升降装置的设计

升降装置示意图如图3所示，该装置主要由丝杠升降机、传动轴、联轴器、减速器、升降电机五部分组成。升降装置采用对称式设计，以电机为动力，通过单输入双输出的减速器将动力传至两端的丝杠升降机，保证两端升降同步。升降电机和传动轴通过柔性联轴器连接，降低了装配精度，安装维护方便。丝杠升降机具备动载自锁功能，可以将电缆推送机锁定在规定工作高度，满足工作要求。针对实际工况，升降装置在监控装置控制下可实现井下和地面两种工作模式。尤其当井下敷设时，还可对推送机位置进行微调，保证电缆和敷设管道对齐，避免电缆产生过大弯曲。

图1 系统总体结构框图

图3 电缆敷设机升降装置示意图

2.2 电缆推送机的设计

电缆推送机主要包括夹紧装置、推送装置。电缆推送机整机长1000mm，高483mm，宽443mm，适用于在电缆敷设井内的狭小空间作业。

夹紧装置如图4所示，主要由电机、对称螺纹丝杠、丝母及压力传感器组成。当电缆进入推送装置后，监控装置会依据待敷设电缆参数控制电机带动丝杠转动，在丝母的约束下使推送装置的上下传送带相对运动，对电缆施加一定的预紧力，保障在传送带和电缆间产生足够的推送摩擦力。

图4 夹紧装置示意图

图5 推送装置示意图

推送装置如图5所示，主要由推送电机、减速器、动力传递机构、推送带、导入轮及检测模块组成。为了减小推送机在宽度方向的尺寸，将电机布置于推送机上方，通过一对齿轮将动力传送至推送带，齿轮传动进一步增大了传动比，提升了推送装置的转矩，减小了减速器的重量。导入轮除保障电缆在推送过程中不从推送机滑出外，其另一重要作用是驱动检测模块实现电缆推送速度及推送长度的检测。当推送机在正常工况下工作时，电缆带动导入轮旋转，导入轮通过摩擦轮驱动光电编码器实现电缆推送速度的检测。一旦由于夹紧力不足导致电缆推送出现“打滑”现象时，光电编码器检测将不连续，监控装置监测到该现象出现时，控制夹紧电机启动，以预设的夹紧力增量施加压力，实现闭环控制。

2.3 监控装置的设计

监控装置以MSP430F149IPMR主控芯片，包含信息采集模块、显示模块、通信模块、智能化控制模块等部分，完成对电缆敷设机工况参数的实时监测、显示及智能化控制。

信息采集模块由称重测力传感器、光电编码器及相关转换电路构成，实现对夹紧力及电缆推送速度的测量；为实现电缆推送机与协调控制终端的多对一双向数据通信，采用低功耗、高性能、远距离收发的LoRa无线通信模块[11]，LoRa模块支持Lo-RaWAN标准协议，串口数据透传双向通信，目前已广泛应用于智能抄表、智慧路灯、智慧农业、智能停车、智能安防等领域[12-15]；智能控制模块为监控装置内置的控制算法，由于串联投入工作的每台电缆推送机推送的电缆长度不同，预设的夹紧力可能不足以产生足够的推送力而造成电缆在推送过程中出现“打滑”的现象，一旦系统监测到“打滑”现象发生，控制模块将启动夹紧电机以预设的夹紧力增量对电缆夹紧，直至“打滑”现象消除，控制过程自动执行，无需人的干预，控制过程迅速，保障电缆推送过程顺利执行。

图6为工况监控系统主界面，其中运行参数一栏为由协调控制终端统一发送的电缆及控制参数，电缆敷设机根据电缆参数预定夹紧力阈值，当敷设机启动后夹紧电机根据阈值夹紧电缆，以统一的推送速度开始工作。工况参数一栏则显示当前电缆推送机的工作情况，当监测到“打滑”现象发生时，打滑监测旁的绿色指示灯变红并闪烁，敷设机自动调整夹紧力，同时将该事件上传协调控制终端。

图6 电缆敷设机显示模块主界面

3 协调控制终端的设计

协调控制终端以平板电脑为载体，通过LoRa无线通信模块建立起与电缆敷设机的一对多通信系统，借助监控系统软件实现对电缆敷设现场的全景感知与优化控制。系统的工作流程如图7所示，首先协调控制终端与敷设机建立通信，检查敷设机上线台数，确认无误后，统一设置电缆敷设参数（如电缆型号、直径、敷设速度等），并下传至各电缆敷设机，电缆敷设开始，然后协调控制终端实时接受工况参数监测数据，并对数据进行分析处理，判定系统是否协调工作，如果是，保持正常工作，如果否，则优化敷设参数并对各敷设机进行统一控制，保证敷设机协同工作。

4 结束语

提出了基于智能化全景感知的多机互联电缆敷设系统，多台敷设机以接力的形式加入电缆敷设工作，并在协调控制终端的协调下配合工作，实现了大直径电缆在复杂工况条件下的智能化敷设，降低了劳动强度，提升了电缆敷设的自动化水平，极大地提高了电缆敷设的工作效率。

图7 系统工作流程图

设计了一套以推送力为主的电缆敷设机，实现电缆敷设过程中工况参数的实时监测、显示和智能化控制，避免了铠装压扁、绞拧等问题的发生，并且通过升降装置可应用于多种工作模式，满足电缆敷设的工作需求。

研发了协调控制终端，利用LoRa无线通信模块与多台敷设机建立通信，并通过监控系统软件实现对敷设场景的智能化监控，减少了人力投入，提升了电缆敷设的智能化水平。