500kV架空线缆牵张机智能化协调控制装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种500kV架空线缆牵张机智能化协调控制装置，包括数据采集传输子系统、视频监控信息采集子系统、控制子系统、显示界面和牵张机各输出量控制子系统，所述的控制子系统分别与数据采集传输子系统、视频监控信息采集子系统、显示界面和牵张机各输出量控制子系统连接。与现有技术相比，本发明具有安全可靠、性能优良等优点。
【专利说明】500kV架空线缆牵张机智能化协调控制装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种牵张机控制技术，尤其是涉及一种500kV架空线缆牵张机智能化协调控制装置。
【背景技术】
[0002]为了更好地适应和推进我国电网工程特高压电网、智能电网的建设步伐，与之配套的输变电施工技术及装备也应朝着信息化、智能化和交互化等方向发展。发展智能化施工技术主要应从两个方面开展相关研究:一方面是施工管理的信息化、智能化；另一方面是施工装备的自动化、智能化。
[0003]随着智能技术在工程机械的广泛应用，在工程机械上配备各种传感器、控制器及通讯设备，实现机械智能化，将开发出能实时判断作业状况并做出调整的智能化施工系统。现代工程机械正成为机电液一体化的高端产品，智能化成为国内外工程机械的主要发展趋势。目前国外先进的工程机械公司已在新型的装载机、平地机、挖掘机、摊铺机和压路机上安装了远程无线通讯系统、GPS定位系统和车载计算机装置，将工程机械的工作参数、工作进程等一系列信息通过无线通讯系统进行监控和管理，具有代表性的是CATERPILALR公司的采矿?产土运输机群动态管理系统CAES (Computer Aided Earthmoving System)。国内一些主要的工程机械生产和科研单位都已参加了“智能化工程机械”的研究开发工作，目前己经完成了道路施工机械中的装载机、材料拌和站、自卸车和摊铺机等单台工程机械的智能化改造，并掌握机群智能化工程机械系统的设计和制造技术。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种安全可靠、性能优良的500kV架空线缆牵张机智能化协调控制装置。
`[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0006]一种500kV架空线缆牵张机智能化协调控制装置，其特征在于，包括数据采集传输子系统、视频监控信息采集子系统、控制子系统、显示界面和牵张机各输出量控制子系统，所述的控制子系统分别与数据采集传输子系统、视频监控信息采集子系统、显示界面和牵张机各输出量控制子系统连接。
[0007]所述的数据采集传输子系统包括放线端牵张机的放线速度及放线轴转速采集模块、牵引端牵张机的牵引速度及牵引力采集模块和第一 WIFI传输模块，所述的放线端牵张机的放线速度及放线轴转速采集模块、牵引端牵张机的牵引速度及牵引力采集模块分别与第一 WIFI传输模块连接，所述的第一 WIFI传输模块与控制子系统连接。
[0008]所述的放线端牵张机的放线速度及放线轴转速、与牵引端牵张机的牵引速度及牵引力数据均通过现场采集或通过单片机模拟给出。
[0009]所述的视频监控信息采集子系统包括相互连接的监控摄像头和第二 WIFI传输模块，所述的第二 WIFI传输模块与控制子系统连接。[0010]所述的控制子系统为ARM卡，所述的ARM卡通过采集的放线端牵张机的放线速度及放线轴转速、与牵引端牵张机的牵引速度及牵引力数据计算出牵引机给出控制量，包括牵引输出功率、牵引速度以及牵引端的液压控制量，通过ARM卡通过识别图像信息，判断是否存在异常情况，若存在，发出报警信息同时牵引停止动作。
[0011]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0012]I)解决了高空架线施工过程中，放线机的放线速度与张力、牵引力的协调配合，减少了人工对放线的控制，提高了牵引机操作员的工作效率。同时将牵引机的输出功率做出了 一个稳定的定位。
[0013]2)由于该发明具备了视频记录功能，从而解决了高空作业施工中的施工过程作业中可能的安全事故的责任认定问题；
[0014]3)该系统具有报警触发式的视频记录功能，即对视频监控中的异常情况，变动的视频过程进行存储，而忽略那些长期的静止图像，因而对视频的存储设备降低了要求，可以实用较低容量的存储设备记录视频过程的关键数据；
[0015]4)电力架空线缆的施工往往是沿着那些已有高压铁塔的电力输变电走廊上进行了，而沿线上必定存在着电磁干扰，本发明采用了 WIFI的全数字的音视频传输协议，具有一定的抗干扰能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的结构示意图；
[0017]图2为本发明单片机模拟结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0019]实施例
[0020]对于电网建设施工设备智能化研究来说，目前国内外在铁塔组立设备、张力架线设备等方面已经开展了相关智能化的研究并有了一些应用，如研究单台牵引、张力架线设备的智能化功能，而且也实现了通过集控装置或几台设备联网实现群控功能；目前正在开展多台张力架线牵引机、张力机协调的智能化施工方向的研究。通过项目的实施对国内外先进的架空线施工过程的张力架线施工技术及标准规范进行探讨和研究；研究张力架线施工中，张力机和牵引机张力控制和速度控制问题以及多变量的耦合及解耦问题；计算机仿真模拟，获取最佳的张力控制和速度控制的控制算法及控制策略；研究并提出以嵌入式系统或PLC为核心的、以无线传感器网络为手段的张力机、牵引机联合控制系统的方案；建立张力、牵引机联合机械施工嵌入式电子装置的设计文档；开发并调试完成张力、牵引机联合机械施工的嵌入式电子装置，应用于某施工过程。最终以提高架空线缆施工过程牵引、张力机协调性；利用机群智能化方法提高架空线施工的技术水平。
[0021]如图1所示，一种500kV架空线缆牵张机智能化协调控制装置，包括数据采集传输子系统、视频监控信息采集子系统、控制子系统、显示界面和牵张机各输出量控制子系统，所述的控制子系统分别与数据采集传输子系统、视频监控信息采集子系统、显示界面和牵张机各输出量控制子系统连接。[0022]所述的数据采集传输子系统包括放线端牵张机的放线速度及放线轴转速采集模块、牵引端牵张机的牵引速度及牵引力采集模块和第一 WIFI传输模块，所述的放线端牵张机的放线速度及放线轴转速采集模块、牵引端牵张机的牵引速度及牵引力采集模块分别与第一 WIFI传输模块连接，所述的第一 WIFI传输模块与控制子系统连接。
[0023]所述的放线端牵张机的放线速度及放线轴转速、与牵引端牵张机的牵引速度及牵引力数据均通过现场采集或通过单片机模拟给出。
[0024]所述的视频监控信息采集子系统包括相互连接的监控摄像头和第二 WIFI传输模块，所述的第二 WIFI传输模块与控制子系统连接。
[0025]所述的控制子系统为ARM卡，所述的ARM卡通过采集的放线端牵张机的放线速度及放线轴转速、与牵引端牵张机的牵引速度及牵引力数据计算出牵引机给出控制量，包括牵引输出功率、牵引速度以及牵引端的液压控制量，通过ARM卡通过识别图像信息，判断是否存在异常情况，若存在，发出报警信息同时牵引停止动作。
[0026]图2为整个数据产生和传输的过程，是一个高度仿真模拟的过程。为我们测试无线传输的距离和信号强度提供了很好的实例分析，同时在数据的模拟产生时可以进行实时的动态调整接近真实场景，也可以产生一些预定的干扰来测试系统。
[0027]数据采集系统主要由ARM板卡和两端牵张机的传感器组成，通过传感器测得各部分的数据，其中包括放线速度、张力、牵引力以及牵引端的导线速度和两端的液压输出量。将获得的数据同过数据线直接连接到采集卡ARM上，由ARM卡作为中转站将数据通过有线传送的方式传送至无线传输模块WIFI卡上。利用WIFI无线数据传输功能，进行数据的远距离传输。
[0028]我们利用目前已有的牵张机在控制面板上的一些仪器仪表的显示能够收集到很多实时的输出和控制数据如张力、牵引力、液压输出量、放线速度、牵引部分牵引速度等数据，这些数据一部分由传感器获得。我们通过已知的这些数据，采用单片机模拟将这些数据量输出到WIF板卡上。WIFI板卡能够提供多数据输入输出的功能，也可以增大其输出功率，以保证远距离传输的信号不失真。在与单片机连接时，通过以太网进行有线连接，保证了信号的质量。
[0029]通过上表可以看出WIFI所支持的各种参数，传输的方式和频率范围，以及各种协议和模式。通过WIFI的Station/AP无线网组方式能够形成一个有效的无线网络平台，对数据进行交换和采集。能够对本系统提供良好的无线传输的保证，同时由于该板卡的工作电压和电流比较低，可以采用市场上现有的手机充电电源，参数:容量3.7V14500mAH，输出电压5V，最大电流3A。可利用简单的稳压模块将输出的电压稳定到3.3V左右。便可实现该电压要求。
[0030]在过程中需要监控牵引绳通过滑轮时，是否在最中间的线槽，导线通过时是否分别在对应的线槽内。如果牵引绳或者导线没有在相应的槽内，应该产生一个报警信号提示工作人员停止牵引和放线操作，暂停牵张机动作。这种方式能够在上述的异常情况减少对导线的伤害和扭曲，以及牵引的障碍。在有导线转角的地方，能提供清晰的监控画面，帮助施工人员调整牵引机的牵引速度和张力机的放线速度，不至于使导线脱落。
[0031]通过显示张力、牵引力等动态数据，在摄像头画面监控部分，有多摄像头画面的切换。目前，市场上有很多接收装置，如手机、计算机等都装有无限的接收器，能够对WIF1、蓝牙、无线网络以及3G移动网络进行识别，并接收这些无线网络中的数据，所以接收装置在生活中已经被大家所熟知。针对本系统我们采用能搜索WIFI信号的无线接收装置，并采用相应的接收界面，能够将数据进行全部读取。这个过程是数据传输过程中的重要部分，它主要包括一部分内部的寄存器、暂存器，将接受来的数据进行转化和存储，为后面的运算做准备。接收装置同样由主ARM板卡为载体，将数据接收装置与ARM卡直接连接，进行数据交换。我们在对系统设计时，对数据存储模块的定义要尽量详尽，考虑数据的调用是否方便。
[0032]显示界面我们采用嵌入式QT设计界面。QT是Trolltech公司开发的一个跨平台C++图形用户界面程序，可以搭载在Iinux操作平台，进行图形界面的开发。我们首先在Linux操作系统利用QT做出符合我们要求的图形界面程序，然后建立交叉编译环境，把交叉编译好的程序烧写到ARM开发板，最后进行开机自启动，这样就可以在ARM显示屏上显示设计好的图形界面。我们使用的是在Redhat操作系统下Qtdesigner，以此进行图形界面的设计，设计可分为两部分，一部分设计一个简洁美观的界面，内嵌多个界面，可以进行快速切换。另一部分进行底层的编程，以用于包括对数据输入的显示、数据输入处理再显示和图像输入的显示。底层编程需要一些相关的算法对张力、牵引力、线速度进行处理，以计算出牵引机或张力机需要的出力，提供建议给施工人员。这样通过QT设计的界面，施工人员可以实时了解到张力机、杆塔上吊线实时信息，从而更好地掌握现场信息，进行正确的操作。我们下载QT界面软件，在Linux下进行图形界面的开发。主要包括两个部分，张力、牵引力、速度以及输出功率部分，摄像头监控画面部分。
[0033]ARM卡采用Mini2440ARM9开发板，Mini2440是一款真正低价实用的ARM9开发板，是目前国内性价比最高的一款学习板；它采用Samsung S3C2440为微处理器,并采用专业稳定的CPU内核电源芯片和复位芯片来保证系统运行时的稳定性。mini2440的PCB采用沉金工艺的四层板设计，专业等长布线，保证关键信号线的信号完整性，生产采用机器贴片，批量生产；出厂时都经过严格的质量控制，所以我们选用这块开发板能有保证我们系统性能的优良。本开发板的电源系统比较简单，直接使用外接的5V电源，通过降压芯片产生整个系统所需要的三种电压:3.3V、1.8V、1.25V。
[0034]Mini2440ARM 开发板具有很高的开放性，支持 WindowsCE.NET6.0 (R3)和 Linux2.6.32.2+Qtopia-2.2.0+QtE-4.6.1 (独创双图形系统共存，无缝切换)的操作系统。在本次是集中我们选择Linux系统作为开发环境进行系统设计，以Fedora系列平台作开发，所有的配置和编译脚本也基于此平台，采用C语言进行源代码编写，我们把交叉编译器统一为arm-1 inux-gcc-4.4.3，这样便于编程语言的多样化。同时系统也提供许多源代码同时由于在Linux下能更好的支持嵌入式图形系统平台Qt/Embedded2.2和QtE_4.6.3,便于我们设计显示界面。
[0035]我们在ARM卡上制作系统，首先我们对牵引导线的过程进行分析。在牵引过程中导线会随着时间在牵引绳的牵引下慢慢增加，被牵引出的导线长度逐步增大，我们采用单位导线的质量与导线的长度计算导线的总质量。因为导线的放线速度可能是变化的，所以导线的质量与时间不是简单的函数关系。同时放线速度与张力之间存在着一定的内部联系，且在张力机系统中有一个动态调节过程。随着导线质量增加，牵引机应该随着这个过程增大出力，以保证对导线有足够的牵引力。
[0036]在牵引过程中，导线每经过一个滑轮，摩擦力就会增大。同时两滑轮之间的导线长度和垂度不一样，在滑车上产生的摩擦力也不一样，我们应该根据具体的导线长度和滑轮的摩擦系数计算所产生的摩擦力大小。同时牵引绳退出滑轮，与滑轮的这部分摩擦力在分阶段减小。此时牵引机也要随着摩擦力的增大，调整输出功率，以满足牵引要求。在牵张机内部我们通过对其参数的了解，其张力和放线速度系统具有一定的自动调节功能，可以通过调整放线的速度来保证恒定的张力放线，调整放线速度的过程是由张力机的液压输出控制。牵引端牵引绳的张力大小能够给牵引机给出一个匹配的牵引力输出量，这是其系统内部原有的自动调节功能。并且其牵引速度与收线端线轴架的速度一致，达到稳定的收线功能。在ARM卡上生成的系统中，利用机理建模的方式形成的一些算法，将牵引力、张力、放线速度、及线的牵引速度等几个输入量，通过运算，给出牵张机的功率输出量和牵引力的调整量，以及控制放线轴和收线轴的液压的输出量。将主ARM卡系统与牵张机连接，把这些数据导入到牵张机里，从而使牵张机输出具体的控制量。完成整个系统的实现，达到理想的控制功能。
【权利要求】
1.一种500kV架空线缆牵张机智能化协调控制装置，其特征在于，包括数据采集传输子系统、视频监控信息采集子系统、控制子系统、显示界面和牵张机各输出量控制子系统，所述的控制子系统分别与数据采集传输子系统、视频监控信息采集子系统、显示界面和牵张机各输出量控制子系统连接。
2.根据权利要求1所述的500kV架空线缆牵张机智能化协调控制装置，其特征在于，所述的数据采集传输子系统包括放线端牵张机的放线速度及放线轴转速采集模块、牵引端牵张机的牵引速度及牵引力采集模块和第一 WIFI传输模块，所述的放线端牵张机的放线速度及放线轴转速采集模块、牵引端牵张机的牵引速度及牵引力采集模块分别与第一 WIFI传输模块连接，所述的第一 WIFI传输模块与控制子系统连接。
3.根据权利要求2所述的500kV架空线缆牵张机智能化协调控制装置，其特征在于，所述的放线端牵张机的放线速度及放线轴转速、与牵引端牵张机的牵引速度及牵引力数据均通过现场采集或通过单片机模拟给出。
4.根据权利要求1所述的500kV架空线缆牵张机智能化协调控制装置，其特征在于，所述的视频监控信息采集子系统包括相互连接的监控摄像头和第二 WIFI传输模块，所述的第二 WIFI传输模块与控制子系统连接。
5.根据权利要求2或4所述的500kV架空线缆牵张机智能化协调控制装置，其特征在于，所述的控制子系统为ARM卡，所述的ARM卡通过采集的放线端牵张机的放线速度及放线轴转速、与牵引端牵张机的牵引速度及牵引力数据计算出牵引机给出控制量，包括牵引输出功率、牵引速度以及牵引端的液压控制量，通过ARM卡通过识别图像信息，判断是否存在异常情况，若存在，发出报警信息同时牵引停止动作。
【文档编号】H02G1/02GK103760839SQ201310606927
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】郑思国, 刘刚, 陈晓东, 何真珍, 金永祥 申请人:国网上海市电力公司, 上海市区供电设计有限公司, 国家电网公司, 上海电力学院