基于STM32的輸電線路封網作業車控制系統研究與實現

馬利群,杜永恒,李文斐,龔自濤,杜 婷

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

0 引言

隨著電網建設和公共交通的高速發展,在輸電線路的施工過程中,經?？缭诫娏€路、高鐵、高速等被跨越物[1]。在跨越性施工項目必須進行封網作業以保證被跨越物的安全,避免電力線路停電或交通中斷[2]。封網裝置通常由撐網滑輪、臨塔連接繩、網繩連接繩、絕緣桿、承載繩構成,其中承載繩采用輸電導線或迪尼瑪承載繩。傳統封網作業采用搭設跨越架封網或人工飛車出線封網[3]。其中,搭設跨越架封網為在被跨越物兩側搭建盤扣式腳手架,再架設封網保護被跨越物,存在施工成本高、施工工期長以及跨部門協調難度大等缺點[4]。人工飛車出線封網為高空作業人員搭坐人力飛車在導線上封網作業,雖然避免了搭建跨越架,但是人員處于高空、高壓、強電場的環境中,高空作業風險大,人身傷亡事故的潛在危險高[5]。此外,傳統封網方式受地形限制大,如在山地大跨越、大檔距、低弧垂處無法進行封網作業[6]。

針對傳統封網作業的缺點,本文設計了一種輸 電線路封網作業車控制系統,以STM32F103VET6單片機為控制核心,通過各傳感器采集導線壓力、位移和姿態信息,采用PID控制算法調節電機轉速,實現封網作業車在導線上穩定勻速移動。通過LoRa無線通信實現遠程遙控、數據傳輸,使多組輸電線路封網作業車同步移動,并拖動撐網滑輪完成封網作業。

1 控制系統設計

為使輸電線路封網作業車在輸電線路上的兩側相導線上移動,牽引封網裝置到被跨越物上方完成封網施工作業,輸電線路封網作業車采用4個壓線動力輪,并分為上下2組,將導線置入上下2組壓線動力輪中,要求輸電線路封網作業車控制系統可實時檢測壓線動力輪對導線的壓力,通過控制推桿電機的伸縮長度進而調整上下2組壓線動力輪的間距,使動力輪與導線的摩擦力滿足在導線上移動和拖曳拖網裝置。同時,為防止拖曳過程兩側相導線上的封網作業車移速不同導致封網裝置變形,兩側的封網作業車必須同步移動,因此輸電線路封網作業車應能采集在導線上的移動距離,通過與其他作業車相互通信,使兩側作業車的實時位移數據一致,進而實現同步移動。此外,由于輸電線路具有一定的弧垂,輸電線路封網作業車在導線移動時必然在前后方向上存在傾斜角,進而對作業車的移動速度產生影響。因此封網作業車需采集姿態信息,可根據傾斜角調整移動速度。

輸電線路封網作業車控制系統可根據上位機的遠程指令,實現在輸電線路導線上前后移動,剎車鎖死的運動功能;在拖曳封網裝置過程中,實現封網作業車之間同步移動;當檢測到作業車距前后方障礙物過近時,可自行停止移動。針對上述控制需求,輸電線路封網作業車控制系統以STM32F103VET6單片機為控制核心[7],采用壓力傳感器采集壓線動力輪對導線的壓力,利用光電編碼器采集作業車的位移數據,使用陀螺儀模塊測量作業車的傾斜角數據,單片機根據上述傳感器采集的數據,通過軟件算法處理執行相應的動作,進而實現多組輸電線路封網作業車同步移動,并拖動撐網滑輪完成封網作業。

為使輸電線路封網作業車各功能實現,控制系統設計為主控模塊、傳感器采集模塊、LoRa無線通信模塊、電機驅動模塊和電源模塊。主控模塊用于處理控制指令和傳感器采集的數據并控制電機轉速;傳感器采集模塊用于采集壓線輪對導線的壓力,作業車的移動距離、傾斜角和與前后障礙物的距離。LoRa無線通信模塊用于作業車與上位機的數據傳輸,接收控制指令和發送狀態數據;電機驅動模塊根據主控模塊的輸出指令調整電機轉速和推桿電機伸縮長度;電源模塊為其他模塊提供穩定電源。

2 硬件系統設計

2.1 主控模塊電路設計

主控模塊電路包括MCU、晶振電路、復位電路、BOOT設 置電路、JTAG/SW電 路 和 指 示 燈 電路。主控模塊的MCU采用意法半導體公司出品的基于ARM內核增強型32位單片機STM32F103VET6[8],其主頻高達72 MHz,滿足輸電線路封網作業車封網過程中的高速復雜運算需求。其芯片引腳為100腳,自帶20 Kb的RAM和512 Kb的FLASH,封裝為LQFP,工作電壓為3.3 V,其I/O引腳支持重映射功能。晶振電路負責為MCU提供時鐘源;復位電路通過將MCU的NRST引腳的置于低電平實現外部復位;BOOT設置電路用于更改MCU的啟動方式;JTAG/SW電路用于燒錄和調試程序算法;指示燈電路控制LED燈用以指示MCU狀態。

2.2 傳感器電路設計

2.2.1 光電編碼器測距電路

在輸電線路封網作業車設置一個帶光電編碼器的從動輪,當作業車在導線上行走時,利用從動輪的旋轉角,即光電編碼器的脈沖值計算出作業車的行走距離。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1周可輸出1 000脈沖信號,將編碼器的輸出直接接到STM32F103VET6的定時器通道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轉換芯片,其中壓力傳感器將壓力量轉換為對應的電壓值,高精度模數轉換芯片將電壓值轉化為數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。模數轉換芯片選用HX711,其為高精度稱重傳感器而設計的24位模數轉換器芯片,具有2路可選擇差分信號輸入,片內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

陀螺儀采用六軸數字運動傳感器芯片MPU6050,其封裝為QFN,并整合了三軸陀螺儀和三軸加速度計。其中三軸陀螺儀的測量范圍為為±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據傳輸給主控芯片。

2.3 電機驅動模塊電路

電機驅動模塊電路主要用于對主控模塊輸出的PWM信號進行處理和功率放大,進而控制壓線動力輪的轉速和推桿電機的伸縮長度。驅動電路為H橋,驅動芯片采用HIP4081A高速全橋驅動芯片[9]。HIP4081A是一款高頻、中壓、N溝道型全橋驅動芯片,具有獨立的高端和低端輸入通道,工作電壓為12 V,其峰值驅動能力達80 V/2.5 A,工作頻率可達1 MHz,可分別獨立驅動4個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成保護電路[10]。

2.4 LoRa無線通信電路設計

輸電線路多功能作業車與上位機和其他作業車通過LoRa無線網絡進行通信,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,實測通信距離可達5 500 m,最大發射功率160 mW,滿足輸電線路遠距離通信要求。

2.5 電源電路設計

輸電線路多功能作業車采用24 V鋰電池供電,控制系統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,數模轉換芯片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驅動電路供電要求為12 V。本設分別計采用降壓芯片LM2596S-12和LM2596S-5將24 V電壓轉化為12 V和5 V,再通過AMS1117-3.3正向低壓降穩壓器將5 V轉化為3.3 V,滿足各模塊供電要求。

3 軟件系統設計

3.1 系統主程序設計

輸電線路多功能作業控制系統上電工作后,主控模塊MCU進行初始化操作,對系統的時鐘、定時器、通信接口、中斷響應函數進行初始化,然后進行與上位機進行LoRa無線通信連接,連接成功后進入等待接收控制指令的循環狀態。在循環狀態中,分別讀取各傳感器的信息,并向上位機發送本機狀態,等待上位機的控制指令,待接收到控制指令后便執行相應的程序。若LoRa無線通信失敗,執行閉鎖電機程序,重新進行LoRa無線通信連接?？刂葡到y主程序流程示意如圖1所示。

圖1 控制系統主程序流程示意

3.2 導線壓力自適應程序設計

為了防止壓線動力輪壓傷導線以及導線從壓線動力輪中脫落,通過調整推桿電機的伸縮長度使下組的壓線動力輪對導線的壓力處于規定范圍。通過讀取HX711檢測的壓力值并判斷是否處于規定值以內,若壓力偏差超過規定值以外,調整推桿電機的伸縮長度,使壓力值處于規定范圍。導線壓力自適應程序流程示意如圖2所示。

圖2 導線壓力自適應程序流程示意

3.3 光電編碼器測距程序

控制系統采用光電碼盤從動輪檢測封網作業車的實際行走距離,通過設置定時器中斷函數,每隔0.5 s觸發,讀取光電碼盤脈沖數的增量,根據從動輪輪徑便可計算封網作業車的實際行走距離。圖3為光電編碼器測距主程序流程示意。

圖3 光電編碼器測距主程序流程示意

3.4 電機轉速控制程序設計

為了實現同步封網,需要兩側相導線上的封網作業車保持行走距離一致,將作業車之間的距離差作為調速環的誤差量,同時引入傾斜角對作業車速度變化的干擾量,根據不同傾斜角范圍選擇PID參數,調節主控模塊的PWM脈沖輸出量,實現調節電機轉速,使距離偏差為零。圖4為電機轉速控制程序流程示意。

圖4 電機轉速控制程序流程示意

4 實際測試

4.1 同步移動控制測試

將2臺輸電線路封網作業車分別放置于平行的2條輸電線路上的相同起點位置,2臺作業車之間和上位機建立Lo Ra無線通信連接。通過上位機下達同步移動指令,命令2臺作業車同時移動100 m,待作業車停止運動后,測量兩車終點位置的距離差,重復測試10次并取其平均值。經實際測試輸電線路封網作業車同步移動控制100 m的誤差為37 mm,滿足220 k V及以下電壓等級的輸電線路同步封網要求。

4.2 輸電線路封網作業導線壓力自適應測試

將輸電線路封網作業車放置于10 mm、20 mm、30 mm、40 mm線徑的導線上,通過壓力自適應程序調整整推桿電機的伸縮長度,并記錄每種線徑導線的10次壓力值。經實際測試在線徑導線下壓力值偏差不超過2.5 N,滿足適應不同電壓等級導線的需求。

4.3 輸電線路封網作業車牽引力測試

將輸電線路封網作業車放置于輸電線路上,與拉力計水平連接,并使拉力計另一端固定于輸電桿塔,啟動輸電線路封網作業車前進拖曳拉力計,直到輸電線路封網作業車發生原地滑動無法牽引行進,記下測力計讀數。經重復測試10次取平均值并記為輸電線路封網作業車最大牽引力為1 150 N。滿足輸電線路封網作業車拖曳封網網片要求。

5 結論

本文提出了輸電線路封網作業車控制系統的設計方案,研究了控制系統的硬件電路設計和軟件系統控制原理,提出了以STM32單片機為控制核心,融合多傳感器和電機轉速控制的封網作業車。通過實際封網施工測試,達到預期的功能,證明該控制系統可以實現在導線上同步移動,拖曳封網裝置完成封網作業,實現代替人工封網,具有較好的應用推廣價值。