（电气工程专业论文）电缆敷设牵引力监控系统研究.pdf

上海大学工程硕士学位论文 摘要 在敷设电缆时，控制电缆所受到的牵引力是保证敷设质量的关键 步骤。本项目研制了在电缆敷设全过程，对牵引钢丝绳的牵引力进行 实时测量和监控的系统。该系统主要用于各类电力供应部门的电力电 缆敷设的施工现场。 系统方案采用将牵引力测量装置固定在靠近卷扬机处的钢丝绳 上，牵引力测量仪与牵引力测量装置间通过信号电缆相连。电缆敷设 长度计米器滚轮放在靠近电缆盘处的位置，并用信号电缆连接计米器 测量仪。牵引力测量仪与计米器测量仪之间通过无线数传电台进行通 信，实时互传数据，使牵引力测量仪、计米器测量仪两者都可以实现 实时牵引力和电缆敷设长度的显示。无线发射用的天线采用分体式外 接形式，在牵引力测量装置上设立数据存储空间和u s b 接口，可自 动判断有效数据并进行存储，并可通过u s b 接口与电脑进行实时数 据交换，在电脑上显示实时曲线。本论文研究工作以该系统研发为依 托，研究了张力测量方式基本理论，论述了系统基本原理，介绍了系 统中牵引力测量装置的开发，电缆敷设长度计米器的研制，无线传输 系统的实现，并给出了试验结果与相关讨论。 关键词：电缆敷设，监控系统，牵引力测量，计米器 上海大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h el a y i n go fc a b l e s ，c o n t r o lc a b l e sw e r el a i dt r a c t i o ni st oe n s u r et h a tt h e q u a l i t yo fk e ys t e p s t h ep r o j e c tr e s e a r c h e st h er e a l t i m em e a s u r i n ga n dm o n i t o r i n g s y s t e mo ft r a c t i o nr o p et r a c t i o ni nt h ee n t i r ep r o c e s so fl a y i n gc a b l e s t h es y s t e mi s m a i n l yu s e df o r t h el a y i n go fp o w e rc a b l e sc o n s t r u c t i o ns i t e t h es y s t e ma d o p t st r a c t i o ni nt h em e a s u r i n gd e v i c ef i x e dt h er o p ea r o u n dt h e w i n c h ，t r a c t i o na n dt r a c t i o nm e a s u r i n gi n s t r u m e n tm e a s u r i n gd e v i c et h r o u g ht h e i n t e r - c o n n e c t e ds i g n a lc a b l e s t h el e n g t ho fc a b l el a y i n go nt h en e a r - w h e e ld i s ca tt h e c a b l e ，a n du s e sas i g n a lc a b l ec o n n e c t sm e t e r sm e a s u r i n gi n s t r u m e n t t r a c t i o n m e a s u r e m e n t & m e t e r sb e t w e e nt h em e a s u r i n gi n s t r u m e n tt h r o u g hw i r e l e s sd i g i t a l r a d i oc o m m u n i c a t i o n s ，r e a l - t i m ed a t at oe a c ho t h e rs ot h a tt h et r a c t i o nm e t e r , m e t e r s m e a s u r i n gi n s t r u m e n tc a nb eb o t hr e a l t i m et r a c t i o na n ds h o wt h a tt h el e n g t ho fc a b l e l a y i n g r a d i oa n t e n n au s i n gs e p a r a t e db ye x t e r n a lf o r m t r a c t i o ni nt h em e a s u r i n g d e v i c eo nt h ed a t as t o r a g es p a c ea n dau s bi n t e r f a c e ，d a t aa n da u t o m a t i c a l l y d e t e r m i n et h ee f f e c t i v es t o r a g e ，a n dt h ec o m p u t e rv i aau s bi n t e r f a c ea n dr e a l t i m e d a t ae x c h a n g e ，i nr e a l - t i m ec u r v ed i s p l a yo nac o m p u t e rs c r e e n b a s e do nt h e d e v e l o p m e n to ft h i ss y s t e m ，t h i st h e s i ss t u d i e dt h eb a s i ct h e o r yo ft e n s i o n m e a s u r e m e n t ，d i s c u s s e dt h ep r i n c i p l eo ft h es y s t e m ，i n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to f t r a c t i o nm e a s u r i n gd e v i c e s ，c a b l el a y i n gl e n g t hm e t e r s ，t h er e a l i z a t i o no fw i r e l e s s t r a n s m i s s i o ns y s t e m f i n a l l y , t h er e s u l to ft e s t i n ga n dt h er e l a t e dd i s c u s s i o nw e r e g i v e n k e y w o r d ：c a b l el a y i n g ，m o n i t o r i n gs y s t e m ，m e a s u r e m e n tt r a c t i o n ，m e t e r s 2 一 上海大学工程硕士学 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 期： 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 上海大学工程硕士学位论文 第一章绪论 随着我国国民经济的快速发展，对电力系统基础建设的需求大量增加。近年 来，新的电力电缆敷设和更新建设有了突飞猛进的发展，从而对于电缆敷设质量 也有了更高的要求。 本项目开发的“电缆敷设牵引力监控系统”是一套对电缆敷设过程中的牵引 力进行全程监控的软硬件系统，该系统的成功开发，可使得电缆敷设( 特别是超 高压电缆敷设) 全过程的牵引力得到监控，电缆敷设质量也将更上一个新的台阶。 1 1 电缆敷设监控的重要性 从技术角度来讲，在具体敷设电缆时，控制电缆所受到的牵引力是保证敷设 质量的关键步骤。同时，牵引力的大小也决定了电缆敷设施工的方案。如果牵引 力过大，超过电缆允许承受的张力，将造成电缆内部结构损伤，影响电缆运行寿 命，甚至无法投运送电。如果牵引力过小，小于电缆受到的摩擦力，电缆将卡在 敷设途中，无法敷设到位，可能要增加电缆接头数量。 但是，目前国内的电缆敷设过程控制中，主要还是靠理论计算、经验判断来 保证电缆所受的牵引力控制在允许值范围内，这样的方法受人为因素影响较多。 因此，很有必要开发先进的牵引力在线监测设备，解决电缆牵引力实时监控的问 题，而本项目开发的“电缆敷设牵引力监控系统”正是迎合了这一需求。 1 2 国内外相关技术发展概况 在2 0 世纪5 0 年代，前苏联、前西德、瑞典等国已先后开始了张力测定仪的研 制工作，如前苏联研制的o h k 2 0 、o h k 4 5 型应变测力计，前西德g h h 公司研 制的环状槽形测力计。 到了2 0 世纪8 0 年代g h h 公司又研制成功了十绳感应式环状槽形测力计，它 由罐笼站和地面站两部分装备组成。罐笼站有感应线圈式环状槽形测力计、放大 器、多路调谐转换器、模数转换器、控制器和发射器( 用钢丝绳作为载体向地 面站发送信号) ；地面站有接收器、控制器和微处理器，实时显示、记录钢丝绳 上海大学工程硕士学位论文 在运行过程中的张力变化情况，同时具有载荷超限报警功能。 瑞典a b b 公司研制的h a m a 、h a m b 型动态张力测定仪，它是将电阻丝应 变片粘贴在专门设计的、与钢丝绳串接的销轴式弹性元件上。该仪器具有信号的 无线发射与接收、模数转换、微机定量处理、数字显示和打印功能。 而我国也早在2 0 世纪中期，就开始研制各种弹簧测力计来检测钢丝绳张力。 2 0 世纪5 0 年代，国家将钢丝绳张力检测仪的研制列为“七五”国家科技攻关项目， 钢丝绳张力检测技术进入一个新的发展阶段。其中，国家煤炭科学研究总院抚顺 分院研制了f 4 4 型钢丝绳张力测定仪，它由与钢丝绳串接的双剪切梁式销轴测力 传感器、数据采集和处理器、直流电源三大部分组成。山西矿业学院研制出压轮 式钢丝绳张力检测装置，该装置采用三滚轮方式人为使钢丝绳产生弯曲，通过测 定钢丝绳对中间滚轮产生的横向力推算钢丝绳张力的间接检测方法。长春煤炭研 究所研制出了g s z c i i 型钢丝绳张力测定仪。 1 3 本课题介绍 本项目的实施单位一上海市电力公司电缆输配电公司，开发“电缆敷设牵引 力监控系统”的设想由来已久。最初曾设想在卷扬机上安装钢丝绳应力传感装置， 并进行了有关的开发工作，但效果不够理想。后来，根据电缆敷设的特点，参考 国外相关设备利用弹簧秤方式测力的原理( 见图1 ) ，考虑在电缆牵引头端部串 接一个拉力计进行电缆牵引力测量，并通过无线传输方式将拉力数据实时传输出 来。 图1 弹簧秤测力仪 上海大学工程硕士学位论文 目前，我们的“电缆敷设牵引力监控系统开发”项目正是采用了此种测力方 案，同时增加了电缆敷设长度计米数据的无线传输功能。在研制过程中发现，在 现有技术条件下，增加数据传输模块后，拉力传感器的外径和长度都将显著增大， 不能适应排管敷设的条件。确定了通过无线数传方式对电缆敷设全过程进行实时 监控和数据处理。 考虑到电缆敷设过程中，牵引钢丝绳的张力大小是和电缆的实际敷设长度有 关的，因此，要全面的分析牵引力的大小，还应当把当时的电缆敷设长度一并采 集上来，和张力一起汇总分析。由于电缆行业的专业特殊性，“电缆敷设牵引力 监控系统”应与现有的整套电缆敷设装备匹配，其难度和复杂程度将是很大的， 国内外尚未见到能实现如上功能的设备。 1 4 本课题研究的主要内容 本系统主要用于电力电缆敷设的施工现场。在传统的施工方法中，现场施工 人员是根据所敷设电缆的长度、管线中间是否有弯道等，再结合以前的施工经验 来决定中间是否要加输送机、加几台输送机、放线支架如何搭设、转弯如何处理。 在实际敷设电缆时，牵引钢丝绳的牵引力到底有多大，牵引力的实时变化都无法 准确的掌握，因此，对电缆的敷设质量就无法进行实时监控。 针对上述问题，为了对电缆敷设的全过程能够进行实时、有效的监控，就必 须对牵引钢丝绳的牵引力进行实时的测量和监控。同时，为了分析牵引力和电缆 敷设长度的关系，对电缆的敷设长度也应进行实时的测量；并将二者一起进行分 析、比较，对以后合理安排中间输送机的数量提供第一手数据。本系统通过对牵 引钢丝绳的即时张力的实时测量并加以相应的控制，以便使牵引钢丝绳的张力保 持在一个合理的范围内，保证电缆敷设的质量。 考虑到施工现场的工作环境比较恶劣，对设备的可靠性要求就比较高，如防 水处理、断电保护等。同时必须考虑到施工现场的流动性，因此设备的设计和选 用必须具备安装方便、灵活、适应性强、操作简单等特点。 依据上述研究工作，本论文按章节顺序主要有以下内容： 1 、介绍电缆敷设的基本原理，阐述电缆敷设监控的重要意义； 2 、牵引力监控系统关键技术研究，系统具体配置方案的确定； 上海大学工程硕士学位论文 3 、根据系统配置方案，开发设计牵引力监控系统的装置设备； 4 、系统设备的功能和使用方法描述； 5 、系统实际使用效果分析； 6 、结论和展望。 上海大学工程硕士学位论文 第二章电缆敷设的基本原理 2 1电缆结构和种类 2 1 1 电缆的结构 电缆的基本结构为导体、绝缘层和护层三大组成部分，对于6 k v 及以上电 缆，导体外和绝缘层外，还有屏蔽层。 导体是电缆中具有传到电流特定功能的部件。常用电缆导体材料是金属铜和 铝。绝缘层具有耐受电网电压的特定功能。电缆绝缘有油纸绝缘、挤包绝缘和压 力电缆绝缘三种。护层是覆盖在绝缘层外面的保护层，它的作用是在电缆使用寿 命期间保护绝缘层不受水分、潮气及其他有害物质侵入，承受敷设条件下的机械 外力，使电缆不受机械损伤和各种环境因素影响，确保电缆绝缘的电气性能长期 稳定。 2 1 2 电缆的种类 根据i e c 标准推荐，电力电缆可按额定线电压为序，划分为低压( 1 k v ) 、 中压( 乱3 5 k v ) 、高压( 4 5 一1 5 0 k v ) 、超高压( 2 2 0 5 0 0 k v ) 。 通常情况下，电压等级越高，电缆的外径和重量越大，因此电缆敷设施工的 难度也越大。本项目所开发的系统主要针对长距离、大截面的高压和超高压电缆。 2 2电缆敷设施工机械 在电缆敷设施工中用于牵引电缆到安装位置的机械称为牵引机械，用它替代 人的体力劳动和确保敷设施工质量。常用牵引机械有卷扬机、输送机和电动滚轮。 1 ) 卷扬机 卷扬机又称牵引车。按牵引动力不同，有电动卷扬机、燃油机动卷扬机和汽 车卷扬机等。电缆敷设牵引应选用与电缆最大允许牵引力相当的卷扬机，不宜选 用过大动力的牵引设备，以避免由于操作不当而拉环电缆。一般水平牵引力为 上海大学工程硕士学位论文 3 0 k n 的卷扬机以满足牵引各种常规电缆的需要。电缆敷设牵引常选用电动机功 率为7 5 k w 的慢速电动卷扬机，牵引线速度为7 m r a i n 。 2 ) 输送机 输送机又称履带牵引机，是以电动机驱动的中型电动机械。它用凹型橡胶带 加紧电缆，用预压弹簧调节对电缆的压力( 以不超过电缆允许侧压力为限) ，使 之对电缆产生一定推力。按水平推力大小输送机有5 k n 、6 k n 和8 k n 等品种供 选用。 在电缆敷设施工中，当同时使用卷扬机和一台或多台输送机时，必须采用联 动控制装置，使卷扬机和输送机操作实行集中控制，牵引速度应协调一致，关停 同步。否则将导致电缆损伤。 3 ) 电动滚轮 是一种小型牵引机械，其滚筒由电动机同步驱动，给予电缆向牵引方向的一 定推力。一般电动滚轮的牵引推力有o 5 1 0 k n 。 2 3 电缆敷设质量控制 2 3 1 电缆弯曲半径 在电缆路径上水平或垂直转向部位，电缆会受到弯曲。一般情况下，电缆在 其结构和材料上，允许存在不小于一定半径范围的弯曲，这对电缆性能不会产生 影响。但是，过小的弯曲半径将损伤电缆的绝缘层或护层。因此，在电缆敷设施 工过程中，必须对电缆的弯曲半径进行检测和控制。 电缆最小允许弯曲半径与电缆外径、电缆绝缘材料和护层结构有关，通常规 定以电缆外径的倍数表示的一个数，作为最小允许弯曲半径。 2 3 2 电缆敷设机械力控制 敷设电缆时，作用在电缆上的机械力有牵引力、侧压力和扭力。为防止敷设 过程中作用在电缆上的机械力超过允许值而造成电缆机械损伤，敷设施工前必须 按设计施工图对电缆敷设机械力进行计算。在敷设施工中，还应采用必要措施以 确保各段电缆的敷设机械力在允许值范围内。通过敷设机械力的计算，可确定牵 上海大学工程硕士学位论文 引机的容量和数量，并按最大允许机械力确定被牵引电缆的最大长度和最小弯曲 半径。 ( 1 ) 牵引力 牵引力是指作用在电缆被牵引方向上的拉力。如采用牵引端时，牵引力主要 作用在电缆导体上，部分作用在金属护套和铠装上。而沿垂直方向敷设电缆时， 例如竖井和水底电缆敷设，牵引力主要作用在铠装上。 牵引力计算方法：电缆敷设时的牵引力，应根据敷设路径分段进行计算， 总牵引力等于各段牵引力之和。按几种典型的敷设路径情况，可应用以下公式计 算牵引力。 水平直线敷设：t = i _ i w l ； 水平转弯敷设：t 2 = t l e 叩； 斜坡直线敷设：t = w l ( p c o s 。士s i n 0 ) ；( 上行时“+ ，下行时“) 竖井中直线牵引：t = w l 公式中： t 为牵引力； t 2 、t 1 分别为转弯前、后的牵引力，单位n ； p 为摩擦系数； 0 为转弯或倾斜的角度，单位r a d ； w 为电缆单位长度的重力，单位n m ； l 为电缆长度，单位i l l 。 如果没有使电缆盘转动的机械装置，在计算起始电缆牵引力时，可近似认为， 转动电缆盘的力相当于该盘上1 5 m 电缆的重力，即t 0 = 1 5 w ( n ) 摩擦系数：电缆在各种不同物体上牵引时的摩擦系数p ，可参考如下的 表1 来选取。 表1 各接触面的摩擦系数 牵引时接触面情况摩擦系数 钢管 o 1 7 0 1 9 塑料管 0 4 混凝上管，无润滑剂o 5 0 7 混凝土管，有润滑剂 o 3 0 4 滚轮 o 1 0 2 上海大学工程硕士学位论文 在水平转弯牵引计算公式t 2 = t l e 妒中， 在转弯角度0 ：p 2 时，t 2 = t i e 曲= 1 3 6 9t l ， 牵引力增加了3 7 。 当敷设时使用滚轮，如果取p = 0 2 ， 即在上述条件下经过一次转弯，电缆 电缆的允许牵引力：电缆某受力部位的最大允许牵引力等于该部位材料 的最大允许牵引力和受理面积的乘积。即 t m a x 一- - 摹m a ) x l m m , 1 ) ( 2 1 ) 工 、， 二l 式中：t 。眦为最大允许牵引力，单位n ； s m a x 为材料最大允许牵引力，单位m p a ，见表2 。 a 为电缆材料受力面积，单位m m 2 。 表2电缆材料的最大允许牵引力 受力材料s 懈( m p a ，n m m 2 )适用牵引方式 铜导体 7 0 牵引头 铝导体 4 0 牵引头 p v c 护套 7 网套 有加强层铅套 1 0 网套 波纹铝护套 2 0 网套 ( 2 ) 侧压力 垂直作用在电缆表面方向上的压力称为侧压力。侧压力主要发生在牵引电缆 时的弯曲部位，例如电缆在转角滚轮或圆弧形滑板上以及海底电缆的入水槽处， 当敷设牵引使电缆上要受到侧压力。盘装电缆横置平放，或用简装、圈装的电缆， 下层电缆要受到上层电缆的压力，也是侧压力。 侧压力的计算方法，应考虑以下两种情况。 a 、在转弯处经圆弧形滑板电缆滑动时的侧压力，与牵引力成正比，与弯曲 半径成反比，计算公式为： 7 尸= 二- ( n m )( 2 2 ) 。 r 式中：p 为侧压力，单位n m ； t 为牵引力，单位n ； 上海大学工程硕士学位论文 r 为圆弧形滑板弯曲半径，单位n o 。 b 、转弯处设置滚轮，电缆在滚轮上受到的侧压力，与各滚轮之间的平均夹 角或滚轮间距有关。 每只滚轮对电缆的侧压力计算公式为： p 2 t s i n 旦( 2 3 ) 2 其中s i n 詈警 则p 旦 r 式中：p 为侧压力，单位n ； t 为牵引力，单位n ； r 为转角滚轮所设置的圆滑半径，单位m ； 0 为滚轮间平均夹角，单位r a d ； s 为滚轮间距，单位m 。 当电缆呈9 0 0 转弯时，如均匀设置n 只滚轮，滚轮间距s 可用以下近似公式 计算，即 s ：生( 2 4 ) 2 ( n 一1 ) 代入上式，测出每只滚轮上的侧压力后可得出转角处需设置的滚轮只数。 电缆的允许侧压力。包括滑动允许值和滚动允许值，可根据电缆制造厂 提供的技术条件或按下述规定： i 在圆弧形滑板上，具有塑料外护套的电缆不论其金属护套种类，滑动允许 侧压力为3 k n m ； i i 在敷设路径弯曲部分有滚轮时，电缆在每只滚轮上所受的压力( 滚动允许 值) 规定对无金属护套的挤包绝缘电缆为l k n ，对波纹铝护套电缆为2 k n ，对铅 护套电缆为o 5 k n 。 ( 3 ) 扭力 扭力是作用在电缆上的旋转机械力。在电缆敷设过程中产生由于牵引钢丝绳 和电缆铠装及加强层在受力时有退扭作用而产生扭力。敷设电缆时可采用防捻器 消除电缆扭力。 上海大学工程硕士学位论文 2 4电缆敷设施工方法 机械施放时，电缆装好拉线头，预放好牵引钢丝绳，如下图2 所示。将电 缆盘和卷扬机分别放置在电缆的起始端和终止端，输送机放置在电缆敷设通道 上，即可实施。 蚴爵畸串鼍一i 2 5 本章小结 本章节介绍了电力电缆的基础知识以及电缆敷设的基本原理、施工方法、牵 引力计算等，并可以看出敷设电缆时牵引力控制是施工质量控制的关键点，这也 是本论文所研究的内容，以下就详细介绍牵引力监控系统的方案设计。 上海大学工程硕士学位论文 第三章牵引力监控系统方案设计 3 1系统关键技术 1 ) 张力测量 正确测量牵引钢丝绳的牵引力是本系统能否正常工作并且发挥正常功能的 关键，也是本系统最大的一个技术难点。 2 ) 电缆敷设长度计米器的设计 如何正确控制所测得数据的精度，机械物接触表面的防滑处理是我们需要解 决的难题。 3 ) 数据传输方式的选择 由于本系统的2 个主要设备张力仪和计米器不在同一个地方，但是计米器测 得的电缆长度必须传给张力仪进行显示、记录和分析，因此两个设备之间实现有 效的数据传输，是本系统能否正常工作的另一个技术难点。 3 2 方案的确定 1 ) 张力测量方法的比较和确定 对牵引钢丝绳的牵引力的正确测量，是本项目能否成功的关键。根据上海市 电力公司电缆输配电公司前期的调研，专向课题实验，我们初步将牵引力测量的 方法选定为以下2 种。 ( a ) 第1 种测量牵引力的方式为“直接方式”，即将牵引力的测量装置串接 在钢丝绳和电缆的连接处。此方式的优点是牵引力的测量简单、直接、准确，缺 点是只能将测量的数据储存在测量设备中，测量完后统一将测量数据传送到终端 ( 计算机) 中，无法对牵引力进行实时的观察，一旦出现牵引力异常，也无法进 行实时的控制和处理。另外，由于采用直接测量的方式，测量装置的体积也比较 大，如果线路管道中间有转弯时，给j l i 页n 通过弯道增加了难度。 ( b ) 第2 种测量牵引力的方式为“间接方式”，即在电缆出口处的工井内测 量牵引钢丝绳的张力，此方式的优点是可以实时的观察钢丝绳的牵引力，保证了 上海大学工程硕士学位论文 电缆的敷设质量，缺点是由于钢丝绳是运动的，只能采用间接方式来测量钢丝绳 的牵引力，因此测量装置的结构比较复杂，对测量精度的要求高，这成为它的技 术难点。 综合以上分析，最终选择第2 种方式。 2 ) 电缆敷设长度测量方法的比较和确定 电缆敷设长度的测量方式也有以下2 种。 ( a ) 第1 种测量方式是测量牵引钢丝绳的移动距离，为了便于将测量到的 长度数据传送到张力测量仪上进行处理，测量点可以同样选择在靠近卷扬机处的 工井内，此方法的优点是数据的传送比较方便，但其缺点是测量精度很难控制。 原因是测量线类物体的运动距离，一般是通过一些机械方式将直线运动转换为旋 转运动，然后测量转速来间接测量长度，由于被测物是钢丝绳，机械接触处很容 易打滑，因此测量精度比较差。 ( b ) 第2 种测量方式是测量电缆的移动距离，测量点只能放在靠近电缆盘 处第一台输送机的位置。由于电缆比较重，再加上测量装置( 滚轮) 表面的防滑 处理，使得测量的精度比较高。但是，由于此装置和张力测量仪分布在施工现场 的一头一尾二个地方，给实时数据的传送带来困难。考虑到现场布线进行有线传 输比较麻烦，而目前无线数据传输比较成熟、实用，完全能够满足现场的使用要 求，因此可以通过无线数据传输方式将长度的测量值每隔1 秒钟发送给张力测量 仪。 综合2 种方法的优缺点，我们最终选择采用第2 种方法。 3 ) 数据传输方式的选择 由于本系统的2 个主要设备( 张力仪和计米器) 不在同一个地方，但是计米 器测得的电缆长度必须传给张力仪进行显示、记录和分析，因此需要考虑数据传 输方式的选择。 根据现场的情况，2 个设备的通信距离一般在l k m 左右，通常情况下可以提 供有线4 8 5 通信和无线数据通信2 种方式。 采用第1 种通信方式，则在现场需要拉一根采用4 8 5 总线标准的通信电缆， 操作起来很不方便，而且容易受到损坏。另外，由于两地距离较远，如果使用不 同的电源，两边存在接地地势差，如果处理不当，很容易造成两边通信接口的损 上海大学工程硕士学位论文 坏。 采用第2 种方式，对于l k m 距离来说，无线数据传输的质量基本是有保证 的，唯一存在的问题就是通信的频点问题。如果使用标准的2 3 0 m h z 无线数据传 输频段，则需要经过无线电管理委员会的批准，一般比较困难。除此之外，可以 使用4 6 0 m h z 无线对讲频段，为了减少同频干扰，可以多选择一些频点或使用自 己公司用的频点进行工作。 综合考虑各种因素，我们选择了4 6 0 m h z 无线数据传输方式。 3 3 系统的配置 将牵引力测量装置固定在靠近卷扬机处的钢丝绳上，牵引力测量仪与牵引力 测量装置间通过信号电缆相连。电缆敷设长度计米器滚轮放在靠近电缆盘处的位 置，并用信号电缆连接计米器测量仪。 牵引力测量仪与计米器测量仪之间通过无线数传电台进行通信，实时互传数 据，使牵引力测量仪、计米器测量仪两者都可以实现实时牵引力和电缆敷设长度 的显示。无线发射用的天线采用分体式外接形式。 在牵引力测量装置上设立数据存储空间和u s b 接口，自动判断有效数据并进 行存储，并通过u s b 接口与电脑进行实时数据交换，在电脑上显示实时曲线。 使用这一方案的好处是： 灵活性强。可以将牵引力测量装置、计米器滚轮摆放在最佳位置( 如工 井下、输送机旁边等) ，实现最好的测量效果。同时牵引力测量仪、计米器测量 仪可以放在最适合观察的位置，无线发射用的天线采用分体式外接形式，可以放 置在适合信号发射和接收的位置。 适应性好。由于牵引力测量装置要与牵引机、输送机等进行匹配，这种 模块化的系统方案可以允许对各模块进行单独改型以及与各种设备进行匹配。 全过程牵引力测量。牵引力测量装置固定在靠近卷扬机处的钢丝绳上， 这样就可以全程测量牵引力的大小。 准确的电缆敷设长度显示。电缆敷设长度计米器滚轮靠近电缆盘处的位 置，一方面可以较为准确的记录电缆敷设的长度，另一方面也便于计米器清零， 从实际开始敷缆时进行计数。 上海大学工程硕士学位论文 系统具体配置方案如下图3 所示： ；_ _ 漉 一v - _ _ 上 3 4本章小结 天 线 图3 电缆牵引力监控配置图 - _ ： 天l 线 本章节从原理上对牵引力监控系统的关键技术点( 张力测量、电缆敷设长度 计米器、数据传输) 进行了逐一分析和方案比对，最终确定了最优化的配置方案， 为系统的进一步开发奠定了理论基础并指明了开发方向。下一章节将进一步阐述 这三个关键技术点的设计开发及实现方案。 上海大学工程硕士学位论文 第四章系统开发 4 1张力测量装置的设计与开发 4 1 1 牵引力测量机械装置 正确测量牵引钢丝绳的牵引力是本系统能否正常工作并且发挥正常功能的 关键，也是本系统最大的一个技术难点。 由于本系统中牵引钢丝绳是在运动的，因此测量钢丝绳牵引力( 张力) 的方 法只能是间接式的，在这种方式中，常用的测量装置有以下2 种。 第1 种方式是采用单滑轮方式，见图4 所示。这种方式主要应用于吊车上对 吊装货物的重量进行测量和控制。其中，钢丝绳串过一个大的滑轮，在滑轮的转 动轴上安装一个压力传感器，钢丝绳的拉力通过滑轮传递到轴上的压力传感器， 通过测量压力传感器的压力值，换算得到钢丝绳的拉力值。 1 珥诧 图4 单滑轮方式示意图 此方法比较简单，但是由于钢丝绳的拉力直接作用在滑轮上，因此整个装置 的体积比较大，压力传感器的测量量程也要求比较大，而且压力和拉力的换算关 系同钢丝绳的进出角度有关，因此，这种方式不太适合本系统的使用。 第2 种方式为多轮子方式( 参见图5 ) ，此方式多用于电梯检修时，对承吊 电梯桥箱的钢丝绳的拉力进行测量，但通常情况下只是测量一小段距离，因此整 个测量装置是跟着钢丝绳起运动的，和我们的使用要求还有段距离。 上海大学工程硕士学位论文 图5 多轮子方式示意图 结合以上两种方式的特点，本项目设计出了“三滑轮加定向轮”的张力测量装 置，其原理如图6 所示。 图6 “三滑轮加定向轮”张力测量装置示意图 其中，2 个定滑轮的轴是固定在装置的支架上的，动滑轮的轴安装在张力传 感器上，钢丝绳在5 个轮子之间串过，并滑动。当钢丝绳拉紧时，钢丝绳上的张 力f 会通过滑轮作用到装在动滑轮上的张力传感器上，大小为f 方向向上。 假设滑轮中间钢丝绳和水平线的夹角为a ，则有 f = f 2 s i n a( 4 1 ) 由于张力传感器的位移很小，几乎为0 ，则a 可以近似为常量( 由滑轮组的 机械结构决定) ，因此，只要直接测量位于动滑轮上的张力传感器的数值( f ) ， 即可算得钢丝绳上的张力值( f ) 。 此方法通过滑轮的组合，可以将比较大的钢丝绳张力转换成比较小的传感器 压力，从而减小了测量装置的尺寸。同时选用滑轮方式，可以解决钢丝绳长距离 的运动难题，比较好地解决本系统对测量牵引钢丝绳的拉力的要求。 上海大学工程硕士学位论文 张力测量装置起初的设计是通过螺钉直接安装在安装底板上，现场使用铁丝 将安装底板固定在支撑铁管上。在测量当中，发现测得的张力值很不稳定，变化 比较大。经过分析和试验，发现是由于张力测量装置和支撑铁管是刚性连接，钢 丝绳在运行当中的抖动比较厉害，引起张力测量装置也有比较大的震动，使得测 量的张力数据不稳定。根据上述分析，采取了一些措施，即在张力测量装置和安 装底板之间安装了8 个避震弹簧，在以后多次现场试用中，张力测量装置基本无 大的震动现象，测得的张力数据也比较稳定。 4 1 2 张力测量仪器 1 ) 技术特点 张力测量仪用于“电力电缆牵引力监控系统”中，对电缆的实时敷设张力进行 测量、显示及保存，并通过无线数传电台传送至电缆计米器，同时可以接收电缆 计米器传送过来的布线长度并加以显示和保存。 本设备采用自制控制中心，内部提供充电后备电池，使现场使用更方便，更 安全。该设备具有稳定、可靠的优点，适用于环境比较恶劣的野外施工现场( 防 水) ，保证整个设备和系统的正常运行。 2 ) 原理框图 本系统的张力测量仪原理如下图7 所示。 图7 张力测量仪原理框图 数据拷贝 数据通信 上海大学：1 二程硕士学位论文 3 ) 各部分的功能 工控机： 负责整个无线张力测量仪的控制和数据处理、传输，协调各部分工作。其 功能包括： 对来至张力测量装置的张力信号进行采集，并经过计算得到实际的张力 值； 通过数传电台每隔1 秒钟发送1 次张力的平均值，并接收无线计米器发 来的电缆敷设长度值； 通过液晶显示器显示张力的实时值，每秒的最大值、最小值和平均值， 电缆的敷设长度值，蓄电池电压值，报警信息，张力和长度的实时曲线，参数设 置等； 响应面板上的按键操作，进行相应的处理； 提供u s b 接口1 ，用于进行数据文件的拷贝； 内置1 个“r s 2 3 2 肘s b 转换器”，提供1 个虚拟的u s b 接口2 ，用于和数 据处理计算机相连，实现在计算机上实时显示张力和长度的各种曲线； 提供张力的实时值，每秒的最大值、最小值和平均值，电缆的敷设长度 值的数据记录。 信号采集单元： 提供和“张力测量装置”中传感器的电气接口电路和a d 采样电路，为工控机 提供可供采集的代表张力的信号。 液晶显示单元： 为工控机提供文本、数值、图形显示。 面板操作按键： 提供各种操作按键，由工控机完成相应的功能。 数传电台： 通过r s 2 3 2 接口和工控机相连，提供无线数据传输通道。数传电台用对讲 机加外置式1 9 2m o d e m 组成，为了使用方便，必须将对讲机的频道选择开关移 到操作面板上，另外在操作面板上增加t x d 、r x d 数据指示灯。 上海大学工程硕士学位论文 r s 2 3 2 转u s b 接口： 提供1 个虚拟的u s b 接口，用于和数据处理计算机相连，为在计算机上显 示张力和长度的曲线提供原始数据。 电源适配器： 为了降低整个设备机箱的电压等级，增加安全，因此外接一个“电源适配器”， 用于将交流2 2 0 v 电源电压转换为直流1 3 1 6 v 电压，提供给设备使用。 考虑到现场的使用环境，“电源适配器”必须保证防水。 电源处理单元、充电及电压检测单元、蓄电池： 将输入的直流1 3 - - - 1 6 v 电压经过处理输出各种所需的电压给其它工作单 元； 当有直流1 3 1 6 v 电压输入时，提供蓄电池的充电回路； 当没有外接1 3 1 6 v 电源时，通过蓄电池放电，提供各种工作电压输出； 提供蓄电池电压检测功能，并送至工控机进行显示； 蓄电池选用1 2 v 电压，容量需提供连续2 小时工作时间。 4 2 电缆长度测量仪的设计开发 1 ) 技术特点 电缆计米器用于“电力电缆敷设监控系统”中，对电缆的实时敷设长度进行 测量和显示，并通过无线数传电台传送至无线张力测量记录仪，同时可以接收无 线张力测量记录仪传送过来的张力值并加以显示。 本设备采用s i e m e n ss 7 2 0 0p l c 作为控制中心，内部提供可充电后备电 池，使现场使用更方便，更安全。该设备具有稳定、可靠的优点，适用于环境比 较恶劣的野外施工现场，保证了整个设备和系统的正常运行。 2 ) 原理框图如下图8 所示： cp u 莆l u 池 图8 电缆讨米器原珲框图 3 1 各部分的功能 压轮、编码器：如下圈9 所示 轮镕劫直架 剧9 压轮、编码器实物参考酗 h 自t * 一 编m 压轮的周长在4 0 e r a 芹右，不超过5 0 c m ，重量在5 公斤芹有，厚度应和 电缆的直径相配台， 编码器可以采辟】增量编码器，供电范围5 1 2 v d c ，输出信号娄型为电 胝型，精度6 0 0 线即口_ n 仇注意到引线的长度眦制，叮选用o m r o n 公司的相 上海大学工程硕士学位论文 关产品。 脉冲输入： 对编码器输出的脉冲信号进行处理，输出标准的5 v d c 脉冲信号给c p u 。 c p u ： 作为整个产品的核心部件，对其它部件进行管理和控制，包括： 对脉冲信号进行采集，脉冲信号的频率约为1 2 5 h z 。这是按照线速6 米 秒，压轮周长4 0 c m ，编码器6 0 0 线计算，然后换算成长度值，可精度到o 1 米； 驱动数码管显示长度值、张力值和比例系数； 响应操作按钮的动作，进行相应的处理； 通过r s 2 3 2 串口，和数传电台相连，接收来自“无线张力测量仪”的张力 数据，发送木地测得的电缆敷设长度数据。 数码显示： 可由2 排各4 个7 段数码管组成。 正常工作时，第1 排显示长度值，单位为米，则显示范围为0 0 0 0 , - - - 9 9 9 9 ( 米) ； 第2 排显示张力值，单位为1 0 n ，则显示范围为0 0 0 0 - - 5 0 0 0 ( i o n ) 。 设置比例系数时，第1 排显示原有的比例系数，第2 排显示新的比例系数。 操作按钮： 电源开关； 设置按钮：第一次按下，从工作状态进入比例系数修改状态，再按一下， 退出比例系数修改状态，回到工作状态； 上、下键：用于增、减新的比例系数； 电台频道选择开关：用于选择电台的工作频道。 数传电台： 采用无线数传电台进行无线通信，在操作面板上增加t x d 、r x d 数据指示 灯对应数据收发。 电源适配器： 为了降低整个设备机箱的电压等级，增加安全，因此外接一个“电源适配器”， 用于将交流2 2 0 v 电源电压转换为直流1 3 8 v 电压，提供给设备使用。考虑到现 场的使用环境，电源适配器必须保证防水。 2 5 上海大学工程硕士学位论文 7 1 5 ： 电源处理、蓄电池： 将输入的直流1 3 8 v 电压经过处理输出各种所需的电压给其它工作单 当有直流1 3 8 v 电压输入时，提供蓄电池的充电回路； 当没有外接1 3 8 v 电源时，通过蓄电池放电，提供各种工作电压输出； 提供蓄电池电压检测和指示功能，具有蓄电池低电压保护功能； 蓄电池选用1 2 v 电压，容量需提供连续2 小时工作时间。 4 3无线数据通讯的解决方案 由于本系统用于野外临时作业，没有固定的地点，因此比较适合采用 4 3 3 m h z 开放频段或4 6 0 m h z 移动通话频道。为了避免在实际使用中产生干扰， 可以提供多个频点。 考虑到整个系统对张力控制的时间要求，即必须将张力信号随时传送至计米 器，同时又要将电缆长度信号传送至计米器。因此，数传电台的选择上我们采用 了1 9 2 k p b s 的信道速率，整个数据传输的通信协议采用t d m a ( 时分多址) 方 式，可以有效的保证整个通信网络的时效性、稳定性和可靠性。 其中，无线数传组网方式如下： 轮循方式： 此方式为最为常用的数据采集和监控方式，即主站向要采集数据的站点发送 一个数据采集命令，相应的站点收到命令后回送一组主站所要的数据，然后主站 再采集下一个站点，循环反复。 对于本系统，采用1 9 2 k b p s 的无线数据传输速率，假设主站命令长度为2 0 个字节( 包括源地址、目的地址、命令代码、控制代码、等) ，从站应答的数据 也为2 0 个字节，考虑到数传电台的收发转换时间和电台的发射稳定时间，则主 站发送命令和从站响应数据的时间为l o o m s ，采集一个站点需2 0 0 m s 。 时分多址( t d m a ) 方式： 时分多址组网方式就是整个通信网络设置一个基准的时间长度( 时隙) ，若 干个时隙组成一个工作周期( 时周) ，在一个时周内，可以将不同的时隙分配给 不同的通信站点，每个通信站点只能在自己的时隙内发送数据，在其它时隙不能 上海大学工程硕士学位论文 发送数据，只能接收数据。 同样假设采用1 9 2 k b p s 的无线数据传输速率，主站命令长度为2 0 个字节( 包 括源地址、目的地址、命令代码、控制代码、等) ，从站应答的数据也为2 0 个字 节，考虑到数传电台的收发转换时间和电台的发射稳定时间，则主站发送命令和 从站响应数据的时间为l o o m s 。 4 4本章小结 本章节详细阐述了牵引力监控系统中张力测量装置的开发，电缆长度测量仪 的研制，无线数据通讯的实现，接下来将具体介绍此系统的主要功能以及使用方 法。 *学ihi 兜 学睦文 第五章系统功能及使用 51牵引力测量装置 1 ) 功能 牵引力测量装置用于“电力电缆牵引力监控系统”中，通过牵引铡丝绳对屯缆 的敷设牵引力进行实时测量，并通过张力传感器传送至张力测量仪。 2 ) 外观 见斟l o 所示，其中：张力传感器引线：导向定滑轮；定滑轮i 动 滑轮：避震弹簧：安装底板。 可哪鼍_ 4 ， r 奎连， 图1 0 张力测量装置 3 ) 使用| 兑明 将牵0 力测量装置周定在靠近卷扬机处的钢丝绳上，牵引力删量仪与牵0j 力 测量装越间通过信号电揽相琏。牵引电缆时，钢丝绳穿在2 个导向轮、2 个定滑 轮和一个动婿轮之间涓行当铡始绳的张山人小变化时，铡丝绳作片j 于动滑轮的 顶力大小发牛变化，使动滑轮对重量忙感器的作用力变化，因此重量传媾器的输 出电信号的大小间接的反应了钢丝绳的张力大小。 此装置中，2 个导向轮用于保证钢缝绳进入或滑出2 个定滑轮时处于水平位 上海大学工程硕士学位论文 置，同时保证了在定滑轮和动滑轮之间的钢丝绳和水平线之间的夹角在最佳范围 内，使钢丝绳的张力和对动滑轮的项力之间的比例关系保持稳定，有利于提高对 张力的测量精度。 5 2 t m r - 5 0 张力测量仪 1 ) 功能和技术指标 供电电源：外接交流2 2 0 v a c ，1 0 0 w ，内部锂电池浮充工作； 电池放电低电压自动保护关机功能； 内含无线数传电台，预置4 套频率和高低2 种发射功率( 1 w 3 w ) ，共8 个工作信道，信道数据传输速率1 1 5 2 0 0 b p s ； 被测电缆额定运行速度范围：5 1 0 米分钟； 张力测量精度：2 ，最小分辨率5 0 ( n ) ； 提供电缆敷设张力和长度值显示，显示范围如下： 张力值：0 - - , 5 0 0 0 0 ( n ) 电缆敷设长度：0 - - 9 9 9 9 ( 米) 提供供电状态：外部、内部： 提供多级供电电压：足、1 3 v 、1 2 5 v 、1 2 v 、1 1 5 v 、1 1 v 、不足； 提供通信状态：收、发、停止；