基于PLC的导线自动压接控制

Conductor automatic crimping control based on PLC

摘要

传统的输电线路导线压接由人工完成，其压接精度及一致性难以保证。为此，设计一种输电线路导线自动压接控制系统，该系统以西门子S7-1200为控制器，以模糊PID为核心控制算法，应用博途平台系统管理语言（system control language，SCL）进行模糊比例-积分-微分控制（proportional-integral-derivative control，PID）算法的编程实现。设计的系统可通过上位机监控界面设定压接参数，实现滑台自动移动、导线自动压接、导线对边距自动测量等功能，并且可在监控界面查看系统运行过程中的实时变化曲线、当前变量值及压接状态。实验结果表明，设计的系统可自适应动态调整控制参数，实现对导线压接的精确控制，在提高压接精度的同时也降低了人工成本。

Abstract

Traditional transmission line wire crimping is done manually， and its crimping accuracy and consistency are difficult to ensure. To this end， an automatic crimping control system for transmission line conductors was designed， which took Siemens S7-1200 as the controller， took fuzzy PID as the core control algorithm， and applied the SCL language of Protherm platform for the programming and realization of fuzzy PID control algorithm. The designed system could set crimping parameters through the monitoring interface of the upper computer， realizing the functions of automatic movement of the slide table， automatic crimping of wires， automatic measurement of the distance between wires and edges， etc.， and the real-time change curves， the current variable values and the crimping status in the operation process of the system could be viewed in the monitoring interface. Experimental results show that the designed system can adaptively and dynamically adjust the control parameters to achieve precise control of wire crimping， improving crimping accuracy and reducing the labor costs.

Graphical abstract

关键词

输电线路 / 自动压接 / 可编程逻辑控制器 / 模糊PID / SCL语言

Key words

transmission line / automatic crimping / PLC / fuzzy PID / SCL language

在输变电工程中，导线压接工艺水平直接关系到电网运作的安全性、标准化及运行效率^［1］。传统的手工压接方法因劳动强度大、依赖操作者技术且一致性难以保证而逐渐被自动压接技术所替代^［2］。因此，实现导线的自动化压接是保证输电线路在电力系统中平稳运行的有效方式。国内外相关单位对输电导线压接的技术研究已取得很多研究成果，Weigelt等^［3］将机器学习算法应用于超声压接过程中，该方法利用机器学习算法来分析和预测超声压接过程中的复杂性。Jongwuttanaruk等^［4］通过响应面方法建立了压接过程的优化模型预测和优化压接过程的参数，从而实现最佳的压接质量。Ali等^［5］提出磁脉冲压接以提供更均匀的压力分布，减少金属线束之间的间隙，从而降低接触电阻和温升，改善了导线之间的连接质量。国内对导线压接技术也进行了大量的研究，薛光辉等^［6］采用直接驱动液压泵控制缸技术设计了一种电驱液压式大截面导线压接设备的速度控制系统，并通过仿真和试验验证了该系统的性能。白皓伟等^［7］提出一种具备导线压接功能的液压张力机设计方案，该方案在现有的液压张力机和液压系统上增加了一个增压系统，以实现现场导线的压接工作。武磊等^［8］设计了一套基于比例、积分、微分控制的恒压力压接的控制系统，提升了产品的合格率。

本文在传统输电线路压接技术的基础上，设计了一种以PLC为下位机，以人机交互监控界面为上位机的导线自动压接控制系统，实现导线的自动移动、自动压接及自动测量导线对边距等功能。为了实现导线的精确压接，本文提出基于博途平台SCL语言编写模糊PID控制算法，可自适应调整控制参数，有效降低超调量，保证输电导线的压接工作高质量完成。

1 输电线路自动压接系统硬件设计

设计的输电线路自动压接系统结构如图1所示。

系统由HMI触控系统、主控制器、自动压接模块、自动切线模块、自动剥线模块及执行部分组成。HMI触控系统实现显示参数变化曲线、当前压接状态及报警等功能。主控制器驱动电机执行导线压接、导线移动等动作并与上位机相互通信。自动移动导线模块通过滑台带动导线以模为单位进行移动；自动压接模块实现导线自动压接功能，自动测量导线对边距模块实现自动测量压接后的导线3组对边距的功能。主控制器采用西门子S7-1200系列的PLC。由于还需要测量现场的移动距离值、压接压力值、导线对边距值等模拟量，所以还需要组态1块8路模拟量输入模块。系统硬件连接如图2所示。

2 自动压接模糊PID控制算法设计

模糊PID算法在保持传统PID原有控制效果的同时，可根据误差及误差变化率自动调节PID参数，从而更有效地抑制误差、减少超调，实现在非线性及时变系统中的高效控制^［9］。通过Simulink环境建立控制系统，将模糊PID与普通PID仿真曲线进行对比，其比较结果如图3所示。

由图3对比可知，加入模糊PID控制过程比普通PID控制算法的响应速度更快，运行时间更短，且模糊PID几乎无超调量，保证系统稳定无抖动现象的发生。

设计的基于模糊PID控制的自动压接系统原理^［10］如图4所示。

在本系统中，设定值为r(t)，传感器检测当前值为c(t)，以误差e(r(t)-c(t))和相应的误差变化e_c(\mathrm{d}e/\mathrm{d}t)为输入变量，以修正量∆K_P、∆K_I、∆K_D为输出变量。传感器获取当前值，然后将此值与设定值比较得到误差和误差变化量，将误差和误差变化量的精确量进行模糊量化变成模糊量，用相应的模糊语言表示。此时根据模糊规则库将转换后的模糊语言进行模糊推理，最后将模糊量反模糊化，转换成精确量，得到在线修正的∆K_P、∆K_I、∆K_D，并将它们分别输入至控制器中。

本文采用重心法进行解模糊化，将模糊控制量中的元素和其对应的隶属度相乘并求和，再与对应的隶属度相除^［11］。计算公式如式（1）所示。

{\nu }_{\mathrm{0}}=\frac{{\displaystyle \sum _{k=\mathrm{1}}^m}{\nu }_k{\mu }_{\nu }\left({\nu }_k\right)}{{\displaystyle \sum _{k=\mathrm{1}}^m}{\mu }_{\nu }\left({\nu }_k\right)}（1）

式中：v_{\mathrm{0}}为反模糊化的精确值；v_k为模糊变量元素；{\mu }_v(v_k)为对应元素v_k的隶属度。

在输电线路自动压接系统中，最后计算出的K_P\mathrm{、}{K}_I\mathrm{、}{K}_D值是修正之后的，是由原来的K_{P\mathrm{0}}\mathrm{、}{K}_{I\mathrm{0}}\mathrm{、}{K}_{D\mathrm{0}}和修正值∆K_P、∆K_I、∆K_D相加求和而得，关系如式（2）所示。

\left\{\begin{array}{l}{K}_P=K_{P\mathrm{0}}+\mathrm{\Delta }{K}_P\\ K_I=K_{I\mathrm{0}}+\mathrm{\Delta }{K}_I\\ K_D=K_{D\mathrm{0}}+\mathrm{\Delta }{K}_D\end{array}\right.（2）

3 基于博途SCL语言的模糊PID算法实现

本文借助博途平台提供的SCL语言进行模糊PID的算法设计，该语言可使来自压力变送器的压力变量以编程语言的方式直接读取、调用及参与公式计算，具备循环、数组等高级语言编程的特点^［12］。

3.1 量化因子

传感器采集到的测量值与预设值之间的误差e及误差变化e_c在一定的数值区间内，在此引入误差及误差变化的量化因子，使误差e及误差变化e_c与模糊论域相映射^［13］。设误差的基本论域为［-x_e，x_e］，误差变化的基本论域为［-x_{e_c}，x_{e_c}］，误差变量所取得模糊子集的论域为［-n，-n+1，…，n-1，n］，误差变化变量所取得模糊子集的论域为［-m，-m+1，…，m-1，m］^［14］。误差的量化因子K_e及误差变化的量化因子K_{e_c}关系分别如式（3）、（4）所示。

K_e=\frac{n}{x_e}（3）

K_{e_c}=\frac{m}{x_{e_c}}（4）

3.2 隶属函数的确定

本次隶属度函数采用三角函数的形式，将确定的隶属函数曲线离散化，得到有限个点上的隶属度，构成了一个相应的模糊变量的模糊子集^［15］。三角形隶属函数参数计算关系如式（5）所示。

（5）

三角隶属度函数的输入参数（a、b、c分别代表3角形的3个顶点）在此采用结构类型变量存储，在PLC里定义数组变量，数组元素类型为结构类型变量，这样可以一次性遍历输出所有的三角隶属度值。由IF...ELSIF...ELSE...END_IF语句判断变量当前的隶属度。

3.3 模糊规则制定

在博途PLC控制器中，模糊规则采用2维数组的形式进行存储，在主程序中可调用并根据本模块进行下一步的模糊推理。K_P、K_I、K_D的模糊控制规则如表1-3所示。

将误差和误差变化两个变量进行模糊化处理，通过隶属度函数来计算误差及误差变化的隶属度，保存非零隶属度及其个数，将数组中的无效模糊子集的索引位置填充为0。

3.4 解模糊

在SCL语言中采用重心法进行解模糊，求得修正值∆K_P、∆K_I、∆K_D，并将修正值与初始值相加求和得到模糊化后新的K_P、K_I、K_D值^［16］。为了减少控制过程中的超调现象，同时加快系统的响应速度，在模糊PID运算结果基础上再次进行增量型PID控制运算，使压力更加接近设定值^［17］。

在系统运行过程中，k-\mathrm{1}时刻的控制量为u\left(k-\mathrm{1}\right)，如式（6）所示。

u\left(k-\mathrm{1}\right)=K_{P}e\left(k-\mathrm{1}\right)+K_I{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{0}}^{k-\mathrm{1}}}e\left(i\right)+K_D\left(e\left(k-\mathrm{1}\right)-e\left(k-\mathrm{2}\right)\right) （6）

k时刻的控制量为u\left(k\right)，如式（7）所示。

u\left(k\right)=K_{P}e\left(k\right)+K_I{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{0}}^k}e\left(i\right)+K_D\left(e\left(k\right)-e\left(k-\mathrm{1}\right)\right)（7）

求取其单位增量\mathrm{\Delta }u\left(k\right)，如式（8）所示。

\mathrm{\Delta }u\left(k\right)=u\left(k\right)-u\left(k-\mathrm{1}\right) （8）

最终整理求得\mathrm{\Delta }u\left(k\right)，如式（9）所示。

\mathrm{\Delta }u\left(k\right)=K_P\left(e\left(k\right)-e\left(k-\mathrm{1}\right)\right)+K_{I}e\left(k\right)+K_D\left(e\left(k\right)-\mathrm{2}e\left(k-\mathrm{1}\right)+e\left(k-\mathrm{2}\right)\right) （9）

求得最终输出，如式（10）所示。

\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}=\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}+\mathrm{\Delta }u\left(k\right) （10）

根据上述模糊结论，采用SCL语言的形式求解输出变量的具体数值。

3.5 模糊PID算法的模块封装

根据上述分析，在博途平台中构建FB函数块，将模糊PID的推理过程以SCL语言的形式写入，将该程序封装成块，放至OB30函数块（循环中断块）中方便调用，模糊PID模块如图5所示。

4 输电线路自动压接系统实验结果

输电线路自动压接系统的监控界面可显示当前压接导线压力值、压接时间、导线对边距、压接次数、滑台移动距离值、滑台当前移动时间及压接状态。HMI视图如图6所示。

PID调试分预调节和精确调节两种模式，在预调节过程中初始移动距离值为0 mm，压力值为0 MPa，对边距为72 mm。随着压接工作的进行，滑台移动距离逐渐达到预设值50 mm，压接压力值逐渐达到80 MPa，导线对边距逐渐减小至40 mm，分别如图7a—7c所示。预调节完成后，启用精确调节模式，使移动距离值、压力值、对边距值更加接近设定值，分别如图7d—7f所示。

5 结论

本文下位机采用S7-1200控制器，上位机采用HMI进行人机交互，实现自动切线、自动剥线、自动移动导线、自动压接导线、自动测量导线对边距等功能。在博途平台中实现对导线压接的模糊PID控制，可根据系统运行中的反馈动态调整控制策略，相比于传统PID，提高了导线压接精度、缩短了压接时间，为输变电工程提供了必要的技术支持。

参考文献

[1] 王津宇，李哲，梁允，等.计及气象因素的输电线路安全性评估［J］.电力科学与技术学报，2023，38（1）：210-217.

[2] 王志浩，王文超，赵学周，等.新型导地线压接平台的研制［J］.农村电气化，2022（5）：82-86.

[3] Weigelt M， Mayr A， Seefried J，et al.Conceptual design of an intelligent ultrasonic crimping process using machine learning algorithms［J］.Procedia Ma-nufacturing，2018，17：78-85.

[4] Jongwuttanaruk K， Thavornwat C.Optimization of mechanical crimping in the terminal crimping process using a response surface methodology［J］.Advances in Materials Science and Engineering，2022，2022（1）：6508289.

[5] Ali N， Sharma S K， Chebolu R，et al.Experimental investigations on magnetic pulse crimping of copper lug［J］.Engineering Research Express，2023，5（1）：015055.

[6] 薛光辉，柴敬轩，张军，等.电驱液压式大截面导线压接设备自动化研究［J］.锻压技术，2020，45（2）：137-144.

[7] 白皓伟，翟宗亮，李和森，等.一种具备导线压接功能的液压张力机设计［J］.机械研究与应用，2023，36（4）：94-97.

[8] 武磊，刘蜜，刘林琳，等.基于PID控制的恒压模式压接技术研究［J］.航天标准化，2024（1）：53-57.

[9] 荆建立，王艳春，朱永庆.无刷直流电机模糊参数自适应PID控制［J］.控制工程，2018，25（5）：915-919.

[10] 符鹏，王剑强，王大龙，等.电液伺服控制柱塞泵转速干扰及控制策略研究［J］.控制工程，2024，31（5）：891-900.

[11] 王子含.基于模糊PID水下航行器运动控制研究［D］.青岛：青岛科技大学，2021.

[12] 张文婷.基于SCL语言的天线转台伺服控制软件设计［J］.工业控制计算机，2023，36（9）：97，100.

[13] 赵欣，彭章君，刘昱博，等.一种量化因子改进型的模糊自适应PID控制算法［J］.兵工自动化，2024，43（6）：27-30，48.

[14] 牟如强，陈春俊.基于模糊PID的高速列车横向振动控制研究［J］.机械设计与研究，2023，39（5）：158-165，171.

[15] 朱春华，黄奎，刘海秋，等.基于模糊三角分布隶属函数的脱硝装备状态评价［J］.能源与环境，2019（3）：14-15，18.

[16] 陈星，曹太强，邓元果.基于改进跟踪微分器与前馈的模糊自适应PID控制［J］.控制工程，2024，31（3）：553-559.

[17] 付锐，郑宗华.基于相位同步增量式PID的气压制动器优化控制方法［J］.机械设计与研究，2023，39（3）：206-209.

基金资助

教育部春晖计划(HZKY20220431)