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采用PLC和HMI实现地下电缆的自动化铺设
摘要：地下电缆铺设是架空铺设电信和电力传输线的一种替代方式。近几年来，由于城市化的发展使它变得非常流行。它比架空电缆铺相比，缺点为这种类型的电缆铺设方式主要在发达国家实施，因为它比架空电缆铺设造价昂贵。优点是地下电缆敷设在城市化高度发展的情况下，城市土地寸土寸金，使用传统架空铺设电缆的方式，高压线塔占用土地面积太大，成本太高。且出于安全因素的考量，架空铺设线缆的方式有电缆掉落伤人的风险。且城市建筑高度多数太高，给电缆铺设带来了困难。所以，地下铺设线缆的方式在没有土地的情况下更适宜，也一定程度上增加了美学。本文实现了电缆的自动化铺设，采用可编程控制器(PLC)控制的起货机、绞车机器用于地下电缆的敷设。该项目的主要目的是取代所有的
机械功能与电子控制，通过触摸屏操作(HMI)。这个方法是机器应该在并联电路和串联电路之间根据压力感应自动转换而不是手动操作电磁阀转换。
传统的发动机使用杠杆制动器的节流方法正在被传感器感应到外界参数后通过线缆传输的线性制动器所取代。如压力和负载传感器将感应到的数据输入到这个系统。所使用的人机界面将显示正在缠绕的绳子的速度、长度和张力。
采用梯形逻辑对PLC进行编程。
关键词：电缆铺设设备、液压回路、PLC、HMI、自动化和产品开发。
1、工业自动化现状：
工业自动化已成为全球制造业的发展趋势，并取得了巨大的成功日本和欧洲的工业生产，越来越多的公司正在转向自动化。自动化有能力使机器智能，程序员希望他们是至少是智能的。要使机器自动化，需要某种大脑本例中为PLC。在PLC的帮助下，一台机器可以处理很多使人类的感到困扰的过程。不管这个过程是太快、太慢、太小、太大、太冷、太热还是太危险，对人类来说都很难处理，而自动化机器就是解决这种困扰的方案。
1.1．Jonathon C.Ralston已经开发了长壁自动化技术，并实现了更大程度的地下采煤性能。
1.2．为了提高系统的安全性和生产率，JanneKoivumaki进行了研究复杂液压结构的高性能非线性运动与通过力传感器控制的自动化起重机。
1.3．M.Allain对液压挖掘机混合共享控制进行了研究。自动控制可以比人类更有效地执行一些准重复性的施工任务。这种二分法引起了人们对共享控制(SC)的兴趣。机器自动控制和手动控制的优点。一个特别有趣的例子，非结构化环境的SC称为混合共享控制(BSC)，其中包含加权的输入由人工操作员和自主控制器连续地组合在一起执行一项任务。
1.4．A.V.Averchenkov对生产自动化容积式液压工程制备执行器的一个小公司进行了研究。
1.5．A.Selwin MichPriyadharson已经实现了通过可编程逻辑控制器--基于HMI自动化的串级模糊PID实时节能管理与存储抽水蓄能电站的时间特性。
1.6、G.Prinsloo使用了可编程逻辑控制器优化碳足迹的太阳能发电系统自动化控制策略。
1.7．在工业4.0环境下，机械和工厂自动化领域对确保制造设施的适应性的需求日益增加。针对基于PLC的工业4.0自动化制造系统的现场级操作策略，ChristophLegat,提出了一种可配置的部分订单计划方法。
1.8．Agostino描述了一种使用层次控制的自动化方案，以及使用PLC分配信息的操作。
1.9．LauraGrouml;hn介绍了在六个可编程自动化控制器的无线通信网络上开发分散控制的分布式工厂自动化系统模型升级的实例。其主要特点是操作系统简单，安全可靠，效率高，响应时间短，减少了劳动强度。自动化最重要的优点是准确，时间更短，几乎没有误差。
2、拉缆绞车简介
在过去的几十年里，阿联酋埃尔菲特阿拉伯公司是中东地区领先的电缆铺设设备制造商和供应商之一。电缆敷设设备包括滚筒、卷扬机、电缆卷筒拖车和更多电缆敷设附件，如下图所示。
A
D
B
C
图2-1 电缆铺设设备
（A.卷扬机 B. 电缆卷筒拖车 C.卷筒 D. 电缆敷设附件）
压路机、拖车和卷扬机是井下电缆铺设工艺最重要的设备。
使用卷扬机牵引电缆时，使用卷轴避免摩擦，从而使电缆不会受到任何伤害，它是一种引导和保护电缆的解决方案。
电缆卷筒拖车用于将电缆卷筒从仓库运输至现场。
电缆牵引绞车是一种用于电缆铺设的地下电缆敷设设备地下通信和电力电缆。
下图说明了使用卷筒、拖车和绞盘机铺设电缆的过程。
绞 盘 机
拖 车
卷 筒
电 缆
图2-2 地下电缆敷设工艺的简易布
卷扬机是由电动机或热机驱动的液压机。图2-3是缆绳牵引绞车的线路图。图中红线代表机械连接，绿色线表示液压连接，平行线表示动力传输。
发动机是液压系统的主要动力源，发动机与液压单元泵相连。发动机中产生的机械动力被输送到泵中，并转化为液压动力。来自泵的液压动力被传输到马达，用于旋转与之相连的绞盘和卷筒。
马 达
马 达
卷筒
绞 盘
线缆
线缆
线缆
水平提升
机构
液压泵
一：机械连接
一：液压连接
==：动力输出
图2-3缆绳牵引绞车线路图
发动机
图2-4 线缆缠绕示意图
（a.水平卷扬机 b.绞盘 c.卷筒 d. 鼓式电动机 e.绞盘马达）
图2-4是金属绳如何连接绞盘、水平缠绕机构和卷筒的详细说明。金属绳进入绞盘，绞盘上有伤口，然后从绞盘上存在，进入水平卷绕机构，然后进入卷筒。鼓是用来存放绳子的。绞盘用于拉紧绳索，水平缠绕机构将绳索从绞盘引导至卷筒。
缆绳牵引绞车的主要操作有两种，即拉入和拉出。在拉入操作中，绳索被拉入系统。绞盘和滚筒顺时针旋转。绳子被拉进机器里。拉入操作如图5所示：
图2-5 拉入示意图
在拉出操作中，绳索被拉出机器。这里绞盘和滚筒反方向旋转-顺时针方向。绳子被推出机器。拔出操作如图2-6所示：
图2-6 拉出示意图
图2-7表示手动机器的液压回路。它是一个闭环电路，虚线框内的电路是双向变量闭环泵。A 4/3常闭
图中（1）所示的方向控制阀用于改变泵流量的方向，流量控制阀用于控制泵的先导压力。位移泵与先导压力成正比。采用三台相同容量的固定式双向电动机，一台用于滚筒，两台用于顶石。假设附在卷筒上的电动机称为卷筒电动机，与绞盘相连的电动机称为绞盘电动机。两个4/2方向控制阀布置在绞盘电机之间，以并联或串联方式连接绞盘电机。在并联中，第一马达的输入连接到第二马达的输入，并且第一马达的输出连接到第二马达的输出。一个电机的串联输入与另一个电机的输出相连。
绞车自动化研发的主要动力是机器的安全性、生产率和效率高。
（1）：4/3方向控制阀
（2）、（3）：4/2方向控制阀
（4）：绞盘马达
（5）：鼓式电动机
图2-7 手动机器的液压回路
3、绞车自动化
在将要自动化的新液压回路（如图3-1所示）中，所有手动操作的阀门都将替换为电控电磁阀。4/3手动控制阀替换为4/3电比例阀。4/2手动方向控制阀改为4/2电控阀用于调整发动机转速的油门杆被线性执行器取代。所有的控制都是使用可编程控制器和人机界面控制。使用人机界面，可以打开和关闭机器，拉入和拔出，可控制电路的串并联切换。使用来自传感器的信息，可编程逻辑控制器计算被拉绳的速度、长度和张力在HMI屏幕上显示。为了使机器自动化，可编程逻辑控制器的编程方式是机器在串联和并联感应系统中的压力。使用以下方法实现自动化组件。
图3-1 自动化控制液压回路
（1）：4/3方向控制阀
（2）、（3）：4/2方向控制阀
（4）：绞盘马达
（5）：鼓式电动机
3.1、PLC实现
随着自动化需求的显著增加，控制系统需要易于编程，灵活、可靠、稳健且具有成本效益[11]。可编程控制器是一种工业用的电脑。这台数字计算机被设计成能在恶劣的环境下可靠地工作
极端炎热或寒冷的温度、多尘和潮湿的条件以及强烈的回响。可编程逻辑控制器的功能已经扩展到包括顺序继电器控制，运动控制，过程控制和网络。某些现代PLC的加工潜力电源、存储、数据处理和通信技能大致相当于台式计算机。本绞车自动化工程中PLC的编程语言为梯形逻辑。可编程逻辑控制器与数字和模拟输入和输出一起工作。图3-2解释了不同的组件连接到可编程逻辑控制器。
速度
距离传感器
长度和张力
拉入
电磁阀
拉出
测压传感器
负载
PLC
人机界面
5吨
电磁阀
2.5吨
自动切换
压力传感器
打印机
节流阀控制器
线性驱动器
图3-2 不同组件与PLC的连接方式
3.2、HMI
工业世界中的人机界面是人与机器之间进行通信的手段。人机界面（HMI）的最新发展在性能、灵活性和开放性方面带来了显著的进步。人机界面的主要目的是实现对机器的简单控制和过程信息的显示。人机界面的设计应该是用户友好的，自解释的和生产性的，以这样的方式操作机器，使其产生预期的结果，这意味着对机器的输入应该是最小的。在我们的项目中，用户界面是一个触摸屏，附接在可编程逻辑控制器上。下面的图3-3显示了HMI显示。
图3-3 HMI显示
3.3、测压传感器
称重传感器是一种传感器，当施加力时，它会产生电信号。最多的常用的称重传感器是应变计。当力作用在单元上时，它使应变计变形。
这个应变被测量为电阻的变化。在惠斯通电桥结构中，称重传感器通常由四个应变计组成。当来自称重传感器的电信号以毫伏为单位时，必须放大称重传感器的输出。放大的输出必须按比例缩放以计算施加在称重传感器上的力。称重传感器有四根电线，颜色分别为红色、黑色、白色和绿色，应分别连接到称重传感器放大器的励磁 、励磁-、信号 和信号-。放大器的输出为0-20毫安，由12伏直流电源供电。图3-4说明了称重传感器与放大器和可编程逻辑控制器的连接。
图3-4 称重传感器与放大器和可编程逻辑控制器的连接
3.4、距离传感器
距离传感器的关键功能是在不接触物体的情况下检测物体的存在。与更精密的传感器相比，距离传感器具有以下优点：具有较低的成本和较低的能耗，但也存在着广泛的接近传感器精度较低的缺点数字感应距离传感器用于机器。感应式接近传感器用于检测金属的存在。由于它是一个数字传感器，它只有两种状态-开/关，检测物体的存在或不存在。在我们的系统中，接近传感器被用来计算机器的卷绕速度。这反过来计算绳子的长度。此传感器连接到可编程逻辑控制器的数字I/O。传感器的 24VDC连接到PLC的 24VDC和电源的 VE，传感器的输出连接到PLC的输入端。距离传感器与可编程逻辑控制器的连接如图3-5所示：
图3-5 距离传感器与可编程逻辑控制器的连接
3.5、直线驱动器
电动直线驱动器将低压直流电动机的旋转运动转化为直线推拉运动。电动线性执行机构允许机器的操作人员进行特殊的控制选择，以获得更高的效率、安全性和可持续性。执行机构允许更符合人体工程学的控制设置，以减少操作员疲劳和更灵敏的操作。当线性执行器与电子控制装置连接时，可实现自动速度调节、更低的燃油消耗和更好的噪音管理，减少停机时间和操作员疲劳。最终的结果是，非公路设备车辆制造商能够提供具有竞争优势的更好的产品。在我们的系统中，线性执行器与油门相连，以控制绞盘机的发动机转速。通过将执行器与两个继电器连接，可以改变执行器的极性，从而实现执行器的前后运动。
3.6、电磁阀
电磁阀是一种机电驱动阀，用于控制液体和气体的流动，用于关闭、分配或混合气体或液体的流动。电磁阀的明确用途是由其电路功能决定的。2/2通阀包含两个端口（入口和出口），只有两个位置（打开或关闭）。2/2阀门可以是“常闭”（断电状态下关闭）或“常开”（断电状态下打开）。3/2阀包含三个端口和两个位置，因此可以在两个电路之间切换。3/2通阀门可以具有不同的功能，如通用、分流、常闭和常开。
3.7、压力传感器
它们也被称为压力传感器或压力变送器。压力传感器测量并给出相应的模拟电信号作为输出。从模拟到数字PLC中的转换器将输入的模拟信号转换成HMI上显示的数字屏幕。图3-6显示了压力传感器与可编程逻辑控制器的连接。
图3-6 压力传感器与可编程逻辑控制器的连接
4、逻辑语言
为了实现绞车的自动化，用于编程的语言是梯形图或通常称为梯形逻辑。这个名字是基于这个语言的程序类似于梯子，有两个垂直的栏杆和一系列的水平横档。由于可编程序控制器是为了取代继电器逻辑控制系统而开发的，最初语言与用来记录中继逻辑的图表非常相似。梯形图中的横档包含程序语句。程序语句基本上是一个条件或一组条件（输入）。这些条件中的每一个都有一个与之相关联的动作（输出），如果条件得
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