防内悬浮内拉线抱杆倾倒的监控系统研制

(国网福建省电力有限公司建设分公司袁福建福州350012)

黄明祥

摘要院内悬浮内拉线抱杆组塔工艺容易因倾角和拉力超限导致抱杆倾倒事故袁利用物联网技术研制一套抱杆倾角和拉线拉力监测系统袁以提高抱杆的可靠性遥以两轴倾角和应力传感器感知抱杆倾角和拉线拉力袁由ZigBee无线网络将数据传输至现场监测系统中袁并通过5G网络将现场数据传输到省公司安监系统遥该系统可实时掌握抱杆和拉线状态袁提高内悬浮内拉线施工安全性和效率遥

关键词院内悬浮内拉线曰抱杆曰监测系统曰状态信息曰安全性中图分类号院TN02

文献标识码院A

DOI院10.16157/j.issn.0258-7998.191324

中文引用格式院黄明祥.防内悬浮内拉线抱杆倾倒的监控系统研制[J].电子技术应用袁2020袁46(8)院117-120袁125.

英文引用格式院HuangMingxiang.Anti-dumpingsystemdesignofforceanddipangleforISIB[J].ApplicationofElectronicTech-nique袁2020袁46(8)院117-120袁125.

Anti-dumpingsystemdesignofforceanddipangleforISIB

(StateGridFujianElectricPowerCo.袁LTD.袁ConstructionBranch袁Fuzhou350012袁China)

Abstract院Sincetheangleandtheforceofthederrickareeasytoexcessthethreshold,innersuspension&innerbackstay(ISIB)forpowertoweralwaysresultinfall.Here,themonitoringsystemoftheangleandforceisdesignedbyinternedofthingstoim鄄provetheISIBsafety,includingperceptionlayerofangleandstressbyx-yaxistiltanglesensorandstresssensor,ZigBeewire鄄lessnetworktosendingthedatumtolocalmonitoringsystem,and5Gnetworktosendmonitoringdatumfrommonitoringsystemtoprovincialsafetymonitoringsystem.Thissystemcancheckthedipangleofthederrickandtheforceinrealtime,toimprovetheproductionsafetyandefficiencyofISIB.

Keywords院innersuspension&innerbackstay曰derrick曰monitoringsystem曰stateinformation曰safety

HuangMingxiang

0引言

内悬浮拉线抱杆组塔施工方法在电力铁塔建设中得到了广泛应用袁具有结构简单且经济实用等优点袁在山区环境中优势更明显[1]遥铁塔高度一般为几十米且呈空组塔难度袁容易造成抱杆倾倒意外遥例如2017年袁某施工单位在某依500kV直流输电铁塔组立过程中袁因拉线突然塑性变形袁致使抱杆倾倒袁造成了人员伤亡遥为提高内悬浮拉线技术施工方案的安全性和可靠性袁诸多科

内悬浮内拉线(InnerSuspension&InnerBackstay袁

套抱杆倾角和拉线拉力实时状态监测系统袁可掌握抱杆状态袁有助于提升ISIB工艺的可靠性和安全性袁具有很强工程实际应用价值遥该系统在福建某施工工地得到了试用袁在现场施工过程中袁地面指挥人员能够实时掌握协调袁提高了现场施工的安全性和效率遥

ISIB工艺的抱杆和拉线的实时状态信息袁方便现场指挥

梯形状袁铁塔高度越高导致拉线角度越小袁就增大了高

1ISIB结构分析

研工程人员对此展开了研究[2-7]遥

在抱杆上配上滑车组袁将铁塔构件吊到已装配好的铁塔

ISIB利用已安装好的铁塔当作支撑架袁来固定抱杆遥

上部吊装袁其机械结构如图1所示遥ISIB主要由控制绳尧吊件尧滑车组尧抱杆尧两侧4根拉线尧4根承托绳尧塔架尧牵引绳尧转向滑车尧机动绞磨等部件组成遥吊件布置在铁塔断面中心线位置袁与受力侧拉线的合力F在同一平面内曰抱杆布置在铁塔正轴心位置袁一部分抱杆插入铁塔里面袁大部分抱杆露在铁塔上面袁抱杆由8根钢丝绳牵引直立在铁塔内部袁底部4根钢丝绳为承托绳袁顶部4根为内拉绳袁抱杆拉线与铁塔断面对角线布置在同一垂

ISIB)工艺在使用过程中袁对拉线的松紧度调整尧抱杆倾信息[8]遥本文针对ISIB工艺袁引入物联网技术[9]袁研制一

角等阈值设置袁依然靠施工人员肉眼观测袁未对关键构件实现实时监测和参数信息化袁无法实时掌握抱杆状态

鄢基金项目院2020年国网福建省电力有限公司科技项目(52130T200001)叶电子技术应用曳2020年第46卷第8期

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计算机技术与应用ComputerTechnologyandItsApplications图3倾角检测模块硬件设计

图1ISIB结构图

直平面内遥抱杆倾角啄和4根拉线拉力P是关键因素袁对这些物理量需要实现实时监测袁A尧B尧C尧D为拉力传ISIB施工安全性遥

感模块袁E为倾角传感模块袁实现现场可视化施工袁提高

IEEE.802.15.4协议的工作信道袁采用广播模式实现多工覆盖区域袁达到高效可靠的数据传输遥

倾角检测模块软件设计如图4所示遥单片机初始化串口袁设置定时器工作方式及初值袁开放中断并设置优先级袁配置串口波特率为9600袁传感器启动工作袁单片

对一传输数据袁无线传输距离可达300m袁满足现场施

2抱杆状态监测物联网系统

2.1数据感知传输模块

将数据感知模块和局部无线传输模块集成为一个节点袁为数据感知传输模块袁如图2所示袁主要由传感器尧51单片机尧ZigBee尧天线等构成遥该模块工作基本原理为单片机发送指令启动传感器采集倾角和拉力数据袁单片机收集到倾角和拉力数据后袁由串口通信将传感器数据传输给ZigBee模块袁并启动ZigBee将数据发送给现

机按照串口通信协议接收数据并传输给无线收发模块DL-20袁启动DL-20模块袁由模拟串口通信接收数据遥

场监测系统遥

图2数据感知传输模块

2.1.1抱杆倾角检测模块设计

采集抱杆在空间任意方向的倾斜角度采用两轴倾角传感器袁型号为ZCT230M1-LTQ袁是上海直川电子科技有限公司的一款高精度尧低功耗的双轴倾角传感器袁在通信铁塔尧高压电塔等领域广泛应用遥倾角测量范围为-30毅耀+30毅袁分辨率为0.01毅袁满足抱杆倾角测量范围要求遥倾角检测模块硬件设计如图3所示遥倾角传感器采用RS485差分信号传输方式袁要使得单片机通过串MAX485接口芯片袁将RS485电平转换成单片机可接收口接收数据袁需要在传感器与单片机之间连接上

图4倾角检测模块软件设计

2.1.2抱杆拉力检测模块设计

拉力检测模块硬件设计如图5所示袁采用振弦式钢板应变计袁型号为VWS-10B遥要让应变计启动工作袁需采用扫频激振电路袁通过单片机和D/A转换芯片AD558产生一锯齿波电压信号袁送入函数加法器ICL8038袁函数发生器产生相应的标准频率的扫频方波袁通过方波来激励振弦传感器可靠起振遥传感器输出的频率信号经放大尧衰减尧整形及滤波电路后变成一个标准的TTL信号袁加在单片机的计数端袁完成频率检测曰温度信号经过A/D转换芯片TLC0832袁通过软件对转换芯片进行通道选择和输入端配置袁用一根线连接到单片机一个准双向口进行控制遥由采集到的频率信号和温度信号计算出抱杆拉力袁由无线收发模块完成数据传输遥

倾角检测模块软件设计如图6所示遥单片机开定时器通过I/O口输出数字信号袁经D/A转换袁启动传感器工作袁输出频率信号和温度信号遥获取锯齿波电压信号

的TTL电平信号袁而一般的51系列单片机只提供一个串口遥选择P1.1和P1.0两个引脚作为输入输出来模拟串口袁单片机接收到的数据通过模拟串口传输给局部无线收发模块袁局部无线传输模块采用ZigBee无线网络实现局部本地网络层设计袁实现与地面监测系统之间的数据通信遥ZigBee无线收发模块芯片型号为DL-20袁工作在2.4GHz耀2.45GHz的公用频道下袁将模块配置在符合

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计算机技术与应用ComputerTechnologyandItsApplications图5拉力检测模块硬件设计

图6拉力检测模块软件设计

起振传感器是软件设计的主要部分袁代码实现如下院

unsignedTMODfor(i=;i<=;i++)

=charx;i;{

//形成锯齿波}

delay();AD=i;

//D/A转换输出

2.2地面监测平台层设计

地面监测平台由一台计算机尧ZigBee无线模块和5G网络模块构成平台层袁实现无线接收传感器数据袁在计算机的数据监测系统软件中显示袁并且能够通过5G网络将现场施工实时数据传输到省安监中心遥地面监测平台层重点是由VC++开发编程开发的现场监测应用软件袁运行在计算机Windows操作环境中遥现场监测应用软件两个关键模块为院(1)监测人机交互界面曰(2)拉力和倾角阈值计算分析模块遥地面监测平台的工作流程图如图7所示遥应用软件开始时袁先进行铁塔及抱杆参数配置袁然后软件自动进行拉力与倾角阈值计算遥配置成功后袁启动感知节点进行数据采集袁当采集的数据大于阈值/安全(系数时袁系统发出II级报警提示曰当则阈袁值系统进/安全入系下一个数)伊80循%环数时袁据系采集统发监出测I采集的数据大于遥级报警提示;否2.2.1监测人机交互界面

ISIB由拉力VC与+倾+语角言监自测系统主开发袁包括数了数据据接监测收应尧用存软储件数袁据实尧上

现

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图7地面监测平台流程

传数据尧显示尧阈值计算等功能袁如图8所示遥应用软件中袁分别显示A尧B尧C尧D号拉力实时值袁以及拉线的水平夹角尧抱杆倾角等信息遥

图8监测软件人机界面

2.2.2拉力与倾角阈值计算分析

对图1所示立体图的吊件与受力侧拉线合力所形成的平面进行受力分析遥控制绳拉力为F袁其水平夹角为棕曰起吊绳拉力为T袁其竖直夹角为茁曰受力侧拉线合力为P受力袁使抱杆1底袁其部水位平置夹保角持为不琢1曰承托绳可调整各绳力为Sl袁左侧承受绳拉力合力吊件重力为G遥在已知吊件重力为变袁力为S右侧承托绳拉力合准曰牵引绳拉力为TzG曰抱杆重GG袁条1其袁件垂竖下直直袁倾夹分角角别为均为吊啄件曰

和抱(1)杆以进吊行件受为力受分力析研究遥

及吊件尺寸如图9所示遥

对象袁控制绳和起吊绳挂点以保持吊件垂直时袁控制绳静拉力F为院F=cos(sin棕茁+茁)G

(1)

式中院棕为水平角度袁茁为滑车组拉线垂直夹角遥

当吊件保持竖直时袁控制绳水平夹角为棕袁则求得茁为院

119

计算机技术与应用ComputerTechnologyandItsApplicationsP1之间的夹角为兹袁则受力侧单根绳所受拉力P为院

(6)P=2Tsin(茁+啄)+(2TG+G1)sin啄4cos兹cos(琢1+啄)当抱杆垂直时袁即啄=0袁则P1=Tsin茁/cos琢1袁P=Tsin茁/假设P1为受力侧两根拉线拉力P均匀合力袁且P与

式中院兹尧琢1可由啄表示遥

(2cos兹cos琢1)遥虽然P1和P减小了袁但抱杆垂直时袁吊件难

以保持垂直上升且容易刮碰铁塔底部遥当抱杆向吊件方向倾斜角度为啄袁抱杆长度为L袁且抱杆露出已组塔段的长度与插入已组塔段上平面的长度的比例为a/d袁铁塔截面边长为l袁如图10所示袁则式(6)中的兹和琢1分别为院

茁=arctan

式中院L1为控制绳离吊件底部距离袁L2为起吊绳离吊件底端距离袁b为吊件宽度遥

T=

cos棕Gcos(棕+茁)起吊滑车组所受拉力T为院

(3)

C=

sin2棕蓸2Lsin棕-2bb-4Lsinw+2bcosw蔀2

1

图9吊件挂点尺寸图

(2)

兹=arccos(式中院

琢1=arccos(l+2Lsin啄)

2C2C)姨4C2+l2(7)(8)

式中院浊撞为滑轮组综合效率系数袁浊撞=浊n窑n曰n为有效受力绳的股数曰浊为单滑轮的效率系数袁对于青铜轮套袁值取0.971遥

(2)以抱杆为研究对象袁由图10抱杆和起吊绳所在

TG=

牵引绳所受张力TG为院

cos棕Gcos(棕+茁)窑浊撞

(4)

姨LdLd(Ldtan啄+l)2+(L-)2+2L(Ldtan啄+l)(L-)sin啄a+d2(a+d)cos啄a+d2(a+d)cos啄(9)

与牵引力TG袁以及抱杆自重有关系袁也与抱杆倾角啄和

由式(5)和式(6)可看出袁P1和P与吊件产生的拉力T

抱杆露出与插入铁塔比值有关系遥由于在吊装过程中倾角会因受力不同而改变袁当优化好抱杆露出与插入比值后袁需要对抱杆倾角和拉线拉力进行实时监测袁全过程掌握倾角与拉力状态信息袁确保施工安全性遥

2.2.3远程5G通信

该地面监测平台系统可由5G通信将现场施工实时

杆重力遥

的平面对抱杆受力分析袁抱杆受力如图10所示袁G1为抱

数据上传到省电力公司基建管理信息系统和信息平台遥省电力公司基建管理部门尧省公司级单位和建设管理单位可利用该平台展开实时动态作业监督遥

3案例分析与验证

2222J1袁总高度为83m袁共分为13段袁第1段耀第4段为

福建某公司在建220kV线路工程中袁铁塔类型为

塔顶的横担部分袁第5段耀第13段为其塔身部分袁序号施工袁抱杆规格为300mm伊300mm伊16m袁即L=16m袁其重量G1=5.97kN曰抱杆承托钢丝绳规格为椎22伊18m曰受

图10抱杆受力分析图

1耀13从顶依次往下递增遥采用ISIB工艺对铁塔进行组塔

吊件重量G=14.7kN曰控制绳与水平夹角棕=45毅曰起吊绳拉线竖直夹角茁=10毅遥3.1拉力与倾角关系仿真分析

力侧拉线钢丝绳规格为椎13伊25m袁许用拉力Ps=98.7kN曰

当抱杆倾斜啄角度后袁处于平衡状态袁其横向尧纵向受力平衡袁对杆上任意一点的转矩也处平衡状态遥以抱杆底部为支点袁根据力矩平衡方程得到受力侧绳子所受合力P1为院

P1=2Tsin(茁+啄)+(2TG+G1)sin啄2cos(琢1+啄)(5)

倾角关系采用MATLAB仿真分析遥当比值a/d=7/3时袁

7.88m袁l11=10.02m袁l12=11.8m和l13=11.56m冤袁拉力与

对第10耀第13段铁塔组塔时渊铁塔边长分别为l10=

120

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(下转第125页)

嵌入式技术EmbeddedTechnology西南交通大学袁2011.

[6]朱中国超.科基于学院研究生院FPGA的SDI袁2010.

视频格式转化系统设计[D].长春院

作者简介院

(收稿日期院2020-04-10)

钱宏文(1975-)袁男袁本科袁研究员级高级工程师袁主要

(上接第120页)

40131230112010

1000

10

20

啄30

/(毅)

40

50

60

图11a/d=7/3时袁拉力P与倾角啄的关系

第10耀13段组塔抱杆啄对P影响如图11所示袁P随啄增大而增加曰铁塔越高时袁P/啄斜率与预应力将越大曰当啄15<15毅时袁拉力P<20kN遥第12a/d/1越袁7大/1袁袁13啄对/3袁P7影/3响时越袁啄大对袁P段袁当a/d分别为16/0袁即影P响/啄如斜图率12极剧所增示大袁比曰值当

a/d=7/3时袁P/啄斜率小且线性度好遥因此袁选取啄<15毅和a/d=7/3时袁P/啄斜率较小遥第10耀13段的拉线拉力P<20kN袁拉绳许用拉力为PPss/P抑5袁可保证使用安全性遥

=98.7kN袁则安全系数k=

120100aa/d=16/080a/a/dd=15/1=7/160a//dd=13/3=7/3

402000

10

20

啄/(30

毅)

40

50

60

图12a/d=16/0,15/1,7/1,13/3,7/3时袁P与啄的关系

3.2拉力与倾角监测系统应用

以第12段组塔为例袁当期望抱杆啄=10毅和a/d=7/3时袁吊件重量G=14.7kN袁由式(1)尧式(3)尧式(4)和式(6)分别得到控制绳静张力F=4.45kN袁起吊绳拉力T=

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研究方向院集成电路应用和微系统领域设计遥

王毅(1991-)袁男袁硕士袁工程师袁主要研究方向院图像处理尧DSP和FPGA应用等方面的数字硬件开发与研究遥

刘会(1988-)袁女袁硕士袁工程师袁主要研究方向院视频分析尧图像处理等相关方面的FPGA软件开发与设计遥

力18.12P=13.27kN袁牵引kN袁绳实际张力安T全G=9.61系数kkN=7袁袁受完力全侧满足单根设计绳所要受求拉

遥在图8中的应用监测平台软件中袁设置倾角阈值啄=15毅袁拉线许用应力为98.7kN遥在界面中实时显示4根拉线拉13.69力值kN和曰倾非受角力角侧度为遥5.45拉绳kN拉和力5.39袁受力kN侧曰倾为角13.75为10.6kN和拉力与倾角监测值与设计值非常接近袁满足工程需求遥毅遥

4结论

本文针对传统的ISIB抱杆系统进行信息化智能化改造袁基于物联网技术设计一套无线传输的抱杆倾角与拉力实时监测系统袁以提升ISIB施工工艺的安全性遥该系统已在福建某线路工地试用袁工程应用结果表明在确定了倾角和拉力的优化阈值后袁使用该系统可实时掌握倾角与拉力状态袁可更直观地指导ISIB施工工艺的抱杆调节设置袁提升该施工工艺的可靠性与效率遥参考文献

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与SWIFT结合的

作者简介院

(收稿日期院2019-12-04)

黄明祥(1971-)袁男袁本科袁高级工程师袁主要研究方向院

电网智能化建设策略与方法遥

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