一種大規(guī)模智能電能表全自動檢定系統(tǒng)設計

黃奇峰，蔡奇新，劉 建

(江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

目前已經(jīng)建設的電能表全自動檢定系統(tǒng)大都屬于試驗性質(zhì)，規(guī)模較小[1-3]。根據(jù)江蘇省年檢800萬只智能電能表的需要，正在建設的超大規(guī)模智能電能表全自動檢定系統(tǒng)，其規(guī)劃的倉儲、搬運規(guī)模和每天檢定的計量器具數(shù)量都將是國內(nèi)最大，且沒有可以完全照搬的成熟經(jīng)驗和方案，迫切需要研究適合如此大規(guī)模的電能表全自動檢定建設方法。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 工藝流程設計

一種高效的系統(tǒng)組建方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

完整的一次電能表檢測過程。

（1）檢定出庫：倉儲中的電能表整垛經(jīng)輸送線輸送到下垛站臺；

（2）待檢表搬運：AGV將電能表垛從下垛站臺搬運到轉(zhuǎn)接臺；

（3）機器人掛表：機器人取轉(zhuǎn)接臺上的電能表，自動分解電能表垛，掃描識別電能表并將其掛在檢測裝置上（簡稱掛表）；

（4）檢測裝置檢測：掛表結(jié)束，檢測裝置自動執(zhí)行耐壓試驗、功能和誤差檢測；

（5）機器人下表：檢測結(jié)束，機器人將電能表摘下，裝箱、組垛，放回轉(zhuǎn)接臺（簡稱下表）；

（6）已檢表搬運：AGV將轉(zhuǎn)接臺上檢測過的電能表垛搬運到上垛站臺；

（7）檢測支線：上垛站臺的電能表垛經(jīng)輸送線輸送，基于流水線模式，完成拆垛、拆箱、外觀檢查、分揀、封印、組箱、組垛等操作；

（8）檢定入庫：合格的電能表整垛由輸送線送回庫房。

基于效率和成本的平衡考慮，每個檢測裝置固定對應若干個轉(zhuǎn)接臺，一臺機器人負責多個檢測裝置的掛、下表。

1.2 控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)

根據(jù)SOA的軟件架構(gòu)原則，控制系統(tǒng)軟件的架構(gòu)設計如圖2所示。

圖2 軟件架構(gòu)

圖2中，生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)是系統(tǒng)的上級生產(chǎn)管理系統(tǒng)，向系統(tǒng)下發(fā)檢定任務；運營監(jiān)控系統(tǒng)集中監(jiān)控系統(tǒng)的運行。

綜合調(diào)度控制子系統(tǒng)：系統(tǒng)調(diào)度控制和通信的中心，主要功能包括接收和管理檢定任務；協(xié)調(diào)自動化倉儲系統(tǒng)、設備與裝置調(diào)度控制系統(tǒng)，調(diào)度、控制檢定任務的執(zhí)行；管理系統(tǒng)間的通信，中轉(zhuǎn)系統(tǒng)間的通信信息；監(jiān)測設備與裝置工況及檢定任務執(zhí)行情況，進行故障調(diào)度等。

自動化倉儲系統(tǒng)：電能表立體庫管理系統(tǒng)，與系統(tǒng)的主要交互是接收和執(zhí)行檢定出庫、入庫任務。

搬運調(diào)度控制子系統(tǒng)：調(diào)度、控制AGV完成電能表的搬運，主要功能包括集中管理、監(jiān)控AGV及其運行；接收和管理搬運任務；調(diào)度、控制AGV執(zhí)行搬運任務等。

掛下表調(diào)度控制子系統(tǒng)：調(diào)度、控制機器人完成電能表的掛表和下表，主要功能包括集中管理、監(jiān)控機器人及其運行；接收和管理掛下表任務；調(diào)度、控制機器人執(zhí)行掛表和下表任務等。

集中檢定子系統(tǒng)：調(diào)度、控制檢測裝置完成檢測，主要功能包括集中管理和監(jiān)控檢測裝置及其運行；接收和管理檢測任務；調(diào)度、控制檢測裝置執(zhí)行檢測任務；集中管理檢定結(jié)果等。

支線調(diào)度控制子系統(tǒng)：調(diào)度、控制檢測支線完成外觀檢查、分揀、封印等操作，監(jiān)控裝置運行工況，向綜合調(diào)度控制子系統(tǒng)上傳檢測結(jié)果。

1.3 通信規(guī)約設計原則

由于相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)較多，通信規(guī)約設計既要考慮簡化實現(xiàn)和維護，同時也要考慮到后期系統(tǒng)出現(xiàn)功能變化需要擴展或修改接口時，接口變化影響的范圍最小。本文所有設備或裝置調(diào)度控制子系統(tǒng)僅與綜合調(diào)度控制子系統(tǒng)通信，通過在綜合調(diào)度控制子系統(tǒng)配置信息的轉(zhuǎn)發(fā)通道實現(xiàn)各個系統(tǒng)的信息互通，簡化系統(tǒng)之間的通信，方便開發(fā)和管理。接口通信基于Web Service協(xié)議，基于XML格式組織內(nèi)容，方便接口的后續(xù)調(diào)整。

2 檢定任務自動執(zhí)行過程探討

2.1 設計思路

由于檢定生產(chǎn)作業(yè)需要根據(jù)江蘇省用表需求不斷作出調(diào)整，系統(tǒng)投運后應支持靈活的檢定任務安排。另外，考慮到節(jié)能、高效等系統(tǒng)建設要求，靈活的檢定任務調(diào)度策略應滿足下列調(diào)度需要。全自動檢定：在沒有人工參與的情況下，系統(tǒng)正常運行時應能調(diào)度多個類型不同規(guī)格計量設備的檢定任務同時執(zhí)行。

優(yōu)先級調(diào)度：支持緊急的檢定任務優(yōu)先執(zhí)行，隨機到達的不同優(yōu)先級檢定任務能并行執(zhí)行。

隨機調(diào)度：支持手工設定特定的檢定任務在特定的某些檢測裝置上執(zhí)行檢測，且不影響其他檢定任務的調(diào)度執(zhí)行。

故障調(diào)度：出現(xiàn)部分裝置或設備故障時，正常運行的裝置或設備的任務調(diào)度不受影響。

時間最優(yōu)：特定任務量下，完成這些檢定任務所用時間最短。

檢測裝置利用率最優(yōu)：檢測裝置的檢測時間與檢測裝置的總運行時間比值最大。

設備與裝置整體利用率最優(yōu)：設備與裝置執(zhí)行檢定任務所用的時間與總運行時間的比值最大。

自適應調(diào)度：系統(tǒng)能自動根據(jù)當前檢定任務量的大小，啟動、調(diào)度、控制合理數(shù)量設備或裝置，按調(diào)度人員設定的目標，完成檢定任務。

2.2 檢定任務自動化執(zhí)行過程設計

通過各個系統(tǒng)協(xié)調(diào)、配合，能滿足上述主要調(diào)度設計要求的一種檢定任務自動化執(zhí)行過程如下。

2.2.1 綜合調(diào)度控制子系統(tǒng)

（1）維護資源信息同步：與設備和裝置調(diào)度控制子系統(tǒng)交互，維護所有設備和裝置狀態(tài)數(shù)據(jù)同步。當監(jiān)測到設備或裝置出現(xiàn)異常信息時，觸發(fā)故障調(diào)度。

（2）生成待檢表緩存位：掃描正常狀態(tài)的檢測裝置，如果存在能為該檢測裝置掛、下表的能正常運行的機器人，且根據(jù)轉(zhuǎn)接臺的使用規(guī)則有一個能為該檢測裝置存放待檢表的轉(zhuǎn)接臺，且經(jīng)過該轉(zhuǎn)接臺的AGV導航環(huán)路可以正常使用，則該檢測裝置對應的這個轉(zhuǎn)接臺就是一個待檢表緩存位。

（3）生成待檢表緩存位優(yōu)先級隊列：根據(jù)經(jīng)過待檢表緩存位對應轉(zhuǎn)接臺的AGV環(huán)路長度和站臺到該轉(zhuǎn)接臺的距離生成待檢表緩存位優(yōu)先級隊列。較短AGV環(huán)路上距離站臺較遠的轉(zhuǎn)接臺對應的待檢表緩存位有較高優(yōu)先級。待檢表緩存位根據(jù)其對應檢測裝置可以檢測的電能表類型、規(guī)格劃分為不同隊列。

（4）任務接收與核查：接收到檢定任務后，判斷任務是否可以執(zhí)行，向調(diào)度人員反饋可執(zhí)行情況信息。

（5）任務優(yōu)先級調(diào)度：檢定任務根據(jù)緊急程度分為3個優(yōu)先級。通過查詢倉儲系統(tǒng)，找到了檢定任務對應的所有垛信息，將檢定任務分解為這些垛的檢定任務——垛任務。垛任務使用與檢定任務同樣的優(yōu)先級。所有相同類型、規(guī)格的電能表垛任務排入一個優(yōu)先級隊列。系統(tǒng)調(diào)度時候，高優(yōu)先級的垛任務優(yōu)先出隊列，對應電能表類型、規(guī)格的高優(yōu)先級待檢表緩存位出隊列，根據(jù)該垛任務和待檢表緩存位信息生成各個系統(tǒng)的任務。

（6）各個系統(tǒng)任務的生成與下發(fā)：各個系統(tǒng)的任務包括檢定出庫任務、搬運任務、掛表任務、檢測任務、下表任務、入庫任務等。根據(jù)垛任務及要表請求信息，綜合調(diào)度控制子系統(tǒng)一次生成所有上述任務，并將其發(fā)給對應的具體執(zhí)行系統(tǒng)。

（7）故障調(diào)度：建立故障調(diào)度列表，預置不同故障類型調(diào)度處理器。當有故障發(fā)生時，系統(tǒng)通知對應類型的處理器執(zhí)行預置的故障調(diào)度處理方法。

2.2.2 搬運調(diào)度控制子系統(tǒng)

搬運任務分站臺到轉(zhuǎn)接臺、轉(zhuǎn)接臺到轉(zhuǎn)接臺、轉(zhuǎn)接臺到站臺等。搬運調(diào)度控制子系統(tǒng)監(jiān)測所有搬運任務的搬運起點，當發(fā)現(xiàn)有下垛站臺或起點轉(zhuǎn)接臺不為空，則查找對應電能表垛的搬運任務。如果核對垛信息相符，則將該任務放入可執(zhí)行搬運任務隊列，等待調(diào)度AGV執(zhí)行。

2.2.3 掛下表調(diào)度控制子系統(tǒng)

掛下表調(diào)度控制子系統(tǒng)監(jiān)測所有掛、下表任務對應的機器人、轉(zhuǎn)接臺。如果檢測裝置處于空閑狀態(tài)且關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)接臺上有待檢表垛，系統(tǒng)查找該垛對應的掛表任務，核對垛信息無誤后，將該掛表任務加入到為該檢測裝置執(zhí)行掛表機器人的可執(zhí)行任務列表。下表同理操作。

系統(tǒng)為每個機器人維護一個可執(zhí)行任務列表，存儲該機器人對應的具備執(zhí)行條件的任務。機器人執(zhí)行任務時按檢測裝置的排列順序從起始位置向固定方向移動執(zhí)行所有可執(zhí)行任務，直至最大位置，然后反向繼續(xù)順序執(zhí)行。為了提高效率，每次執(zhí)行完下表任務后，立即查找、執(zhí)行該檢測裝置的掛表任務。

2.2.4 集中檢定子系統(tǒng)

集中檢定子系統(tǒng)監(jiān)測掛表任務執(zhí)行情況。當監(jiān)測到有掛表任務執(zhí)行結(jié)束，系統(tǒng)調(diào)度對應的檢測裝置立即執(zhí)行檢測。

2.3 一種改進設計

上述設計中，調(diào)度時讓靠近站臺的檢測裝置優(yōu)先獲得檢定任務，較多的AGV搬運任務在較短的AGV導航環(huán)路上執(zhí)行，提高了AGV的搬運效率。但是，當需要啟動較多檢測裝置執(zhí)行檢測時，由于AGV由近及遠順序向轉(zhuǎn)接臺搬運電能表垛，會導致較遠位置的檢測裝置分配到任務的時間較晚，從而可能導致任務執(zhí)行時間延長。一種改進調(diào)度過程如下：

（1）將待檢表緩存位優(yōu)先級隊列按從該位置取表的機器人進行拆分。

（2）系統(tǒng)根據(jù)機器人到站臺的平均距離維護一個有序的機器人列表。

（3）由近及遠循環(huán)為機器人分配優(yōu)先出隊列的垛任務，每次循環(huán)每個機器人分配一個垛任務。

（4）每個機器人對應的高優(yōu)先級待檢表緩存位優(yōu)先分配垛任務。

（5）其他過程不變。

2.4 不同設計方法的討論與分析

當檢定任務量較小，不需要啟動全部檢測裝置就能完成任務時，由于使用改進后的調(diào)度方法會啟動更多設備和裝置，AGV需要將電能表垛運到更遠的轉(zhuǎn)接臺，從而造成一定的設備和裝置利用率下降。但當任務量很大時，改進后的調(diào)度方法提高了不同環(huán)節(jié)設備運行的并行度，節(jié)省任務的執(zhí)行時間，優(yōu)勢明顯。

3 結(jié)束語

本文針對超大規(guī)模的電能表全自動檢定系統(tǒng)的建設需求，介紹了一種系統(tǒng)軟、硬件設計方案，所介紹的內(nèi)容已通過仿真驗證，為研究和建設超大規(guī)模智能電能表全自動檢定系統(tǒng)提供了一個新的可供借鑒的參考方案。

[1]張 燕，黃金娟.電能表智能化檢定流水線系統(tǒng)的研究與應用[J].電測與儀表，2009（12）：74-77.

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