千萬級電能計量器具全自動檢測研究與設(shè)計

摘 要：針對江蘇省電力公司千萬級規(guī)模電能計量器具全自動檢測系統(tǒng)的工程建設(shè)需要，研究了適合大規(guī)模電能計量器具全自動檢測的系統(tǒng)工藝流程及特征，探討了系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)計方法，包括理想檢測裝置探討、機器人拆盤上料與下料組盤環(huán)節(jié)的故障轉(zhuǎn)移設(shè)計、AGV高效搬運和分布式檢測任務(wù)調(diào)度方法等。所研究內(nèi)容對國家電網(wǎng)今后制定計量器具全自動檢測系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)也有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：電能計量器具 全自動檢測 AGV搬運 任務(wù)調(diào)度

中圖分類號：TH873.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（c）-0140-03

根據(jù)國家電網(wǎng)“三集五大”的建設(shè)需要，部分所屬省電力公司正在建設(shè)或籌建電能計量器具（簡稱計量器具）的全自動化檢測系統(tǒng)。目前，計量器具的全自動化檢測方案主要有基于流水線和基于AGV搬運兩種方式[1，2]，都處于初步試用階段，迫切需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和先進(jìn)性研究。江蘇省電力公司根據(jù)該省未來大規(guī)模電能計量器具檢測的需要，正在研究采用基于AGV搬運的方案[3，5]，建設(shè)適合該省計量器具檢測規(guī)模的全自動檢測系統(tǒng)[4]。本文研究適合建設(shè)超大規(guī)模電能計量器具的全自動檢定系統(tǒng)的工藝流程和特征，探討系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)計，對提高系統(tǒng)的工程建設(shè)質(zhì)量及國家電網(wǎng)今后制定計量器具全自動檢測系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)都有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 系統(tǒng)工藝流程與實現(xiàn)方式

江蘇省電力公司自動化檢定/檢測（簡稱檢測）系統(tǒng)綜合運用AGV、機器人[7，8]、計算機控制、傳感器檢測、氣動和電動控制、圖像識別及計算機網(wǎng)絡(luò)通訊等領(lǐng)域的技術(shù)[10]，實現(xiàn)計量器具的傳輸、上料及下料、耐壓試驗、外觀檢查、誤差檢定、鉛封、檢定合格證粘貼等各個環(huán)節(jié)的自動作業(yè)，實現(xiàn)將單相表[6]檢定、三相表檢定及采集終端檢測集成在一套自動化系統(tǒng)中。系統(tǒng)所采用的檢定工藝流程及實現(xiàn)方式如圖1工藝流程與實現(xiàn)方式所示。其中，AGV每次搬運一垛5周轉(zhuǎn)箱電能計量器具，通過轉(zhuǎn)接臺與下一環(huán)節(jié)銜接；每個檢測裝置對應(yīng)3個轉(zhuǎn)接臺；單個機器人實現(xiàn)多個檢測裝置的拆盤上料和下料組盤；自動檢測環(huán)節(jié)完成耐壓試驗和誤差檢定；后續(xù)處理基于輸送線模式[9]實現(xiàn)外觀檢查、鉛封、檢定合格貼標(biāo)等操作；通過站臺實現(xiàn)與自動化庫房接駁。

2 系統(tǒng)特征研究

2.1 單次檢測任務(wù)執(zhí)行最短時間

系統(tǒng)調(diào)度時，以垛作為檢測任務(wù)的調(diào)度單元，進(jìn)行出庫、搬運、檢測等操作。分析單次檢測任務(wù)執(zhí)行過程，找出其中的效率瓶頸，是分析系統(tǒng)運行效率的基礎(chǔ)，對指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計，優(yōu)化系統(tǒng)運行目標(biāo)具有重要意義。分析系統(tǒng)工藝流程，推導(dǎo)該時間過程如下。

（1）由于計量器具拆盤上料、自動檢測、下料組盤必須順序執(zhí)行，因此可以將這三個環(huán)節(jié)合并為一個大的環(huán)節(jié)，本文將其命名為上料檢測環(huán)節(jié)。在一次檢測任務(wù)的執(zhí)行過程中，該環(huán)節(jié)持續(xù)時間最久，約100 min右，其他環(huán)節(jié)持續(xù)時間相對較短。

（2）由于上述環(huán)節(jié)通過轉(zhuǎn)接臺與其他環(huán)節(jié)對接，轉(zhuǎn)接臺形成了一個中轉(zhuǎn)和緩存區(qū)，因此，該環(huán)節(jié)可以與其他所有環(huán)節(jié)并行執(zhí)行。

（3）在系統(tǒng)連續(xù)運行的情況下，當(dāng)其他環(huán)節(jié)能力足夠的情況下，單次檢測任務(wù)執(zhí)行的最短時間為拆盤上料、自動檢測、下料組盤時間的總和。

2.2 檢測裝置數(shù)量估算

檢測裝置數(shù)量是系統(tǒng)規(guī)模的主要衡量指標(biāo)之一，決定了系統(tǒng)的檢測能力，是搬運及其他環(huán)節(jié)設(shè)計的基礎(chǔ)。由于單垛計量器具自動檢測的時間通常是固定的，而每個檢測裝置執(zhí)行檢測是獨立事件，因此，根據(jù)單次檢測任務(wù)執(zhí)行的最短時間、平均每天檢測需求，可以估算出每種類型檢測裝置的數(shù)量規(guī)模。

2.3 AGV數(shù)量估算

考慮到單輛AGV價格較高，對系統(tǒng)建設(shè)成本影響較大，因此，需要理論與仿真實驗相結(jié)合，對AGV的數(shù)量做出合理估算。目前，AGV軌道環(huán)形設(shè)計，完成一次搬運任務(wù)時間是AGV從離開站臺到AGV回到站臺所用時間，包括AGV在站臺裝貨、搬運待檢計量器具行駛、卸下待檢計量器具、裝載已檢測計量器具、搬運已檢測計量器具返回、進(jìn)入站臺卸貨的時間總和。根據(jù)單次檢測任務(wù)執(zhí)行最短時間的分析，滿足檢測任務(wù)連續(xù)執(zhí)行的系統(tǒng)搬運能力要求是，在正在執(zhí)行的檢測任務(wù)下料組盤完成之前，AGV要將下一個檢測任務(wù)的計量器具運到，并將上次檢測任務(wù)的已檢計量器具運走。因此，在不考慮因調(diào)度及彎道的爭用導(dǎo)致的時間耽擱的情況下，只需單輛AGV在多個軌道環(huán)路一次搬運所需時間總和小于一次檢測任務(wù)執(zhí)行的最短時間，就可以滿足對應(yīng)軌道上檢測裝置執(zhí)行檢測對搬運系統(tǒng)的能力要求。根據(jù)上述關(guān)系，可以推理估算出系統(tǒng)所需AGV總數(shù)。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計

3.1 檢測裝置

按目前的檢測裝置設(shè)計，單次檢測任務(wù)執(zhí)行中，大部分單個計量器具的檢測時長為上料、上料等待、檢測、下料、下料等待的總時間之和。為了消除上述等待時間，一種理想的檢測裝置設(shè)計是，考慮將檢測裝置設(shè)計成每個檢測位上料后立即執(zhí)行檢測的裝置，上料后立即執(zhí)行檢測。按照該設(shè)計，每個計量器具將實現(xiàn)用最少的時間完成檢測，系統(tǒng)的檢測效率也將達(dá)到最優(yōu)。

3.2 上下料容錯設(shè)計

在同一條機器人運行的軌道上安裝多個機器人可以有效提高拆盤上料與下料組盤環(huán)節(jié)的容錯能力。假設(shè)單條軌道上有N臺機器人，正常運行時，每臺機器人使用N分之N-1的額定負(fù)荷。當(dāng)某個機器人出現(xiàn)故障時，其余機器人自動多分擔(dān)N分之1的負(fù)荷，實現(xiàn)拆盤上料與下料組盤環(huán)節(jié)的故障轉(zhuǎn)移。可以看出，同一條軌道上，機器人越多，機器人的利用率越高。

3.3 高效AGV搬運

3.3.1 設(shè)計目標(biāo)

仿真驗證發(fā)現(xiàn)，AGV達(dá)到一定數(shù)量后，AGV利用率急劇下降，而所提供的搬運能力不再繼續(xù)提高。分析系統(tǒng)工藝流程，結(jié)合考慮投資成本可以得出，在目前的自動化倉儲和空間限制條件下，通過合理的AGV軌道設(shè)計和AGV調(diào)度算法，用最少的AGV實現(xiàn)提供足夠的計量器具搬運能力是AGV搬運環(huán)節(jié)的主要設(shè)計目標(biāo)。

3.3.2 一種AGV軌道設(shè)計

一種AGV軌道設(shè)計如圖2AGV軌道設(shè)計圖所示。圖中紅線顯示了AGV的運行軌跡。仿真模擬實驗顯示，采用該設(shè)計，使用14輛速度為1 m/s，或15輛速度為0.8 m/s的AGV可以滿足系統(tǒng)對搬運能力的需求，AGV利用率最優(yōu)。

3.3.3 優(yōu)化設(shè)計思路

觀察仿真場景發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)啟動時站臺附近出現(xiàn)了大量AGV阻塞的現(xiàn)象。分析發(fā)現(xiàn)，AGV轉(zhuǎn)彎速度僅0.2 m/s，加上小車加速、減速和碰撞檢測造成的等待等因素嚴(yán)重降低了AGV的運輸效率。另外，下垛站臺的數(shù)量影響了同時在執(zhí)行取待檢計量器具AGV的數(shù)量，也對AGV啟動時的運輸速度造成了一定的影響。因此，提高AGV的搬運效率的方法包括以下幾點。

（1）減少彎道的數(shù)量。

（2）增加站臺數(shù)量。

（3）合理安排AGV到達(dá)路口的次序，避免AGV排隊。

（4）增加主干道的數(shù)量，降低軌道的爭用。

（5）優(yōu)化軌道設(shè)計等。

3.3.4 并行站臺設(shè)計

目前站臺垛口采用了并排的方式設(shè)計，導(dǎo)致站臺附近彎道很多，影響了AGV進(jìn)站和出站的效率，且容易形成影響全局的故障點。建議站臺垛口采用并行設(shè)計。為了提高空間利用率，可以考慮在同一條軌道上，沿AGV前進(jìn)方向，上垛站臺在前，下垛站臺在后設(shè)計。技術(shù)上，除了考慮為每個垛口安裝升降機的方式外，還可以考慮為AGV增加一個托舉功能，AGV?？吭谡九_后，首先將貨物托舉到一定高度，然后再將貨物送到輸送線上。這樣設(shè)計，輸送線可以橫跨在AGV軌道上，不影響AGV通過。

3.3.5 AGV調(diào)度設(shè)計

一種AGV調(diào)度算法如下。

（1）將所有AGV放在站臺附近，組成AGV空閑隊列。

（2）系統(tǒng)接到可執(zhí)行待檢計量器具搬運任務(wù)后，總是從空閑隊列調(diào)度AGV執(zhí)行。

（3）AGV執(zhí)行完待檢計量器具搬運任務(wù)（包括站臺到轉(zhuǎn)接臺、轉(zhuǎn)接臺到轉(zhuǎn)接臺）后，通常立即回到空閑隊列（不占用軌道，目前軌道全部是共享設(shè)計）。

情況一：AGV執(zhí)行放下待檢計量器具后，檢測到同一檢測裝置有已檢計量器具搬運，則立即執(zhí)行該已檢計量器具的搬運任務(wù)。

情況二：AGV執(zhí)行放下待檢計量器具后，檢測到同一檢測裝置沒有已檢計量器具搬運，且發(fā)現(xiàn)有后續(xù)待檢計量器具搬運任務(wù)或有需要占用該通道的其他任務(wù)，則AGV返回空閑隊列或立即執(zhí)行下一個搬運任務(wù)。

情況三：AGV執(zhí)行放下待檢計量器具后，檢測到同一檢測裝置沒有已檢計量器具搬運，且發(fā)現(xiàn)沒有后續(xù)待檢計量器具搬運任務(wù)，且沒有需要占用該通道的其他任務(wù)，則AGV原地監(jiān)聽等待。

（4）系統(tǒng)接到可執(zhí)行的已檢計量器具搬運任務(wù)，判斷對應(yīng)檢測裝置是否有后續(xù)待檢計量器具搬運任務(wù)。如果沒有，立即安排空閑AGV執(zhí)行搬運。如果有，判斷檢測裝置檢測剩余時間，根據(jù)該時間，安排向該位置送計量器具的緊急程度。剩余時間越少，越緊急。

（5）當(dāng)系統(tǒng)接到新的搬運任務(wù)后，通知所有監(jiān)聽AGV重新判斷。

3.4 分布式檢測任務(wù)調(diào)度

3.4.1 一種檢測任務(wù)調(diào)度設(shè)計

目前系統(tǒng)采用的一種檢測任務(wù)調(diào)度方式是，綜合調(diào)度控制系統(tǒng)向單種設(shè)備或裝置的調(diào)度控制系統(tǒng)同步所有設(shè)備或裝置的狀態(tài)，進(jìn)行檢測任務(wù)調(diào)度時，根據(jù)一定的調(diào)度規(guī)則，掃描所有的設(shè)備或裝置實現(xiàn)具體任務(wù)的派發(fā)，包括搬運任務(wù)、上料及下料任