閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)

韋 鵬，徐 攀，竇俊廷，李 寧，趙欣洋

（1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，銀川 750001；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250101）

0 引言

閥廳作為換流站的核心部分，是放置換流閥的封閉建筑，換流站及直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行性能和安全可靠程度與閥廳內(nèi)電力設(shè)備的安全運(yùn)行度密切相關(guān)，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行也有重要的影響[1]。換流閥在工作時(shí)會(huì)因自身功率耗散產(chǎn)生大量的熱，故其配有可靠性很高的高效冷卻系統(tǒng)和溫度監(jiān)控系統(tǒng)[2]。但冷卻和溫控系統(tǒng)也存在出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)，比如冷卻系統(tǒng)泄露等情況[3]，因此，對(duì)閥廳設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和定期巡視都必不可少。

傳統(tǒng)方式主要依靠人工巡檢和固定位置的實(shí)時(shí)監(jiān)視。人工巡檢方式存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、檢測(cè)質(zhì)量分散、手段單一等不足，巡檢到位率、及時(shí)性無(wú)法保證。而固定位置的監(jiān)控系統(tǒng)，由于受到閥塔整體較高且分層等客觀條件限制，只能對(duì)部分設(shè)備的局部位置進(jìn)行監(jiān)控，存在很大的監(jiān)控盲區(qū)，很難真正滿足巡視范圍全方位覆蓋的要求?；诖朔N情況，研究能夠滿足大范圍檢測(cè)要求的閥廳智能巡檢機(jī)器人就具有重要意義。本文的目的就在于研制電磁兼容性強(qiáng)和可靠性高，可對(duì)閥塔等閥廳內(nèi)設(shè)備進(jìn)行大范圍、多角度、高精度檢測(cè)的巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，并可根據(jù)預(yù)設(shè)任務(wù)進(jìn)行全自主巡檢或者手動(dòng)巡檢，并能自動(dòng)進(jìn)行模式識(shí)別和故障診斷，為閥廳內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)提供客觀的判斷依據(jù)[4,5]。

1 系統(tǒng)方案

閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)為網(wǎng)絡(luò)分布式架構(gòu)，整體分為基站層、終端層和外部系統(tǒng)層。基站層為裝有智能控制與分析軟件的系統(tǒng)后臺(tái)；終端層為機(jī)器人本體及軌道、固定點(diǎn)；外部系統(tǒng)層為接入的操作站和輔助系統(tǒng)。由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、通信線纜等設(shè)備負(fù)責(zé)建立基站層與終端層間透明的網(wǎng)絡(luò)通道。外系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基站以面向?qū)ο蟮膬?nèi)存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和大型商用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合；通過多線程進(jìn)行耗時(shí)任務(wù)的后臺(tái)處理，避免阻塞用戶操作；系統(tǒng)性能和可靠性高、維護(hù)和擴(kuò)展方便。本系統(tǒng)還提供基于角色的安全權(quán)限控制；越變化死區(qū)和定周期采集相合的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制；無(wú)損壓縮的巡檢數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)等。

終端層各設(shè)備（軌道機(jī)器人及輔助固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)裝置）可分為兩大模塊：運(yùn)動(dòng)模塊與控制檢測(cè)模塊，主要完成運(yùn)動(dòng)控制、檢測(cè)信息采集處理、云臺(tái)控制、移動(dòng)本體定位及系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)等功能。

系統(tǒng)之間通采用光纖，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳和命令的遙控。在此基礎(chǔ)上，可以方便接入電力系統(tǒng)生產(chǎn)專用光纖通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與調(diào)度中心的數(shù)據(jù)交換。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閥廳內(nèi)的閥塔一般分為六列，每列閥塔又分為多層。換流閥分布于閥塔的每一層中，故巡檢機(jī)器人需要對(duì)每一層都有較好的檢測(cè)視角。為設(shè)計(jì)滿足檢測(cè)范圍和閥塔爬電距離要求，機(jī)器人在閥廳壁面上運(yùn)動(dòng)較為合適。豎直壁面上采用軌道式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)較為合適，機(jī)器人可以沿豎直軌道上下運(yùn)行并通過云臺(tái)的水平俯仰旋轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)閥廳內(nèi)設(shè)備特別是換流閥的大范圍細(xì)節(jié)巡檢。

2.1 軌道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前移動(dòng)機(jī)器人主要采用輪式、履帶或是復(fù)合驅(qū)動(dòng)的方式[6]。受閥塔等設(shè)備布局限制，要實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備全方位的檢測(cè)功能，需要機(jī)器人能夠在垂直方向運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)輪式驅(qū)動(dòng)或履帶式驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)相對(duì)困難，故在閥廳機(jī)器人行走軌道設(shè)計(jì)上采用軌道式設(shè)計(jì)。軌道豎直安裝閥廳壁面上，軌道上有同步帶和滑座，同步帶帶動(dòng)滑座上下移動(dòng)，滑座上安裝輔控箱和相關(guān)檢測(cè)組件，實(shí)現(xiàn)閥廳內(nèi)所關(guān)注設(shè)備的可見光和紅外檢測(cè)，軌道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)外形如圖2所示。

圖2 軌道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)外形圖

軌道系統(tǒng)其主要組成包括：型材軌道、同步帶、同步帶輪、同步帶輪箱、減速器、交流伺服電機(jī)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、拖鏈、滑座。軌道根據(jù)檢測(cè)需要確定其安裝位置。

同步帶輪裝在同步帶輪箱內(nèi)，同步帶輪箱與安裝在軌道的上下兩端。在一端的同步帶輪上安裝減速器和伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)，組成軌道驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。同步帶與同步帶輪配合裝在軌道型材的槽內(nèi)，滑座安裝在型材軌道上，通過型材軌道實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向，并與同步帶固連，在同步帶帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)。上述軌道加同步帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成一個(gè)整體，安裝到閥廳壁面上。

2.2 負(fù)載扭矩與等效慣量設(shè)計(jì)

當(dāng)機(jī)器人靜止啟動(dòng)逆重力向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)所承受的載荷最大[7]，其中，滑座及機(jī)器人重15Kg（不考慮同步帶自重），則負(fù)載的重力：

η為同步帶傳動(dòng)的機(jī)械效率，取0.9；同步帶輪的直徑為D=67mm，則在帶輪上產(chǎn)生的負(fù)載扭矩為：

滑座上機(jī)器人和同步帶的總重量為35Kg，隨滑座上下做直線運(yùn)動(dòng)，滑座上直線運(yùn)動(dòng)部分的等效慣量為：

其中，M為負(fù)載總質(zhì)量，Kg；A為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)滑座的直線運(yùn)動(dòng)量，m/r，減速器的減速比為3:1。

減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可忽略不計(jì)。

同步帶在0.5s內(nèi)加速到直線速度為0.5m/s，計(jì)算可以得到電機(jī)軸的角加速度β為89.6rad/s2，則加速轉(zhuǎn)矩：

其中ηG為減速器的機(jī)械效率，取0.8。i為減速器傳動(dòng)比3，電動(dòng)機(jī)輸出軸的必要轉(zhuǎn)矩為：

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求巡檢機(jī)器人不檢測(cè)時(shí)的最高運(yùn)行速度為1m/s，檢測(cè)時(shí)速度在0.2m/s以下綜合考慮電機(jī)與減速器連接法蘭、尺寸重量和采購(gòu)成本等問題，選擇松下帶保持制動(dòng)器的松下A5系列中慣量電機(jī)MDME 102G1H，其額定扭矩為4.77Nm，額定扭矩與負(fù)載扭矩的比值為1.8，可作為設(shè)計(jì)余量；慣量為5.9×10-4Kg.m2，額定轉(zhuǎn)速2000r/min，實(shí)際負(fù)載慣量比為10，而該電機(jī)推薦的慣量比在10以內(nèi)，通過計(jì)算，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 驅(qū)動(dòng)及導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

移動(dòng)平臺(tái)采用鋁合金型材軌道，同步帶傳動(dòng)方式，通過伺服電機(jī)帶動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，該方案控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軌道驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

PLC內(nèi)置FINS以太網(wǎng)通信協(xié)議，通過光纖與主控系統(tǒng)通訊，接收并執(zhí)行主控系統(tǒng)下發(fā)的控制指令，并上報(bào)機(jī)器人當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息和故障信息等。PLC控制伺服電機(jī)，控制機(jī)器人完成前進(jìn)、后退動(dòng)作；PLC接收定位系統(tǒng)輸出的機(jī)器人位置和檢測(cè)系統(tǒng)輸出的姿態(tài)信息，控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和定位。

3.2 驅(qū)動(dòng)及導(dǎo)航定位原理

機(jī)器人采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。軌道采用的同步帶驅(qū)動(dòng)方式具有較高的精度，而伺服電機(jī)自身的精度也很高[8]，所以通過脈沖計(jì)數(shù)方式可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的準(zhǔn)確定位?？?。位置反饋原理如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)及導(dǎo)航定位原理框圖

以編碼器和安裝在軌道上的傳感器協(xié)同工作為例，簡(jiǎn)要描述定位過程：機(jī)器人第一次上電，首先進(jìn)行原點(diǎn)搜索作業(yè)，停止在原點(diǎn)位置，等待主控系統(tǒng)發(fā)出定位指令。PLC接收到主控系統(tǒng)定位指令后，自動(dòng)判斷向上或向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)編碼器反饋脈沖數(shù)到達(dá)指定范圍并接收到指定位置傳感器的信號(hào)后，經(jīng)過PLC的邏輯判斷，完成系統(tǒng)定位，同時(shí)將當(dāng)前位置反饋給主控系統(tǒng)。

對(duì)于系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)可能造成的累積誤差，通過增加零點(diǎn)位置開關(guān)的方法來(lái)解決。機(jī)器人運(yùn)行一定數(shù)量的任務(wù)之后，自動(dòng)返回零點(diǎn)位置進(jìn)行校正，以消除累積誤差。在考慮丟失脈沖數(shù)的情況下，可以保證定位精度在0.1mm以內(nèi)。

4 檢測(cè)組件和云臺(tái)控制系統(tǒng)

檢測(cè)組件包括紅外熱熱像儀、可見光攝像機(jī)、拾音器、視頻服務(wù)器、云臺(tái)、云臺(tái)控制板等。系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 檢測(cè)組件和云臺(tái)控制系統(tǒng)框圖

云臺(tái)主要用來(lái)使搭載在其上的可見光攝像機(jī)和紅外熱成像儀動(dòng)作至指定位置，以便進(jìn)行設(shè)備檢測(cè)。如圖5所示，用戶通過工控機(jī)向云臺(tái)控制板發(fā)出控制命令，云臺(tái)控制板控制云臺(tái)動(dòng)作。預(yù)置位存儲(chǔ)在上位機(jī)，下次進(jìn)行此處的設(shè)備檢測(cè)時(shí)直接調(diào)用即可。云臺(tái)控制板內(nèi)存儲(chǔ)有預(yù)先設(shè)置好的零點(diǎn)，便于進(jìn)行自檢、復(fù)位。

用戶通過工控機(jī)向視頻服務(wù)器發(fā)送控制命令，進(jìn)而控制可見光攝像機(jī)和紅外攝像機(jī)進(jìn)行聚焦，抓拍待檢測(cè)設(shè)備的圖像、紅外熱圖，并將數(shù)據(jù)傳送回上位機(jī)，也可實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)畫面，以備相關(guān)人員進(jìn)行分析。同時(shí)系統(tǒng)也可通過拾音器采集閥廳內(nèi)設(shè)備噪聲。

5 基站應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

基站層應(yīng)用軟件系統(tǒng)采用分層的模塊化結(jié)構(gòu)，基于Windows操作系統(tǒng)和.Net Framework運(yùn)行平臺(tái)；采用純面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言C#進(jìn)行托管代碼編程；以面向?qū)ο蟮膬?nèi)存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和大型商用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合。通過多線程進(jìn)行耗時(shí)任務(wù)的后臺(tái)處理，避免阻塞用戶的界面操作。

軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)共分為4層，分別為數(shù)據(jù)層、功能層、邏輯層和表示層，如圖6所示。各模塊基于接口編程，廣泛應(yīng)用設(shè)計(jì)模式，降低模塊間的耦合，系統(tǒng)架構(gòu)清晰，功能擴(kuò)展方便。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的閥廳巡檢機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于河南某±800kV換流站?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用如圖7所示。站內(nèi)有2個(gè)低端閥廳和2個(gè)高端閥廳共計(jì)四個(gè)閥廳，其中每個(gè)低端閥廳布置2臺(tái)6米軌道機(jī)器人和2個(gè)固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)裝置；每個(gè)高端閥廳布置1臺(tái)9米軌道機(jī)器人和3個(gè)固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)裝置。

機(jī)器人在軌道上設(shè)置6個(gè)停靠點(diǎn)，每個(gè)停靠點(diǎn)觀測(cè)閥塔對(duì)應(yīng)層，聯(lián)動(dòng)輔助固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)裝置，檢測(cè)層的另一面，保證系統(tǒng)檢測(cè)的完整性，檢測(cè)過程中如發(fā)現(xiàn)溫度超出設(shè)定閾值，會(huì)向值守運(yùn)行人員發(fā)出預(yù)警，并聯(lián)動(dòng)相關(guān)設(shè)備，采取進(jìn)一步措施。系統(tǒng)5臺(tái)機(jī)器人檢測(cè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行，一次完整的檢測(cè)任務(wù)耗時(shí)2分鐘。每20分鐘啟動(dòng)一次巡檢任務(wù)。每次巡檢任務(wù)完成后，會(huì)自動(dòng)生成閥塔各部位溫度報(bào)表。

圖6 基站應(yīng)用軟件系統(tǒng)框圖

圖7 閥廳智能巡檢機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行表明：

1）機(jī)器人攜帶紅外、可見光、聲音等檢測(cè)設(shè)備，進(jìn)行閥廳內(nèi)設(shè)備巡檢，可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)備巡檢的效率和質(zhì)量。

2）巡檢數(shù)據(jù)自動(dòng)傳回上位機(jī)，通過分析處理，可以實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的狀態(tài)信息并自動(dòng)報(bào)警，提高了設(shè)備監(jiān)控的自動(dòng)化水平。

3）機(jī)器人在巡檢過程中可以按照預(yù)設(shè)的巡檢任務(wù)自動(dòng)達(dá)到指定位置，?？烤确浅８撸玫貪M足了狀態(tài)識(shí)別對(duì)圖像一致性的要求。

4）巡檢機(jī)器人和輔助的固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)大范圍多角度的檢測(cè)，很好地滿足了層疊式閥塔全方位的檢測(cè)要求，真正達(dá)到了檢測(cè)范圍無(wú)死角。而且可以根據(jù)各自運(yùn)行狀態(tài)、位置及被監(jiān)測(cè)設(shè)備的位置，選擇最適合的機(jī)器人或者固定點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)配合。

閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用研究，為電力系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控提供了一種實(shí)用高效的創(chuàng)新型技術(shù)手段。

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