繼電保護(hù)裝置整機(jī)柔性智能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王治國，篤 峻，王 翔，于 哲，祁正軍

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

目前，我國智能電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展迅速，電力保護(hù)設(shè)備處于高速增長(zhǎng)趨勢(shì)[1]，尤其低壓保護(hù)，讓人工手動(dòng)、半自動(dòng)等傳統(tǒng)剛性測(cè)試方法弊端凸現(xiàn)：①測(cè)試沒有規(guī)范且效率低下；②人力成本居高不下；③過程離散且對(duì)人員素質(zhì)要求較高。如何建立智能測(cè)試體系，提高敏捷測(cè)試效率，是解決以上問題的有效方案。文獻(xiàn)[2-11]對(duì)智能變電站保護(hù)裝置測(cè)試提出了通用測(cè)試平臺(tái)或一鍵式測(cè)試方案，提高了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效率。文獻(xiàn)[12]采用分布式系統(tǒng)、腳本技術(shù)等，提高了研發(fā)測(cè)試效率；文獻(xiàn)[13]提出了分布式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)階段測(cè)試效率的提高；而對(duì)于多品種、小批量裝置的生產(chǎn)測(cè)試而言，則需要新的技術(shù)來解決當(dāng)前測(cè)試所面臨的難題。柔性制造是一種技術(shù)復(fù)雜、高度自動(dòng)化的系統(tǒng)，它能較好地解決自動(dòng)化與柔性化之間的矛盾，具有設(shè)備利用率高、運(yùn)行靈活和產(chǎn)品應(yīng)變能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)[14]。在繼電保護(hù)裝置生產(chǎn)測(cè)試領(lǐng)域，探索柔性智能化測(cè)試方法和技術(shù)，將能改變當(dāng)前剛性測(cè)試的諸多困境。

本文根據(jù)繼電保護(hù)裝置特點(diǎn)，提出了其柔性智能測(cè)試核心通用解決方案，并闡述了核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)生產(chǎn)測(cè)試過程實(shí)現(xiàn)了無人智能化操作。這些技術(shù)特征有效保證了繼電保護(hù)裝置的產(chǎn)品質(zhì)量，提高了大生產(chǎn)測(cè)試效率和企業(yè)的智能制造水平。

1 整機(jī)柔性智能測(cè)試核心解決方案

單板測(cè)試和整機(jī)測(cè)試是繼電保護(hù)裝置保證質(zhì)量的重要過程。一直以來，測(cè)試技術(shù)的關(guān)注點(diǎn)和改進(jìn)點(diǎn)都在板卡或功能測(cè)試上，而如何進(jìn)行柔性、靈活測(cè)試，卻沒有進(jìn)行深入研究。

對(duì)單板測(cè)試而言，本文提出的柔性智能測(cè)試解決方案如下：延長(zhǎng)SMT流水線，增加單板柔性智能測(cè)試設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類板卡的智能識(shí)別，并根據(jù)板卡類型進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，新舊測(cè)試方案對(duì)比見圖1。新方案減少了板卡在空間上的切換次數(shù)，不再考慮板卡類型，實(shí)現(xiàn)保障性功能智能測(cè)試，同時(shí)提高了流程緊湊性。

圖1 新舊測(cè)試方案對(duì)比Fig.1 Comparison of new test and old test

對(duì)整機(jī)測(cè)試而言，原有方案是針對(duì)不同裝置選擇不同的測(cè)試連接線，并手動(dòng)選擇測(cè)試程序進(jìn)行測(cè)試。而柔性智能測(cè)試解決方案是智能識(shí)別裝置型號(hào)，利用生產(chǎn)大數(shù)據(jù)構(gòu)建被測(cè)保護(hù)裝置硬件板卡的數(shù)據(jù)模型；根據(jù)數(shù)據(jù)模型，通過測(cè)試環(huán)境構(gòu)建子系統(tǒng)自動(dòng)建立閉環(huán)測(cè)試環(huán)境；同時(shí)自動(dòng)選擇相應(yīng)測(cè)試功能模塊，進(jìn)行整機(jī)所有接點(diǎn)的全自動(dòng)檢測(cè)。

無論是單板，還是整機(jī)，柔性智能測(cè)試技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)特征在于智能識(shí)別被測(cè)對(duì)象（機(jī)器獲取被測(cè)對(duì)象各種屬性，構(gòu)建數(shù)字化的被測(cè)對(duì)象數(shù)據(jù)模型），智能構(gòu)建閉環(huán)測(cè)試環(huán)境，并驅(qū)動(dòng)測(cè)試儀調(diào)出相應(yīng)功能模塊自動(dòng)進(jìn)行硬件檢測(cè)，核心測(cè)試流程見圖2。

圖2 柔性智能測(cè)試通用流程Fig.2 General process of flexible intelligent test

2 整機(jī)柔性智能測(cè)試系統(tǒng)核心設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)低壓保護(hù)裝置特點(diǎn)，按照整機(jī)柔性智能測(cè)試通用方案設(shè)計(jì)整機(jī)柔性在線智能測(cè)試系統(tǒng)，如圖3所示。系統(tǒng)按照業(yè)務(wù)流程可以劃分為4層：上層是業(yè)務(wù)支持層，主要完成生產(chǎn)訂單任務(wù)調(diào)度，為在線測(cè)試系統(tǒng)提供訂單數(shù)據(jù)支撐；第二層是數(shù)據(jù)處理層，有智能測(cè)試控制中心，上位機(jī)子系統(tǒng)和視覺子系統(tǒng)組成，完成相關(guān)數(shù)據(jù)處理，為第三層提供行動(dòng)數(shù)據(jù)決策；第三層是過程層，有四個(gè)測(cè)試環(huán)境構(gòu)建子系統(tǒng)和PLC控制子系統(tǒng)組成，主要是根據(jù)第二層提供的決策數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)測(cè)試環(huán)境的自動(dòng)構(gòu)建和相關(guān)流程的啟動(dòng)；最下層是設(shè)備層，主要完成保護(hù)裝置整機(jī)測(cè)試、物料托盤傳送，雙層倍速鏈流轉(zhuǎn)，裝置搬進(jìn)搬出等測(cè)試相關(guān)輔助業(yè)務(wù)。

圖3 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic diagram of system logic structure

2.2 單裝置載具托盤設(shè)計(jì)

整機(jī)柔性在線智能測(cè)試系統(tǒng)首要的一個(gè)難點(diǎn)在于如何確保裝置在整個(gè)測(cè)試流程中無碰擦，杜絕因產(chǎn)品外觀問題而導(dǎo)致過多的不合格產(chǎn)品。針對(duì)三種低壓保護(hù)幾十個(gè)子型號(hào)的產(chǎn)品形狀，基于裝置最大底座原則，設(shè)計(jì)了可復(fù)用的單裝置載具托盤。載具托盤具有全局唯一二維碼身份標(biāo)識(shí)，在機(jī)器人將裝置放到托盤上時(shí)，實(shí)現(xiàn)裝置條碼和托盤二維碼的綁定。通過對(duì)托盤二維碼的識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置在測(cè)試流水線上的控制。托盤解決了裝置在機(jī)器人，雙層倍速鏈流水線，柔性智能測(cè)試站，進(jìn)、出料子系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)輸車四者之間安全、高效傳輸而又毫無碰擦這一難題。載具托盤見圖4裝置下側(cè)。

圖4 裝置在雙層倍速鏈上流轉(zhuǎn)示意圖Fig.4 Pallet moving on multiple-speed trains

2.3 雙層倍速鏈設(shè)計(jì)

整機(jī)柔性在線智能測(cè)試系統(tǒng)采用雙層倍速鏈，并按照順時(shí)針傳輸模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。為充分利用場(chǎng)地，流水線分上下兩層。系統(tǒng)通過首、末端提升機(jī)實(shí)現(xiàn)上下層倍速鏈的循環(huán)流轉(zhuǎn)。上層倍速鏈主要將產(chǎn)品送至各個(gè)測(cè)試站；測(cè)試通過的裝置通過末端提升機(jī)實(shí)現(xiàn)分流，流轉(zhuǎn)到下層倍速鏈上，相反則通過C點(diǎn)流轉(zhuǎn)到NG區(qū)域。下層倍速鏈將測(cè)試合格的產(chǎn)品送至首端提升機(jī)，有機(jī)器人自動(dòng)下料。

2.4 柔性智能測(cè)試站設(shè)計(jì)

柔性智能測(cè)試站FITS（flexible intelligent test station）針對(duì)低壓繼電保護(hù)裝置三大類共計(jì)數(shù)十個(gè)子型號(hào)，采用統(tǒng)一建模方式實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置開入、開出、通信、對(duì)時(shí)等接點(diǎn)的智能測(cè)試。在圖5中，板卡切換子系統(tǒng)與板卡投退子系統(tǒng)共同構(gòu)成整機(jī)測(cè)試環(huán)境構(gòu)建子系統(tǒng)，根據(jù)智能測(cè)試控制中心ITCC（intelligent test control center）的控制指令將繼電保護(hù)裝置的開入、開出、操作回路及各種通信接點(diǎn)與整機(jī)測(cè)試儀相關(guān)功能板卡進(jìn)行自動(dòng)連接，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的閉環(huán)測(cè)試。

圖5 整機(jī)柔性智能測(cè)試站系統(tǒng)組成Fig.5 System composition of FITS

保護(hù)裝置外形和背板端子大小不一，功能板卡種類多，同一個(gè)插槽所插入的功能板卡由訂單決定，呈非固定狀態(tài)。如何實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一智能接線？本文在裝置硬件滿配基礎(chǔ)上通過減法處理，達(dá)到自由靈活選擇測(cè)試線的目的。圖6中，針對(duì)不同外形裝置，分別設(shè)計(jì)測(cè)試把座控制面板A、C、D；通過伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)試把座上下緩慢移動(dòng)，并與裝置背板插孔精準(zhǔn)對(duì)位，完成被測(cè)裝置與整機(jī)測(cè)試儀之間測(cè)試連接線A、C、D的選擇；通過將測(cè)試把座在水平方向前移，建立整機(jī)閉環(huán)測(cè)試環(huán)境。而對(duì)裝置同一個(gè)插槽號(hào)可能會(huì)選擇不同硬件功能板卡的情況，則通過板卡切換子系統(tǒng)來完成裝置和測(cè)試儀之間測(cè)試線連接。如圖6中D型裝置S9插槽，可通過切換子系統(tǒng)選擇S9_1、S9_2、S9_3 板卡。

圖6 板卡切換原理示意圖Fig.6 Diagram of board switching principle

根據(jù)被測(cè)裝置特點(diǎn)，整機(jī)測(cè)試儀采用基于統(tǒng)一測(cè)試模型配置文件快速構(gòu)建整機(jī)測(cè)試邏輯模型，并有測(cè)試主程序按照測(cè)試邏輯模型輸出電氣量的思想進(jìn)行軟件架構(gòu)[15]。在硬件設(shè)計(jì)上，采用模塊化的I/O方式。各種功能插件均通過CAN總線與CPU通信，并可根據(jù)被測(cè)裝置實(shí)際信號(hào)量的數(shù)量進(jìn)行靈活擴(kuò)展。整機(jī)測(cè)試儀擁有一個(gè)被測(cè)裝置測(cè)試邏輯數(shù)據(jù)庫，涵蓋低壓保護(hù)裝置所有測(cè)試邏輯組合。整機(jī)測(cè)試儀按照ITCC提供的測(cè)試指令，對(duì)被測(cè)裝置進(jìn)行測(cè)試，并返回相應(yīng)測(cè)試結(jié)果，同時(shí)將測(cè)試報(bào)告提交給ITCC，由其上傳到云端數(shù)據(jù)庫。

要實(shí)現(xiàn)被測(cè)裝置精準(zhǔn)智能接線，智能測(cè)試控制中心必須了解裝置屬性。舉個(gè)例子，PCS-9611C有5個(gè)插槽，分別為 B01、B02、B03、B04、B05。 對(duì)于 C 型裝置而言，B01、B02一般插交流頭插件和CPU插件，相對(duì)固定。而B03、B04、B05三個(gè)插槽卻相對(duì)開放，有可能配置開出或開入插件，也有可能配置操作回路插件；有時(shí)開入、開出插件也分幾種。如何自動(dòng)接線？被測(cè)裝置數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)智能接線的關(guān)鍵。ITCC負(fù)責(zé)被測(cè)裝置樣本知識(shí)庫構(gòu)建，與生產(chǎn)MES系統(tǒng)交互，根據(jù)被測(cè)裝置機(jī)箱二維碼獲取裝置相關(guān)數(shù)字信息，并形成接線控制指令，傳遞給上位機(jī)子系統(tǒng)。上位機(jī)控制PLC和伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試線選擇及自動(dòng)連接。待閉環(huán)測(cè)試環(huán)境構(gòu)建完成，ITCC觸發(fā)測(cè)試儀進(jìn)行整機(jī)測(cè)試。并根據(jù)測(cè)試結(jié)果確定將裝置發(fā)往NG區(qū)域，還是流水線下層進(jìn)行流轉(zhuǎn)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用分析

圖7 整機(jī)柔性智能測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.7 Scene photos of FTIS

本文所述的低壓保護(hù)整機(jī)柔性智能測(cè)試系統(tǒng)已在南瑞繼保江蘇省電力裝備智能調(diào)試示范車間實(shí)施。圖7（1）是載有被測(cè)裝置的方形物料托盤通過輥筒線流轉(zhuǎn)到機(jī)器人工作范圍；圖7（2）是機(jī)器人通過吸盤將被測(cè)裝置從物料托盤上吸起，放到流水線始端的載具托盤上；圖7（3）是機(jī)器人將測(cè)試通過的裝置放到出料系統(tǒng)多層小車上；圖7（4）是整機(jī)智能測(cè)試站正在對(duì)裝置進(jìn)行整機(jī)測(cè)試；圖7（5）是位于雙層倍速鏈測(cè)試流水線上的4臺(tái)整機(jī)柔性智能測(cè)試站。

為驗(yàn)證柔性在線智能測(cè)試系統(tǒng)的性能，使用傳統(tǒng)測(cè)試方案和柔性智能測(cè)試方案同對(duì)400臺(tái)混合低壓保護(hù)裝置（A型、C型、D型）進(jìn)行測(cè)試，柔性智能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試流程見圖8。針對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)形成的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。在生產(chǎn)周期，人員投入和工作強(qiáng)度三項(xiàng)指標(biāo)前，柔性智能測(cè)試系統(tǒng)均體現(xiàn)出其優(yōu)越性能。

圖8 系統(tǒng)測(cè)試流程Fig.8 System test flow chart

表1 傳統(tǒng)測(cè)試模式和柔性測(cè)試模式對(duì)比Tab.1 Contrast between traditional test mode and flexible testing model

使用結(jié)果表明，如充分發(fā)揮柔性智能測(cè)試系統(tǒng)的最大效能，還要解決以下問題：

裝置程序智能下載問題通過在整機(jī)智能測(cè)試站的ITCC布置分布式數(shù)據(jù)庫，根據(jù)程序歸檔編號(hào)與裝置二維碼，利用大數(shù)據(jù)匹配裝置需要下載的最新程序，解決裝置二維碼和程序唯一對(duì)應(yīng)問題，實(shí)現(xiàn)程序智能在線下載。

程序下載后裝置正常運(yùn)行問題裝置下載程序后，會(huì)處于閉鎖狀態(tài)，需要手動(dòng)確認(rèn)定值，才能正常運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)無人干預(yù)智能測(cè)試，裝置重啟后須處于正常運(yùn)行狀態(tài)。ITCC下載完程序后，通過主動(dòng)修改裝置定值，解決手動(dòng)確認(rèn)定值問題。

裝置電壓等級(jí)參數(shù)問題裝置在硬件設(shè)計(jì)上會(huì)出現(xiàn)48 V、110 V、220 V之分，但在軟件默認(rèn)定值選項(xiàng)上只能存在一項(xiàng)。無人干預(yù)智能測(cè)試，需對(duì)電壓參數(shù)進(jìn)行智能判別并自動(dòng)修改。ITCC根據(jù)裝置二維碼，讀取云端生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)，確定電壓等級(jí)并與裝置數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，確認(rèn)是否修改。

裝置正常運(yùn)行信號(hào)捕獲問題系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的前提是裝置處于正常運(yùn)行狀態(tài)，而修改定值或下載程序都會(huì)引起閉鎖。在ITCC開辟線程，利用系統(tǒng)調(diào)試變量原理對(duì)裝置是否正常運(yùn)行進(jìn)行判斷。

機(jī)器人效率利用最大化問題智能測(cè)試站的測(cè)試效率要充分考慮被測(cè)裝置平均測(cè)試時(shí)間T1，平均程序下載時(shí)間T2，平均裝置傳輸?shù)秸緯r(shí)間T3。而機(jī)器人系統(tǒng)也要了解測(cè)試站整體測(cè)試情況，比如：有幾個(gè)測(cè)試站可用，有幾個(gè)裝置在測(cè)等。

4 結(jié)語

在當(dāng)前工業(yè)4.0和智能制造浪潮席卷全球的時(shí)代背景下，針對(duì)繼電保護(hù)裝置生產(chǎn)測(cè)試的兩大過程：?jiǎn)伟鍦y(cè)試和整機(jī)測(cè)試，本文提出了柔性化智能測(cè)試通用解決新方案，并以低壓保護(hù)裝置為試點(diǎn)，設(shè)計(jì)了整機(jī)柔性在線智能測(cè)試系統(tǒng)。該方案有效解決了裝置智能搬運(yùn)，在線無碰擦傳輸，不同型號(hào)裝置的智能識(shí)別，并根據(jù)型號(hào)自動(dòng)構(gòu)建閉環(huán)測(cè)試環(huán)境，自動(dòng)根據(jù)裝置型號(hào)進(jìn)行裝置保障性功能測(cè)試等技術(shù)難題。該系統(tǒng)有效提高了繼電保護(hù)裝置大生產(chǎn)敏捷測(cè)試效率，對(duì)推動(dòng)工業(yè)4.0在繼電保護(hù)裝置生產(chǎn)制造測(cè)試領(lǐng)域的深入應(yīng)用，探索柔性化的生產(chǎn)測(cè)試體系，具有一定的借鑒意義。