變配電巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

吳焱明，郭亞杰，方明進(jìn)，楊 強(qiáng)，王一鳴，許鐘杰

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

目前，變配電所越來(lái)越趨向于少人化和無(wú)人化[1-3]，同時(shí)，鐵路系統(tǒng)中對(duì)變配電所穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高，因此保證變配電所的安全運(yùn)行變得越來(lái)越重要[4]。目前，許多變配電所依靠人工記錄設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，巡檢結(jié)果受巡檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、責(zé)任心等諸多因素限制，誤檢、漏檢的情況時(shí)有發(fā)生[5-8]?，F(xiàn)有的巡檢機(jī)器人主要有輪式和履帶式機(jī)器人[9]，通過(guò)激光或者GPS定位，以非接觸的檢測(cè)方式來(lái)獲取設(shè)備的運(yùn)行狀況。GPS適用于室外定位，激光定位成本比較高[10]。

因此本文設(shè)計(jì)了一種變配電巡檢機(jī)器人，利用磁條和RFID標(biāo)簽來(lái)進(jìn)行定位，將其應(yīng)用于變配電所的35 kV高壓室。通過(guò)搭載檢測(cè)設(shè)備，以接觸和非接觸的方式來(lái)完成檢測(cè)任務(wù)，檢測(cè)結(jié)束后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將巡檢結(jié)果發(fā)送到鐵路后臺(tái)終端。巡檢機(jī)器人以自主的方式，代替人工完成對(duì)變配電所設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)與預(yù)警分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常信息，為變配電所的安全運(yùn)行提供了新的技術(shù)保障。

1 巡檢機(jī)器人工作原理

巡檢機(jī)器人主要由提升總成、小擺總成、大擺總成和磁導(dǎo)引AGV組成，如圖1所示。提升、小擺和大擺總成各有一個(gè)搭載平臺(tái)，用于搭載接觸式與非接觸式檢測(cè)設(shè)備。

提升總成的搭載平臺(tái)上安裝有一臺(tái)工業(yè)相機(jī)，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)線(xiàn)性模組實(shí)現(xiàn)工業(yè)相機(jī)的上下移動(dòng)，利用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)工業(yè)相機(jī)的擺動(dòng)，使工業(yè)相機(jī)在不同位置和不同方位拍照，從而完成指示燈的狀態(tài)識(shí)別、高壓電氣柜柜門(mén)開(kāi)閉情況的判斷與指針式儀表的識(shí)別。大擺總成的搭載平臺(tái)上安裝有放電檢測(cè)裝置，通過(guò)伺服電機(jī)控制放電檢測(cè)裝置的位置，使其緊貼高壓電氣柜柜面，完成設(shè)備放電情況的檢測(cè)。小擺總成的搭載平臺(tái)上安裝有一臺(tái)工業(yè)相機(jī)，通過(guò)伺服電機(jī)控制工業(yè)相機(jī)的位置，到達(dá)指定位置后，工業(yè)相機(jī)拍照，完成數(shù)字與文字的識(shí)別。

1-磁導(dǎo)引AGV;2-小擺總成;3-大擺總成;4-提升總成

AGV作為巡檢機(jī)器人的移動(dòng)載體，通過(guò)在高壓室內(nèi)鋪設(shè)磁條并在磁條底下布置RFID標(biāo)簽來(lái)控制AGV運(yùn)動(dòng)到不同的電氣柜，利用搭載的檢測(cè)設(shè)備來(lái)完成檢測(cè)任務(wù)。RFID標(biāo)簽與磁條布置如圖2所示，圖中一個(gè)黑色圓代表一個(gè)RFID標(biāo)簽。

2 控制系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)硬件組成框圖如圖3所示，由于系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的計(jì)算、圖像處理、網(wǎng)口與串口的通信等，因此選擇IPC作為上位機(jī)。IPC網(wǎng)口用來(lái)連接AGV與無(wú)線(xiàn)路由器，無(wú)線(xiàn)路由器可以將巡檢結(jié)果發(fā)送到鐵路的后臺(tái)終端，同時(shí)連接兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)、一臺(tái)放電檢測(cè)裝置。IPC串口用來(lái)連接模擬量模塊與PLC,模擬量模塊上連接有溫濕度傳感器、煙霧傳感器、風(fēng)速傳感器。

圖2 RFID標(biāo)簽布局

圖3 控制系統(tǒng)硬件組成

在進(jìn)行巡檢任務(wù)時(shí)，需要對(duì)多臺(tái)電機(jī)進(jìn)行控制，因此選擇歐姆龍CP1H-X系列PLC作為下位機(jī)。CP1H-X具有4軸脈沖輸出和24路輸入點(diǎn)，PLC通過(guò)輸入點(diǎn)來(lái)檢測(cè)接近開(kāi)關(guān)和按鈕的信號(hào)，然后配合程序完成對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)分為兩個(gè)模塊：以IPC為核心的上位機(jī)程序和以PLC為核心的下位機(jī)程序?？刂葡到y(tǒng)的軟件采用模塊化思想來(lái)進(jìn)行編寫(xiě)，控制系統(tǒng)軟件的組成如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

3.1 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)上位機(jī)程序通過(guò)C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，包括如下模塊：

(1) 信息采集模塊：主要是利用工業(yè)相機(jī)、放電檢測(cè)裝置和模擬量模塊來(lái)采集信息。利用工業(yè)相機(jī)拍照，并存儲(chǔ)拍攝的照片，利用圖像識(shí)別技術(shù)來(lái)獲取設(shè)備的信息。經(jīng)過(guò)計(jì)算放電檢測(cè)裝置檢測(cè)到的數(shù)值來(lái)得到設(shè)備的放電情況，并將數(shù)值反饋給控制系統(tǒng)。通過(guò)讀取模擬量模塊輸入口的數(shù)值來(lái)得到高壓室的環(huán)境數(shù)據(jù)。

(2) 通信模塊：主要實(shí)現(xiàn)對(duì)AGV和PLC的控制?？刂葡到y(tǒng)對(duì)AGV發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令，驅(qū)動(dòng)AGV移動(dòng)到指定位置，并能夠?qū)崟r(shí)讀取AGV的運(yùn)行狀態(tài)，如當(dāng)前速度、當(dāng)前位置、故障類(lèi)型等信息。通過(guò)對(duì)PLC發(fā)送控制指令，修改電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，使電機(jī)按照要求運(yùn)動(dòng)，同時(shí)PLC將電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和輸入信息反饋給控制系統(tǒng)。

(3) 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊：為了使巡檢任務(wù)具有靈活性，將一些參數(shù)，例如電機(jī)速度、報(bào)警閾值存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便后期的修改。高壓室由多種不同的高壓電氣柜組成，每面柜子的檢測(cè)項(xiàng)目也不相同，相同柜子的檢測(cè)項(xiàng)目也不一定相同，因此每次巡檢的高壓電氣柜也不一定相同。為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)情況，設(shè)置不同的任務(wù)類(lèi)型，一次巡檢任務(wù)中可以選擇不同的高壓電氣柜，為高壓電氣柜設(shè)置不同的任務(wù)類(lèi)型。通過(guò)使用數(shù)據(jù)庫(kù)模塊對(duì)初始化參數(shù)以及巡檢任務(wù)進(jìn)行修改，使程序更加靈活方便。

(4) 手動(dòng)模塊：在手動(dòng)模塊中可以單獨(dú)測(cè)試某個(gè)硬件的功能，例如控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)、手動(dòng)拍攝照片等。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)手動(dòng)模塊對(duì)故障模塊進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，以此來(lái)分析故障原因。

(5) 自動(dòng)模塊：自動(dòng)運(yùn)行程序可調(diào)用上位機(jī)與下位機(jī)程序來(lái)完成這一整套流程，具體的流程如圖5所示。首先控制所有電機(jī)回原點(diǎn)，初始化數(shù)據(jù)庫(kù)；然后讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中目標(biāo)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)AGV到達(dá)目標(biāo)電氣柜，通過(guò)查看數(shù)據(jù)庫(kù)中的任務(wù)類(lèi)型，由巡檢機(jī)器人根據(jù)任務(wù)類(lèi)型做出相應(yīng)的動(dòng)作；動(dòng)作完成后，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果有異常，發(fā)出報(bào)警，然后到達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)中的下一個(gè)目標(biāo)電氣柜，重復(fù)上述動(dòng)作，直到數(shù)據(jù)庫(kù)中所有的電氣柜檢測(cè)完畢，生成巡檢報(bào)告，并將巡檢結(jié)果傳送至鐵路后臺(tái)終端，然后巡檢機(jī)器人返回到充電位。

(6) 報(bào)警模塊：巡檢機(jī)器人在自動(dòng)巡檢過(guò)程中，不可能無(wú)限制地等待某個(gè)動(dòng)作的完成，因此需要設(shè)置超時(shí)報(bào)警。同時(shí)需要對(duì)故障進(jìn)行分級(jí)，此處分為3級(jí)。第1級(jí)為最高等級(jí)，任務(wù)直接終止。例如：當(dāng)進(jìn)行放電檢測(cè)時(shí)，由于放電檢測(cè)裝置緊貼高壓電氣柜柜面，如果大擺總成收回時(shí)出現(xiàn)故障，而此時(shí)如果AGV移動(dòng)，則會(huì)損壞巡檢機(jī)器人，必須停止此次巡檢任務(wù)。第2等級(jí)，某一個(gè)動(dòng)作發(fā)生故障，則與此故障有關(guān)的動(dòng)作在后續(xù)的巡檢過(guò)程中都不需要再做。例如：小擺總成擺不到位，工業(yè)相機(jī)拍攝的圖片就沒(méi)有意義。第3等級(jí)，某一個(gè)動(dòng)作發(fā)生故障，但是與之有關(guān)的動(dòng)作也有可能得到正確信息。例如：當(dāng)提升總成進(jìn)行指針式儀表與指示燈狀態(tài)檢測(cè)時(shí)，電機(jī)發(fā)生故障，但是提升總成依舊可以完成下一面電氣柜的指針式儀表與指示燈的識(shí)別。對(duì)于第2與第3等級(jí)故障，由于此類(lèi)型故障不影響巡檢機(jī)器人的安全運(yùn)行，可以繼續(xù)進(jìn)行巡檢作業(yè)。當(dāng)故障出現(xiàn)或者檢測(cè)結(jié)果有異常時(shí)，需要進(jìn)行報(bào)警提示，并記錄故障信息，同時(shí)將故障信息通過(guò)路由器傳送至鐵路后臺(tái)終端，然后派人過(guò)來(lái)維修。

3.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

PLC程序分為三個(gè)模塊，分別是通信模塊、I/O模塊以及運(yùn)動(dòng)模塊。

(1) 通信模塊：通過(guò)接收上位機(jī)命令來(lái)控制PLC輸出點(diǎn)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)以及繼電器的控制，PLC將伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和一些狀態(tài)信息發(fā)送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的控制。

(2) I/O模塊：I/O模塊分為輸入與輸出，輸入點(diǎn)主要是檢測(cè)接近開(kāi)關(guān)與按鈕的狀態(tài)，通過(guò)讀取輸入點(diǎn)的狀態(tài)來(lái)配合其他模塊執(zhí)行特定的動(dòng)作，并作用到輸出點(diǎn)上。

(3) 運(yùn)動(dòng)模塊：PLC需要控制3臺(tái)伺服電機(jī)與1臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)都需要單獨(dú)控制，并且可以手動(dòng)控制每個(gè)電機(jī)的運(yùn)行速度和目標(biāo)位置。

圖5 自動(dòng)運(yùn)行流程

4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及結(jié)果

在完成機(jī)械裝配與電氣設(shè)備安裝工作后，設(shè)計(jì)好巡檢機(jī)器人的控制系統(tǒng)，將巡檢機(jī)器人送至合肥某變配電所的35 kV高壓室，進(jìn)行巡檢機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。高壓室內(nèi)一共有14面高壓電氣柜，每面柜子的前面與背面都有檢測(cè)點(diǎn)，具體的布局如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況如圖6所示。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，巡檢機(jī)器人能夠很好地按要求完成檢測(cè)動(dòng)作，檢測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況比較符合，巡檢機(jī)器人每隔2 h完成一次巡檢任務(wù)，一次巡檢需要耗時(shí)18 min，滿(mǎn)足變電所的巡檢要求。

圖6 自動(dòng)巡檢中

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，變配電巡檢機(jī)器人的控制系統(tǒng)已經(jīng)研制完成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)35 kV高壓室內(nèi)設(shè)備的自動(dòng)巡檢，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后得到報(bào)表，傳送至鐵路后臺(tái)終端。變配電巡檢機(jī)器人對(duì)于高壓室的風(fēng)險(xiǎn)管控具有良好的效果，提高了設(shè)備的巡檢效率和巡檢質(zhì)量，降低了工作強(qiáng)度和工作風(fēng)險(xiǎn)，為無(wú)人值守變配電所的安全運(yùn)行提供了一種新型檢測(cè)設(shè)備和預(yù)警手段。