基于2.4 G無(wú)線通訊的絕緣子噴涂清潔設(shè)備控制系統(tǒng)

呂剛，唐華東，陳亮，鄧文斌，王春，張瑞亮

（南方電網(wǎng)超高壓輸電公司貴陽(yáng)局，貴陽(yáng) 550081）

引言

當(dāng)前，我國(guó)電力行業(yè)裝機(jī)規(guī)模巨大，根據(jù)中電聯(lián)數(shù)據(jù)，2019年底我國(guó)總裝機(jī)容量約20億千瓦[1]。電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)在輸變電過(guò)程中需要用到數(shù)量龐大的絕緣子用于電氣絕緣保護(hù)，其中，在高壓變電站中通常會(huì)用到支柱絕緣子。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電網(wǎng)容量和輸電電壓等級(jí)相應(yīng)提高，同時(shí)隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，部分地區(qū)環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，在霾、霜、露、毛毛雨等不利氣象條件下，污穢絕緣子在較低的電壓作用下就可能發(fā)生閃絡(luò)，造成污閃事故，給電力輸變電系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重威脅[2-4]?？諝怙h浮污染以有機(jī)物燃燒后的飄塵含有膠質(zhì)粘附能力最強(qiáng)，成分復(fù)雜容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成更深層的粘附。線路和電力設(shè)備的清潔需求大，對(duì)潔凈度的要求高。傳統(tǒng)的人工噴涂清洗方式無(wú)論從效率或質(zhì)量，都難以滿足當(dāng)前電力行業(yè)日益增加的絕緣子噴涂與清潔防污需求，為了更好地滿足電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展，提高并改善噴涂與清潔效果，亟需開(kāi)發(fā)自動(dòng)化程度高的絕緣子噴涂、清洗設(shè)備及其控制系統(tǒng)。

為了設(shè)備運(yùn)行控制的便捷性與適應(yīng)性，控制系統(tǒng)通常采用無(wú)線通訊，市面上應(yīng)用最廣的三種短距無(wú)線通訊技術(shù)分別為藍(lán)牙、WiFi及Zigbee，其中，Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，其特點(diǎn)是低距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)率、低成本，Zigbee使用頻段為2.4 GHz，868 MHz以及915 MHz，在不使用功率放大器的前提下，Zigbee的有效傳輸范圍為10～75 m，該距離可以滿足絕緣子噴涂設(shè)備的實(shí)際使用需求[5, 6]。

本文開(kāi)發(fā)的絕緣子噴涂與清潔機(jī)械臂的應(yīng)用方案中，電氣電子控制系統(tǒng)包括無(wú)線組網(wǎng)控制、機(jī)械臂定位控制及噴涂過(guò)程控制。

1 無(wú)線組網(wǎng)控制

本控制系統(tǒng)方案使用的無(wú)線組網(wǎng)控制采用2.4 G無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)主控制中心對(duì)整噴涂系統(tǒng)操作控制，其通訊頻段處于2.400～2.483 5 GHz之間，2.4 G 產(chǎn)品應(yīng)用比較廣泛，具有低電壓，高效率，低成本，雙向數(shù)據(jù)傳輸速度高，體積小，快速跳頻，前向糾錯(cuò)，校驗(yàn)，傳輸質(zhì)量穩(wěn)定等功能特點(diǎn)，而且工作在全球開(kāi)放的ISM 頻段，免許可證使用。

本文采用的2.4 G全雙工無(wú)線串口模塊功率級(jí)別為100 mW，能實(shí)現(xiàn)2 000 m距離范圍內(nèi)的全雙工高速數(shù)據(jù)傳輸，參照絕緣子噴涂設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，2.4 G全雙工無(wú)線串口模塊完全滿足雙向數(shù)據(jù)傳輸及雙向遙控的短距離應(yīng)用需求。

組網(wǎng)方案使用的是一對(duì)多通信，全雙工串口式排隊(duì)訪問(wèn)的通信模式。確定目的地址和源地址，讓從機(jī)的一端定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，如果信道忙就隨機(jī)延時(shí)等待，待接收到之后進(jìn)行校驗(yàn)，返回?cái)?shù)據(jù)同樣包含目的地址和源地址，接收端再進(jìn)行校驗(yàn)，重新確定通信狀態(tài)。

系統(tǒng)無(wú)線組網(wǎng)方式如圖1所示，通過(guò)設(shè)定主控制中心為通信主機(jī)，平臺(tái)升降控制模塊、物料車(chē)控制模塊及機(jī)械臂控制模塊為從機(jī)，從機(jī)之間是相對(duì)孤立的。主機(jī)根據(jù)設(shè)置地址不同的發(fā)射地址來(lái)實(shí)現(xiàn)與各個(gè)從機(jī)的無(wú)干擾通信。從機(jī)在未收到主控制中心的通信許可時(shí)，處于等待呼喚的狀態(tài)。本文所選用的2.4 G通信模塊具有快速切換/喚醒功能，在切換通信對(duì)象，喚醒等待并建立通信狀態(tài)的時(shí)間僅為130 μs。

圖2為從機(jī)部分的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)，主控制中心根據(jù)設(shè)置地址不同的發(fā)射地址，切換與各個(gè)模塊的通信狀態(tài)。從機(jī)獲得主控制中心的指令，根據(jù)指令的需求，完成指定的操作，或?qū)顟B(tài)信息打包發(fā)送至主控制中心。

圖1 控制系統(tǒng)無(wú)線組網(wǎng)方式

圖2 從機(jī)部分的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 機(jī)械臂定位控制

2.1 升降高度的控制

系統(tǒng)使用的是雙桅鋁合金升降平臺(tái)將機(jī)械臂提升至工作高度。雙桅鋁合金升降平臺(tái)，其上升動(dòng)作是由葉片泵推動(dòng)液壓油至活塞，從而推動(dòng)平臺(tái)上升。下降則是通過(guò)泄壓閥釋放液壓油，平臺(tái)憑自重下降。其上升速度為出廠額定速度8～12 m/min且不可調(diào)，而下降速度可以通過(guò)調(diào)整泄壓閥的開(kāi)度來(lái)改變。

實(shí)際測(cè)試中，由于上升速度達(dá)到20 cm/s，速度太快，如果使用繼電器控制其上升幅度難以實(shí)現(xiàn)均勻噴涂；而下降速度可調(diào)為8 cm/s，則較容易實(shí)現(xiàn)下降幅度的微調(diào)，所以宜使用由上而下的分段噴涂方式完成整段絕緣子的噴涂。

圖3為升降控制部分的架構(gòu)圖，升降控制部分的集成控制中心通過(guò)采集安裝在機(jī)械臂下方的高度傳感器的數(shù)據(jù)，控制葉片泵和泄壓閥的動(dòng)作，可把機(jī)械臂調(diào)整至不同高度。

2.2 機(jī)械臂中心空間位置的確定

為了確保整個(gè)絕緣子噴涂效果的完整性兩側(cè)的一致性，在噴涂操作開(kāi)始前，必須確定絕緣子頂端位置及絕緣子柱體的圓心線位置。

噴涂工作高度的確定，使涂料能覆蓋絕緣子的頂端。噴涂的起止高度，是水平激光測(cè)距儀和輔助觀測(cè)攝像頭來(lái)共同完成的。在整機(jī)初定位時(shí)，機(jī)械臂處于往后張開(kāi)的狀態(tài)，機(jī)械臂中心與絕緣子的距離保持在60～120 cm的范圍。此時(shí)安裝在機(jī)械臂中心的水平激光測(cè)距儀對(duì)準(zhǔn)絕緣子。機(jī)械臂上升時(shí)，水平激光測(cè)距儀的數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)反復(fù)波動(dòng)，當(dāng)數(shù)據(jù)突然超出這一范圍時(shí)，即認(rèn)為機(jī)械臂中心越過(guò)了絕緣子的頂端，此時(shí)機(jī)械臂不再上升，可通過(guò)輔助觀測(cè)攝像頭觀察機(jī)械臂的空間位置和水平激光測(cè)距儀光點(diǎn)的位置，進(jìn)一步確定機(jī)械臂中心是否到達(dá)絕緣子頂端?？刂浦行挠涗洿藭r(shí)激光高度傳感器的測(cè)量信息。

圖3 升降控制部分的架構(gòu)

在噴涂附帶操作進(jìn)行前，必須調(diào)整機(jī)械臂的位置使機(jī)械臂抱合后形成的圓環(huán)與絕緣子處于同圓心的狀態(tài)，避免機(jī)械臂在合抱過(guò)程中與絕緣子發(fā)生碰撞，同時(shí)保證兩臂上的噴頭與絕緣子距離一致，以使兩側(cè)的噴涂效果均勻。

在測(cè)量得到絕緣子頂端高度數(shù)據(jù)后，絕緣子的圓心位置有待測(cè)定，需要控制機(jī)械臂下降以確保后續(xù)測(cè)量的數(shù)據(jù)可靠有效。通常，絕緣子的直徑為30～60 cm，普通傘裙的高度6～18 cm，傘裙間距為2～15 cm，X軸上傳動(dòng)裝置的機(jī)械臂左右平移，水平激光測(cè)距儀測(cè)量機(jī)械臂中心與絕緣子表面的距離變化，在60 cm范圍內(nèi)來(lái)回平移測(cè)得的最小距離，即為機(jī)械臂中心與絕緣子的最近距離，此時(shí)認(rèn)為機(jī)械臂中心線與即對(duì)準(zhǔn)了絕緣子的圓心，X軸上噴涂位置確定。

確定X軸的位置后，還需要調(diào)整機(jī)械臂Y軸上的位置使機(jī)械臂合抱形成的圓環(huán)與絕緣子圓柱截面處于同心狀態(tài)。本方案水平方向上使用的是點(diǎn)激光測(cè)距儀，優(yōu)點(diǎn)是光強(qiáng)大，適用于室外環(huán)境使用，測(cè)量數(shù)據(jù)處理速度快，靈敏度高；但其缺點(diǎn)也是明顯的，只能測(cè)出單點(diǎn)距離，無(wú)法測(cè)量連續(xù)曲面的變化。所以在本方案的應(yīng)用中，要保證噴涂效果的均勻還必須確定傘裙圓柱面位置，通過(guò)已知的絕緣子出廠外半徑數(shù)據(jù)R，確定圓心的所在位置。方法如下：X軸的位置確定后，機(jī)械臂中心與絕緣子圓心處于同一連線上；此時(shí)水平激光測(cè)距傳感器隨機(jī)械臂在垂直方向上運(yùn)動(dòng)，測(cè)得的數(shù)據(jù)就是絕緣子傘裙與芯棒的高度，取其最小值即為傘裙與機(jī)械臂中心的距離S；則圓心與機(jī)械臂中心的距離L=R+S。抱合后機(jī)械臂的圓心半徑為0.6 m，通過(guò)Y軸的前后移動(dòng)，調(diào)整傘裙與機(jī)械臂中心的距離S，最終使絕緣子外半徑R+S=0.6 m，即絕緣子圓柱與機(jī)械臂圓心同心。

3 噴涂過(guò)程控制

圖4為噴涂物料小車(chē)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3.1 清洗

清洗系統(tǒng)是由高壓水泵、電控閥門(mén)、管路及高壓噴嘴組成。本方案所使用的是功率為2.4 kW的柱塞式高壓水泵，噴刷壓力為130 kg，出水量?jī)H為13 L/min，其優(yōu)點(diǎn)是能產(chǎn)生高壓沖擊，但耗水量只相當(dāng)于平時(shí)自來(lái)水的流量，清潔效果明顯。

清洗功能啟動(dòng)后，純凈水經(jīng)水泵加壓沿清洗管路到達(dá)機(jī)械臂兩側(cè)的高壓噴嘴；高壓噴嘴被驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)沿環(huán)形滑軌運(yùn)動(dòng)，重復(fù)來(lái)回兩次沖洗絕緣子表面，即可完成沖洗過(guò)程。

圖4 噴涂物料小車(chē)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 風(fēng)干

清洗過(guò)后殘留在絕緣子表面的水漬必須處理干凈，否則會(huì)影響涂料在絕緣子表面的吸附效果。風(fēng)干系統(tǒng)是由空壓機(jī)、電控閥門(mén)及空氣噴嘴組成，本方案使用的是壓縮空氣配合多孔式風(fēng)刀，壓縮空氣高速?gòu)娘L(fēng)刀噴出，能將絕緣子表面水珠有效吹落。同時(shí)啟動(dòng)散料吸附系統(tǒng)，將風(fēng)刀刮落的水滴吸收防止再次散落影響吹干效果。

3.3 噴涂

噴涂系統(tǒng)使用高壓隔膜泵提供噴涂壓力，使用電動(dòng)閥門(mén)控制噴嘴氣路的開(kāi)合，從而控制噴涂的通斷。不同的絕緣子的傘裙角度是不同的，且表面不是水平的，因此，正面的噴涂可能存在噴涂面不完整。所以噴涂時(shí)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)絕緣子傘裙角度調(diào)整噴涂的角度，以消除噴涂不均勻現(xiàn)象。

圖5 噴涂運(yùn)作的流程圖

3.4 散料回收

散料回收使用的是3.4 kW的大吸力工業(yè)干濕兩用吸塵器。由于噴涂溶劑使用的是揮發(fā)性的有機(jī)物，所以在散料回收桶內(nèi)增加了活性碳吸附網(wǎng)處理回收得到的噴涂散料。散料回收系統(tǒng)的另一作用是在清洗過(guò)程中，高壓水泵噴刷絕緣子表面同時(shí)，啟動(dòng)散料回收系統(tǒng)，可以控制清洗時(shí)高壓水的濺落范圍。

圖5為噴涂運(yùn)作的流程圖。機(jī)械臂抱合后，機(jī)械臂上升至絕緣子頂端，噴涂操作正式開(kāi)始。高壓清洗噴頭、風(fēng)干空氣噴嘴和高壓噴涂噴嘴同時(shí)裝在運(yùn)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的噴涂架上，隨運(yùn)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，沿環(huán)形滑軌繞絕緣子做圓周運(yùn)動(dòng)。

高壓清潔水泵啟動(dòng)，兩側(cè)運(yùn)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)清潔噴頭沿環(huán)形滑軌運(yùn)動(dòng)，雙側(cè)噴刷絕緣子表面，運(yùn)動(dòng)電機(jī)沿環(huán)形滑軌不停來(lái)回滑動(dòng)，配合升降平臺(tái)的緩慢下降完成整根絕緣子表面的清潔。

清洗完成后，機(jī)械臂回到噴涂起始高度。吹干系統(tǒng)的電控閥門(mén)開(kāi)啟，壓縮空氣從風(fēng)刀式空氣噴頭噴出。此時(shí)散料回收吸附系統(tǒng)一同啟動(dòng)，用于吸附散落的水霧?？諝鈬婎^隨驅(qū)動(dòng)動(dòng)機(jī)往復(fù)一個(gè)來(lái)回，完成該高度的風(fēng)干。

噴涂前，使用輔助觀測(cè)攝像頭觀察絕緣子傘裙的角度，用航模舵機(jī)驅(qū)動(dòng)噴頭調(diào)整噴頭角度。角度調(diào)整完成后，啟動(dòng)噴涂隔膜泵開(kāi)始噴涂。噴涂噴頭通過(guò)氣動(dòng)活塞控制噴涂的開(kāi)合。

在一高度位置噴涂完成后，使用輔助觀測(cè)攝像頭觀察，噴涂效果、噴涂厚度和均勻性是著重考察的因素。絕緣子表面噴涂效果中，其厚薄程度是通過(guò)調(diào)整運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度控制噴頭在某一位置的停留時(shí)間來(lái)決定的。通過(guò)輔助觀測(cè)攝像頭觀察判斷厚度情況是過(guò)薄還是過(guò)厚，應(yīng)調(diào)整運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，若噴涂過(guò)薄則需重新噴涂；如有漏噴現(xiàn)象，則有可能是涂料霧化不均勻或機(jī)械抖動(dòng)引起的，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)噴。確定噴涂效果完好后，升降平臺(tái)下降18 cm，機(jī)械臂重復(fù)吹干的動(dòng)作，然后開(kāi)始下一高度的噴涂，如此地重復(fù)，直到完成整根絕緣子的噴涂工作。

4 總結(jié)與展望

本文利用2.4 G無(wú)線通訊短距離通訊技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)一種絕緣子噴涂機(jī)械臂的應(yīng)用方案，其中電氣電子控制系統(tǒng)包括無(wú)線組網(wǎng)控制、機(jī)械臂定位控制及噴涂過(guò)程控制，主控制中心負(fù)責(zé)集中控制平臺(tái)升降、機(jī)械臂動(dòng)作及物料車(chē)動(dòng)作。本套設(shè)備系統(tǒng)包括清洗、風(fēng)干、噴涂、散料回收的全過(guò)程精確控制，相比傳統(tǒng)人工噴涂清潔方式，操作簡(jiǎn)便并且能夠有效地改善噴涂與清潔效果，更好地滿足電網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)營(yíng)，同時(shí)提高絕緣子噴涂清潔運(yùn)行維護(hù)效率，在電力系統(tǒng)中具有非常巨大的應(yīng)用潛力與市場(chǎng)前景。