風(fēng)機(jī)運(yùn)維機(jī)器人的上位機(jī)控制界面設(shè)計(jì)方法*

張 靜

(上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海 200070)

0 引 言

近年來(lái)，國(guó)家為了推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型和提高非化石能源的消費(fèi)比重，風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域迅猛發(fā)展。同時(shí)，風(fēng)機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電的重要組成部件，定期檢測(cè)其葉片和螺栓的可靠性和穩(wěn)定性尤為重要。傳統(tǒng)上，針對(duì)風(fēng)機(jī)檢測(cè)采取人工操作的方式，主要是利用了維護(hù)人員中的視覺(jué)功能。同時(shí)，維護(hù)人員通過(guò)工具擰動(dòng)螺栓來(lái)判斷風(fēng)機(jī)中螺栓是否有松動(dòng)的情況，存在安全隱患和測(cè)量誤差。

文獻(xiàn)[1-2]提出通過(guò)主動(dòng)輪、從動(dòng)導(dǎo)向輪和導(dǎo)向帶，幫助維護(hù)人員攀爬風(fēng)機(jī)省力的方法。這種方法仍是針對(duì)傳統(tǒng)的人工操作進(jìn)行改善，只能減小維護(hù)人員跌落風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[3]提出一種通過(guò)智能頭盔和智能工作服，保障維護(hù)人員長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)時(shí)的舒適度的方法。但是，只能作為維護(hù)人員的輔助工具，仍然無(wú)法避免人員跌落的風(fēng)險(xiǎn)，也無(wú)法避免維護(hù)人員帶來(lái)的檢測(cè)誤差。文獻(xiàn)[4]提出了一種舒適、平穩(wěn)和安全的救助平臺(tái)方法。該方法通過(guò)主船體、步橋以及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了人員和物資的轉(zhuǎn)移，降低了運(yùn)維船自身的維護(hù)成本。但是，無(wú)法解決風(fēng)機(jī)檢測(cè)中人身傷害的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]分析了海上風(fēng)電運(yùn)維安全管理的主要風(fēng)險(xiǎn)因素和難點(diǎn)。海上風(fēng)電運(yùn)維主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)主要包括人員登乘落水、擠壓風(fēng)險(xiǎn)和高處墜落風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[6]提出一種適用于農(nóng)業(yè)田間作業(yè)的遠(yuǎn)程控制檢測(cè)系統(tǒng)?；赒t5.0開(kāi)發(fā)平臺(tái)構(gòu)建一個(gè)上位機(jī)界面，并融合數(shù)傳模塊與圖傳模塊，使該界面實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸與圖像傳輸，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控旅行家IV號(hào)機(jī)器人。但是，應(yīng)用于風(fēng)電領(lǐng)域的運(yùn)維機(jī)器人還沒(méi)有相關(guān)的資料。文獻(xiàn)[7]針對(duì)風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，應(yīng)用組態(tài)王開(kāi)發(fā)了風(fēng)機(jī)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示與報(bào)警，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理與風(fēng)機(jī)性能曲線的繪制，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的安全、高效自動(dòng)運(yùn)行提供保證。

目前，人身傷害的風(fēng)險(xiǎn)只能是通過(guò)外界設(shè)備來(lái)預(yù)防，不能完全地避免此風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生?，F(xiàn)有技術(shù)中的助爬器、智能可穿戴設(shè)備及風(fēng)電運(yùn)維船等屬于人工操作中的輔助設(shè)備，確實(shí)可有效地提高維護(hù)人員在運(yùn)維操作中的舒適度。但是，無(wú)法從根本上保障維護(hù)人員的安全。

隨著智能制造的推廣，利用機(jī)器人替代人工操作的方案成為了風(fēng)力發(fā)電行業(yè)中運(yùn)維的大趨勢(shì)。風(fēng)機(jī)運(yùn)維機(jī)器人方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人對(duì)風(fēng)機(jī)中的螺栓進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)的功能。本文所提風(fēng)電運(yùn)維機(jī)器人是一種具備螺栓檢修功能的爬行機(jī)器人。風(fēng)電運(yùn)維機(jī)器人從根本上解決了風(fēng)機(jī)在運(yùn)維過(guò)程中可能造成的人身傷害。螺栓檢測(cè)作為風(fēng)電運(yùn)維機(jī)器人的子系統(tǒng)，需要用戶在上位機(jī)控制界面上操控，然后實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制過(guò)程。為此，本文采用了一種風(fēng)電運(yùn)維機(jī)器人的上位機(jī)控制界面方法。

1 檢測(cè)系統(tǒng)整體框架

上位機(jī)即控制系統(tǒng)，采用了研華的工控機(jī)ARK-1124H。同時(shí)，在工控機(jī)安裝Visual Studio、視覺(jué)處理軟件VisionBank和磁測(cè)量處理軟件IN-01R軟件。下位機(jī)包含視覺(jué)系統(tǒng)、磁測(cè)量系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

將上位機(jī)控制界面安裝在控制系統(tǒng)中，由控制系統(tǒng)分別發(fā)送命令1～3給下位機(jī)子系統(tǒng)。子系統(tǒng)向控制系統(tǒng)發(fā)送反饋值1～3，由控制系統(tǒng)中的上位機(jī)控制界面決定下位機(jī)的下一個(gè)動(dòng)作。上位機(jī)和下位機(jī)集合成為檢測(cè)系統(tǒng)，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的硬軟件環(huán)境示意圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)運(yùn)維機(jī)器人的檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

2 上位機(jī)控制界面初始處理

風(fēng)機(jī)中的螺栓在初始安裝時(shí)其受力情況是最佳的狀態(tài)，但受外界因素的影響，會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)和損壞的情況。如果不及時(shí)進(jìn)行檢修，則將可能造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人身傷害。

為此，可將在最佳狀態(tài)下的螺栓中某個(gè)特定標(biāo)識(shí)的角度偏移角度作為判定其是否有松動(dòng)的基準(zhǔn)值。同時(shí)，為了節(jié)省檢測(cè)時(shí)間，可將N個(gè)螺栓的坐標(biāo)偏差累計(jì)和作為坐標(biāo)基準(zhǔn)值。為了判斷螺栓是否有損壞，在螺栓最佳狀態(tài)下，以磁測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得到的磁通量和應(yīng)力數(shù)值的最大值和最小值作為基準(zhǔn)值范圍。

2.1 坐標(biāo)系的選定

為了準(zhǔn)確地測(cè)量坐標(biāo)偏差值，需要將照相機(jī)中心與螺栓中心所在的坐標(biāo)系進(jìn)行確認(rèn)[8-9]。

該方案中選取第一個(gè)螺栓中心為世界坐標(biāo)系原點(diǎn)o，x軸為由N個(gè)螺栓的中心連接形成的圓切線方向，y軸為由N個(gè)螺栓的中心連接形成的圓法線方向，z軸為N個(gè)螺栓的中心連接形成的圓平面的法線方向。智能小車(chē)中心為基坐標(biāo)原點(diǎn)o1，x1、y1、z1的方向與前者相同。照相機(jī)中心為坐標(biāo)系原點(diǎn)o2，x2、y2、z2的方向同前者。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)中的螺栓的坐標(biāo)系示意圖如圖2所示。

圖2 坐標(biāo)系示意圖

為了實(shí)現(xiàn)檢測(cè)螺栓是否有松動(dòng)和損壞的功能，需將照相機(jī)中心與螺栓中心對(duì)齊。這種坐標(biāo)系定義下，選取的坐標(biāo)系軸方向是一致的，則可通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)拍照，并處理得到的坐標(biāo)偏差值X=x-x2和Y=y-y2，即為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中智能小車(chē)的移動(dòng)距離。

2.2 基準(zhǔn)值的判定

2.2.1 坐標(biāo)和角度的基準(zhǔn)值判定

通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)，在上位機(jī)控制界面上，設(shè)置坐標(biāo)采集和角度采集的命令按鈕。在設(shè)置端口號(hào)和波特率之后，進(jìn)行打開(kāi)端口的動(dòng)作。在坐標(biāo)采集命令按鈕被觸發(fā)之后，視覺(jué)系統(tǒng)軟件反饋?zhàn)鴺?biāo)數(shù)據(jù)。在上位機(jī)控制界面的后臺(tái)程序里，對(duì)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并以串口通信的方式將處理完成的坐標(biāo)值發(fā)送至驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)X和Y坐標(biāo)值進(jìn)行移動(dòng)。

當(dāng)X≤1且Y≤1時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)停止移動(dòng)；否則，繼續(xù)進(jìn)行坐標(biāo)采集的動(dòng)作，且驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)X1和Y1坐標(biāo)值進(jìn)行移動(dòng)，直到X和Y坐標(biāo)值均≤1。針對(duì)當(dāng)前螺栓的檢測(cè)，保存驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)移動(dòng)的坐標(biāo)偏差值累加和Xsp=X+X1+…+Xn和Ysp=Y+Y1+…+Yn，并把Xsp和Ysp作為當(dāng)前螺栓的坐標(biāo)基準(zhǔn)值Xb和Yb。

視覺(jué)系統(tǒng)開(kāi)始角度采集。在上位機(jī)控制界面的后臺(tái)程序里，對(duì)反饋角度值進(jìn)行處理，保存當(dāng)前的初始角度值，將其作為角度基準(zhǔn)值A(chǔ)b。

2.2.2 磁通量和應(yīng)力的基準(zhǔn)值判定

待應(yīng)力傳感器移至被測(cè)螺栓位置處后，開(kāi)始檢測(cè)螺栓應(yīng)力。磁測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行磁通量B的測(cè)量，連續(xù)測(cè)量3次的偏差值≤0.1 mT時(shí)，作為測(cè)量的最終值。依據(jù)該測(cè)量方式，測(cè)得B的最大值Bmax和最小值Bmin，并以此最值作為磁通量的基準(zhǔn)值。磁測(cè)量軟件根據(jù)磁通量計(jì)算出對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值σmax和σmin，并以此作為應(yīng)力的基準(zhǔn)值。以磁通量和應(yīng)力的基準(zhǔn)值作為變量，確定磁通量與應(yīng)力之間的基準(zhǔn)值線性關(guān)系函數(shù)[10-11]：

(1)

該函數(shù)可作為螺栓是否損壞的判定條件。

2.2.3 基準(zhǔn)值判定流程圖

螺栓的坐標(biāo)基準(zhǔn)值、角度基準(zhǔn)值、磁通量和應(yīng)力的基準(zhǔn)值判定過(guò)程如圖3所示。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)中基準(zhǔn)值判定流程圖

在第一個(gè)螺栓的基準(zhǔn)值測(cè)試完畢后，進(jìn)行第二、第三……和第N個(gè)螺栓的基準(zhǔn)值測(cè)試。在測(cè)試完基準(zhǔn)值之后，將全部的坐標(biāo)偏差基準(zhǔn)值、角度基準(zhǔn)值、磁通量與應(yīng)力的基準(zhǔn)值進(jìn)行保存處理。這些基準(zhǔn)值數(shù)據(jù)可作為定期檢測(cè)螺栓是否松動(dòng)和損壞的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 上位機(jī)中的控制界面流程

在上位機(jī)控制界面初始處理完成后，需定期進(jìn)行風(fēng)機(jī)中的螺栓檢測(cè)。螺栓檢測(cè)流程如圖4所示。

圖4 螺栓檢測(cè)流程圖

3.1 判斷螺栓是否松動(dòng)

上位機(jī)控制界面通過(guò)串口通信的方式，將坐標(biāo)基準(zhǔn)值Xb和Yb發(fā)送至驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)坐標(biāo)基準(zhǔn)值Xb和Yb移動(dòng)到固定的螺栓位置后，上位機(jī)控制界面向視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)送角度采集指令。

在上位機(jī)控制界面的后臺(tái)程序里，對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)反饋的角度實(shí)際值A(chǔ)s進(jìn)行處理，并與角度基準(zhǔn)值A(chǔ)b進(jìn)行對(duì)比。若是角度實(shí)際值A(chǔ)s與基準(zhǔn)值A(chǔ)b相等，則說(shuō)明螺栓沒(méi)有松動(dòng)；否則，說(shuō)明螺栓存在松動(dòng)，進(jìn)行報(bào)警處理，并顯示出旋轉(zhuǎn)的角度值。

3.2 判斷螺栓是否損壞

上位機(jī)控制界面發(fā)送應(yīng)力傳感器移動(dòng)指令給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，待移動(dòng)動(dòng)作完成后，磁測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)螺栓進(jìn)行充磁的動(dòng)作。充磁結(jié)束后，進(jìn)行磁通量的測(cè)量動(dòng)作，若連續(xù)3次測(cè)量的偏差值≤0.1 mT，則將最后一次的測(cè)量值作為最終磁通量實(shí)際值Bs。

磁測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)磁通量實(shí)際值Bs計(jì)算出應(yīng)力實(shí)際值σs，將磁通量和應(yīng)力實(shí)際值代入到式(1)基準(zhǔn)值線性關(guān)系函數(shù)中。若實(shí)際值滿足此基準(zhǔn)值線性關(guān)系函數(shù)，則說(shuō)明螺栓沒(méi)有損壞；否則，說(shuō)明螺栓存在損壞，并進(jìn)行報(bào)警處理。

當(dāng)被測(cè)的螺栓完成磁通量測(cè)量之后，可通過(guò)上位機(jī)控制界面對(duì)螺栓進(jìn)行消磁處理。當(dāng)磁通量測(cè)量值≤0.1 mT，則說(shuō)明螺栓消磁成功；否則，將再一次對(duì)螺栓進(jìn)行消磁處理，直到磁通量的測(cè)量值≤0.1 mT。

4 上位機(jī)控制界面試驗(yàn)結(jié)果

在Visual Studio軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中，利用C#語(yǔ)言，對(duì)本文提出的上位機(jī)控制界面方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，輸出的上位機(jī)控制界面實(shí)物圖，如圖5所示。上位機(jī)界面功能簡(jiǎn)介如下。

圖5 上位機(jī)控制界面的實(shí)物圖

(1)界面在功能上實(shí)現(xiàn)了串口通信的基本操作，如打開(kāi)端口、關(guān)閉端口、設(shè)置端口號(hào)和波特率。利用虛擬串口軟件，實(shí)現(xiàn)了COM端口之間的連接功能。從而，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。

(2)作為指令按鈕的坐標(biāo)采集、角度采集和應(yīng)力測(cè)量實(shí)現(xiàn)了由控制系統(tǒng)向子系統(tǒng)發(fā)送控制指令的功能。

4.1 通信及基本子系統(tǒng)功能驗(yàn)證

首先，將單個(gè)螺栓作為被檢測(cè)的對(duì)象，驗(yàn)證視覺(jué)系統(tǒng)、磁測(cè)量系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的通信功能以及基本子系統(tǒng)功能。在實(shí)際工況中，為了保障視覺(jué)系統(tǒng)采集和處理的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行打光燈的補(bǔ)光操作。風(fēng)電運(yùn)維機(jī)器人系統(tǒng)組成實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 風(fēng)電運(yùn)維機(jī)器人系統(tǒng)組成實(shí)物圖

驗(yàn)證通信功能的結(jié)果圖，如圖7所示。視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)置為com9，波特率設(shè)置為57 600；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置為com12，波特率設(shè)置為19 200。2個(gè)USB端口與工控機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通信成功之后，進(jìn)行試驗(yàn)操作。

圖7 通信功能的結(jié)果圖

在點(diǎn)擊“坐標(biāo)采集”之后，會(huì)輸出對(duì)應(yīng)的總坐標(biāo)偏差，即Xsp1:3.03Ysp1:2.22。在當(dāng)前坐標(biāo)偏差實(shí)際值滿足精度要求之后，即X0.72Y0.47，X和Y軸的坐標(biāo)偏差實(shí)際值均≤1，直接進(jìn)入“角度采集”。在顯示框中，輸出A1：349.46。試驗(yàn)輸出結(jié)果與設(shè)計(jì)思路的預(yù)期結(jié)果一致。

4.2 整體系統(tǒng)功能驗(yàn)證

針對(duì)風(fēng)電運(yùn)維機(jī)器人，需要在多個(gè)螺栓的測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行整體系統(tǒng)功能的驗(yàn)證，從而保證該檢測(cè)系統(tǒng)可以自動(dòng)地進(jìn)行多個(gè)螺栓的檢測(cè)。試驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)平臺(tái)

連續(xù)5次測(cè)量的試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 連續(xù)5次測(cè)量的試驗(yàn)結(jié)果

在用戶點(diǎn)擊“保存坐標(biāo)”的操作后，可將坐標(biāo)基準(zhǔn)值保存至自命名的.txt文檔中。角度基準(zhǔn)值的操作與此相同。點(diǎn)擊“讀取基準(zhǔn)”和“讀取實(shí)測(cè)”，保存的坐標(biāo)值可以顯示在文本框中,如圖10所示。

圖10 讀取基準(zhǔn)值和實(shí)測(cè)值的結(jié)果圖

點(diǎn)擊“開(kāi)始對(duì)比”，實(shí)測(cè)值與基準(zhǔn)值進(jìn)行做對(duì)比，結(jié)果如圖11所示。

圖11 基準(zhǔn)值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果圖

試驗(yàn)結(jié)果中，Xsp1和Ysp1是被檢測(cè)螺栓1的坐標(biāo)偏差基準(zhǔn)值，Xsp2和Ysp2是被檢測(cè)螺栓2的坐標(biāo)偏差基準(zhǔn)值，以此類推。以坐標(biāo)偏差基準(zhǔn)值作為螺栓是否松動(dòng)的判斷依據(jù)，在風(fēng)機(jī)螺栓定期檢測(cè)中，將坐標(biāo)偏差實(shí)際值與坐標(biāo)偏差基準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比。若實(shí)際值與基準(zhǔn)值的偏差一致，則判定螺栓沒(méi)有松動(dòng)；否則，則判定螺栓出現(xiàn)松動(dòng)。

以角度基準(zhǔn)值作為螺栓是否損壞的判斷依據(jù)。若實(shí)際值與基準(zhǔn)值的偏差一致，則判定螺栓沒(méi)有損壞；否則，則判定螺栓出現(xiàn)損壞。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)風(fēng)機(jī)檢測(cè)工作，傳統(tǒng)的方式是通過(guò)人工操作，對(duì)維護(hù)人員存在著人身傷害的風(fēng)險(xiǎn)。為此，本文采用視覺(jué)系統(tǒng)和磁測(cè)量系統(tǒng)替代維護(hù)人員的操作，從根本上保障了維護(hù)人員的安全。

上位機(jī)控制界面方便地實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)、磁測(cè)量系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，避免了維護(hù)人員在惡劣環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作的情況。