電纜巡線機器人的改良設(shè)計

王恩陽

(河海大學(xué)機電工程學(xué)院,江蘇常州 213022)

我國目前正從勞動密集型向現(xiàn)代化制造業(yè)方向發(fā)展,振興制造業(yè)、實現(xiàn)工業(yè)化是我國經(jīng)濟發(fā)展的重要任務(wù)。伴隨著社會的不斷發(fā)展,國民經(jīng)濟的不斷提高,以及生產(chǎn)技術(shù)的進步,無人化,機械化,自動化的概念被更多的提出,成為了勢不可擋的發(fā)展新理念。本文所述的電纜巡線機器人設(shè)計正是向著這一方向邁進。

1 電纜巡線機器人的發(fā)展

1.1 相關(guān)研究背景

電力系統(tǒng)安全對國民經(jīng)濟的發(fā)展起著無可替代的作用,電力線路的安全更是成為了重中之重,為了保證設(shè)備的運行狀態(tài),需要定期對電力線路進行巡查和維護。

傳統(tǒng)變電站監(jiān)控和巡視主要通過人工方式,通過人的感官對設(shè)備進行簡單定性判斷,主要通過看、觸、聽等方法實現(xiàn);架空高壓輸電線路多以人工巡檢或者無人機巡檢為主,但是人工巡檢與無人機巡檢均存在著許多的不足[1]。

為了滿足對供電質(zhì)量日益提高的要求及對電力工作者的工作支持,更靈活實用的電路機器人巡視系統(tǒng)得以應(yīng)用。通過自主或遙控的方式,電路巡檢機器人系統(tǒng)在無人值守或少人值守的變電站對室外高壓設(shè)備進行巡檢,自動發(fā)現(xiàn),自動處置,自動解決,自動上報,實現(xiàn)了無人化的工作要求,提高了工作效率,降低了工作風(fēng)險,推進了無人化、智能化、高效化值守的新進程[2]。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

電力巡檢機器人最早集中出現(xiàn)在日本、美國等國家的研究中。早在19世紀80年代初期,日本就開始在變電站中使用巡檢機器設(shè)備;90年代初,日本又研制出了渦輪葉片巡檢機器人,配電線路檢修機器人等,可以應(yīng)對更多復(fù)雜的情況,用于應(yīng)對更多場景下的巡檢工作。

2008 年,巴西學(xué)者設(shè)計了一種新型高空滑行變電站巡檢機器人,它配備無線網(wǎng)絡(luò)連接和紅外熱像儀,可檢測到變電站電力設(shè)備的致熱點,無線傳輸后進行定位修整;2013年,加拿大研制出了一種采用GPS定位方式,在735kV變電站實現(xiàn)視覺和紅外檢測,并能遠程執(zhí)行開關(guān)分合操作的檢測操作機器人。新西蘭研制的電力巡檢機器人,同樣采用GPS定位,同時具備激光避障及雙向語音交互的功能,是一個新的突破。

在中國,電力機器人的發(fā)展是飛速的。國家電網(wǎng)公司從2002年成立了電力機器人技術(shù)實驗室,到兩年后實驗室成功研制出了第一臺功能型樣機,對于高質(zhì)量高效率的電力巡檢工作開了一個好頭。同時,我國在創(chuàng)新驅(qū)動方面響應(yīng)國家的號召,成為了世界上首個應(yīng)用推廣機器人在變電站進行自主巡檢維護的國家,提高了變電站巡檢的自動化和智能化水平。國家電網(wǎng)為我國面向工業(yè)化現(xiàn)代化發(fā)展貢獻著自己的力量。

1.3 研究意義

電作為老百姓日常生活必不可缺的一個組成部分,無時無刻都在影響著人們的生活。要從源頭保障用電安全,這就對供電工作提出了高度負責(zé)的要求:運行人員對管轄范圍內(nèi)的電纜線路按照現(xiàn)場運行標準的規(guī)定進行的經(jīng)常性巡視檢查,以及時掌握線路及其附屬設(shè)備是否存在異?；蛉毕?預(yù)防事故發(fā)生,確保電纜線路安全運行[3]。

傳統(tǒng)的電路巡檢方式包括人工巡檢與無人機巡檢(圖1、圖2)。

傳統(tǒng)人工巡檢多是通過工人目測或者望遠鏡巡查為主,存在勞動強度大、工作效率低、檢測質(zhì)量分散、手段單一等不足,人工檢測的數(shù)據(jù)也無法準確、及時地接入管理信息系統(tǒng)。根據(jù)NIOSH調(diào)查結(jié)果匯總的《因觸電致死的工人》,在死亡人數(shù)最多的十大職業(yè)類別中,職業(yè)巡邏員的致命傷人數(shù)最高(“因觸電致死的工人:NIOSH監(jiān)視和調(diào)查結(jié)果概述”)。并且,隨著無人值守模式的推廣,巡視工作量越來越大,巡檢到位率、及時性無法保證。此外,在高原、缺氧、寒冷等地理條件或惡劣天氣條件下,人工巡檢還存在較大安全風(fēng)險,缺乏有效的巡檢手段。

遠程操控?zé)o人機對電纜進行巡查,通過地表顯示屏觀察巡查結(jié)果。通過無人機進行巡檢能夠達到較好的巡檢效果,但是成本較高,且一些特殊的天氣下或者環(huán)境下,如雷雨、冰雹、沙塵、大雪等惡劣天氣下,巡檢工作也變得更加困難。

因此,傳統(tǒng)電路巡檢方式已經(jīng)不完全適宜新時代的要求,急需新的“接班人”。采用電纜巡檢機器人可以實現(xiàn)更靈活,更實用的電路巡檢,及時進行反饋處理,增強巡檢效率,減少人力物力的投入。

2 巡線機器人的市場研究

根據(jù)不同產(chǎn)品分析與市場調(diào)查研究總結(jié),想要將巡線機器人高效率高質(zhì)量的投放,產(chǎn)品在設(shè)計中應(yīng)當(dāng)注意以下幾個特征:

圖1 人工巡檢場景Fig.1 Scene of manual inspection

圖2 無人機巡檢場景Fig.2 UAV inspection scene

(1)遠程操控。工作者們可遠程進行機器操控,減小了安全隱患,也提高了工作效率。(2)多方位進行清理。機器人的維護方面功能包括擦洗刷,用于清除電源線中的碎屑。在沿海地區(qū),鹽分會積聚在管道上并導(dǎo)致腐蝕。此外,灰塵,工業(yè)煙塵和污染風(fēng)會在線路和絕緣子上產(chǎn)生沉積物。高效率的清理有助于延長電纜線的使用壽命。(3)動態(tài)穩(wěn)定性。動態(tài)穩(wěn)定性能強使得機器人在工作行駛的過程中保持穩(wěn)定,高效工作,將外在因素對其影響降到最低。(4)越障能力。目前無法越過塔架或克服大多數(shù)障礙是巡線機器人面臨的最大困難之一,應(yīng)考慮在功能設(shè)計方面放在重點考慮的位置上。(5)耐力。機器人的巡查耐力也決定著人力物力投入與工作效率,可考慮是否增添在線能量補給,使之全天候長期駐線。(6)質(zhì)量與體積。體積大,質(zhì)量重使得機器人不便于挪動攜帶。對于巡檢人員來說,機器人體積過于龐大,不便于隨時巡檢,操作起來也較為困難。同時在較為偏僻的地方更是難以作為日常工作投放使用。

3 巡線機器人的設(shè)計研究

伴隨著智能電網(wǎng)(又稱電網(wǎng)2.0)概念的提出,世界多國爭相通過本國先進的傳感、測量、設(shè)備技術(shù)和方法開發(fā)電力系統(tǒng)的智能化設(shè)備,確保電網(wǎng)建設(shè)的人性化、智能化、環(huán)?；?實現(xiàn)全天候的高頻率、無人化巡檢,充分發(fā)揮機器人反應(yīng)靈活、精度高、工作時間長的優(yōu)點。同時通過配合使用多種智能檢測裝備,對站內(nèi)設(shè)備進行智能識別與聯(lián)動,結(jié)合數(shù)據(jù)快速采集、實時信息傳輸、智能分析預(yù)警,保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行,強化電力設(shè)備管理能力,提升電網(wǎng)智能管理水平。

3.1 巡檢方式分析

人工巡檢高壓電路進度緩慢,而且施工風(fēng)險大;有些地區(qū)為了不影響電力的正常供應(yīng),也會采取直升機檢查高壓電線,但這種方式對天氣要求高,而且費用昂貴。相比之下,巡檢機器人就更加適用,它同樣可以在不切斷電路的情況下進行高壓巡檢高壓電線(表1)。

設(shè)計目標是為巡線機器人安裝四個滾輪,在遠程遙遙控器的操縱下,控制機器人可以沿著規(guī)定的高壓線路行駛近距離的檢查電線(圖3)。機器人將安裝八個攝像頭,能夠全方位同時檢查四條電線,并且儲存定位后的警察圖像發(fā)送后臺,在通過人工分析或者軟件自動判別路線是否有安全隱患。

巡檢機器人可提高巡檢工作的效率,在水平導(dǎo)線上的行駛速度遠大于人工操作,當(dāng)前現(xiàn)有的巡檢機器人巡檢速度可達到可達每分鐘四十米。在遇到間隔棒等障礙物時可直接滾過去,如果碰到不易滾過去的障礙,它便會移動機械臂帶動前輪和后輪依次轉(zhuǎn)過障礙物,不需要借用人力的幫助。有了電纜巡線機器人的助力,高壓電工就只需要執(zhí)行后期的維修工作,再不用去做危險的長途檢查。

3.2 巡檢場景分析(表2)

3.3 巡線機器人的設(shè)計趨勢

(1)形式:主要設(shè)計為小型半自動機器人,有利于配電線的維護和檢查。使用遠程操作的機器人設(shè)備可以使技術(shù)人員在安全距離內(nèi)檢查線路并進行維護,從而減輕了線路工作的復(fù)雜性[4]。為了實現(xiàn)緊湊性和易用性的功能型要求,設(shè)計者在可操作性方面進行了權(quán)衡,使架線工和維護人員可以在日常維護和檢查中使用類似的機器人設(shè)備。通過減小尺寸和重量并使用非專業(yè)的操作設(shè)備,電纜巡線機器人設(shè)備可以簡化為所有巡線員日常使用。

圖3 四輪機器人巡檢演示Fig.3 Four wheel robot inspection demonstration

表1 人工巡檢與機器人巡檢對比Tab.1 Comparison between manual inspection and robot inspection

表2 巡線機器人使用場景特征分析Tab.2 Scene feature analysis of line inspection robot

表3 巡線機器人的設(shè)計要求Tab.3 Design requirements of line inspection robot

(2)功能:其主要目的是供巡線員或普通電力工人日常巡檢電力線使用,功能包括以自主或遙控的方式,在偏僻地區(qū)或惡劣環(huán)境下可遠程操控完成巡檢工作,將外界因素對工作進程的影響降到最低;動態(tài)升降安裝固定,機器人可自動脫線進行工作;保證巡檢過程中動態(tài)穩(wěn)定性強,降低外在因素的影響,可更高效工作;提升越障能力,在巡檢過程中可輕松越過塔架和克服大多數(shù)障礙,減少人力物力消耗;添加在線能量補給,使之全天候長期駐線。該巡線機器人不需要專業(yè)的操作人員,以供日常巡檢使用,可以輕松地納入維護計劃。

(3)人機:在人機交互方面,產(chǎn)品更加輕便且易于攜帶,可安置在工具包中,便于日常的巡檢工作,不會因為產(chǎn)品的重量或體積使得巡檢工作難以進行。配有自動升降安裝裝置,減少人力投用,在偏僻、惡劣的環(huán)境中,也可以方便操作。與機器人配套使用的顯示屏將由巡線員保存操作,可通過顯示屏控制機器人的功能,實現(xiàn)半自動化,向著人性化、智能化、多功能化邁進。

總體而言,這項工作的影響范圍擴大到公用事業(yè)維護行業(yè)。該設(shè)備可以減少與維護相關(guān)的成本,提高巡線員的安全性,并減少停機時間和緊急維修?？煽康碾娫春洼^低的維護成本可以對整個社區(qū)產(chǎn)生積極影響。

3.4 巡線機器人的設(shè)計要求(表3)

4 結(jié)語

在供電質(zhì)量和供電要求日益提高的同時,設(shè)計者們對更靈活地使用電路機器人巡視系統(tǒng)也提出了更高的要求。為了實現(xiàn)日常使用與便捷操作,在可操作性方面進行了權(quán)衡,使架線工和維護人員可以在日常維護和檢查中使用類似的機器人設(shè)備。通過減小尺寸和重量并使用非專業(yè)的操作設(shè)備,使電纜巡線機器人設(shè)備可以簡化為所有巡線員日常使用。它運行靈活自由,真正起到減員增效的作用,向著人性化、智能化、多功能化、未來化前進,以確保公共設(shè)施的完善及國民用電需要,提高國民生活水平和幸福指數(shù)。