基于機(jī)器視覺(jué)的智能電能表綠色破壞裝置研制

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司 霍政界 李 銘 宋子豪 陳 月

1 研究背景

電能表作為關(guān)系到電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)、輸、配、用各個(gè)環(huán)節(jié)的重要計(jì)量資產(chǎn)，需要對(duì)其從出廠到報(bào)廢的所有流程進(jìn)行嚴(yán)格管控[1]。根據(jù)國(guó)網(wǎng)（營(yíng)銷(xiāo)/4）897-2018號(hào)規(guī)章制度《國(guó)家電網(wǎng)公司電能表拆回分揀管理辦法》中第二十九條規(guī)定：報(bào)廢的電能表資產(chǎn)實(shí)物在與回收商交接時(shí)，需進(jìn)行破壞式銷(xiāo)毀（元器件、芯片、計(jì)量封印等必須破碎式銷(xiāo)毀，外殼和金屬端子等可以破壞式銷(xiāo)毀）。但目前應(yīng)用最廣泛的電能表破壞方法采取人工作業(yè)的方式，即手持電鉆在電能表上開(kāi)孔進(jìn)行表計(jì)破壞[2]。這種傳統(tǒng)處理方式效率低下對(duì)表計(jì)破壞點(diǎn)的定位和鉆孔深度完全依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，存在極大的不確定性，且破壞完成后無(wú)破壞記錄無(wú)法追溯破壞情況，這些問(wèn)題反映出現(xiàn)階段的智能表報(bào)廢方式已經(jīng)無(wú)法滿足對(duì)電力計(jì)量資產(chǎn)進(jìn)行全壽命周期管理的需求[3]。

目前，可以查閱到多個(gè)電網(wǎng)公司研發(fā)的智能電能表自動(dòng)報(bào)廢處理裝置，其采取的破壞方式主要有拆解和錘擊粉碎性破壞等[4]。2017年4月12日，國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院申請(qǐng)公開(kāi)專(zhuān)利《一種廢舊電能表自動(dòng)化拆解回收系統(tǒng)》，該發(fā)明將電能表的報(bào)廢過(guò)程做成拆解回收系統(tǒng)，利用精密的機(jī)械臂將電能表各零部件在傳送帶上逐步分解，可以實(shí)現(xiàn)廢舊電能表的全自動(dòng)化拆解回收[5]。但該系統(tǒng)建設(shè)成本較大，且只能做到對(duì)特定型號(hào)電表的拆解，具有一定的局限性。2017年7月5日，國(guó)網(wǎng)山東省電力公司棗莊供電公司申請(qǐng)公開(kāi)專(zhuān)利《一種電能表報(bào)廢處置專(zhuān)用工具》，該發(fā)明的報(bào)廢部位由擊錘電機(jī)、錘桿和錘頂組成，報(bào)廢方式是對(duì)電能表關(guān)鍵部位捶打進(jìn)行粉碎性破壞。該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)報(bào)廢電能表的處理速度快且不同型號(hào)的電能表之間沒(méi)有局限性。但被該設(shè)備錘擊過(guò)后電表內(nèi)的所有元部件都粉碎性破壞，無(wú)法做到零部件的二次回收利用[6]。綜上所述，現(xiàn)階段需要研制出一種電能表自動(dòng)報(bào)廢處理裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種型號(hào)電能表的綠色智能化快速報(bào)廢處理[7]。

本文擬通過(guò)三軸機(jī)械臂自動(dòng)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)報(bào)廢電能表的全自動(dòng)化和快速處理，提升國(guó)家電網(wǎng)公司在表計(jì)報(bào)廢處置工作中的效率和精確性，高標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)行業(yè)規(guī)章制度所規(guī)定的要求。同時(shí)提高報(bào)廢電能表的周轉(zhuǎn)速度，提升資源利用率，降低對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)空間的占用。

2 裝置結(jié)構(gòu)

2.1 報(bào)廢對(duì)象

本文研究的擬報(bào)廢對(duì)象具有如下特征：兼容國(guó)網(wǎng)2009/2013版標(biāo)準(zhǔn)單相國(guó)網(wǎng)智能電能表，外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為160mm×112mm×58mm 或160mm×112mm×71mm；兼容國(guó)網(wǎng)2009/2013版標(biāo)準(zhǔn)三相國(guó)網(wǎng)智能電能表，外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為290mm×170mm×85mm；報(bào)廢智能電能表實(shí)際穩(wěn)定運(yùn)行壽命大于等于10年。

2.2 報(bào)廢流程模擬

在對(duì)電能表報(bào)廢裝置進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)之前，需要模擬出報(bào)廢作業(yè)的實(shí)施流程。

首先工人將裝滿報(bào)廢電能表的周轉(zhuǎn)箱放到設(shè)備工作臺(tái)的工作區(qū)域內(nèi)。設(shè)備工作區(qū)域具備設(shè)備限位裝置，保證周轉(zhuǎn)箱在工作過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生位移。

根據(jù)操作需要在人機(jī)界面上選擇單、三相電能表，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)選定型號(hào)使用相對(duì)應(yīng)的程序，確認(rèn)選擇后，按下“設(shè)備啟動(dòng)”啟動(dòng)設(shè)備后，報(bào)廢影像采集裝置移動(dòng)到報(bào)廢電能表上方準(zhǔn)備工作，先由感知系統(tǒng)的紅外測(cè)距儀和限位開(kāi)關(guān)感知報(bào)廢電能表到位之后，影像采集系統(tǒng)開(kāi)始工作，逐一掃描電能表信息，并在顯示器上顯示電能表的編碼信息及圖片供操作人員查看，人機(jī)界面上以表格形式記錄下每個(gè)報(bào)廢電能表的編碼信息后保存在存儲(chǔ)器根目錄中。設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中綠色的警示燈常亮，當(dāng)掃描過(guò)程中出現(xiàn)掃碼異常時(shí)，人機(jī)界面出現(xiàn)報(bào)警信息，紅色報(bào)警燈亮，并暫停工作，當(dāng)人工將故障處理完之后，在人機(jī)界面進(jìn)行報(bào)警信息解除，紅色報(bào)警燈滅，然后按下“設(shè)備啟動(dòng)”設(shè)備將繼續(xù)運(yùn)行。

當(dāng)影像采集系統(tǒng)完成信息采集之后，電能表破壞裝置開(kāi)始運(yùn)行?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需要在人機(jī)界面上設(shè)置設(shè)定破壞位置及深度，系統(tǒng)默認(rèn)破壞點(diǎn)在電能表?xiàng)l形碼中心位置，深度為可擊穿線路主板的最小深度。

當(dāng)破壞報(bào)廢工作處理完成之后，用戶可以根據(jù)需要選擇是否再次進(jìn)行已破壞設(shè)備的影像記錄。如需要記錄破壞電能表信息（以一箱12只單相電能表為例，需耗時(shí)1分鐘），影像采集系統(tǒng)會(huì)開(kāi)始運(yùn)行，采集已報(bào)廢的電能表信息，并記錄下來(lái)儲(chǔ)存在電腦中，方便后期的查找維護(hù)工作，儲(chǔ)存完畢后報(bào)廢影像采集裝置會(huì)恢復(fù)到起始位置，并在人機(jī)界面顯示工作完成。如果不需要，報(bào)廢影像采集裝置會(huì)直接恢復(fù)到起始位置，并在人機(jī)界面顯示工作完成，黃色警示燈亮，工作人員看到人機(jī)界面提示后再將裝滿報(bào)廢電能表的周轉(zhuǎn)箱從工作區(qū)域搬下。

2.3 模型搭建

在制定好電能表報(bào)廢裝置的運(yùn)行流程后，再根據(jù)相應(yīng)流程進(jìn)行裝置的實(shí)物模塊設(shè)計(jì)和組裝。首先要確認(rèn)好各項(xiàng)前置參數(shù)，該設(shè)備采用PLC 控制加感知系統(tǒng)相結(jié)合的方式，PLC 主要負(fù)責(zé)定位控制，感知系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)信息采集。該系統(tǒng)可以適配于多種規(guī)格的電能表，根據(jù)不同規(guī)格的電能表，在人機(jī)界面上選擇對(duì)應(yīng)型號(hào)，系統(tǒng)將按選定型號(hào)進(jìn)行自動(dòng)定位，這種模塊化的運(yùn)行方式解決了目前報(bào)廢裝置中存在的局限性問(wèn)題。由于需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行垂直方向打孔，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)模式屬于三維結(jié)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)行程中的速度、相對(duì)位置等參數(shù)都可以通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)定和更改。三維軸承都采用的伺服模組，有運(yùn)行精度高、運(yùn)行速度快、噪音低等特點(diǎn)，打孔電機(jī)采用風(fēng)冷式高速軸承，有功率大、噪音小等特點(diǎn)。

如圖1所示，裝置由機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、監(jiān)控中心五個(gè)部分組成?？刂葡到y(tǒng)負(fù)責(zé)統(tǒng)籌各子系統(tǒng)的運(yùn)行；感知系統(tǒng)由拍照相機(jī)、紅外測(cè)距儀、限位開(kāi)關(guān)等感應(yīng)模塊組成，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)識(shí)別、視覺(jué)定位、裝置保護(hù)等功能；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要功能是電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)及鉆頭打孔功能；保護(hù)系統(tǒng)由覆蓋整個(gè)裝置的防護(hù)罩、限位裝置、保護(hù)傳感模塊等組成，保護(hù)裝置和使用人員的安全；監(jiān)控中心提供人機(jī)交互功能，可以用于查看裝置運(yùn)行情況，查閱記錄，異常告警等功能。

圖1 設(shè)備系統(tǒng)框圖

利用仿真軟件搭建的報(bào)廢裝置實(shí)物圖如圖2所示，考慮到裝置的成本問(wèn)題，各模塊設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)盡量簡(jiǎn)化以實(shí)用為主?？梢钥吹剿鶚?gòu)建的仿真模型中，最核心的破壞部件為一個(gè)六自由度三機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)，包括一對(duì)平行設(shè)置的X、Y 軸軌道、兩對(duì)豎直設(shè)置的Z 軸軌道。Y 軸軌道上通過(guò)滑塊連接有鉆頭，承擔(dān)鉆孔操作；鉆頭邊上設(shè)有攝像頭和紅外測(cè)距儀。

圖2 報(bào)廢裝置仿真模塊圖

其中驅(qū)動(dòng)模塊的控制單元位于工作區(qū)域的下方，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂、機(jī)械臂附件（表箱鎖定裝置）、電鉆等部件的驅(qū)動(dòng)控制，需設(shè)計(jì)其配套電路、通訊模塊及電源模塊。機(jī)械臂步進(jìn)電機(jī)通過(guò)PWM 信號(hào)和方向信號(hào)來(lái)控制，根據(jù)通訊模塊從控制系統(tǒng)獲得的指令輸出相應(yīng)的PWM 信號(hào)和方向信號(hào)。表箱鎖定裝置使用電磁操作機(jī)構(gòu)，鉆頭使用無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鉆頭，根據(jù)控制系統(tǒng)的指令進(jìn)行相應(yīng)的操作。通訊模塊通過(guò)通訊總線和控制系統(tǒng)通訊，電源模塊為系統(tǒng)各模塊提供匹配的工作電壓。

將報(bào)廢裝置機(jī)械組裝完成后的實(shí)物圖（如圖3所示），為防止鉆頭在報(bào)廢處理過(guò)程中崩斷傷人，在裝置外圍加裝了防護(hù)罩，保障運(yùn)行過(guò)程中人和設(shè)備的安全性。在實(shí)際操作過(guò)程中該設(shè)備對(duì)整箱單相電能表的報(bào)廢操作時(shí)間為1min，相比的人工鉆孔后逐一登記做記錄，工作效率得到極大的提升。

圖3 報(bào)廢裝置實(shí)物組裝圖

圖4為報(bào)廢后電能表的俯視圖，可以明顯觀察到鉆孔打在設(shè)備的條形碼上，且已經(jīng)破壞到電能表的計(jì)量芯片，滿足目前國(guó)網(wǎng)公司關(guān)于電能表破壞的相關(guān)規(guī)定。同時(shí)電表設(shè)備整體保持了完整性，可以進(jìn)行二次分解回收利用，屬于無(wú)污染綠色處理。

圖4 報(bào)廢后電能表

綜上所述，本文研制的基于機(jī)器視覺(jué)的智能電能表綠色破壞裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電能表的全過(guò)程智能化報(bào)廢，破壞操作準(zhǔn)確、高效，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)報(bào)廢資產(chǎn)信息溯源。