李紅斌徐弈辰魯京立

（1.蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學院，太倉 215411；2.昆山市工業(yè)技術(shù)研究院智能機器人工程研究所，昆山 215347）

基于PLC控制的高壓輸電線智能巡檢機器人的研究

李紅斌1徐弈辰1魯京立2

（1.蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學院，太倉 215411；2.昆山市工業(yè)技術(shù)研究院智能機器人工程研究所，昆山 215347）

本文介紹一種基于PLC控制的能源自給型一擋內(nèi)高壓線巡檢機器人，并提出該控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方法。該機器人可實現(xiàn)遙控與自主控制模式的有機結(jié)合，并可利用太陽能進行能源自給，采用可編程控制器與微機控制結(jié)合實現(xiàn)運動控制系統(tǒng)。在實驗室模擬超高壓輸電線線路環(huán)境下進行實驗研究，并通過室外實驗，結(jié)果表明，該巡檢機器人可實現(xiàn)有效的越障，穩(wěn)定性高。

PLC 高壓輸電線 巡檢機器人 越障控制

引言

目前國內(nèi)的電力行業(yè)自動化程度不斷提升，很多檢測監(jiān)視均已采用自動化設備。高壓輸電線的巡檢是電力工作中的重要部分，很多野外環(huán)境惡劣，作業(yè)危險，針對該問題，采用機器人來替代或協(xié)助人完成輸電線巡檢作業(yè)成為研究的一個方向。國內(nèi)巡檢機器人有兩大類：一類是可跨越桿塔的，功能強大，但結(jié)構(gòu)復雜，體積大，實用性不強；另一類為一擋內(nèi)巡檢機器人，只能在兩桿塔間的直線段巡線，具備跨越防震錘障礙物功能，雖巡線作業(yè)范圍較小，但其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、成本低，因此，較二擋內(nèi)巡檢機器人更得到推廣。

目前國內(nèi)研制出的一擋內(nèi)巡檢機器人樣機，中科院沈陽自動化所研制的較為成熟，采用雙輪臂復合式機構(gòu)，較為穩(wěn)定，但結(jié)構(gòu)上較為復雜。在此基礎(chǔ)上，筆者簡化了越障方式，采用行走夾持機構(gòu)跨越障礙，基于PLC控制，并增加自動充電裝置，實用新型結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、重量輕、安全、環(huán)保，可大大提高工作效率，適合特種機器人高空作業(yè)要求。

本文第一部分介紹超高壓輸電線路巡檢機器人的結(jié)構(gòu)；第二部分對機器人整個控制系統(tǒng)進行描述，從控制角度對巡檢機器人的行走及越障進行分析研究；第三部分詳細地分析機器人工作環(huán)境，給出相應的行走以及越障控制方法；第四部給出仿真實驗并得出了仿真結(jié)果；第五部分得出結(jié)論并展望巡檢機器人的發(fā)展前景。

1 結(jié)構(gòu)設計

超高壓輸電線路巡檢機器人主要由巡線機器人本體、地面監(jiān)控站及能源在線補給裝置3部分組成。

機器人箱體結(jié)構(gòu)如圖1所示，機器人本體由兩個相同的滑輪機構(gòu)和一個巡檢作業(yè)箱體組成?；啓C構(gòu)用來實現(xiàn)機器人在架空地線上的行走功能，在滑輪結(jié)構(gòu)上有兩對抓爪，在越障礙物時主要靠這兩對抓爪實現(xiàn)。

機器人箱體主要用來攜帶高速球攝像頭、PLC控制器、3G視頻模塊、電機驅(qū)動器等電子設備。高速球攝像機能夠清晰地對高壓輸電線，金具，基塔，絕緣體等進行成像，通過微波圖像傳輸系統(tǒng)，傳輸?shù)降孛婵刂破脚_，操作者可實時觀看或保存?zhèn)浒?。機器人箱體可360°旋轉(zhuǎn)，以便更好地跟蹤目標。

圖1 機器人箱體結(jié)構(gòu)

地面監(jiān)控站對機器人具有遠程控制與監(jiān)測功能，機器人上的高速球形攝像機拍攝的輸電設施的圖片可以實時傳輸?shù)降孛娴墓ぷ髡?，以便存儲與處理，當出現(xiàn)意外時可通過地面工作站發(fā)送信息給工作人員。地面便攜式控制器可用一臺便攜式筆記本代替，只要安裝好控制軟件，便可對機器人的速度、運動方向等進行手動控制，并通過監(jiān)控畫面隨時觀察高壓輸電線上的情況，地面監(jiān)控人員無需高空作業(yè)便可隨時掌握高壓輸電線上的情況，大大降低勞動作業(yè)強度。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

輸電線巡檢機器人通常運行在離地數(shù)十米高度的超高壓輸電線避雷線，其操作人員很難通過人為判斷的方式對機器人的運行狀態(tài)進行準確評估并進行相關(guān)操作。結(jié)合實際作業(yè)任務、應用實用性及可靠性等指標的要求，確定在遙控控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合一定的機器人自主控制，以實現(xiàn)巡檢機器人具備一定障礙跨越能力的沿線行走。

巡檢機器人以高壓輸電線的地線為作業(yè)路徑，其控制系統(tǒng)采用分級控制的方式進行實現(xiàn)，包括地面控制站、機器人本體控制系統(tǒng)。

地面監(jiān)控站利用3G視頻模塊基于RS232串口通訊、3G網(wǎng)絡傳輸對野外線路上巡檢的機器人本體進行監(jiān)視和遠程控制，實現(xiàn)與機器人本體控制間的控制信息傳輸及檢測圖像的接收與存儲。

機器人本體控制系統(tǒng)采用基于PLC工業(yè)控制系統(tǒng)，一方面基于RS232串行通信與3G視頻模塊進行通信，通過3G網(wǎng)絡接收遠程主機的控制指令，并通過一定的協(xié)議將其轉(zhuǎn)化為各個運動部件的運動序列，并按照一定的次序發(fā)送給驅(qū)動器進行執(zhí)行。另一方面也可通過傳感器對PLC傳遞輸入信號進行自主運動控制，整體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 硬件選擇

PLC根據(jù)機器人控制的點數(shù)選擇40個控制點的歐姆龍CP1H，其脈沖接收輸入為8點。再配于朗科的MLDS3810TE型直流伺服驅(qū)動器。輪電機采用石墨電刷直流電動機36SYK62.23.75.G.T.01型號電機，爪電機采用石墨電刷直流電動機28SYK43.24.61.G.T.01型號電機。

2.3 軟件設計

2.3 .1 地面控制軟件

地面便攜式控制器控制系統(tǒng)采用C語言匯編實現(xiàn)與巡檢本體機的遠程遙控及通信?？刂平缑嫒鐖D3所示。

圖3 控制軟件界面

當通訊狀態(tài)指示燈以周期1s的頻率綠黑交替閃爍時，表示監(jiān)控站與機器人間通信通道良好；當果監(jiān)控軟件3s內(nèi)未收到來自機器人的數(shù)據(jù)時，通訊指示燈會停止閃爍，以此顯示通信未連接；當通訊未連接時，機器人會停止動作，防止長時間通訊中斷，機器人仍執(zhí)行上次動作指令，保證機器人自身安全；當運動狀態(tài)為紅燈時，表示光纖傳感器檢測到障礙物；當運動狀態(tài)為綠燈時，表示光纖傳感器未檢測到障礙物。

使用下拉框來選擇串口，共可選擇COM1～COM9，按下“串口打開”按鈕可打開所選串口，按下“串口關(guān)閉”按鈕來可閉所選串口，其中“串口打開”按鈕和“串口關(guān)閉”按鈕交替出現(xiàn)。

狀態(tài)數(shù)據(jù)包括實際速度、電池電壓和充電電壓，其中實際速度的單位為cm/s，電池電壓和充電電壓的單位為V。

在設置速度欄中填寫設置的速度值（整型數(shù)據(jù)），其單位為cm/s，利用前進、后退和停止按鈕對其進行運動控制。

“主攝像頭”“輔攝像頭”按鈕交替出現(xiàn)，用來切換主輔攝像頭的視頻顯示；“機器人休眠”和“機器人啟動”、“前后輪斷電”和“前后輪供電”、“前后爪斷電”和“前后爪供電”、“前爪打開”和“前爪關(guān)閉”、“后爪打開”和“后爪關(guān)閉”、“牽引繩釋放”和“牽引繩斷開”、“自動控制”和“手動控制”，“開始充電”和“充電結(jié)束”、“急?！焙汀叭∠蓖！钡劝粹o均是交替出現(xiàn)。

2.3 .2 機器人PLC控制

巡檢機器人的PLC程序控制關(guān)鍵要解決與地面監(jiān)控軟件的通信問題。通信數(shù)據(jù)格式采用1位起始位、8位數(shù)據(jù)及1位停止位，無效驗位，波特率為2400B/s。通信指令格式見表1。

表1 通信指令格式

該協(xié)議中所有數(shù)值都為十六進制數(shù)，同步字節(jié)始終為FFH，地址碼為攝像機的邏輯地址號，地址范圍：00H–FFH，指令碼表示不同的動作，例如，前進后退指令見表2。

表2 前進/后退指令格式

上表中，B2數(shù)據(jù)“0”為手動模式，數(shù)據(jù)“1”為自動模式；B3數(shù)據(jù)“0”為前進模式，數(shù)據(jù)“1”為后退模式；B4和B5（Unsigned int）為運動的設定速度，單位為cm/s。

3 越障設計

根據(jù)高壓輸電線的實際考察，一擋內(nèi)高壓輸電線巡檢機器人需要跨越的障礙物主要是防震錘，如圖4所示。由于是高空作業(yè)，一是要注意穩(wěn)定性好，重心穩(wěn)，不能隨意更換重心；二是要考慮跨越障礙物的方式的可操作性，根據(jù)前期調(diào)查可總結(jié)出跨越方式相對旋轉(zhuǎn)方式更好更穩(wěn)定。

圖4 防震錘

針對以上問題，設計出一種簡單跨越防震錘的越障控制方式，主要由激光傳感器探路，整個越障設計主要是一輪的抓爪穩(wěn)定平衡，一輪跨越，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好。

自主越障控制可由以下步驟完成：①前抓激光傳感器感應到障礙物，前抓打開，后抓抓緊；②機器人滾輪前進至前輪跨越障礙物，前爪抓緊，后爪打開；③機器人繼續(xù)前進至后輪也跨越障礙物，越障完成。

同時，為更好排除一些意外情況，本文針對巡檢機器人的工作特點，實現(xiàn)機器人自主運動與操作者手動控制兩種模式的結(jié)合，以便在出現(xiàn)意外的情況更好的恢復與控制。

4 模擬環(huán)境試驗

為驗證整體系統(tǒng)的有效性，按照實際運行情況，在實驗室中模擬搭建超高壓輸電線路。實驗過程中，首先將機器人安裝到指定的位置，如圖4所示，機器人復位，程序完成初始化，接收到指定的遠程信號后，機器人切換到行走狀態(tài)。機器人可根據(jù)PLC程序設定在高壓輸電線上往返行走，檢測到線路上的障礙物后，機器人切換到越障狀態(tài)，如圖5所示。一方面機器人可根據(jù)預先設定的越障步驟及激光傳感器傳回的信息完成自主越障或根據(jù)操作員的指令進入手動控制狀態(tài)，使機器人手動越障及手動行走。結(jié)果表明，應用上述的越障控制方法，巡檢機器人可以安全可靠地實現(xiàn)對防震錘的跨越。當機器人運行至端點且電量不足會自動尋找太陽能充電設備進行充電，如圖6所示。圖7為機器人監(jiān)控視頻，操作者在遠程可方便監(jiān)視高壓線的情況。

圖4 機器人在行走

圖5 機器人跨越防震錘

圖6 機器人自主充電

圖7 機器人監(jiān)控視頻

5 結(jié)論

實驗結(jié)果表明，本文所設計的一擋內(nèi)巡檢機器人通過滑輪行走，抓爪越障，結(jié)構(gòu)簡單，小巧靈活，總體質(zhì)量較同類機器人減少許多，基于PLC的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好，易于操作和控制，機器人在移動能力、越障能力上都顯示出較好的性能，對線路作業(yè)環(huán)境，特別是惡劣環(huán)境表現(xiàn)出很好的的適應能力。整個機器人系統(tǒng)的性能達到了設計要求，體現(xiàn)出較好的實用性和市場應用前景。

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The Research of Inspection Robot on High Voltage Transmission Line Based on PLC-Controlling

LI Hongbin1,XU Yichen1, LU Jingli2
(1.Suzhou Chien-Shiung Institute of Technology, Taicang 215411;2.Intelligence Robot Research Institute in Kunshan ITRI, Kunshan 215347)

This paper introduces a inspection robot of energy self-sufficiency for high-voltage lines which based on PLC control, and proposed the design and implementation of its control system. It combines the mode of remote and self-control, and using solar energy for energy self-sufficiency, the programmable controller and computer controlling to achieve the motion control system. As simulated in the laboratory environment for EHV lines, experimental research results show that the robot can walk along the cable while avoiding the obstacle, it proves the effectiveness of the control system design.

PLC, transmission lines, inspection robot, obstacle-cross controlling

太倉市科技支撐計劃（工業(yè)）項目（TC2014GY14）。