黃彬彬　張少雷　龔　軍　尹建坤

（科大智能電氣技術(shù)有限公司，合肥　230088）

隨著國(guó)內(nèi)城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)和改造工作的推進(jìn)，大量配電自動(dòng)化終端、配電線路故障指示器接入配電網(wǎng)，配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)也愈發(fā)龐大。故障指示器憑借其迅速確定故障分支與區(qū)段，大幅度縮減故障查找和搶修時(shí)間等一系列特點(diǎn)，在配網(wǎng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]，因此故障指示器的質(zhì)量尤為重要。

配電網(wǎng)的快速發(fā)展，促進(jìn)了配電終端、故障指示器以及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、檢定規(guī)范、管理（存儲(chǔ)）規(guī)范的統(tǒng)一發(fā)展，也對(duì)檢定單位的檢定、倉(cāng)儲(chǔ)工作提出了更高的要求。目前各檢定單位對(duì)故障指示器的自動(dòng)化檢定設(shè)施以及與之配套的倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施建設(shè)存在很大差異，資源相對(duì)分散，工作效率低，運(yùn)營(yíng)成本高，很難滿足電力智能設(shè)備快速推廣的要求，因此建設(shè)一流、智能、高效的檢定和智能倉(cāng)儲(chǔ)中心勢(shì)在必行。

1　問(wèn)題分析

1）產(chǎn)品質(zhì)量

市場(chǎng)中故障指示器種類繁多，各廠家設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)參差不齊，存在部分配電自動(dòng)化終端、配電線路故障指示器掉線、遙測(cè)誤差偏大，遙測(cè)和遙信上送不及時(shí)，易發(fā)生誤動(dòng)、漏報(bào)等問(wèn)題，嚴(yán)重影響配電網(wǎng)的自動(dòng)化水平。

2）檢測(cè)能力

隨著國(guó)家電網(wǎng)公司配電自動(dòng)化的建設(shè)，大量的故障指示器將接入配網(wǎng)，為了確保設(shè)備安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，運(yùn)檢三〔2017〕6號(hào)國(guó)網(wǎng)運(yùn)檢部關(guān)于做好“十三五”配電自動(dòng)化建設(shè)應(yīng)用工作的通知要求：配電終端、故障指示器進(jìn)行供貨前抽檢及供貨后全檢。但是現(xiàn)有依靠人工進(jìn)行檢測(cè)的工作模式，總體效率低下，檢測(cè)能力已經(jīng)滿足不了數(shù)量眾多的故障指示器檢測(cè)需求。

3）測(cè)試環(huán)節(jié)

現(xiàn)有常用的測(cè)試、評(píng)價(jià)和驗(yàn)收配電終端和故障指示器方法為采用繼保測(cè)試儀或信號(hào)源手動(dòng)加載特征波形來(lái)模擬短路或接地故障，進(jìn)而對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，這種測(cè)試方式存在操作過(guò)程復(fù)雜、測(cè)試過(guò)程可追溯性差、測(cè)試模式不靈活、測(cè)試的自動(dòng)化程度低的缺點(diǎn)。

4）安全問(wèn)題

為了更好地檢驗(yàn)故障指示器的各種功能、性能，要求故障指示器檢測(cè)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)可持續(xù)輸出最大值達(dá)1000A的正常負(fù)荷電流和最大值達(dá)10kV的線路電壓的工況環(huán)境，傳統(tǒng)模式采用人工進(jìn)行設(shè)備的裝卸，存在較大的安全隱患。

5）倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)

智能倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)的建設(shè)滯后或缺失，必然會(huì)導(dǎo)致被檢設(shè)備的無(wú)序擺放、出入庫(kù)易出現(xiàn)人為偏差、出貨時(shí)操作準(zhǔn)確率低、信息統(tǒng)計(jì)不及時(shí)、設(shè)備盤點(diǎn)追溯困難、人工參數(shù)密度高、管理較為混亂等問(wèn)題。

2　設(shè)計(jì)方法

2.1　設(shè)計(jì)思路

基于現(xiàn)狀問(wèn)題分析，所采用的自動(dòng)化檢測(cè)方法需綜合考慮倉(cāng)儲(chǔ)容量、自動(dòng)化程度、檢測(cè)效率、安全性等因素，遠(yuǎn)程一鍵控制，完成從產(chǎn)品的輸送、掃碼、識(shí)別、檢測(cè)、分類、歸位、出具報(bào)告等過(guò)程的自動(dòng)化流水線作業(yè)，全程無(wú)人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)故障指示器全自動(dòng)檢測(cè)和倉(cāng)儲(chǔ)智能管理的無(wú)縫對(duì)接。

2.2　設(shè)計(jì)框架

基于設(shè)計(jì)思路，該自動(dòng)化檢測(cè)方法集成了智能倉(cāng)儲(chǔ)、自動(dòng)化檢測(cè)、機(jī)械自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)，衍生出一套完整的自動(dòng)化流水線檢測(cè)系統(tǒng)。如圖1所示，智能倉(cāng)儲(chǔ)模塊、機(jī)械自動(dòng)化模塊及仿真測(cè)試模塊為系統(tǒng)的三個(gè)部分，各環(huán)節(jié)既可以柔性組態(tài)，也可以靈活解耦，能夠根據(jù)檢測(cè)要求實(shí)現(xiàn)流程的順序控制。

2.3　智能倉(cāng)儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)以立體貨架為主體，利用智能搬運(yùn)及輸送工具，實(shí)現(xiàn)貨物的自動(dòng)存儲(chǔ)。該模塊包含輸送線、雙深位堆垛機(jī)、立庫(kù)、托盤、倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)等組成。

圖1　系統(tǒng)框架圖

立庫(kù)采用單巷道 4排牛腿式貨架設(shè)計(jì)，4排貨架對(duì)稱分布，貨格尺寸（長(zhǎng)）680mm×（深）640mm×（高）500mm，設(shè)備采用托盤存儲(chǔ)，至于貨架的高度按照庫(kù)房可用高度預(yù)留1m左右的空間。

堆垛機(jī)采用雙深位單立柱式結(jié)構(gòu)，采用激光及條碼定位，為了加快存儲(chǔ)的速度，選用 60托/時(shí)節(jié)拍的效率。

輸送線設(shè)計(jì)出入庫(kù)輸送線和檢測(cè)輸送線，其中出入庫(kù)輸送線的入庫(kù)線設(shè)置外形檢測(cè)傳感器及信息識(shí)別傳感器，用于檢測(cè)設(shè)備外形是否超標(biāo)和識(shí)別進(jìn)庫(kù)托盤信息。檢測(cè)輸送線采用輥筒式結(jié)構(gòu)，并設(shè)置有定位機(jī)構(gòu)及擋板塊，用于輸送至固定的待檢工作臺(tái)。

托盤的設(shè)計(jì)考慮故障指示器結(jié)構(gòu)的兼容性，需定制化開(kāi)模，用于存放一套故障指示器，含一臺(tái)匯集單元和三只采集單元，其中匯集單元區(qū)域按照最大空間設(shè)計(jì)，不需要限位結(jié)構(gòu)。采集單元需在托盤上開(kāi)孔，開(kāi)孔尺寸盡量滿足主流設(shè)備的尺寸，且考慮到檢測(cè)時(shí)，機(jī)械手需從托盤上抓取采集單元，對(duì)采集單元位置定位精度要求較高，需控制在±1mm內(nèi)，因此，孔內(nèi)部設(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)節(jié)的限位結(jié)構(gòu)，在人工放置采集單元至托盤上時(shí)，限位結(jié)構(gòu)在孔內(nèi)自動(dòng)夾緊采集單元，保持位置的定位精度。限位結(jié)構(gòu)可采用氣缸驅(qū)動(dòng)，并配合傳感器進(jìn)行定位。

倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)架構(gòu)上設(shè)計(jì)基于Web的B/S結(jié)構(gòu)和C/S結(jié)構(gòu)混合模式，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和PC客戶端構(gòu)成 B/S結(jié)構(gòu)[2]，構(gòu)成設(shè)備信息匯總及倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備調(diào)度的中心站。系統(tǒng)架構(gòu)采用四層結(jié)構(gòu)進(jìn)行體系搭建，自上而下分別為：View（視圖）層、BLL（業(yè)務(wù)邏輯）層、DAL（數(shù)據(jù)訪問(wèn)）層和Model（數(shù)據(jù)模型）層[3]。功能設(shè)計(jì)基本信息管理、出入庫(kù)管理、庫(kù)存管理、查詢及報(bào)表管理、檢測(cè)管理等功能。

2.4　機(jī)械自動(dòng)化模塊設(shè)計(jì)

機(jī)械自動(dòng)化模塊采用工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)設(shè)計(jì)，可根據(jù)待檢故障指示器類型自動(dòng)更換合適的夾具，實(shí)現(xiàn)完成從綜合測(cè)試臺(tái)體的安裝和拆卸動(dòng)作。該模塊包含移載機(jī)器人、故障指示器夾具、待檢工作臺(tái)及夾具工裝臺(tái)等組成。

移載機(jī)器人采用6自由度機(jī)器人，德國(guó)進(jìn)口的PLC配合氣動(dòng)裝置控制，重復(fù)定位精度需控制在±0.5mm。同時(shí)為了提高檢測(cè)能力，配置機(jī)器人伺服移栽導(dǎo)軌，延伸機(jī)器人的橫向移動(dòng)距離?？紤]到夾具及采集單元的重量，設(shè)計(jì)采用最大有效載荷能力為20kg的移載機(jī)器人。

故障指示器夾具的設(shè)計(jì)是課題研究的難題，因?yàn)槟壳皣?guó)內(nèi)的故障指示器結(jié)構(gòu)類型繁多，很難實(shí)現(xiàn)一套夾具能夠滿足多種結(jié)構(gòu)類型的采集單元裝卸作業(yè)，故采用預(yù)留快換接頭設(shè)計(jì)，通過(guò)幾種夾具的自動(dòng)更換來(lái)滿足市場(chǎng)主流采集單元，同時(shí)以便于后續(xù)升級(jí)兼容。本課題設(shè)計(jì)兩套故障指示器夾具，分別對(duì)應(yīng)帶聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的外施信號(hào)型和錄波型故障指示器。

帶聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的外施信號(hào)型采集單元的夾具結(jié)構(gòu)包含直線導(dǎo)軌、托杯、連桿機(jī)構(gòu)、頂升氣缸、夾緊氣缸、伸縮機(jī)構(gòu)、拉伸氣缸組成。設(shè)計(jì)的動(dòng)作流程：機(jī)械手臂自動(dòng)對(duì)接夾具，從托盤上抓取產(chǎn)品放置托杯，通過(guò)托杯的夾緊氣缸將產(chǎn)品夾緊，主氣缸帶動(dòng)連桿至設(shè)備的動(dòng)板與壓線彈簧的縫隙處，伸縮機(jī)構(gòu)桿伸出頂住動(dòng)板，主氣缸帶動(dòng)連桿將動(dòng)板打開(kāi)并保持不變，機(jī)械手臂移動(dòng)至測(cè)試臺(tái)體下方將產(chǎn)品掛載至測(cè)試導(dǎo)體上，主氣缸縮回到位，伸縮機(jī)構(gòu)頂桿縮回，同時(shí)托杯的夾緊工裝松開(kāi)，各機(jī)構(gòu)回原位，機(jī)械手臂完成掛載作業(yè)，重復(fù)以上動(dòng)作進(jìn)行其他產(chǎn)品掛載。

錄波型采集單元的夾具結(jié)構(gòu)由托杯、電動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、伺服翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)組成。

設(shè)計(jì)的動(dòng)作流程：機(jī)械手從托盤抓取產(chǎn)品放置托杯中，托杯內(nèi)工裝夾緊產(chǎn)品，電動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將動(dòng)板打開(kāi)并保持。機(jī)械手將托杯移動(dòng)至壓線彈簧打開(kāi)夾具區(qū)域，通過(guò)伸縮機(jī)構(gòu)勾住或者撐起壓線彈簧，再通過(guò)夾具的伺服翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將壓線彈簧打開(kāi)一定角度并保持不動(dòng)。機(jī)械手帶著夾具移動(dòng)至測(cè)試臺(tái)體的掛載導(dǎo)體，待到位后，夾具各機(jī)構(gòu)復(fù)位，產(chǎn)品的壓線彈簧及動(dòng)板復(fù)位，夾緊掛載導(dǎo)體，完成掛載作業(yè)。

待檢工作臺(tái)用于放置待檢托盤，需要配合機(jī)械手臂抓取，其重復(fù)定位精度要求控制在±1mm。因此設(shè)計(jì)采用輥筒輸送線，鋼制焊接框架，表面噴塑處理，為了加強(qiáng)牢固性，調(diào)平地腳安裝，水平偏移位置控制±0.5mm。通過(guò)電機(jī)及減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)，配備托盤定位頂升機(jī)構(gòu)及定位銷。

夾具工裝臺(tái)放置精密夾具，采用鋁型材框架，加強(qiáng)地腳，并配置定位銷及光電傳感器，限定夾具放置的區(qū)域。

2.5　仿真測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

仿真測(cè)試模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，主要由PC工作站、同步觸發(fā)裝置、綜合測(cè)試臺(tái)體、視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)、檢測(cè)軟件組成。系統(tǒng)可以模擬配電線路典型的短路、單相接地、負(fù)荷波動(dòng)、各種線路涌流等工況下的電流、電壓特征波形，可對(duì)故障指示器的通訊功能、遙測(cè)精度、短路、接地故障報(bào)警及復(fù)位功能、短路故障防誤動(dòng)、錄波功能等進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試，測(cè)試完成后自動(dòng)出具相應(yīng)檢測(cè)報(bào)告。設(shè)計(jì)故障指示器檢測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2　仿真測(cè)試系統(tǒng)框架圖

該檢測(cè)系統(tǒng)有多種通信接入方式，有無(wú)線的公共通信網(wǎng)、TCP/IP網(wǎng)線通信和串口通信等，體現(xiàn)了系統(tǒng)的柔性設(shè)計(jì)。

PC工作站設(shè)計(jì)為仿真測(cè)試模塊的信息處理系統(tǒng)，安裝自動(dòng)化仿真測(cè)試軟件，不僅具備配電模擬主站的數(shù)據(jù)采集與處理、信息存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，而且還是同步觸發(fā)裝置和綜合測(cè)試臺(tái)體的控制系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)定程序控制平臺(tái)模擬相應(yīng)測(cè)試工況環(huán)境對(duì)故障指示器不同功能進(jìn)行測(cè)試，顯示測(cè)試結(jié)果并自動(dòng)生成報(bào)告。

故障同步觸發(fā)裝置采用機(jī)柜設(shè)計(jì)，骨架可為工業(yè)用鋁合金材料，底部裝有帶鎖萬(wàn)向輪方便移動(dòng)，前后門可旋轉(zhuǎn)活動(dòng)，為內(nèi)置的繼保儀、標(biāo)準(zhǔn)源、標(biāo)準(zhǔn)表等設(shè)備提供保護(hù)。繼保儀和標(biāo)準(zhǔn)源分別采用以太網(wǎng)、RS 232串口和信息處理系統(tǒng)（上位機(jī)）進(jìn)行通信，可輸出指定大小、相位的電壓、電流，通過(guò)高頻升壓升流裝置模擬電壓 10kV和短路電流達(dá)1000A的故障運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)短路、接地故障報(bào)警及復(fù)位功能等測(cè)試功能；同時(shí)配置的標(biāo)準(zhǔn)表與 PC工作站的信息處理系統(tǒng)進(jìn)行通信，對(duì)故障同步觸發(fā)裝置輸出的電流進(jìn)行回采，形成閉環(huán)測(cè)試。

綜合測(cè)試臺(tái)體是故障指示器采集單元測(cè)試的主要承載單元，在設(shè)計(jì)中除了要考慮故障指示器測(cè)試的要求同時(shí)還要滿足機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)完成安裝和拆卸動(dòng)作重復(fù)定位精度±2%的要求。測(cè)試表位采用三層線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別接入電流源與升流升壓裝置的A、B、C三相，同時(shí)配備了紅外安全光幕防護(hù)，進(jìn)入紅外檢測(cè)范圍時(shí)電壓、電流輸出立刻停止。

視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)備設(shè)計(jì)采用500萬(wàn)像素的彩色工業(yè)相機(jī)，通過(guò)串口與 PC工作站通信。開(kāi)始測(cè)試時(shí)，PC工作站會(huì)發(fā)送測(cè)試指令，視覺(jué)識(shí)別工控機(jī)通過(guò)軟觸發(fā)相機(jī)，獲取第一幅“標(biāo)準(zhǔn)圖片”，然后每 10ms中發(fā)送一次軟觸發(fā)信息給相機(jī)，獲取實(shí)時(shí)圖片并發(fā)送給“緩沖池”，其他線程從“緩沖池”獲取圖片，并通過(guò)圖形圖像算法對(duì)圖片進(jìn)行分析，確認(rèn)故障指示器是否翻牌、亮燈，最后測(cè)試主站發(fā)送測(cè)試結(jié)束指令，結(jié)束軟觸發(fā)取圖，將所有圖片分析結(jié)果進(jìn)行匯總分析，并將結(jié)果發(fā)送給PC工作站，最終將故障指示器的翻牌狀態(tài)、燈光閃爍狀態(tài)等進(jìn)行視覺(jué)識(shí)別，完成閉環(huán)測(cè)試。

檢測(cè)軟件以 XP、Windows7作為運(yùn)行平臺(tái)，Visualstudio2010作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，MicrosoftMFC作為基礎(chǔ)類庫(kù)，采用成熟的開(kāi)發(fā)工具 VisualC++開(kāi)發(fā)而成。系統(tǒng)界面采用樹狀視圖設(shè)計(jì)，界面直觀，操作簡(jiǎn)單，菜單包括系統(tǒng)參數(shù)、臺(tái)體監(jiān)視、人員管理、人員登錄、人員注銷等；具備參數(shù)管理、信息管理、測(cè)試方案管理、測(cè)試過(guò)程監(jiān)控管理、測(cè)試結(jié)果管理五大管理功能；具備遠(yuǎn)方輸出控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)設(shè)置；可設(shè)定多種測(cè)試方案，隨時(shí)調(diào)用，并能錄入設(shè)備各種信息，建立信息庫(kù)，可對(duì)被檢設(shè)備信息、測(cè)試記錄信息等進(jìn)行檢索、維護(hù)和管理；測(cè)試完成后按規(guī)定格式或模板自動(dòng)出具檢測(cè)報(bào)告，應(yīng)支持Word或PDF文件輸出，用戶可以自行修改、設(shè)計(jì)報(bào)表模版，提供拖拽變量等多種報(bào)表維護(hù)手段和工具。

3　業(yè)務(wù)流程

自動(dòng)化檢測(cè)涉及設(shè)備入庫(kù)、設(shè)備移載、自動(dòng)掛裝、自動(dòng)檢測(cè)、出庫(kù)包裝5項(xiàng)業(yè)務(wù)流程，在設(shè)備完成入庫(kù)業(yè)之后，就可以進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試環(huán)節(jié)，包括設(shè)備出庫(kù)、移載機(jī)器人自動(dòng)更換夾具、自動(dòng)掛裝和拆卸故障指示器、檢測(cè)、自動(dòng)出具檢測(cè)報(bào)告等，主要流程如圖3所示。

圖3　自動(dòng)檢測(cè)流程圖

1）一鍵控制，點(diǎn)擊開(kāi)始檢測(cè)按鈕，倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)調(diào)度堆垛機(jī)將待檢托盤輸送至檢測(cè)流水線。

2）檢測(cè)線將待檢托盤輸送至待檢工裝放置臺(tái)，由倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行托盤定位及固定。

3）托盤到位后，通過(guò)掃描托盤上粘貼的一維碼獲取故障指示器類型。

4）移載機(jī)器人根據(jù)獲取的故障指示器類型信息自動(dòng)更換合適的夾具。

5）移載機(jī)器人自動(dòng)將待檢故障指示器掛裝到綜合測(cè)試臺(tái)體上。

6）仿真測(cè)試模塊根據(jù)預(yù)制的測(cè)試用例對(duì)故障指示器的功能、性能等進(jìn)行檢測(cè)，并自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)告。

7）檢測(cè)完成，移載機(jī)器人按照檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)將故障指示器拆卸并放置到指定托盤內(nèi)。

8）檢測(cè)完成，故障指示器回庫(kù)。

4　結(jié)論

基于機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的故障指示器自動(dòng)化檢測(cè)方式主要是對(duì)各種類型的故障指示器的功能、性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合先進(jìn)的機(jī)械自動(dòng)化和倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備，綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)、智能倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)及科學(xué)的測(cè)試手段，人員參與密度低，出入庫(kù)作業(yè)迅速、準(zhǔn)確，不僅效率高、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)，而且能夠節(jié)約人力資源成本，是一套安全、準(zhǔn)確、可靠、高效的故障指示器自動(dòng)化流水線檢測(cè)方案。