王治國，篤 峻，王 翔，于 哲，祁正軍

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

目前，我國智能電網(wǎng)建設發(fā)展迅速，電力保護設備處于高速增長趨勢[1]，尤其低壓保護，讓人工手動、半自動等傳統(tǒng)剛性測試方法弊端凸現(xiàn)：①測試沒有規(guī)范且效率低下；②人力成本居高不下；③過程離散且對人員素質(zhì)要求較高。如何建立智能測試體系，提高敏捷測試效率，是解決以上問題的有效方案。文獻[2-11]對智能變電站保護裝置測試提出了通用測試平臺或一鍵式測試方案，提高了現(xiàn)場測試效率。文獻[12]采用分布式系統(tǒng)、腳本技術等，提高了研發(fā)測試效率；文獻[13]提出了分布式自動測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)階段測試效率的提高；而對于多品種、小批量裝置的生產(chǎn)測試而言，則需要新的技術來解決當前測試所面臨的難題。柔性制造是一種技術復雜、高度自動化的系統(tǒng)，它能較好地解決自動化與柔性化之間的矛盾，具有設備利用率高、運行靈活和產(chǎn)品應變能力強等突出優(yōu)點[14]。在繼電保護裝置生產(chǎn)測試領域，探索柔性智能化測試方法和技術，將能改變當前剛性測試的諸多困境。

本文根據(jù)繼電保護裝置特點，提出了其柔性智能測試核心通用解決方案，并闡述了核心技術實現(xiàn)。整個生產(chǎn)測試過程實現(xiàn)了無人智能化操作。這些技術特征有效保證了繼電保護裝置的產(chǎn)品質(zhì)量，提高了大生產(chǎn)測試效率和企業(yè)的智能制造水平。

1 整機柔性智能測試核心解決方案

單板測試和整機測試是繼電保護裝置保證質(zhì)量的重要過程。一直以來，測試技術的關注點和改進點都在板卡或功能測試上，而如何進行柔性、靈活測試，卻沒有進行深入研究。

對單板測試而言，本文提出的柔性智能測試解決方案如下：延長SMT流水線，增加單板柔性智能測試設備，實現(xiàn)對不同種類板卡的智能識別，并根據(jù)板卡類型進行自動測試，新舊測試方案對比見圖1。新方案減少了板卡在空間上的切換次數(shù)，不再考慮板卡類型，實現(xiàn)保障性功能智能測試，同時提高了流程緊湊性。

圖1 新舊測試方案對比Fig.1 Comparison of new test and old test

對整機測試而言，原有方案是針對不同裝置選擇不同的測試連接線，并手動選擇測試程序進行測試。而柔性智能測試解決方案是智能識別裝置型號，利用生產(chǎn)大數(shù)據(jù)構(gòu)建被測保護裝置硬件板卡的數(shù)據(jù)模型；根據(jù)數(shù)據(jù)模型，通過測試環(huán)境構(gòu)建子系統(tǒng)自動建立閉環(huán)測試環(huán)境；同時自動選擇相應測試功能模塊，進行整機所有接點的全自動檢測。

無論是單板，還是整機，柔性智能測試技術的關鍵技術特征在于智能識別被測對象（機器獲取被測對象各種屬性，構(gòu)建數(shù)字化的被測對象數(shù)據(jù)模型），智能構(gòu)建閉環(huán)測試環(huán)境，并驅(qū)動測試儀調(diào)出相應功能模塊自動進行硬件檢測，核心測試流程見圖2。

圖2 柔性智能測試通用流程Fig.2 General process of flexible intelligent test

2 整機柔性智能測試系統(tǒng)核心設計

2.1 系統(tǒng)整體設計

根據(jù)低壓保護裝置特點，按照整機柔性智能測試通用方案設計整機柔性在線智能測試系統(tǒng)，如圖3所示。系統(tǒng)按照業(yè)務流程可以劃分為4層：上層是業(yè)務支持層，主要完成生產(chǎn)訂單任務調(diào)度，為在線測試系統(tǒng)提供訂單數(shù)據(jù)支撐；第二層是數(shù)據(jù)處理層，有智能測試控制中心，上位機子系統(tǒng)和視覺子系統(tǒng)組成，完成相關數(shù)據(jù)處理，為第三層提供行動數(shù)據(jù)決策；第三層是過程層，有四個測試環(huán)境構(gòu)建子系統(tǒng)和PLC控制子系統(tǒng)組成，主要是根據(jù)第二層提供的決策數(shù)據(jù)實現(xiàn)測試環(huán)境的自動構(gòu)建和相關流程的啟動；最下層是設備層，主要完成保護裝置整機測試、物料托盤傳送，雙層倍速鏈流轉(zhuǎn)，裝置搬進搬出等測試相關輔助業(yè)務。

圖3 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic diagram of system logic structure

2.2 單裝置載具托盤設計

整機柔性在線智能測試系統(tǒng)首要的一個難點在于如何確保裝置在整個測試流程中無碰擦，杜絕因產(chǎn)品外觀問題而導致過多的不合格產(chǎn)品。針對三種低壓保護幾十個子型號的產(chǎn)品形狀，基于裝置最大底座原則，設計了可復用的單裝置載具托盤。載具托盤具有全局唯一二維碼身份標識，在機器人將裝置放到托盤上時，實現(xiàn)裝置條碼和托盤二維碼的綁定。通過對托盤二維碼的識別，實現(xiàn)對裝置在測試流水線上的控制。托盤解決了裝置在機器人，雙層倍速鏈流水線，柔性智能測試站，進、出料子系統(tǒng)自動運輸車四者之間安全、高效傳輸而又毫無碰擦這一難題。載具托盤見圖4裝置下側(cè)。

圖4 裝置在雙層倍速鏈上流轉(zhuǎn)示意圖Fig.4 Pallet moving on multiple-speed trains

2.3 雙層倍速鏈設計

整機柔性在線智能測試系統(tǒng)采用雙層倍速鏈，并按照順時針傳輸模式進行設計。為充分利用場地，流水線分上下兩層。系統(tǒng)通過首、末端提升機實現(xiàn)上下層倍速鏈的循環(huán)流轉(zhuǎn)。上層倍速鏈主要將產(chǎn)品送至各個測試站；測試通過的裝置通過末端提升機實現(xiàn)分流，流轉(zhuǎn)到下層倍速鏈上，相反則通過C點流轉(zhuǎn)到NG區(qū)域。下層倍速鏈將測試合格的產(chǎn)品送至首端提升機，有機器人自動下料。

2.4 柔性智能測試站設計

柔性智能測試站FITS（flexible intelligent test station）針對低壓繼電保護裝置三大類共計數(shù)十個子型號，采用統(tǒng)一建模方式實現(xiàn)對裝置開入、開出、通信、對時等接點的智能測試。在圖5中，板卡切換子系統(tǒng)與板卡投退子系統(tǒng)共同構(gòu)成整機測試環(huán)境構(gòu)建子系統(tǒng)，根據(jù)智能測試控制中心ITCC（intelligent test control center）的控制指令將繼電保護裝置的開入、開出、操作回路及各種通信接點與整機測試儀相關功能板卡進行自動連接，從而實現(xiàn)保護裝置的閉環(huán)測試。

圖5 整機柔性智能測試站系統(tǒng)組成Fig.5 System composition of FITS

保護裝置外形和背板端子大小不一，功能板卡種類多，同一個插槽所插入的功能板卡由訂單決定，呈非固定狀態(tài)。如何實現(xiàn)統(tǒng)一智能接線？本文在裝置硬件滿配基礎上通過減法處理，達到自由靈活選擇測試線的目的。圖6中，針對不同外形裝置，分別設計測試把座控制面板A、C、D；通過伺服電機實現(xiàn)測試把座上下緩慢移動，并與裝置背板插孔精準對位，完成被測裝置與整機測試儀之間測試連接線A、C、D的選擇；通過將測試把座在水平方向前移，建立整機閉環(huán)測試環(huán)境。而對裝置同一個插槽號可能會選擇不同硬件功能板卡的情況，則通過板卡切換子系統(tǒng)來完成裝置和測試儀之間測試線連接。如圖6中D型裝置S9插槽，可通過切換子系統(tǒng)選擇S9_1、S9_2、S9_3 板卡。

圖6 板卡切換原理示意圖Fig.6 Diagram of board switching principle

根據(jù)被測裝置特點，整機測試儀采用基于統(tǒng)一測試模型配置文件快速構(gòu)建整機測試邏輯模型，并有測試主程序按照測試邏輯模型輸出電氣量的思想進行軟件架構(gòu)[15]。在硬件設計上，采用模塊化的I/O方式。各種功能插件均通過CAN總線與CPU通信，并可根據(jù)被測裝置實際信號量的數(shù)量進行靈活擴展。整機測試儀擁有一個被測裝置測試邏輯數(shù)據(jù)庫，涵蓋低壓保護裝置所有測試邏輯組合。整機測試儀按照ITCC提供的測試指令，對被測裝置進行測試，并返回相應測試結(jié)果，同時將測試報告提交給ITCC，由其上傳到云端數(shù)據(jù)庫。

要實現(xiàn)被測裝置精準智能接線，智能測試控制中心必須了解裝置屬性。舉個例子，PCS-9611C有5個插槽，分別為 B01、B02、B03、B04、B05。 對于 C 型裝置而言，B01、B02一般插交流頭插件和CPU插件，相對固定。而B03、B04、B05三個插槽卻相對開放，有可能配置開出或開入插件，也有可能配置操作回路插件；有時開入、開出插件也分幾種。如何自動接線？被測裝置數(shù)字化是實現(xiàn)智能接線的關鍵。ITCC負責被測裝置樣本知識庫構(gòu)建，與生產(chǎn)MES系統(tǒng)交互，根據(jù)被測裝置機箱二維碼獲取裝置相關數(shù)字信息，并形成接線控制指令，傳遞給上位機子系統(tǒng)。上位機控制PLC和伺服電機，實現(xiàn)測試線選擇及自動連接。待閉環(huán)測試環(huán)境構(gòu)建完成，ITCC觸發(fā)測試儀進行整機測試。并根據(jù)測試結(jié)果確定將裝置發(fā)往NG區(qū)域，還是流水線下層進行流轉(zhuǎn)。

3 系統(tǒng)應用分析

圖7 整機柔性智能測試系統(tǒng)現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.7 Scene photos of FTIS

本文所述的低壓保護整機柔性智能測試系統(tǒng)已在南瑞繼保江蘇省電力裝備智能調(diào)試示范車間實施。圖7（1）是載有被測裝置的方形物料托盤通過輥筒線流轉(zhuǎn)到機器人工作范圍；圖7（2）是機器人通過吸盤將被測裝置從物料托盤上吸起，放到流水線始端的載具托盤上；圖7（3）是機器人將測試通過的裝置放到出料系統(tǒng)多層小車上；圖7（4）是整機智能測試站正在對裝置進行整機測試；圖7（5）是位于雙層倍速鏈測試流水線上的4臺整機柔性智能測試站。

為驗證柔性在線智能測試系統(tǒng)的性能，使用傳統(tǒng)測試方案和柔性智能測試方案同對400臺混合低壓保護裝置（A型、C型、D型）進行測試，柔性智能測試系統(tǒng)測試流程見圖8。針對各項指標形成的統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。在生產(chǎn)周期，人員投入和工作強度三項指標前，柔性智能測試系統(tǒng)均體現(xiàn)出其優(yōu)越性能。

圖8 系統(tǒng)測試流程Fig.8 System test flow chart

表1 傳統(tǒng)測試模式和柔性測試模式對比Tab.1 Contrast between traditional test mode and flexible testing model

使用結(jié)果表明，如充分發(fā)揮柔性智能測試系統(tǒng)的最大效能，還要解決以下問題：

裝置程序智能下載問題通過在整機智能測試站的ITCC布置分布式數(shù)據(jù)庫，根據(jù)程序歸檔編號與裝置二維碼，利用大數(shù)據(jù)匹配裝置需要下載的最新程序，解決裝置二維碼和程序唯一對應問題，實現(xiàn)程序智能在線下載。

程序下載后裝置正常運行問題裝置下載程序后，會處于閉鎖狀態(tài)，需要手動確認定值，才能正常運行。實現(xiàn)無人干預智能測試，裝置重啟后須處于正常運行狀態(tài)。ITCC下載完程序后，通過主動修改裝置定值，解決手動確認定值問題。

裝置電壓等級參數(shù)問題裝置在硬件設計上會出現(xiàn)48 V、110 V、220 V之分，但在軟件默認定值選項上只能存在一項。無人干預智能測試，需對電壓參數(shù)進行智能判別并自動修改。ITCC根據(jù)裝置二維碼，讀取云端生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)，確定電壓等級并與裝置數(shù)據(jù)進行比對，確認是否修改。

裝置正常運行信號捕獲問題系統(tǒng)進行測試的前提是裝置處于正常運行狀態(tài)，而修改定值或下載程序都會引起閉鎖。在ITCC開辟線程，利用系統(tǒng)調(diào)試變量原理對裝置是否正常運行進行判斷。

機器人效率利用最大化問題智能測試站的測試效率要充分考慮被測裝置平均測試時間T1，平均程序下載時間T2，平均裝置傳輸?shù)秸緯r間T3。而機器人系統(tǒng)也要了解測試站整體測試情況，比如：有幾個測試站可用，有幾個裝置在測等。

4 結(jié)語

在當前工業(yè)4.0和智能制造浪潮席卷全球的時代背景下，針對繼電保護裝置生產(chǎn)測試的兩大過程：單板測試和整機測試，本文提出了柔性化智能測試通用解決新方案，并以低壓保護裝置為試點，設計了整機柔性在線智能測試系統(tǒng)。該方案有效解決了裝置智能搬運，在線無碰擦傳輸，不同型號裝置的智能識別，并根據(jù)型號自動構(gòu)建閉環(huán)測試環(huán)境，自動根據(jù)裝置型號進行裝置保障性功能測試等技術難題。該系統(tǒng)有效提高了繼電保護裝置大生產(chǎn)敏捷測試效率，對推動工業(yè)4.0在繼電保護裝置生產(chǎn)制造測試領域的深入應用，探索柔性化的生產(chǎn)測試體系，具有一定的借鑒意義。