吳焱明，郭亞杰，方明進，楊 強，王一鳴，許鐘杰

(合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

目前，變配電所越來越趨向于少人化和無人化[1-3]，同時，鐵路系統(tǒng)中對變配電所穩(wěn)定性的要求也越來越高，因此保證變配電所的安全運行變得越來越重要[4]。目前，許多變配電所依靠人工記錄設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，巡檢結(jié)果受巡檢人員的勞動強度、責(zé)任心等諸多因素限制，誤檢、漏檢的情況時有發(fā)生[5-8]?，F(xiàn)有的巡檢機器人主要有輪式和履帶式機器人[9]，通過激光或者GPS定位，以非接觸的檢測方式來獲取設(shè)備的運行狀況。GPS適用于室外定位，激光定位成本比較高[10]。

因此本文設(shè)計了一種變配電巡檢機器人，利用磁條和RFID標(biāo)簽來進行定位，將其應(yīng)用于變配電所的35 kV高壓室。通過搭載檢測設(shè)備，以接觸和非接觸的方式來完成檢測任務(wù)，檢測結(jié)束后，對數(shù)據(jù)進行分析，將巡檢結(jié)果發(fā)送到鐵路后臺終端。巡檢機器人以自主的方式，代替人工完成對變配電所設(shè)備的狀態(tài)檢測與預(yù)警分析，能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常信息，為變配電所的安全運行提供了新的技術(shù)保障。

1 巡檢機器人工作原理

巡檢機器人主要由提升總成、小擺總成、大擺總成和磁導(dǎo)引AGV組成，如圖1所示。提升、小擺和大擺總成各有一個搭載平臺，用于搭載接觸式與非接觸式檢測設(shè)備。

提升總成的搭載平臺上安裝有一臺工業(yè)相機，通過伺服電機驅(qū)動線性模組實現(xiàn)工業(yè)相機的上下移動，利用步進電機實現(xiàn)工業(yè)相機的擺動，使工業(yè)相機在不同位置和不同方位拍照，從而完成指示燈的狀態(tài)識別、高壓電氣柜柜門開閉情況的判斷與指針式儀表的識別。大擺總成的搭載平臺上安裝有放電檢測裝置，通過伺服電機控制放電檢測裝置的位置，使其緊貼高壓電氣柜柜面，完成設(shè)備放電情況的檢測。小擺總成的搭載平臺上安裝有一臺工業(yè)相機，通過伺服電機控制工業(yè)相機的位置，到達指定位置后，工業(yè)相機拍照，完成數(shù)字與文字的識別。

1-磁導(dǎo)引AGV;2-小擺總成;3-大擺總成;4-提升總成

AGV作為巡檢機器人的移動載體，通過在高壓室內(nèi)鋪設(shè)磁條并在磁條底下布置RFID標(biāo)簽來控制AGV運動到不同的電氣柜，利用搭載的檢測設(shè)備來完成檢測任務(wù)。RFID標(biāo)簽與磁條布置如圖2所示，圖中一個黑色圓代表一個RFID標(biāo)簽。

2 控制系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)硬件組成框圖如圖3所示，由于系統(tǒng)需要進行大量的計算、圖像處理、網(wǎng)口與串口的通信等，因此選擇IPC作為上位機。IPC網(wǎng)口用來連接AGV與無線路由器，無線路由器可以將巡檢結(jié)果發(fā)送到鐵路的后臺終端，同時連接兩臺工業(yè)相機、一臺放電檢測裝置。IPC串口用來連接模擬量模塊與PLC,模擬量模塊上連接有溫濕度傳感器、煙霧傳感器、風(fēng)速傳感器。

圖2 RFID標(biāo)簽布局

圖3 控制系統(tǒng)硬件組成

在進行巡檢任務(wù)時，需要對多臺電機進行控制，因此選擇歐姆龍CP1H-X系列PLC作為下位機。CP1H-X具有4軸脈沖輸出和24路輸入點，PLC通過輸入點來檢測接近開關(guān)和按鈕的信號，然后配合程序完成對應(yīng)的動作。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

巡檢機器人控制系統(tǒng)分為兩個模塊：以IPC為核心的上位機程序和以PLC為核心的下位機程序?？刂葡到y(tǒng)的軟件采用模塊化思想來進行編寫，控制系統(tǒng)軟件的組成如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計結(jié)構(gòu)

3.1 上位機程序設(shè)計

控制系統(tǒng)上位機程序通過C#語言開發(fā)設(shè)計，包括如下模塊：

(1) 信息采集模塊：主要是利用工業(yè)相機、放電檢測裝置和模擬量模塊來采集信息。利用工業(yè)相機拍照，并存儲拍攝的照片，利用圖像識別技術(shù)來獲取設(shè)備的信息。經(jīng)過計算放電檢測裝置檢測到的數(shù)值來得到設(shè)備的放電情況，并將數(shù)值反饋給控制系統(tǒng)。通過讀取模擬量模塊輸入口的數(shù)值來得到高壓室的環(huán)境數(shù)據(jù)。

(2) 通信模塊：主要實現(xiàn)對AGV和PLC的控制。控制系統(tǒng)對AGV發(fā)送運動指令，驅(qū)動AGV移動到指定位置，并能夠?qū)崟r讀取AGV的運行狀態(tài)，如當(dāng)前速度、當(dāng)前位置、故障類型等信息。通過對PLC發(fā)送控制指令，修改電機的運動參數(shù)，使電機按照要求運動，同時PLC將電機的運行狀態(tài)和輸入信息反饋給控制系統(tǒng)。

(3) 數(shù)據(jù)庫模塊：為了使巡檢任務(wù)具有靈活性，將一些參數(shù)，例如電機速度、報警閾值存放在數(shù)據(jù)庫中，方便后期的修改。高壓室由多種不同的高壓電氣柜組成，每面柜子的檢測項目也不相同，相同柜子的檢測項目也不一定相同，因此每次巡檢的高壓電氣柜也不一定相同。為了適應(yīng)現(xiàn)場情況，設(shè)置不同的任務(wù)類型，一次巡檢任務(wù)中可以選擇不同的高壓電氣柜，為高壓電氣柜設(shè)置不同的任務(wù)類型。通過使用數(shù)據(jù)庫模塊對初始化參數(shù)以及巡檢任務(wù)進行修改，使程序更加靈活方便。

(4) 手動模塊：在手動模塊中可以單獨測試某個硬件的功能，例如控制電機的運動、手動拍攝照片等。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，通過手動模塊對故障模塊進行單獨調(diào)試，以此來分析故障原因。

(5) 自動模塊：自動運行程序可調(diào)用上位機與下位機程序來完成這一整套流程，具體的流程如圖5所示。首先控制所有電機回原點，初始化數(shù)據(jù)庫；然后讀取數(shù)據(jù)庫中目標(biāo)點，驅(qū)動AGV到達目標(biāo)電氣柜，通過查看數(shù)據(jù)庫中的任務(wù)類型，由巡檢機器人根據(jù)任務(wù)類型做出相應(yīng)的動作；動作完成后，對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，如果有異常，發(fā)出報警，然后到達數(shù)據(jù)庫中的下一個目標(biāo)電氣柜，重復(fù)上述動作，直到數(shù)據(jù)庫中所有的電氣柜檢測完畢，生成巡檢報告，并將巡檢結(jié)果傳送至鐵路后臺終端，然后巡檢機器人返回到充電位。

(6) 報警模塊：巡檢機器人在自動巡檢過程中，不可能無限制地等待某個動作的完成，因此需要設(shè)置超時報警。同時需要對故障進行分級，此處分為3級。第1級為最高等級，任務(wù)直接終止。例如：當(dāng)進行放電檢測時，由于放電檢測裝置緊貼高壓電氣柜柜面，如果大擺總成收回時出現(xiàn)故障，而此時如果AGV移動，則會損壞巡檢機器人，必須停止此次巡檢任務(wù)。第2等級，某一個動作發(fā)生故障，則與此故障有關(guān)的動作在后續(xù)的巡檢過程中都不需要再做。例如：小擺總成擺不到位，工業(yè)相機拍攝的圖片就沒有意義。第3等級，某一個動作發(fā)生故障，但是與之有關(guān)的動作也有可能得到正確信息。例如：當(dāng)提升總成進行指針式儀表與指示燈狀態(tài)檢測時，電機發(fā)生故障，但是提升總成依舊可以完成下一面電氣柜的指針式儀表與指示燈的識別。對于第2與第3等級故障，由于此類型故障不影響巡檢機器人的安全運行，可以繼續(xù)進行巡檢作業(yè)。當(dāng)故障出現(xiàn)或者檢測結(jié)果有異常時，需要進行報警提示，并記錄故障信息，同時將故障信息通過路由器傳送至鐵路后臺終端，然后派人過來維修。

3.2 下位機程序設(shè)計

PLC程序分為三個模塊，分別是通信模塊、I/O模塊以及運動模塊。

(1) 通信模塊：通過接收上位機命令來控制PLC輸出點的狀態(tài)，實現(xiàn)對電機運動以及繼電器的控制，PLC將伺服電機的運行狀態(tài)和一些狀態(tài)信息發(fā)送給上位機，實現(xiàn)上位機對下位機的控制。

(2) I/O模塊：I/O模塊分為輸入與輸出，輸入點主要是檢測接近開關(guān)與按鈕的狀態(tài)，通過讀取輸入點的狀態(tài)來配合其他模塊執(zhí)行特定的動作，并作用到輸出點上。

(3) 運動模塊：PLC需要控制3臺伺服電機與1臺步進電機，每個電機都需要單獨控制，并且可以手動控制每個電機的運行速度和目標(biāo)位置。

圖5 自動運行流程

4 現(xiàn)場調(diào)試及結(jié)果

在完成機械裝配與電氣設(shè)備安裝工作后，設(shè)計好巡檢機器人的控制系統(tǒng)，將巡檢機器人送至合肥某變配電所的35 kV高壓室，進行巡檢機器人的現(xiàn)場調(diào)試。高壓室內(nèi)一共有14面高壓電氣柜，每面柜子的前面與背面都有檢測點，具體的布局如圖2所示，現(xiàn)場的運行情況如圖6所示。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，巡檢機器人能夠很好地按要求完成檢測動作，檢測結(jié)果與現(xiàn)場實際情況比較符合，巡檢機器人每隔2 h完成一次巡檢任務(wù)，一次巡檢需要耗時18 min，滿足變電所的巡檢要求。

圖6 自動巡檢中

5 結(jié)束語

目前，變配電巡檢機器人的控制系統(tǒng)已經(jīng)研制完成，實現(xiàn)了對35 kV高壓室內(nèi)設(shè)備的自動巡檢，對檢測結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析后得到報表，傳送至鐵路后臺終端。變配電巡檢機器人對于高壓室的風(fēng)險管控具有良好的效果，提高了設(shè)備的巡檢效率和巡檢質(zhì)量，降低了工作強度和工作風(fēng)險，為無人值守變配電所的安全運行提供了一種新型檢測設(shè)備和預(yù)警手段。