沈 治

（常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，江蘇 常州 213164）

1 引言

早期架空電力線普遍采用裸線形式，在電力線上意外掛有風(fēng)箏及塑料布等雜物[1]，線上產(chǎn)生的集塵在暴風(fēng)雨或大雨時(shí)形成的泥流容易造成高壓電力線之間的短路，故在架空電力線上敷設(shè)絕緣層[2]。但是現(xiàn)有的架空電力線涂絕緣層是采用人工噴涂的形式，存在效率低、速度慢、無法保證質(zhì)量及絕緣效果差的問題，同時(shí)也容易發(fā)生人員意外中毒和傷亡事故[3]。

設(shè)計(jì)的架空電力線自動噴涂絕緣漆機(jī)器人能夠在架空電力線上自動行走，并對電力線表面噴涂高粘度絕緣漆，具有噴涂方式簡單、噴涂絕緣層均勻的特點(diǎn)。該系統(tǒng)能夠極大的減少工作人員強(qiáng)度和提高布線效率，涂層均勻、絕緣性好，能夠更好的保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于廣西電力電網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行可靠、噴涂均勻，在自動噴涂過程中實(shí)現(xiàn)了全自動化和智能化。

2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 爬行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

架空電力線上的高空作業(yè)機(jī)器人，是沿著傳輸線以一定的速度爬行，在實(shí)際線路中工作情況比較復(fù)雜[4]，需要設(shè)計(jì)一套穩(wěn)定運(yùn)行的爬行機(jī)構(gòu)，如圖1 所示。

2.2 擠壓式高粘度絕緣漆噴涂裝置設(shè)計(jì)

擠壓式高粘度絕緣漆噴涂裝置，包括絕緣漆出頭、上蓋板、絕緣漆桶、絲杠、傳動齒輪系統(tǒng)、下蓋板和噴涂電機(jī)，如圖2 所示。噴涂電機(jī)固定在下蓋板上，齒輪傳動系統(tǒng)與噴涂電機(jī)相連，噴涂電機(jī)經(jīng)傳動齒輪系統(tǒng)傳動帶動絲桿轉(zhuǎn)動并上下移動，絲桿傳動時(shí)推動絕緣漆桶末端的密封活塞，將絕緣漆經(jīng)由絕緣漆出頭送至噴涂頭；絕緣漆桶固定在上蓋板及下蓋板之間，用于存儲絕緣漆。絕緣漆出頭與絕緣漆桶的絕緣漆桶出料口連接。下蓋板經(jīng)支撐連桿與上蓋板相連，上蓋板經(jīng)中間連桿和轉(zhuǎn)軸與移動車體相連，形成機(jī)械一體結(jié)構(gòu)。傳動齒輪系統(tǒng)包括中心輪和行星輪，絲桿穿過各個(gè)行星輪的中心，與絕緣漆桶底部的密封活塞相連。在噴涂電機(jī)帶動中心輪轉(zhuǎn)動時(shí)，經(jīng)由行星輪帶動絲桿向上運(yùn)動。將絕緣漆桶中的絕緣漆經(jīng)固定在上蓋板上的絕緣漆出頭輸出至架空電力線及配網(wǎng)導(dǎo)線上。

圖1 爬行機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Crawling Mechanism

圖2 擠壓式高粘度絕緣漆噴涂裝置Fig.2 Extrusion Type High Viscosity Insulating Paint Spraying Device

2.3 高粘度絕緣漆噴頭設(shè)計(jì)

新型的高粘度絕緣漆自動噴涂頭經(jīng)機(jī)械連接與移動車體相連，如圖3 所示。電力線從其中心穿過，本實(shí)用新型采用兩半對稱機(jī)械結(jié)構(gòu)，方便套設(shè)在電力線上，可通過調(diào)節(jié)彈簧長度和壓力，實(shí)現(xiàn)噴涂頭沿電力線徑向的調(diào)整和電力線從噴涂頭結(jié)構(gòu)中心穿過，噴涂頭內(nèi)壁在電力線行走方向有特定內(nèi)傾角，由均布安裝在電力線徑向的噴頭通過壓力管接頭導(dǎo)入絕緣漆，以實(shí)現(xiàn)絕緣漆的均厚和均速噴涂。

圖3 高粘度絕緣漆自動噴頭Fig.3 High Viscosity Insulating Paint Automatic Sprinkler

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)

設(shè)計(jì)的擠壓式架空電力線高粘度絕緣漆自動噴涂遙控機(jī)器人，包含電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電機(jī)模塊、故障信號檢測模塊，無線傳輸模塊、PLC 控制模塊、人機(jī)界面模塊，如圖4 所示?？刂葡到y(tǒng)采用24V/40AH 的鋰電池供電，可以不間斷工作12 小時(shí)，通過無線傳輸模塊與地面HMI 通信，能夠在架空電力線上自動行走，并能夠通過地面HMI 調(diào)節(jié)機(jī)器人移動車體下部噴涂電機(jī)的轉(zhuǎn)速、傳動齒輪系統(tǒng)及絲杠的轉(zhuǎn)速，控制機(jī)器人的行走速度和絕緣漆噴涂量，實(shí)現(xiàn)特定厚度的絕緣漆自動噴涂作業(yè)。

圖4 控制系統(tǒng)框圖Fig.4 Control System Block Diagram

3.2 控制策略

頂漆電機(jī)和行走電機(jī)都是對無刷直流電機(jī)的PWM 的控制，無刷直流電機(jī)存在著電流畸變程序大、電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動大以及反電勢不穩(wěn)定造成轉(zhuǎn)速波動的問題[5]，反應(yīng)在設(shè)備上就會導(dǎo)致行走電機(jī)和頂漆電機(jī)轉(zhuǎn)速擾動，形成電力線敷設(shè)絕緣漆的厚度不均勻，故采用基于模糊控制的BLDC 矢量控制調(diào)速策略[6]，控制器結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。該系統(tǒng)把偏差e和變化率ec不斷進(jìn)行檢測，通過模糊控制規(guī)則來實(shí)現(xiàn)對比例參數(shù)kP、積分參數(shù)kl、微分參數(shù)kD進(jìn)行在線的修改，最終找到滿足PID 模糊參數(shù)變量的自整定處理，使得被控對象具有更好的動、靜態(tài)性能[7]。第K個(gè)采樣時(shí)間的整定為：

圖5 模糊PID 控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure Diagram of Fuzzy-PID Controller

式中：kP0、kI0、kD0—初始值；ΔkP、ΔkI、ΔkD—修正值。

把偏差e和變化率ec分別包含7 個(gè)模糊子集｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，其中各元素代表的含義分別為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大，對應(yīng)連續(xù)性域值為［-6，6］。利用三角函數(shù)來對系統(tǒng)進(jìn)行模糊化操作，利用加權(quán)平均，法進(jìn)行去模糊化操作，如圖6 所示。模糊規(guī)則為整個(gè)控制核心，ΔkP、ΔkI、ΔkD的控制規(guī)則表，如表1～表3 所示。

圖6 隸屬函數(shù)Fig.6 Membership Function

表1 △kP的模糊推理規(guī)則表Tab.1 Fuzzy Inference Rule Table of △kP

表2 △kI的模糊推理規(guī)則表Tab.2 Fuzzy Inference RuleTable of △kI

表3 △kD的模糊推理規(guī)則表Tab.3 Fuzzy Inference RuleTable of △kD

在MATLAB/Simulink 中搭建仿真模型，將將傳統(tǒng)PID 與模糊變系數(shù)PID 控制均使用BLDC 中，能夠得到不同的仿真效果，如圖7 所示。

圖7 轉(zhuǎn)速波形Fig.7 Speed Waveform

根據(jù)圖6，變系數(shù)的模糊PID 較穩(wěn)定，而且能夠在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常，且具有非常好的跟蹤能力與抗干擾能力。

3.3 控制流程

采用三菱FX3U-32MT 的PLC 作為主控制器，作為晶體管輸出的PLC 可以輸出高速和PWM 脈沖[8]，I/O 的地址分配，如表4 所示。

表4 輸入/輸出地址分配Tab.4 Input/Output Address Assignment

控制流程，如圖8 所示。設(shè)備在機(jī)械安裝完成后，將其掛靠在要噴涂的架空電力線上，此時(shí)通過地面的HMI 進(jìn)入測試模式，在測試模式下各機(jī)構(gòu)可單步點(diǎn)動運(yùn)行，如需對當(dāng)前行走、頂漆電機(jī)的速度和時(shí)間進(jìn)行一定的修改，可選擇進(jìn)入登錄修改界面，輸入正確的帳號和密碼，即可修改。測試完成后，代表各機(jī)械部件完好，電氣控制信號正常，此時(shí)進(jìn)入自動界面，選擇當(dāng)前噴涂架空電力線的線徑和需要頂漆的要求，啟動運(yùn)行，此時(shí)根據(jù)模糊PID 控制策略，自動選擇合適的行走和頂漆速度，來保證絕緣漆的噴涂均勻，在運(yùn)行的過程中，如果出現(xiàn)故障，則自動停止，待工作人員排除故障后，重新進(jìn)入測試模式后，繼續(xù)完成余下作業(yè)。

圖8 控制流程Fig.8 Control Flow

3.4 PLC 和HMI 的無線通訊

控制高空行走噴涂絕緣漆機(jī)器人的PLC 是掛接在架空的電力線上，此時(shí)與地面的上位機(jī)HMI 不能采用傳統(tǒng)的有線通訊，在現(xiàn)場采用無線傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)收、發(fā)模塊的遠(yuǎn)距離透明數(shù)據(jù)（字節(jié)）輸送，無須安裝配對設(shè)置軟件，通過撥碼開關(guān)設(shè)置信道，如表5 所示。與有線一樣使用，進(jìn)行遠(yuǎn)距離通訊和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

表5 無線通信設(shè)置Tab.5 Wireless Communication Settings

3.5 HMI 監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)

監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)采用MCGS 的觸摸屏，可以利用函數(shù)以及腳本設(shè)計(jì)功能復(fù)雜的畫面[9]，本系統(tǒng)我們設(shè)計(jì)了測試界面、自動控制界面和多個(gè)子畫面彈出窗口，如圖9～圖11 所示。通過測試界面能夠完成各部件單步運(yùn)行以及行走電機(jī)和頂漆電機(jī)的速度設(shè)定和時(shí)間顯示，在自動控制界面里能夠選擇不同的線徑的噴涂的參數(shù)要求，利用模糊PID 控制策略來完成架空電力線絕緣漆的均勻涂抹。

圖9 測試界面Fig.9 Test Interface

圖10 自動控制界面Fig.10 Automatic Control Interface

為了讓操作人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控當(dāng)前高空機(jī)器人的工作情況，對于一些異常情況都設(shè)置了“電量提示、過載1 提示、過載2提示、上限1 提示、下限1 提示、下限2 提示、故障定時(shí)、頂漆電機(jī)1 不轉(zhuǎn)、頂漆電機(jī)2 不轉(zhuǎn)”等子窗口，進(jìn)行一些狀態(tài)信息的報(bào)警以及出現(xiàn)故障的提示，方便操作人員排故檢修。程序腳本如下所示，效果，如圖11 所示。

圖11 多個(gè)子窗口界面Fig.11 Multiple Subwindow Interfaces

4 系統(tǒng)運(yùn)行情況

圖12 實(shí)物圖Fig.12 Physical Map

系統(tǒng)運(yùn)行可靠，實(shí)物如圖12 所示?，F(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，如表6 所示。行走電機(jī)驅(qū)動器未做任何修改，最高速度40 圈/min，頂漆電機(jī)驅(qū)動器四桶漆一圈0.2 升，一桶漆一圈0.05 升，通過現(xiàn)場測試，按照如表6 不同線徑的架空電力線的行走電機(jī)和頂漆電機(jī)的速度來運(yùn)行，架空電力線上絕緣漆噴涂極其均勻，噴涂效果良好。

表6 現(xiàn)場參數(shù)測試表Tab.6 Field Parameter Test Table

5 結(jié)論

本系統(tǒng)采用現(xiàn)代的控制技術(shù)，利用模糊控制策略完成對架空電力線絕緣漆的噴涂，控制直流電機(jī)在行走和噴涂的過程中

輸出轉(zhuǎn)矩具有更小的脈動以及更好的穩(wěn)定性，在帶載后電流的

穩(wěn)定性和畸變程度有了較大的改善，轉(zhuǎn)速更穩(wěn)定更平滑，且該調(diào)

速性能更優(yōu)，大大的提高了系統(tǒng)的整體性能，達(dá)到了噴涂方式簡單、噴涂絕緣層均勻的要求，解決了原有人工噴涂形式下效率低、速度慢以及無法保證質(zhì)量和絕緣效果差缺陷，實(shí)現(xiàn)了噴涂過程中的全自動化和智能化。目前系統(tǒng)運(yùn)行可靠，在電力系統(tǒng)中得到了推廣。