楊 磊

(國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司中衛(wèi)供電公司，寧夏 中衛(wèi) 755000)

變電站絕緣子憎水性試驗(yàn)裝置是1種按照噴水分級(jí)法試驗(yàn)規(guī)范完成噴霧、拍照操作的試驗(yàn)儀器，用于測(cè)試變電站停電設(shè)備的復(fù)合絕緣子表面憎水性能和采集憎水性試驗(yàn)結(jié)果。通常，試驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)由噴霧系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、無(wú)線遙控系統(tǒng)等組成[1]。

對(duì)于裝置控制系統(tǒng)，文獻(xiàn)[2]提出將液壓升降機(jī)構(gòu)置于絕緣瓷瓶?jī)?nèi)并支撐安裝有攝像頭、噴頭的絕緣箱上下移動(dòng)，由平板電腦統(tǒng)一操縱系統(tǒng)進(jìn)行噴霧、拍照和升降；文獻(xiàn)[3]采用便攜電動(dòng)噴水系統(tǒng)與數(shù)碼相機(jī)配合使用，系統(tǒng)組成過(guò)于簡(jiǎn)單；文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了1種采用STM32系列單片機(jī)作為主控系統(tǒng)的無(wú)線自動(dòng)噴水裝置，可對(duì)不同類型和狀態(tài)的復(fù)合絕緣子采用不同噴霧頻率和次數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)；文獻(xiàn)[5-6]提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案較為成熟，遙控器采用2.4 GHz無(wú)線通訊與噴霧系統(tǒng)連接控制噴霧，通過(guò)建立Wi-Fi熱點(diǎn)與計(jì)算機(jī)通信，由分析軟件控制圖像采集系統(tǒng)拍照；文獻(xiàn)[7-9]將試驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)與多旋翼無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)融合，以計(jì)算機(jī)為控制終端，一方面通過(guò)無(wú)線通訊轉(zhuǎn)換器發(fā)射433 MHz或2.4 GHz信號(hào)控制自動(dòng)噴霧系統(tǒng)，另一方面借助無(wú)人機(jī)圖傳系統(tǒng)拍攝試驗(yàn)圖片。

為解決裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分散、控制不靈敏、系統(tǒng)供電不穩(wěn)定等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了1種控制靈敏、功能完善、系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)，具有良好人機(jī)交互性能的控制系統(tǒng)，進(jìn)一步提高試驗(yàn)裝置的實(shí)用性和可靠性。

1 問(wèn)題的提出

某型號(hào)變電站絕緣子憎水性試驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)主要由遙控電動(dòng)噴霧系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。

其工作原理為無(wú)線遙控器啟動(dòng)遙控電動(dòng)噴霧系統(tǒng)實(shí)施25次定時(shí)噴霧，手機(jī)App控制圖像采集系統(tǒng)(微型攝像頭)拍照獲取試驗(yàn)圖片。使用中存在的問(wèn)題如下：

(1)系統(tǒng)接收噴霧命令不靈敏。無(wú)線遙控器采用433 MHz電磁波與遙控電動(dòng)噴霧系統(tǒng)的定時(shí)繼電器通信從而啟動(dòng)水泵，天線置于金屬外殼內(nèi)造成信號(hào)接收不靈敏。

圖1 變電站絕緣子憎水性試驗(yàn)裝置

(2)遙控電動(dòng)噴霧系統(tǒng)與圖像采集系統(tǒng)相互獨(dú)立。因APP軟件功能限制，兩系統(tǒng)通信方式不同，二者無(wú)法在同一終端控制。

(3)系統(tǒng)控制方式單一。遙控電動(dòng)噴霧系統(tǒng)以定時(shí)繼電器等模塊組成，啟動(dòng)后自動(dòng)完成噴霧操作，執(zhí)行過(guò)程不能中斷；另外，噴霧與拍照操作也不能連續(xù)自動(dòng)控制。

(4)系統(tǒng)電路供電不穩(wěn)定，執(zhí)行不準(zhǔn)確。鋰電池組電池容量及負(fù)載能力能達(dá)到試驗(yàn)要求，但在水泵啟停過(guò)程中，部分電路電源指示燈忽明忽暗；在水泵持續(xù)運(yùn)行時(shí)，繼電器觸點(diǎn)多次出現(xiàn)無(wú)法可靠吸合的現(xiàn)象，導(dǎo)致噴霧過(guò)程時(shí)斷時(shí)續(xù)。

因此，在系統(tǒng)架構(gòu)、電源電路、無(wú)線通訊和控制方式等方面需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 控制系統(tǒng)的研制

新研制的控制系統(tǒng)架構(gòu)分為上位機(jī)和下位機(jī)2部分，如圖2所示。主控系統(tǒng)核心采用KEA128系列處理器，使用C語(yǔ)言編輯主控程序；無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用Wi-Fi通信方式實(shí)現(xiàn)視頻傳輸與操作指令下達(dá)；執(zhí)行系統(tǒng)由噴霧系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)噴霧、拍照、攝像頭和噴頭角度調(diào)節(jié)以及儲(chǔ)水箱注水功能；供電系統(tǒng)由12 V鋰電池組和5 V電源穩(wěn)壓電路組成；遙控終端以Android操作系統(tǒng)的手機(jī)為載體，通過(guò)App實(shí)現(xiàn)噴霧、拍照、角度調(diào)節(jié)等控制以及存儲(chǔ)試驗(yàn)圖像。

圖2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

包含主控電路、驅(qū)動(dòng)電路、圖像采集電路、Wi-Fi模塊電路、穩(wěn)壓電源等部分，如圖3所示。

圖3 硬件電路結(jié)構(gòu)

2.1.1 主控電路

主控電路是控制外圍電路及各類執(zhí)行機(jī)構(gòu)的中樞，需要快速處理大量數(shù)據(jù)如遙控指令、發(fā)生PWM信號(hào)、傳輸視頻等才能準(zhǔn)確控制子系統(tǒng)。設(shè)計(jì)采用KEA128系列微處理器，此處理器具備各種硬件資源如PWM發(fā)生器、多路定時(shí)器、串口等，能使舵機(jī)、水泵、攝像頭等驅(qū)動(dòng)程序穩(wěn)定運(yùn)行，迅速響應(yīng)指令，保證控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、可靠地工作。

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)承擔(dān)手機(jī)與試驗(yàn)裝置之間的數(shù)據(jù)交互包括圖像、拍照及攝像頭和噴頭角度控制指令。通常，試驗(yàn)裝置安裝于絕緣桿頂端，與手機(jī)的距離保持在3 m以內(nèi)，通訊距離近，數(shù)據(jù)傳輸量大，特別是圖像傳輸質(zhì)量要求高，選擇Wi-Fi通信技術(shù)可滿足控制系統(tǒng)的需求，采用ESP8266芯片構(gòu)成Wi-Fi傳輸模塊電路。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)電路

試驗(yàn)裝置的噴霧、拍攝、噴頭和攝像頭角度調(diào)整功能全部由執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。為了在試驗(yàn)中便于調(diào)整垂直方向噴霧、拍攝角度，將攝像頭和噴頭分別固定在1個(gè)MG90s型舵機(jī)的搖臂上。由于該型號(hào)絕緣子憎水性實(shí)驗(yàn)裝置增加了1組水泵為水箱自動(dòng)注水，而采用繼電器驅(qū)動(dòng)水泵使電路功耗更大，因此，采用IR2104S驅(qū)動(dòng)芯片和MOS管構(gòu)成水泵驅(qū)動(dòng)電路，由主控電路發(fā)生PWM作為IR2104S輸入信號(hào)加以控制，其中1組調(diào)整占空比和運(yùn)行時(shí)間精確控制噴霧量。在舵機(jī)、水泵驅(qū)動(dòng)電路與主控電路之間使用TLP521光耦提升主控芯片驅(qū)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換、隔離作用，避免電機(jī)運(yùn)行對(duì)主控系統(tǒng)的干擾。

2.1.3 圖像采集電路

圖像采集電路選用SN98671型CMOS圖像傳感器芯片，采取RS232串口協(xié)議與主控芯片通信，旋轉(zhuǎn)攝像頭的鏡頭將視角設(shè)定為90°，使拍攝圖像涵蓋復(fù)合絕緣子的3層傘裙。

2.1.4 電源

鋰電池組電壓為12 V，為水泵及5 V穩(wěn)壓電路提供充足電能。5 V穩(wěn)壓電路主要為主控電路、驅(qū)動(dòng)電路、光耦隔離電路、Wi-Fi模塊電路、CMOS圖像傳感電路供電。其中，主控電路、光耦隔離電路、Wi-Fi模塊電路和CMOS圖像傳感電路功耗較低，選用輸出電流為1.2 A的MP2359穩(wěn)壓芯片即可滿足供電要求。水泵驅(qū)動(dòng)電路、舵機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路需采用大功率5 V電源，尤其舵機(jī)運(yùn)行精度對(duì)電源的紋波要求較高，為此選取AS1015開關(guān)電源芯片構(gòu)成穩(wěn)壓電路提供最大5 A電流。在5 V穩(wěn)壓電路的輸出端增設(shè)電感-電容低通濾波電路使電壓紋波更小，同時(shí)緩和大電流沖擊。

2.2 軟件程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件程序結(jié)構(gòu)由上位機(jī)App應(yīng)用軟件和下位機(jī)主控程序組成，如圖4所示。上位機(jī)系統(tǒng)是將Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)作為硬件平臺(tái)，上位機(jī)的功能有模式選擇、角度調(diào)整、圖像顯示和圖像存儲(chǔ)。其中，模式選擇有自動(dòng)、手動(dòng)2種：自動(dòng)模式為下位機(jī)自動(dòng)執(zhí)行噴霧、拍照試驗(yàn)操作；手動(dòng)模式由試驗(yàn)員在軟件上點(diǎn)擊按鈕分別完成噴霧或拍照，為此采用Android Studio開發(fā)工具對(duì)App軟件的邏輯程序和人機(jī)交互界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖4 軟件程序結(jié)構(gòu)

App邏輯程序結(jié)構(gòu)如圖5所示。下位機(jī)數(shù)據(jù)指圖像傳感器拍攝的實(shí)時(shí)視頻，啟動(dòng)App初始化后，先接收下位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，若App接到拍照命令，會(huì)存儲(chǔ)此刻試驗(yàn)照片數(shù)據(jù)，否則，在手機(jī)屏幕顯示實(shí)時(shí)圖像以及軟件保存的試驗(yàn)參數(shù)、運(yùn)行模式等數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到用戶點(diǎn)擊噴霧按鈕、調(diào)整攝像頭角度、設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)等操作時(shí)，發(fā)送命令對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制；若未檢測(cè)到，App返回初始化。

圖5 App應(yīng)用軟件邏輯程序流程

人機(jī)交互界面是試驗(yàn)員設(shè)置參數(shù)、操控試驗(yàn)裝置、查看試驗(yàn)圖像的窗口?？紤]到智能手機(jī)橫屏顯示時(shí)，界面更寬闊，圖像顯示比例更大，操作更方便，故將界面以橫屏狀態(tài)布局，如圖6所示。

圖6 App軟件人機(jī)交互界面

在人機(jī)交互界面上將點(diǎn)擊按鈕、設(shè)定參數(shù)、模式切換等動(dòng)作指令通過(guò)App邏輯程序處理后下達(dá)至下位機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行，同時(shí)接收下位機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)上傳的圖像信息并截取保存。

下位機(jī)程序在KEA128處理器內(nèi)運(yùn)行，由GPIO、UART、PWM等端口發(fā)送程序指令來(lái)控制舵機(jī)、水泵、指示燈、攝像頭等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。主控程序采用C語(yǔ)言編譯、調(diào)試，主要包括初始化、圖像處理、Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠郑绦蛄鞒倘鐖D7所示。

圖7 主控程序流程

3 效果評(píng)價(jià)

圖8為控制系統(tǒng)硬件實(shí)物，水管接頭、電源線及信號(hào)線中間接頭作密封處理，主控電路置于透明防水盒內(nèi)并將接口縫隙封堵，以此達(dá)到防水、防漏的效果。為了驗(yàn)證試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，使用一串復(fù)合絕緣子模擬憎水性試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)功能測(cè)試。

將下位機(jī)系統(tǒng)的電源開關(guān)打開，電池電壓顯示為11.9 V，紅色電源指示燈亮起，將手機(jī)Wi-Fi與裝置系統(tǒng)連接，點(diǎn)擊試驗(yàn)App。在App軟件歡迎界面等待數(shù)秒鐘后進(jìn)入人機(jī)交互界面，摘下攝像頭鏡頭護(hù)蓋后，屏幕上可看到待測(cè)絕緣子圖像，表明下位機(jī)系統(tǒng)主控電路和攝像頭模塊工作正常，App運(yùn)行穩(wěn)定，Wi-Fi通訊正常。手動(dòng)模式時(shí)，分別調(diào)整噴頭、攝像頭角度，使舵機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)卡澀、異響，角度控制精確；單擊“手動(dòng)噴水”按鈕，下位機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行一次噴霧操作；單擊“手動(dòng)拍照”按鈕，App保存圖片1張，在手機(jī)相冊(cè)可查到。單擊“設(shè)置”按鈕彈出試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置菜單，默認(rèn)參數(shù)為噴霧時(shí)間0.5 s，間隔時(shí)間1 s；噴霧次數(shù)25次，延遲時(shí)間5 s。當(dāng)切換至自動(dòng)模式后，下位機(jī)按照“設(shè)置”參數(shù)連續(xù)自動(dòng)完成噴霧、拍照流程，停頓5 s后循環(huán)執(zhí)行。

圖8 控制系統(tǒng)實(shí)物

經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試證明：下位機(jī)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地接收到試驗(yàn)App發(fā)出的指令并執(zhí)行，攝像頭俯仰角可在-60°～+50°范圍調(diào)節(jié)，噴頭俯仰角在-85°～+15°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。不論在自動(dòng)還是手動(dòng)模式，控制系統(tǒng)能夠持續(xù)、平穩(wěn)運(yùn)行約2 h。測(cè)試結(jié)果表明試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)達(dá)到絕緣子憎水性試驗(yàn)的規(guī)范要求及設(shè)計(jì)功能。

4 結(jié) 論

(1)研制的變電站絕緣子憎水性試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)可在自動(dòng)模式下無(wú)需試驗(yàn)員操作即可連續(xù)試驗(yàn)，進(jìn)一步提高試驗(yàn)工作效率。

(2)控制系統(tǒng)以Wi-Fi通信替代，在手機(jī)上由App統(tǒng)一控制、調(diào)整下位機(jī)，外置射頻天線增強(qiáng)了信號(hào)傳輸穩(wěn)定性，執(zhí)行操作準(zhǔn)確、靈敏。

(3)系統(tǒng)通過(guò)不同輸出功率的穩(wěn)壓電路向子系統(tǒng)提供5 V電源，又與12 V水泵電源相互隔離，采用低通濾波電路穩(wěn)定輸出電壓，采用光耦驅(qū)動(dòng)電路隔離信號(hào)干擾，消除水泵、舵機(jī)運(yùn)行中對(duì)主控系統(tǒng)電源、信號(hào)的干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

(4)裝置控制系統(tǒng)的運(yùn)算速度、擴(kuò)展能力得到進(jìn)一步增強(qiáng)，為系統(tǒng)功能升級(jí)提供方便，在試驗(yàn)圖片上傳、存儲(chǔ)以及憎水性分析軟件開發(fā)等方面給予有力的軟硬件支持。