閥廳智能巡檢機器人系統

韋 鵬，徐 攀，竇俊廷，李 寧，趙欣洋

（1.國網寧夏電力公司檢修公司，銀川 750001；2.山東魯能智能技術有限公司，濟南 250101）

0 引言

閥廳作為換流站的核心部分，是放置換流閥的封閉建筑，換流站及直流輸電系統的運行性能和安全可靠程度與閥廳內電力設備的安全運行度密切相關，對整個電力系統的運行也有重要的影響[1]。換流閥在工作時會因自身功率耗散產生大量的熱，故其配有可靠性很高的高效冷卻系統和溫度監控系統[2]。但冷卻和溫控系統也存在出現故障的風險，比如冷卻系統泄露等情況[3]，因此，對閥廳設備的實時監控和定期巡視都必不可少。

傳統方式主要依靠人工巡檢和固定位置的實時監視。人工巡檢方式存在著勞動強度大、工作效率低、檢測質量分散、手段單一等不足，巡檢到位率、及時性無法保證。而固定位置的監控系統，由于受到閥塔整體較高且分層等客觀條件限制，只能對部分設備的局部位置進行監控，存在很大的監控盲區，很難真正滿足巡視范圍全方位覆蓋的要求。基于此種情況，研究能夠滿足大范圍檢測要求的閥廳智能巡檢機器人就具有重要意義。本文的目的就在于研制電磁兼容性強和可靠性高，可對閥塔等閥廳內設備進行大范圍、多角度、高精度檢測的巡檢機器人系統，并可根據預設任務進行全自主巡檢或者手動巡檢，并能自動進行模式識別和故障診斷，為閥廳內設備的運行狀態提供客觀的判斷依據[4,5]。

1 系統方案

閥廳智能巡檢機器人系統為網絡分布式架構，整體分為基站層、終端層和外部系統層。基站層為裝有智能控制與分析軟件的系統后臺；終端層為機器人本體及軌道、固定點；外部系統層為接入的操作站和輔助系統。由網絡交換機、通信線纜等設備負責建立基站層與終端層間透明的網絡通道。外系統結構如圖1所示。

圖1 閥廳智能巡檢機器人系統結構

基站以面向對象的內存實時數據庫和大型商用關系型數據庫相結合；通過多線程進行耗時任務的后臺處理，避免阻塞用戶操作；系統性能和可靠性高、維護和擴展方便。本系統還提供基于角色的安全權限控制；越變化死區和定周期采集相合的實時數據存儲機制；無損壓縮的巡檢數據存儲技術等。

終端層各設備（軌道機器人及輔助固定點監測裝置）可分為兩大模塊：運動模塊與控制檢測模塊，主要完成運動控制、檢測信息采集處理、云臺控制、移動本體定位及系統狀態檢測等功能。

系統之間通采用光纖，實現數據的遠傳和命令的遙控。在此基礎上，可以方便接入電力系統生產專用光纖通信網絡，實現與調度中心的數據交換。

2 機械結構設計

閥廳內的閥塔一般分為六列，每列閥塔又分為多層。換流閥分布于閥塔的每一層中，故巡檢機器人需要對每一層都有較好的檢測視角。為設計滿足檢測范圍和閥塔爬電距離要求，機器人在閥廳壁面上運動較為合適。豎直壁面上采用軌道式運動平臺較為合適，機器人可以沿豎直軌道上下運行并通過云臺的水平俯仰旋轉而實現對閥廳內設備特別是換流閥的大范圍細節巡檢。

2.1 軌道系統結構

目前移動機器人主要采用輪式、履帶或是復合驅動的方式[6]。受閥塔等設備布局限制，要實現對設備全方位的檢測功能，需要機器人能夠在垂直方向運動。傳統輪式驅動或履帶式驅動方式實現垂直方向運動時相對困難，故在閥廳機器人行走軌道設計上采用軌道式設計。軌道豎直安裝閥廳壁面上，軌道上有同步帶和滑座，同步帶帶動滑座上下移動，滑座上安裝輔控箱和相關檢測組件，實現閥廳內所關注設備的可見光和紅外檢測，軌道巡檢機器人系統外形如圖2所示。

圖2 軌道巡檢機器人系統外形圖

軌道系統其主要組成包括：型材軌道、同步帶、同步帶輪、同步帶輪箱、減速器、交流伺服電機、限位開關、接近開關、拖鏈、滑座。軌道根據檢測需要確定其安裝位置。

同步帶輪裝在同步帶輪箱內，同步帶輪箱與安裝在軌道的上下兩端。在一端的同步帶輪上安裝減速器和伺服驅動電機，組成軌道驅動系統。同步帶與同步帶輪配合裝在軌道型材的槽內，滑座安裝在型材軌道上，通過型材軌道實現導向，并與同步帶固連，在同步帶帶動下實現上下運動。上述軌道加同步帶驅動系統組成一個整體，安裝到閥廳壁面上。

2.2 負載扭矩與等效慣量設計

當機器人靜止啟動逆重力向上運動時，電機所承受的載荷最大[7]，其中，滑座及機器人重15Kg（不考慮同步帶自重），則負載的重力：

η為同步帶傳動的機械效率，取0.9；同步帶輪的直徑為D=67mm，則在帶輪上產生的負載扭矩為：

滑座上機器人和同步帶的總重量為35Kg，隨滑座上下做直線運動，滑座上直線運動部分的等效慣量為：

其中，M為負載總質量，Kg；A為電機轉動一周時滑座的直線運動量，m/r，減速器的減速比為3:1。

減速器的轉動慣量很小，可忽略不計。

同步帶在0.5s內加速到直線速度為0.5m/s，計算可以得到電機軸的角加速度β為89.6rad/s2，則加速轉矩：

其中ηG為減速器的機械效率，取0.8。i為減速器傳動比3，電動機輸出軸的必要轉矩為：

系統設計要求巡檢機器人不檢測時的最高運行速度為1m/s，檢測時速度在0.2m/s以下綜合考慮電機與減速器連接法蘭、尺寸重量和采購成本等問題，選擇松下帶保持制動器的松下A5系列中慣量電機MDME 102G1H，其額定扭矩為4.77Nm，額定扭矩與負載扭矩的比值為1.8，可作為設計余量；慣量為5.9×10-4Kg.m2，額定轉速2000r/min，實際負載慣量比為10，而該電機推薦的慣量比在10以內，通過計算，滿足設計要求。

3 驅動及導航系統設計

3.1 系統結構

移動平臺采用鋁合金型材軌道，同步帶傳動方式，通過伺服電機帶動平臺移動，該方案控制系統結構如圖3所示。

圖3 軌道驅動系統結構框圖

PLC內置FINS以太網通信協議，通過光纖與主控系統通訊，接收并執行主控系統下發的控制指令，并上報機器人當前的運動狀態信息和故障信息等。PLC控制伺服電機，控制機器人完成前進、后退動作；PLC接收定位系統輸出的機器人位置和檢測系統輸出的姿態信息，控制機器人實現導航和定位。

3.2 驅動及導航定位原理

機器人采用交流伺服電機驅動。軌道采用的同步帶驅動方式具有較高的精度，而伺服電機自身的精度也很高[8]，所以通過脈沖計數方式可以實現機器人的準確定位停靠。位置反饋原理如圖4所示。

圖4 驅動及導航定位原理框圖

以編碼器和安裝在軌道上的傳感器協同工作為例，簡要描述定位過程：機器人第一次上電，首先進行原點搜索作業，停止在原點位置，等待主控系統發出定位指令。PLC接收到主控系統定位指令后，自動判斷向上或向下運動，當編碼器反饋脈沖數到達指定范圍并接收到指定位置傳感器的信號后，經過PLC的邏輯判斷，完成系統定位，同時將當前位置反饋給主控系統。

對于系統長期運行時可能造成的累積誤差，通過增加零點位置開關的方法來解決。機器人運行一定數量的任務之后，自動返回零點位置進行校正，以消除累積誤差。在考慮丟失脈沖數的情況下，可以保證定位精度在0.1mm以內。

4 檢測組件和云臺控制系統

檢測組件包括紅外熱熱像儀、可見光攝像機、拾音器、視頻服務器、云臺、云臺控制板等。系統框圖如圖5所示。

圖5 檢測組件和云臺控制系統框圖

云臺主要用來使搭載在其上的可見光攝像機和紅外熱成像儀動作至指定位置，以便進行設備檢測。如圖5所示，用戶通過工控機向云臺控制板發出控制命令，云臺控制板控制云臺動作。預置位存儲在上位機，下次進行此處的設備檢測時直接調用即可。云臺控制板內存儲有預先設置好的零點，便于進行自檢、復位。

用戶通過工控機向視頻服務器發送控制命令，進而控制可見光攝像機和紅外攝像機進行聚焦，抓拍待檢測設備的圖像、紅外熱圖，并將數據傳送回上位機，也可實時顯示監測畫面，以備相關人員進行分析。同時系統也可通過拾音器采集閥廳內設備噪聲。

5 基站應用軟件設計

基站層應用軟件系統采用分層的模塊化結構，基于Windows操作系統和.Net Framework運行平臺；采用純面向對象的編程語言C#進行托管代碼編程；以面向對象的內存實時數據庫和大型商用關系型數據庫相結合。通過多線程進行耗時任務的后臺處理，避免阻塞用戶的界面操作。

軟件系統的體系結構共分為4層，分別為數據層、功能層、邏輯層和表示層，如圖6所示。各模塊基于接口編程，廣泛應用設計模式，降低模塊間的耦合，系統架構清晰，功能擴展方便。

6 結束語

本文設計的閥廳巡檢機器人系統已經應用于河南某±800kV換流站。現場應用如圖7所示。站內有2個低端閥廳和2個高端閥廳共計四個閥廳，其中每個低端閥廳布置2臺6米軌道機器人和2個固定點監測裝置；每個高端閥廳布置1臺9米軌道機器人和3個固定點監測裝置。

機器人在軌道上設置6個停靠點，每個停靠點觀測閥塔對應層，聯動輔助固定點監測裝置，檢測層的另一面，保證系統檢測的完整性，檢測過程中如發現溫度超出設定閾值，會向值守運行人員發出預警，并聯動相關設備，采取進一步措施。系統5臺機器人檢測任務同時運行，一次完整的檢測任務耗時2分鐘。每20分鐘啟動一次巡檢任務。每次巡檢任務完成后，會自動生成閥塔各部位溫度報表。

圖6 基站應用軟件系統框圖

圖7 閥廳智能巡檢機器人現場應用圖

現場實際運行表明：

1）機器人攜帶紅外、可見光、聲音等檢測設備，進行閥廳內設備巡檢，可以降低勞動強度，提高設備巡檢的效率和質量。

2）巡檢數據自動傳回上位機，通過分析處理，可以實時獲取設備的狀態信息并自動報警，提高了設備監控的自動化水平。

3）機器人在巡檢過程中可以按照預設的巡檢任務自動達到指定位置，停靠精度非常高，更好地滿足了狀態識別對圖像一致性的要求。

4）巡檢機器人和輔助的固定點監測裝置可以實現大范圍多角度的檢測，很好地滿足了層疊式閥塔全方位的檢測要求，真正達到了檢測范圍無死角。而且可以根據各自運行狀態、位置及被監測設備的位置，選擇最適合的機器人或者固定點進行檢測配合。

閥廳智能巡檢機器人系統的應用研究，為電力系統室內設備的實時狀態監控提供了一種實用高效的創新型技術手段。

[1]王華鋒,陳龍龍,林志光,鄭林,湯廣福.±800kV特高壓直流輸電換流閥控制保護系統工作原理及其工程應用[J].電力建設,2013(4).

[2]許根富,尚立新.高壓晶閘管換流閥外水冷系統分析[J].中國電力,2009(12).

[3]姚其新,饒洪林.換流站閥水冷系統隱患分析及治理[J].華中電力,2010(05).

[4]馮杰,陳圣儉,陳東.圖像識別技術在換流站監控系統中的應用[J].電網技術,2010(02).

[5]李然.紅外測溫技術與變電站圖像監控系統的融合研究與實現[J].電網技術.2008(14).

[6]吳恩啟,杜寶江,張輝輝,劉冀平.單軌檢測機器人的研制[J].制造業自動化,2008(09).

[7]王軍鋒,唐宏.伺服電機選型的原則和注意事項[J].裝備制造技術,2009(11).

[8]唐恒博,陳衛東,王景川,劉帥,李國波,趙洪丹.高精度高魯棒性的軌道機器人全局定位方法[J].機器人,2013(05).