低壓電流互感器自動化檢測流水線優化技術研究

穆小星,祝宇楠,徐敏銳,陳 剛,龔 丹,金 萍

(1．國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 210019；2．國家電網公司電能計量重點實驗室，江蘇 南京 210019)

低壓電流互感器自動化檢測流水線優化技術研究

穆小星1,2,祝宇楠1,2,徐敏銳1,2,陳 剛1,2,龔 丹1,2,金 萍1,2

(1．國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 210019；2．國家電網公司電能計量重點實驗室，江蘇 南京 210019)

為提高互感器自動檢測流水線優化設計水平及其性能指標，提出了以系統節拍短、線體交叉少、傳輸路徑短、設備綜合投資成本低為目標的流水線優化設計方法。采用多目標優化算法，均衡協調工序、節拍、型式等復雜參數變量與約束條件，優化流水線整體設計，從而提升互感器檢測效率，流水線體長度減少近100 m，設備數量減少1/4，設備場地有效面積減少80 m2，并實現設計模塊化、標準化，增加流水線優化設計通用性。互感器流水線優化設計為工業產品檢測流水線提供了一種規范化通用性典型設計。其整體運行結果及專家組成的評審組評審表明，互感器流水線的優化設計可行，設備運行可靠，達到了預期目標。在目前所建互感器流水線中，該設計設備簡潔、生產效率高、綜合成本低、產品通用性強。

低壓電流互感器； 電網； 可靠性； 檢測流水線； 多目標優化

0 引言

低壓電流互感器是各種低壓電力成套裝置中實現相應測量、控制、電能計量功能的重要配套測量元件，其配置容量達到3 000 A。低壓電流互感器性能的好壞，直接影響裝置中測量、計量的準確性和保護裝置動作的可靠性。因此，互感器被列入國家強制性檢定計量器具，無論在生產階段，還是在交驗驗收階段，都必須實施100%檢測。隨著電力負荷需求的穩步增長，互感器的需求量、生產量逐年大幅度增加。電網企業每年需求量為上億只，廠礦等工業用戶配電系統需求量為數千萬只。近年來，電網企業實現了集約化管理，互感器的檢定由省網企業集中招標、采購、檢驗，并統一配送，互感器數量及檢測規模愈來愈大，再加之產品的質量與生產效率越來越受到人們的重視，因此電網企業、用電企業、互感器生產廠家都在積極采用自動化手段實施互感器檢測。

目前，許多互感器相關企業都陸續建立了低壓電流互感器批量自動檢測流水線。但所建系統相似，系統檢測能力、資源利用效率、檢測質量與效益方面還有明顯不足；設備運行時效、檢測效率、標準化程度不高，裝備技術亟待提升[1-3]。為此開展互感器檢測流水線的優化與規范化設計研究，提出一種標準化、實用性強、檢測可靠性高、綜合成本低的互感器流水線優化設計具有十分重要的意義。

本文對低壓電流互感器檢測流程、檢測方案、檢測工序、檢測效率及流水線設備、被檢對象等方面開展優化研究，優化系統節拍與設備結構、設備布局，從而提升互感器檢測流水線效率，簡化系統結構，降低設備成本，提高運行可靠性。

1 系統優化目標

通過建立互感器檢定流水線優化模型[4]，以系統生產節拍短、線體交叉少、輸送路徑短、占地面積少、設備綜合投資成本低為目標(函數)，采用多目標優化方協同法[5]，均衡協調工序、節拍、型式等復雜參數變量與約束條件，優化流水線整體設計，并實現設計的模塊化、標準化。以自動化擺渡穿梭車、空箱回庫緩存方式，削減大間隔、低利用率的部分傳輸線；建立設備布局模型，采用支線獨立、工位復用的設備配置優化技術將檢測裝置、電控設備、傳輸線、上下料機械手等在有限空間內合理分布，減少設備數量及占地空間。

2 流水線工序平衡與節拍優化技術

2.1 互感器檢測流水線平衡

生產流水線由各個按工序排放的工位(工作站)組成，各自有其相應的工作周期。生產節拍是指流水線各個工位上需要完成作業的最長時間，也就是瓶頸工位作業時間。如果不通過生產線平衡進行工作站的設計，會造成整條生產線上有效工作時間變短、設備閑置等問題，從而降低生產線效率。為了提高流水線生產節拍和生產效率，需對每個“瓶頸”進行分析，以緩解或者消除這類影響[6]。如何減少或者盡量優化瓶頸，就是對整條流水線(產能)的優化[7]。流水線上每個生產工位操作時間盡可能相近，通過調整工序，進行節拍匹配就是流水線均衡。流水線均衡是緩解或者優化瓶頸工位的最主要方法之一。為了盡量使各個工位所需時間相同，可以對工位上的工序數量進行調整，實現工序同期化[8]。

互感器檢測流水線通常由8個基本工位組成，其檢測工序/工位及時間關系圖如圖1所示。

圖1 檢測工序/工位及時間關系圖

從圖1可以看出，互感器檢測流水線的瓶頸工位為試驗1或試驗2，分別對應2種互感器試驗項目組合方案。因此，互感器檢測流水線的檢測節拍即由“試驗1”或“試驗2”的工作周期來確定，需要對2組試驗工序進行匹配、優化，使之工作周期盡量相等。

互感器檢測項目包括耐壓試驗、絕緣電阻測定試驗、二次繞組匝間絕緣強度試驗、磁飽和裕度誤差試驗、基本誤差試驗等5項，可分別按試驗信號類型(A)、試驗性質(B)分為2組，并設置相應工位。互感器檢測項目及其分類如表1所示。

表1 互感器檢測項目及其分類

比較2個分組方案的試驗時間，按A類分法，“試驗1”為“電壓試驗”、“試驗2”為“電流試驗”，試驗所需時間分別為4 min、21 min；按B類分法，“試驗1”為“預防性試驗”、“試驗2”為“誤差試驗”，試驗所需時間分別為17 min、8 min。B類分法瓶頸工位時間短，為可選方案，但電流試驗需在2個工位進行，則需另加一套升流裝置。但升流設備成本較低，綜合考慮成本、效率等因素，B類分法應是優選。

B類分法瓶頸工位為預防性試驗工位，其工作周期為17 min，相對整個系統工序周期仍顯得非常不平衡。由于誤差試驗為基本試驗單元，不能再進行工序分割，其工作時間為基本時間。因此對B類分法“試驗1”諸項試驗時間進行縮減，使之與誤差試驗時間相接近。

2.2 系統節拍優化技術

互感器試驗通常對互感器按一定數目進行分組(一般為12個)，其中預防性試驗中的匝間絕緣試驗如果同步進行可大大縮短試驗時間。但匝間開路試驗有其特殊性，多只開路試驗激勵有可能失效，不能仿真實際工作條件。只有逐一開路單只試驗才是符合實際狀況的試驗，但逐一開路單只試驗周期約需13 min[9]。為兼顧試驗準確性與試驗周期，需研究既能縮短試驗周期，又能實現單只開路絕緣試驗的方法。為此，本文提出將被測互感器分成2個小組同步進行，每小組內的被測互感器逐只串行異步試驗，組間同步并行試驗。

圖2為匝間絕緣與誤差試驗原理圖。匝間試驗與誤差試驗分置在2個工位，匝間試驗工位還承擔絕緣與耐壓測試試驗任務，其主要設備包含一個共用調壓器及與之相連的2個升流器，并分別與I組互感器、II組互感器的穿心電流桿構成2個電流回路；誤差試驗工位主要設備包含1個調壓器和與之連接的升流器，并與該工位中的被測互感器組的穿流桿構成電流回路。

圖2 匝間絕緣與誤差試驗原理圖

優化后，匝間試驗周期由13 min縮短為6.5 min。此外對絕緣電阻測定試驗，由異步串行試驗變為同步試驗，用并聯阻抗取代單個阻抗，則絕緣電阻測試時間由原來2 min縮短為10 s左右。通過2項試驗優化后，整個預防性試驗周期由原來17 min縮短為9 min左右；互感器誤差試驗周期仍為8 min左右，二者試驗周期基本匹配。系統節拍或瓶頸時間由原來17 min縮短為9 min左右，檢測效率提高近100%，開路試驗結果可靠性也大大提高。

對流水線流程的其他工位，通過支線數量調整、單元劃分及支線并聯的方法，實現工序平衡與設備利用率最大化。

3 設備及其布局優化技術

設備布局是流水線優化的基礎，只有優化的設備布局，才會有相應的流水線優化。設備布局優化遵循優化目標要求，以設備最少、輸送路徑最短、交叉移載最少、綜合成本最低為目標函數。

3.1 車間設備布局原則

互感器檢測流水線設備分為主設備和輔助設備。主設備包括預防性試驗臺、誤差試驗臺；輔助設備包括上下料機械手、掃描裝置、貼標裝置。設備應因地制宜、按工作方式合理布局。主設備宜采用輸送線周邊布置，輔助設備宜采用立體空間交叉布置，最大化節約占地面積。

設備布局應遵循精益化生產的理念，建立檢測線車間布局模型，杜絕設備資源浪費，減少不必要的傳輸/緩存，保持物流的順暢以實現檢測和物流過程的精簡高效。根據精益化生產的要求，檢測車間的布局應當遵循以下原則。

①物流原則：在物流設計方面，往返及路徑交叉少，輸送線路應盡量短，以減少輸送搬運工件的負荷。各種工位設備應該按照實際流程排布成線。有物流交換的輸送線之間應該互相靠近，減少物料移動距離。

②緊湊原則：在設備容積率方面，應充分利用場地面積，同時縮短工件運輸距離。在保持維修通道的條件下，盡量使各條生產線之間保持較小的設備間距。

③共用原則：在保持系統可靠性、冗余性(備用)及系統節拍匹配的條件下，對于價格昂貴或占地面積較大的設備，應考慮多個工作單元共用(如碼垛機/拆垛機、機械手、穿梭車等)。

④特殊位置要求：滿足特殊設備的特定擺放位置及現場柱體等障礙物、消防通道等建筑設施對布局的約束，形成廠房布局中的固定約束；輔助設備按照功能需求形成單元布局，并預留一定的備用空間以加強布局設計的柔性。

根據這些布局原則，可以建立檢測流水線車間布局的數學模型和拓撲模型。根據設備分類結果，輸入單元、輸出單元應當分別與倉儲輸出、輸入口靠近，而中間單元設備位置應靠近車間中部，且為碼垛機、拆跺機、外觀檢測設備、掃描設備等輔助設備預留相應的位置。各設備的擺放位置應接近與其物流關系較強的相關設備，上線周轉箱物料與已檢下線周轉箱物料有最強的物流關系，其接駁系統與上下料機械手、緩存平臺應最為靠近[10-11]。為此采用一種穿梭車代替滾筒輸送機，可大大簡化接口系統，提高接駁靈活性、可靠性；檢測過程中產生的不合格箱應靠近臨檢裝置對應的輸入、輸出接口；在整個車間中設備的擺放由倉儲接駁口(坐標原點)開始，在倉儲物流輸出方向(X軸)，依次按結構、按單元依次擺放相應設備，各支線之間留有開放通道，并沿車間輸送總線(Y軸)離散布局、組合優化。

3.2 設備布局形式

設備布局就是將各工位設備按上述優化原則，在確定的區域內適宜地放置，它是車間流水線布局的重要組成部分。流水線與設備常用布局如圖3所示。

圖3 流水線與設備常用布局圖

圖3中：G為設備或放置設備的位置。設備線性布局的形式多種多樣，根據設備布局形狀可以分為4種：①直線型(straight-line)布局如圖3(a)所示；②U型(U-shaped)布局如圖3(b)、圖3(c)所示；③環型(loop)布局如圖3(d)所示；④蛇型(serpentine)布局如圖3(e)所示。①、②、③適用于多支線多單元組合流水線，④適用于單一單元，一般為小批量產品流水線。

U型布局與直線型布局相比，工件入口和出口在同一位置，工位設備按照工序的順序緊密排列在U型線的兩側或一側，布局緊湊，設備容積率低，場地利用率高，節省人員；而直線型布局工件入口和出口往往相距較遠，占線過長，難以形成系統支線，設備巡視較困難。

圖4為8支線互感器流水線典型設計方案圖。流水線布局采用圖3(b)單邊U型、分段跨行布局形式，可滿足設備方便維護需求及X、Y方向空間比例協調原則。8條支線可設計為8、4、2、1個單元4種形式，其中2個單元、每單元4條支線的設計方案相對較為科學，可以滿足共用設備節拍匹配、提高設備利用率的優化目標。

圖4 8支線互感器流水線U型布局圖

3.3 設備及其布局優化技術

3.3.1 周轉箱輸送線優化技術

①空箱緩存設備優化。互感器檢測初期，在上料完成后，由于無產品產出，會生成相應的臨時空箱，需要在現場設置緩存線及空箱拆碼垛設備。為實現優化目標，采用空箱回庫緩存方案，即臨時產生的空箱送回倉儲貨架緩存，在檢測任務最后階段再返回。如此操作則可完全消減空箱緩存設備，大大減少設備數量及所需場地面積。

②系統接駁優化。為減少線體交叉及相應頂升移載數量，優化檢測線與周轉箱輸送線接口系統，采用穿梭車代替接駁輸送線。如此操作可節省相應設備，減少線路復雜性，提高接駁系統可靠性、調度靈活性以及場地視覺效果，同時穿梭車傳輸系統相對輸送線更為經濟。

3.3.2 工裝設備優化技術

①試驗設備優化。低壓電流互感器分穿心式和帶母排端子非穿心式2種結構。為此，試驗設備如需滿足這2種型式互感器檢測，則需配置這2種結構。為優化試驗設備、降低成本，從互感器標準化著手，對互感器工藝進行技術攻關，在不降低互感器精度條件下，把母排式互感器變為穿心式。通過優化被檢對象實現相應檢測設備的優化，互感器增加的成本微乎其微，但性能、安全性得到了很大提高。通過互感器標準化，簡化了試驗設備結構，降低了設備成本。

②一次接線設備優化。互感器一次回路接線由一套穿桿機構完成，是實現電路閉合、實施互感器自動檢測的關鍵裝置。互感器穿桿方式分“互感器穿桿”、“桿穿互感器”2種。目前已建的互感器檢測流水線多采用桿動互感器不動的“桿穿互感器”方式[12-13]。此方案需設置相應穿桿臺及導向機構，占地面積大、成本高。為優化設備、降低成本，采用“互感器穿桿”方案可大大節省場地面積。該方案對互感器標準化要求較高，穿桿過程時間稍長，對節拍稍有影響。但綜合考慮節拍、成本、占地面積等多個因素，其仍為優選方案。

3.3.3 設備布局優化

通過單用、共用設備合理配置及物流、工序流程流向的科學設置，借助相應布局模型、優化模型，精心設計設備布局方式、線體路線形式，以設備少、占地面積小、物流路徑短、線體節點少為優化目標，優化設備布局、優化流水線體結構。8支線互感器流水線整體優化布局如圖5所示。

圖5 整體優化布局圖

周轉箱物流輸送系統的組成為接駁輸送線、穿梭車軌道，線上設有置碼垛機、拆垛機、周轉箱初檢裝置等周轉箱操作處理設備；設備在空間上立體交叉分布，充分利用高度空間及設備與流水線關系，優化布局，使設備占地面積最小化。

工裝托盤輸送流水線結構由2組“日”型總線及到各工位設備的8組“U”型支線組成。支線間沿總線方向(Y軸)離散布局，并留足巡檢維護通道；托盤支線、單元數量采用偶數配置，結構采用對稱分布，以便根據產能靈活變換系統結構、方便設計。支線采用單排U型排布，可以避免支線形成大圍圈而造成設備巡檢、維護的不便，提高場地利用率，節約重型設備投資。沿托盤輸送總線設置有相關條碼掃描、貼標等檢測共用設備；沿工裝托盤分支小線設置各功能檢測設備。進線流和出線流兩者組合后，沿順時針或逆時針方向形成一個閉環流水線路徑，形成工件上料到下料的完整的檢測流程。

工裝托盤輸送流水線中支線長度為功能設備空間長度與托盤緩存區長度之和，并與車間橫向間距相匹配，無效長度為0，其回線長度與之等長，作為必備的下線成品緩存線；托盤總線長度為本單元托盤總數緩存所需最小長度，并與接駁平臺、機械手空間距離相匹配，無效長度為0；支線與總線連接為直接垂直連接，因此，過渡長度為0。

支線在水平X、Y方向無效長度皆為0，線體總長為系統線路總長度的最小值，線路充分優化，使線體長度最小化。

支線與總線交叉點為兩總線與各支線交叉點，數量為4×3=12；支線轉向交匯點數量為4×2=8；總線中上下料接駁支線轉向交匯點2×1=2。每單元總計節點數為22，為平面交叉輸送線的最小數，線支交叉數量充分優化，使線體交叉數最小化。

4 流水線整體優化設計

按上述優化原則，設計具有8條支線的互感器檢測流水線。

流水線整體結構由周轉箱物流配送單元、互感器工裝輸送單元、互感器自動檢測裝備單元組成，周轉箱物流配送單元由周轉箱拆碼垛機及周轉箱穿梭車車載系統組成。

新流水線結構規整緊湊、線路流暢、流轉清晰、視覺美觀；線支交叉、移載機構少；巡檢無需搭建人字梯，維護便捷無障礙；各支線相互獨立，根據產能、被檢產品種類、可靠性分散系數等因素靈活設置支線與單元數量；系統通用性強，可適用于以周轉箱為載體的任何工件/產品流水線檢測，只要變換支線中的互感器檢測設備，就可形成另一種工件/產品檢測線。

互感器檢測流水線測試驗收結果表明：優化后系統節拍為12 min(檢測效率提升)，線體長度減少近100 m，設備數量減少1/4，設備占地面積減少5%，設備成本降低約800萬元，系統可靠性指標從8 319 h提高到了8 993 h，達到了預期優化目標。

整體工位設置及工作時間圖如圖6所示。

圖6 整體工位設置及工作時間圖

5 結束語

互感器流水線優化方法為工業流水線設計提供了一種模塊化、標準化設計思路，簡化了流水線設計工作，提高了設計效率與經濟效益，同時也為未來中壓互感器自動化檢測系統提供了借鑒[14-15]。科學技術發展日新月異，隨著智能電控技術的發展，工裝托盤輸送效率、互感器檢測自動接線效率或工件檢測置位、定位效率還可以繼續提高，從而提升被檢產品檢測效率。

[1] 陳建波.低壓電流互感器自動檢定系統的研究[J].機械工程與自動化,2013(3):185-186.

[2] 侯興哲,馮凌,魏東.低壓電流互感器一體式自動檢定系統[J].四川電力技術,2014(11):40-43.

[3] 章鹿華,易忠林,王思彤,等.低壓電流互感器自動化檢定系統設計與實現[J].自動化儀表,2013，34(12):48-50.

[4] 肖曉偉,肖迪,林錦國,等.多目標優化問題的研究概述[J].計算機應用研究,2011(3):805-808.

[5] 肖敏,唐增寶.優化數學模型分析診斷的方法[J].機床與液壓,2001(4):25-26.

[6] 張蕓.KL公司風冷空調流水線流程優化研究[D].上海:華東理工大學,2013.

[7] 李釗,鄭紅,李業德.基于運行時間與資源消耗的流水線優化方法[J].儀器儀表學報,2014(9):2137-2142.

[8] 曹守啟,朱雅雯.基于多目標優化的汽車混合流水線平衡方法研究[J].制造業自動化,2015(9):11-14.

[9] 張晶,代潔,肖江文.低壓電流互感器自動化檢定系統時間模型研究與分析[C]//第三十一屆中國控制會議,2012:7647-7651.[10]查靚.精益生產方式下U型流水線平衡的優化模型[D].廣州:華南理工大學,2012.

[11]牛琳.互感器檢定自動搬運系統的設計與實現[D].天津:天津大學,2012.

[12]郭寶利,陳偉斌,李哲.一種用于低壓電流互感器自動化檢定系統的自動穿排機構設計[J].自動化與儀器儀表,2013(1):71-73.

[13]冀蘭風.穿心式電流互感器誤差檢定的自動接拆線裝置[J].機械工程與自動化,2015(5):71-73.

[14]莊葛巍,張曉穎,林玉涵,等.基于圖像處理的高壓互感器自動化檢定裝置研究[J].電氣應用,2015(s1):402-406.

[15]錢輝敏,鄧德勇,李源.高壓計量箱檢定系統研究[J].自動化與儀器儀表,2014(8):27-31.

ResearchontheOptimizationTechnologyofAutomaticTestingLineforLow-VoltageCurrentTransformers

MU Xiaoxing1,2，ZHU Yunan1,2，XU Minrui1,2，CHEN Gang1,2，GONG Dan1,2，JIN Ping1,2

(1.State Grid Jiangsu Electrical Power Company Research Institute,Nanjing 210019,China；2.State Grid Key Laboratory of Electrical Power Metering,Nanjing 210019,China)

In order to improve the optimal design level of automatic detection line for low-voltage current transformers,and improve the performance indicators,the optimization method of detection line with short step,less line intersections,short transmission path,and low investment costs as the target is proposed.By using the multi-objective optimization algorithm,the complex parameter variables and constraints,the step,and the type of the automatic line are coordinated,the overall design is optimized,thus the detection efficiency of current transformer is promoted; the length of the automatic line is reduced by 100 m; the number of equipment is reduced by 1/4; and the effective area of equipment site is reduced by 80 m2.It realizes the modularization and standardization of the automatic line,to step up its level of versatility.The optimization design method provides a standardized and versatile idea for designing automatic line of industrial products.The running of the line and the evaluation by an expert group both show that the optimal design is feasible,and the equipment runs reliably,also the design achieves the expected targets.The automatic detection line of current transformer features concise equipment,high efficiency,versatility,and low integrated cost.

Low-voltage current transformer; Power grid; Reliability; Detection line; Multi-objective optimization

TH-39;TP23

： A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201709004

修改稿收到日期:2017-03-30

穆小星(1963—)，男，碩士，研究員級高級工程師，主要從事電氣自動化方向的測試與研發工作。E-mail:m139129@163.com。