基于機械自動化技術的故障指示器檢測方法的研究

黃彬彬　張少雷　龔　軍　尹建坤

（科大智能電氣技術有限公司，合肥　230088）

隨著國內城鄉電網建設和改造工作的推進，大量配電自動化終端、配電線路故障指示器接入配電網，配電網自動化系統也愈發龐大。故障指示器憑借其迅速確定故障分支與區段，大幅度縮減故障查找和搶修時間等一系列特點，在配網中得到越來越廣泛的應用[1]，因此故障指示器的質量尤為重要。

配電網的快速發展，促進了配電終端、故障指示器以及相關技術標準、檢定規范、管理（存儲）規范的統一發展，也對檢定單位的檢定、倉儲工作提出了更高的要求。目前各檢定單位對故障指示器的自動化檢定設施以及與之配套的倉儲設施建設存在很大差異，資源相對分散，工作效率低，運營成本高，很難滿足電力智能設備快速推廣的要求，因此建設一流、智能、高效的檢定和智能倉儲中心勢在必行。

1　問題分析

1）產品質量

市場中故障指示器種類繁多，各廠家設備的技術指標參差不齊，存在部分配電自動化終端、配電線路故障指示器掉線、遙測誤差偏大，遙測和遙信上送不及時，易發生誤動、漏報等問題，嚴重影響配電網的自動化水平。

2）檢測能力

隨著國家電網公司配電自動化的建設，大量的故障指示器將接入配網，為了確保設備安全、穩定、可靠運行，運檢三〔2017〕6號國網運檢部關于做好“十三五”配電自動化建設應用工作的通知要求：配電終端、故障指示器進行供貨前抽檢及供貨后全檢。但是現有依靠人工進行檢測的工作模式，總體效率低下，檢測能力已經滿足不了數量眾多的故障指示器檢測需求。

3）測試環節

現有常用的測試、評價和驗收配電終端和故障指示器方法為采用繼保測試儀或信號源手動加載特征波形來模擬短路或接地故障，進而對設備進行檢測，這種測試方式存在操作過程復雜、測試過程可追溯性差、測試模式不靈活、測試的自動化程度低的缺點。

4）安全問題

為了更好地檢驗故障指示器的各種功能、性能，要求故障指示器檢測時檢測系統可持續輸出最大值達1000A的正常負荷電流和最大值達10kV的線路電壓的工況環境，傳統模式采用人工進行設備的裝卸，存在較大的安全隱患。

5）倉儲環節

智能倉儲環節的建設滯后或缺失，必然會導致被檢設備的無序擺放、出入庫易出現人為偏差、出貨時操作準確率低、信息統計不及時、設備盤點追溯困難、人工參數密度高、管理較為混亂等問題。

2　設計方法

2.1　設計思路

基于現狀問題分析，所采用的自動化檢測方法需綜合考慮倉儲容量、自動化程度、檢測效率、安全性等因素，遠程一鍵控制，完成從產品的輸送、掃碼、識別、檢測、分類、歸位、出具報告等過程的自動化流水線作業，全程無人工干預，實現故障指示器全自動檢測和倉儲智能管理的無縫對接。

2.2　設計框架

基于設計思路，該自動化檢測方法集成了智能倉儲、自動化檢測、機械自動化、計算機等先進技術，衍生出一套完整的自動化流水線檢測系統。如圖1所示，智能倉儲模塊、機械自動化模塊及仿真測試模塊為系統的三個部分，各環節既可以柔性組態，也可以靈活解耦，能夠根據檢測要求實現流程的順序控制。

2.3　智能倉儲模塊設計

智能倉儲系統以立體貨架為主體，利用智能搬運及輸送工具，實現貨物的自動存儲。該模塊包含輸送線、雙深位堆垛機、立庫、托盤、倉儲管理系統等組成。

圖1　系統框架圖

立庫采用單巷道 4排牛腿式貨架設計，4排貨架對稱分布，貨格尺寸（長）680mm×（深）640mm×（高）500mm，設備采用托盤存儲，至于貨架的高度按照庫房可用高度預留1m左右的空間。

堆垛機采用雙深位單立柱式結構，采用激光及條碼定位，為了加快存儲的速度，選用 60托/時節拍的效率。

輸送線設計出入庫輸送線和檢測輸送線，其中出入庫輸送線的入庫線設置外形檢測傳感器及信息識別傳感器，用于檢測設備外形是否超標和識別進庫托盤信息。檢測輸送線采用輥筒式結構，并設置有定位機構及擋板塊，用于輸送至固定的待檢工作臺。

托盤的設計考慮故障指示器結構的兼容性，需定制化開模，用于存放一套故障指示器，含一臺匯集單元和三只采集單元，其中匯集單元區域按照最大空間設計，不需要限位結構。采集單元需在托盤上開孔，開孔尺寸盡量滿足主流設備的尺寸，且考慮到檢測時，機械手需從托盤上抓取采集單元，對采集單元位置定位精度要求較高，需控制在±1mm內，因此，孔內部設計自動調節的限位結構，在人工放置采集單元至托盤上時，限位結構在孔內自動夾緊采集單元，保持位置的定位精度。限位結構可采用氣缸驅動，并配合傳感器進行定位。

倉儲管理系統架構上設計基于Web的B/S結構和C/S結構混合模式，網絡服務器和PC客戶端構成 B/S結構[2]，構成設備信息匯總及倉儲設備調度的中心站。系統架構采用四層結構進行體系搭建，自上而下分別為：View（視圖）層、BLL（業務邏輯）層、DAL（數據訪問）層和Model（數據模型）層[3]。功能設計基本信息管理、出入庫管理、庫存管理、查詢及報表管理、檢測管理等功能。

2.4　機械自動化模塊設計

機械自動化模塊采用工業自動化技術設計，可根據待檢故障指示器類型自動更換合適的夾具，實現完成從綜合測試臺體的安裝和拆卸動作。該模塊包含移載機器人、故障指示器夾具、待檢工作臺及夾具工裝臺等組成。

移載機器人采用6自由度機器人，德國進口的PLC配合氣動裝置控制，重復定位精度需控制在±0.5mm。同時為了提高檢測能力，配置機器人伺服移栽導軌，延伸機器人的橫向移動距離。考慮到夾具及采集單元的重量，設計采用最大有效載荷能力為20kg的移載機器人。

故障指示器夾具的設計是課題研究的難題，因為目前國內的故障指示器結構類型繁多，很難實現一套夾具能夠滿足多種結構類型的采集單元裝卸作業，故采用預留快換接頭設計，通過幾種夾具的自動更換來滿足市場主流采集單元，同時以便于后續升級兼容。本課題設計兩套故障指示器夾具，分別對應帶聯動機構的外施信號型和錄波型故障指示器。

帶聯動機構的外施信號型采集單元的夾具結構包含直線導軌、托杯、連桿機構、頂升氣缸、夾緊氣缸、伸縮機構、拉伸氣缸組成。設計的動作流程：機械手臂自動對接夾具，從托盤上抓取產品放置托杯，通過托杯的夾緊氣缸將產品夾緊，主氣缸帶動連桿至設備的動板與壓線彈簧的縫隙處，伸縮機構桿伸出頂住動板，主氣缸帶動連桿將動板打開并保持不變，機械手臂移動至測試臺體下方將產品掛載至測試導體上，主氣缸縮回到位，伸縮機構頂桿縮回，同時托杯的夾緊工裝松開，各機構回原位，機械手臂完成掛載作業，重復以上動作進行其他產品掛載。

錄波型采集單元的夾具結構由托杯、電動翻轉機構、夾持機構、伺服翻轉機構、伸縮機構組成。

設計的動作流程：機械手從托盤抓取產品放置托杯中，托杯內工裝夾緊產品，電動翻轉機構將動板打開并保持。機械手將托杯移動至壓線彈簧打開夾具區域，通過伸縮機構勾住或者撐起壓線彈簧，再通過夾具的伺服翻轉機構將壓線彈簧打開一定角度并保持不動。機械手帶著夾具移動至測試臺體的掛載導體，待到位后，夾具各機構復位，產品的壓線彈簧及動板復位，夾緊掛載導體，完成掛載作業。

待檢工作臺用于放置待檢托盤，需要配合機械手臂抓取，其重復定位精度要求控制在±1mm。因此設計采用輥筒輸送線，鋼制焊接框架，表面噴塑處理，為了加強牢固性，調平地腳安裝，水平偏移位置控制±0.5mm。通過電機及減速機驅動，鏈式傳動，配備托盤定位頂升機構及定位銷。

夾具工裝臺放置精密夾具，采用鋁型材框架，加強地腳，并配置定位銷及光電傳感器，限定夾具放置的區域。

2.5　仿真測試模塊設計

仿真測試模塊是整個系統的核心模塊，主要由PC工作站、同步觸發裝置、綜合測試臺體、視覺識別系統、檢測軟件組成。系統可以模擬配電線路典型的短路、單相接地、負荷波動、各種線路涌流等工況下的電流、電壓特征波形，可對故障指示器的通訊功能、遙測精度、短路、接地故障報警及復位功能、短路故障防誤動、錄波功能等進行自動化測試，測試完成后自動出具相應檢測報告。設計故障指示器檢測平臺系統框架如圖2所示。

圖2　仿真測試系統框架圖

該檢測系統有多種通信接入方式，有無線的公共通信網、TCP/IP網線通信和串口通信等，體現了系統的柔性設計。

PC工作站設計為仿真測試模塊的信息處理系統，安裝自動化仿真測試軟件，不僅具備配電模擬主站的數據采集與處理、信息存儲、歷史數據查詢等功能，而且還是同步觸發裝置和綜合測試臺體的控制系統，通過設定程序控制平臺模擬相應測試工況環境對故障指示器不同功能進行測試，顯示測試結果并自動生成報告。

故障同步觸發裝置采用機柜設計，骨架可為工業用鋁合金材料，底部裝有帶鎖萬向輪方便移動，前后門可旋轉活動，為內置的繼保儀、標準源、標準表等設備提供保護。繼保儀和標準源分別采用以太網、RS 232串口和信息處理系統（上位機）進行通信，可輸出指定大小、相位的電壓、電流，通過高頻升壓升流裝置模擬電壓 10kV和短路電流達1000A的故障運行工況，實現短路、接地故障報警及復位功能等測試功能；同時配置的標準表與 PC工作站的信息處理系統進行通信，對故障同步觸發裝置輸出的電流進行回采，形成閉環測試。

綜合測試臺體是故障指示器采集單元測試的主要承載單元，在設計中除了要考慮故障指示器測試的要求同時還要滿足機械自動化系統完成安裝和拆卸動作重復定位精度±2%的要求。測試表位采用三層線圈結構設計，分別接入電流源與升流升壓裝置的A、B、C三相，同時配備了紅外安全光幕防護，進入紅外檢測范圍時電壓、電流輸出立刻停止。

視覺識別系統的硬件設備設計采用500萬像素的彩色工業相機，通過串口與 PC工作站通信。開始測試時，PC工作站會發送測試指令，視覺識別工控機通過軟觸發相機，獲取第一幅“標準圖片”，然后每 10ms中發送一次軟觸發信息給相機，獲取實時圖片并發送給“緩沖池”，其他線程從“緩沖池”獲取圖片，并通過圖形圖像算法對圖片進行分析，確認故障指示器是否翻牌、亮燈，最后測試主站發送測試結束指令，結束軟觸發取圖，將所有圖片分析結果進行匯總分析，并將結果發送給PC工作站，最終將故障指示器的翻牌狀態、燈光閃爍狀態等進行視覺識別，完成閉環測試。

檢測軟件以 XP、Windows7作為運行平臺，Visualstudio2010作為開發平臺，MicrosoftMFC作為基礎類庫，采用成熟的開發工具 VisualC++開發而成。系統界面采用樹狀視圖設計，界面直觀，操作簡單，菜單包括系統參數、臺體監視、人員管理、人員登錄、人員注銷等；具備參數管理、信息管理、測試方案管理、測試過程監控管理、測試結果管理五大管理功能；具備遠方輸出控制系統，能夠實現參數設置；可設定多種測試方案，隨時調用，并能錄入設備各種信息，建立信息庫，可對被檢設備信息、測試記錄信息等進行檢索、維護和管理；測試完成后按規定格式或模板自動出具檢測報告，應支持Word或PDF文件輸出，用戶可以自行修改、設計報表模版，提供拖拽變量等多種報表維護手段和工具。

3　業務流程

自動化檢測涉及設備入庫、設備移載、自動掛裝、自動檢測、出庫包裝5項業務流程，在設備完成入庫業之后，就可以進行自動化測試環節，包括設備出庫、移載機器人自動更換夾具、自動掛裝和拆卸故障指示器、檢測、自動出具檢測報告等，主要流程如圖3所示。

圖3　自動檢測流程圖

1）一鍵控制，點擊開始檢測按鈕，倉儲控制系統調度堆垛機將待檢托盤輸送至檢測流水線。

2）檢測線將待檢托盤輸送至待檢工裝放置臺，由倉儲系統進行托盤定位及固定。

3）托盤到位后，通過掃描托盤上粘貼的一維碼獲取故障指示器類型。

4）移載機器人根據獲取的故障指示器類型信息自動更換合適的夾具。

5）移載機器人自動將待檢故障指示器掛裝到綜合測試臺體上。

6）仿真測試模塊根據預制的測試用例對故障指示器的功能、性能等進行檢測，并自動生成檢測報告。

7）檢測完成，移載機器人按照檢測結果自動將故障指示器拆卸并放置到指定托盤內。

8）檢測完成，故障指示器回庫。

4　結論

基于機械自動化技術的故障指示器自動化檢測方式主要是對各種類型的故障指示器的功能、性能進行檢測，結合先進的機械自動化和倉儲設備，綜合計算機技術、數據庫技術、機械自動化技術、智能倉儲技術及科學的測試手段，人員參與密度低，出入庫作業迅速、準確，不僅效率高、無風險，而且能夠節約人力資源成本，是一套安全、準確、可靠、高效的故障指示器自動化流水線檢測方案。