智能制造技術在電力控制保護設備自動測試中的應用

王 翔 宋偉成

?

智能制造技術在電力控制保護設備自動測試中的應用

王 翔 宋偉成

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211111）

本文介紹了在智能制造產業轉型背景下，如何對電力控制保護設備的生產測試環節進行智能化升級，達到提高產品質量、提升生產效率、降低綜合生產成本的目的。重點分析低壓綜合保護測量裝置的檢測過程，通過條碼識別裝置類型，改進接線方式，引入機器人完成轉運，利用PLC、上位機以及MES系統協調整個智能測試產線。該方案對繼電保護產業發展有示范效應和借鑒意義，獲得全國電力職工技術成果獎二等獎。

智能制造；繼電保護；智能測試；機器人

近年來，國內電力建設空前增長，帶動了電力系統保護控制設備制造和工程應用的快速發展。而隨著“中國制造2025”國家戰略的不斷推進，以去產能、去庫存、去杠桿、降成本、補短板為重點的供給側結構性改革也正式拉開，其中優化產業結構、提高產業質量、優化產品結構、提升產品質量顯得尤為重要。南京南瑞繼保電氣有限公司（以下簡稱南瑞繼保）是國內電力保護控制及智能電力裝備的重要科研和產業化基地，具有年均17萬套自動化設備、140萬塊板卡的生產試驗能力。產品廣泛應用于國內電網、電廠和工礦企業，其中不乏一些重大工程如北京奧運場館、上海世博會等供電系統，因此對產品質量及生產效率有更嚴苛的要求，同時需要建立信息系統提供實時完善的生產測試數據，便于后續的質量追溯。

南瑞繼保電力設備智能調試車間分別對板卡和裝置進行功能性測試，車間重點通過價值流分析，改善瓶頸工序的生產節拍，在本行業內率先引入工業機器人，開發智能化調試設備，力求提升板卡及裝置的產品質量和測試效率。由于電力保護控制設備的特點為多類型、小批量的生產測試，生產過程涉及裝置外接端子的多樣性、裝置配置的多樣性、測試項目的多樣性，測試過程狀態的監控、測試結果的輸出、測試數據的存儲以及質量追溯等問題，在整體的生產調試過程中需考慮柔性智能化的測試模式與信息化系統相結合的信息測試系統，因此結合上述特點以及測試環節的管理要求，建立了一套符合自身生產測試模式的智能調試車間。

繼電保護本身有著高精度、高可靠性的質量要求，加之出口接點多回路復雜，測試過程中多為人工手動測試，很難保證產品的生產質量的一致性。本文針對繼電保護裝置測試的要求，結合生產流程精益化改造，在業內首次引入工業機器人實現裝置在載具和流水線之間的轉運，建立測試線和回流線，通過條碼識別確定產品惟一ID，智能構建被測裝置閉環的測試，提高了測試效率和柔性化。下面本文就該智能測試系統作整體介紹。

1 系統整體設計

1.1 總體介紹

引入機器人和傳輸鏈將裝配和初檢工序形成連續流，消除裝配后的等待時間，提高工作效率，確保初檢后的產品可以直接快速進入高溫老化工序。

產品以托盤模式來料，系統引入機器人實現產品的自動上下料，產品在流水線上分別經過裝配和測試工序，測試合格的產品通過回流線方式至機器人下料區進行自動下料，不合格產品進入NG區域等待維修。具體布局圖、流程圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 系統結構圖

1.2 系統流程

機器人利用視覺系統對產品進行準確的定位，從而實現產品的自動抓取和搬運，減輕了勞動強度，提高了搬運效率。上位機系統與MES系統進行數據交互，裝配站點實現BOM的可視化，降低了裝配錯誤的風險，提高了裝配效率和質量。測試站點采用柔性化設計，可同時滿足多型號產品的功能測試，解決了傳統測試方法頻繁換線的問題，提高了調試效率。上位機對產品信息進行解析，PLC根據解析的結果自動選擇測試模塊和端子，SmartTester測試系統根據解析的產品型號自動調用測試程序進行測試，并將測試結果反饋給上位機，對不合格產品進行記錄，便于追溯。

軟件架構是以上位機為核心，接收來自MES生產執行系統的訂單信息，根據訂單中裝置型號數量比對實際產量防漏操作。上位機負責協調PLC去觸發機器人動作，與測試系統、視覺系統聯動，完成整個系統的運轉。軟件架構如圖3所示。

圖2 系統流程圖

圖3 軟件架構圖

2 關鍵點設計

2.1 標準托盤設計

裝置需要經過倍速鏈在4個測試站間傳輸，在每個測試站中被頂升到平臺位置，所以選用統一尺寸的標準托盤，巧妙地將不同型號的裝置在機器人、雙層倍速鏈流水作業線、整機智能測試站、出料子系統自動運輸車四者之間安全高效傳輸。托盤載具有惟一性編碼，在承載產品同時與產品編碼綁定，系統進行識別進入測試站后可以依據編碼調用相應測試程序。

2.2 倍速鏈傳輸設計

在線智能測試系統采用順時針傳輸的雙層倍速鏈設計。機器人首先將被測裝置從棧板上抓取移送到標準托盤上，上層倍速鏈主要將承載著產品的托盤送至空閑的測試單元由機構頂升至測試平臺高度，由測試單元完成測試后放下至倍速鏈上。通過末端下降機實現分流，流轉到下層倍速鏈上，測試有問題的裝置流轉到平層NG區域。下層倍速鏈將測試合格的產品送至首端提升機，由機器人自動轉運到轉運車上。倍速鏈是基于標準托盤設計的基礎上，完成裝置在系統中平行轉移，在4個并行運轉的測試單元間時間單件流。

2.3 整機智能測試站（ITS）

繼電保護裝置ITS針對低壓保護裝置三大類共計數十個子型號，采用統一建模方式，整體實現對裝置開入、開出接點，RS 232、RS 485通信接點，對時接點等裝置輸入輸出接點的整機智能化測試。ITS主要由以下幾部分構成，如圖4所示。

圖4 整機智能測試站系統組成

測試端子切換子系統與測試端子投退子系統共同構成整機測試環境構建子系統，根據智能測試控制中心的控制指令將繼電保護裝置的開入、開出、操作回路及各種通信接點與整機測試儀相關功能板卡進行自動連接，從而實現保護裝置的閉環測試。

本文的解決方案是在該型號裝置硬件滿配的基礎上通過型號識別選擇工裝夾具，達到自由靈活選擇相應板卡測試線的目的。針對3種不同外形的裝置，分別設計測試把座控制面板A、C、D，通過伺服電機實現測試把座在軸軸方向上的移動，從而建立整機閉環測試環境。

整機自動測試儀：根據被測保護裝置的硬件特點，按錄入裝置型號驅動測試程序并輸出對應電氣量（如模擬量和開關量）的設計思想進行系統軟件架構；在硬件設計上，采用最大化配置，模塊化選擇的方式與被測裝置匹配。整機測試儀所有測試功能插件均通過CAN總線與CPU插件通信。由CPU根據條碼錄入信息，驅動模擬量及數字量開入開出信號的測試。整機測試儀按照智能測試控制中心提供的測試指令，對被測裝置進行測試，并返回相應的測試結果，同時將整機測試報告提交給智能測試控制中心，有其上傳到云端數據庫。

智能測試控制中心就是整機智能測試站的大腦，主要負責被測裝置樣本知識庫構建，與生產MES系統交互，根據裝置機箱二維碼獲取被測試裝置的數字化信息，并根據該信息，形成接線控制指令，傳遞給上位機子系統。上位機子系統根據控制指令控制PLC和伺服電機，實現測試線的型號選擇及連接。待整機閉環測試環境構建完成，智能測試控制中心控制整機測試儀進行整機測試。最后將測試結果傳遞給上位機子系統，有其根據測試結果將裝置發往NG區域或流水線第二層返回區。

3 系統應用與分析

本文所述的繼電保護裝置整機在線智能測試系統已在南瑞繼保電力裝備智能產業園實施，實景如圖5所示。

圖5 整機在線智能測試系統現場

通過一年的使用，系統經過后期不斷優化，達到設計目標。但要充分發揮繼電保護裝置在線測試系統的最大使用效能，需要優化兩個問題：

1）程序的智能化下載，即被測裝置自動下載對應應用程序的問題。解決方案是在整機智能測試站的智能測試控制中心布置分布式測試數據庫，根據程序歸檔編號與裝置二維碼，利用大數據匹配裝置需要下載的最新程序，解決裝置二維碼和歸檔程序唯一對應的問題，實現保護裝置程序的智能化下載。

2）保護裝置電壓等級問題。裝置在硬件設計上，電壓等級會出現110V、220V之分，但在軟件設計中只能存在一個定值。因此，保護裝置要實現無人干預測試，需要智能判別，自動修改。解決方案是：智能測試控制中心根據裝置二維碼，去讀取云端生產信息數據，確定裝置的電壓等級。通過與保護裝置軟件中默認的電壓等級數據進行比對，確認是否修改電壓等級。

效果對比：以項目實施前2016年12月傳統模式與項目實施后2017年12月智能模式的實際生產情況作對比。測試數據見表1。在生產周期、人員投入和工作強度三項指標前，智能測試系統充分體現出了其優越性能。

表1 傳統測試模式和智能測試模式對比

4 結論

針對當前繼電保護裝置大批量生產整機測試耗人耗時且容易出現錯漏的情況，本文提出了一種繼電保護裝置整機在線智能測試系統設計方案。該系統首次在行業內應用，并正式運行了一年，解決了裝置轉運問題、裝置型號智能識別問題、閉環測試環境智能構建問題、整機智能測試流程控制問題，從而實現了繼電保護裝置的整機在線智能化測試，有效提高了繼電保護裝置的生產測試效率和企業的智能制造水平，并為智能制造在電力系統裝備生產測試領域的深入應用做了有益探索。

本文下一步的工作重點是在線測試系統核心測試程序的優化，確保整個測試更加高效；利用電氣檢驗報告，尋找測試數據關聯性；分析故障回路發生規律，采取措施防止批量問題的發生。

[1] 李忠安, 沈全榮, 王言國. 電力系統智能裝置自動化測試系統的設計[J]. 電力系統自動化, 2009, 33(8): 77-80.

[2] 王治國, 李興建, 王言國, 等. 基于同一建模的繼電保護測試裝置開發研究[J]. 電力系統保護預控制自動化, 2010, 38(19): 180-184.

[3] 竇會光, 李俊慶, 周宏軍, 等. 智能變電站測控裝置自動測試系統開發與應用[J]. 電氣技術, 2017, 18(9): 75-80.

[4] 劉永剛, 熊慕文, 陳桂友. 測控裝置自動化測試系統設計[J]. 電氣技術, 2018, 19(1): 53-57.

[5] 陳德輝, 王豐, 楊志宏. 智能變電站二次系統通用測試平臺方案[J]. 電力系統保護與控制, 2016, 44(1): 139-143.

[6] 浮明軍, 劉昊昱, 董磊超. 智能變電站繼電保護裝置自動測試系統研究和應用[J]. 電力系統保護與控制, 2015, 43(1): 40-44.

[7] 劉巍, 趙勇, 石光. 智能變電站繼電保護裝置一鍵式測試方法及系統[J]. 電力自動化設備, 2013, 33(2): 152-154.

[8] 張麗娟, 宗國萍. 繼電保護裝置智能測試系統設計[J]. 電力系統保護與控制, 2009, 37(24): 129-132.

[9] 賴擎, 華建衛, 呂云, 等. 通用繼電保護自動測試系統軟件的研究[J]. 電力系統保護與控期, 2010, 38(3): 90-94.

[10] 鄭新才, 丁衛華, 韓瀟, 等. 基于測試模板的繼電保護裝置自動測試技術研究與實現[J]. 電力系統保護與控制, 2010, 38(12): 69-76.

[11] 王軍, 詹榮榮. 繼電保護裝置自動測試系統的研制[J]. 電氣自動化, 2015, 37(4): 93-98.

Intelligent manufacture of relays device

Wang Xiang Song Weicheng

(NR Electrric Co., Ltd, Nanjing 211111)

The paper introduce development of the intelligent manufacture, discuss the way how to upgrade test system of relay device. Technical Innovation can promote the factor of merit and the test efficiency, reduce the cost of product. This paper analyse the process of testing a relay device, it gives a scheme that build the automatic test system. The system has a computer which command the industrial robots, PLC, transfer device. It can discriminate the kind of the relay, transport it to the test unit and complete the program automatically. The scheme has a salutary lesson for the industry of electrical device. At the same time, it win the second prize of the national electric worker technical achievement.

intelligent manufacture; relay protect; automatic test; industrial robot

2018-04-12

王 翔（1973-），男，江蘇省南京市人，碩士，高級工程師，主要從事電力保護控制設備的智能制造工作。

工信部強基工程項目（NV15011818）