變配電巡檢機器人控制系統設計*

吳焱明，郭亞杰，方明進，楊 強，王一鳴，許鐘杰

(合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引言

目前，變配電所越來越趨向于少人化和無人化[1-3]，同時，鐵路系統中對變配電所穩定性的要求也越來越高，因此保證變配電所的安全運行變得越來越重要[4]。目前，許多變配電所依靠人工記錄設備的運行數據，巡檢結果受巡檢人員的勞動強度、責任心等諸多因素限制，誤檢、漏檢的情況時有發生[5-8]。現有的巡檢機器人主要有輪式和履帶式機器人[9]，通過激光或者GPS定位，以非接觸的檢測方式來獲取設備的運行狀況。GPS適用于室外定位，激光定位成本比較高[10]。

因此本文設計了一種變配電巡檢機器人，利用磁條和RFID標簽來進行定位，將其應用于變配電所的35 kV高壓室。通過搭載檢測設備，以接觸和非接觸的方式來完成檢測任務，檢測結束后，對數據進行分析，將巡檢結果發送到鐵路后臺終端。巡檢機器人以自主的方式，代替人工完成對變配電所設備的狀態檢測與預警分析，能夠及時發現設備的異常信息，為變配電所的安全運行提供了新的技術保障。

1 巡檢機器人工作原理

巡檢機器人主要由提升總成、小擺總成、大擺總成和磁導引AGV組成，如圖1所示。提升、小擺和大擺總成各有一個搭載平臺，用于搭載接觸式與非接觸式檢測設備。

提升總成的搭載平臺上安裝有一臺工業相機，通過伺服電機驅動線性模組實現工業相機的上下移動，利用步進電機實現工業相機的擺動，使工業相機在不同位置和不同方位拍照，從而完成指示燈的狀態識別、高壓電氣柜柜門開閉情況的判斷與指針式儀表的識別。大擺總成的搭載平臺上安裝有放電檢測裝置，通過伺服電機控制放電檢測裝置的位置，使其緊貼高壓電氣柜柜面，完成設備放電情況的檢測。小擺總成的搭載平臺上安裝有一臺工業相機，通過伺服電機控制工業相機的位置，到達指定位置后，工業相機拍照，完成數字與文字的識別。

1-磁導引AGV;2-小擺總成;3-大擺總成;4-提升總成

AGV作為巡檢機器人的移動載體，通過在高壓室內鋪設磁條并在磁條底下布置RFID標簽來控制AGV運動到不同的電氣柜，利用搭載的檢測設備來完成檢測任務。RFID標簽與磁條布置如圖2所示，圖中一個黑色圓代表一個RFID標簽。

2 控制系統硬件組成

控制系統硬件組成框圖如圖3所示，由于系統需要進行大量的計算、圖像處理、網口與串口的通信等，因此選擇IPC作為上位機。IPC網口用來連接AGV與無線路由器，無線路由器可以將巡檢結果發送到鐵路的后臺終端，同時連接兩臺工業相機、一臺放電檢測裝置。IPC串口用來連接模擬量模塊與PLC,模擬量模塊上連接有溫濕度傳感器、煙霧傳感器、風速傳感器。

圖2 RFID標簽布局

圖3 控制系統硬件組成

在進行巡檢任務時，需要對多臺電機進行控制，因此選擇歐姆龍CP1H-X系列PLC作為下位機。CP1H-X具有4軸脈沖輸出和24路輸入點，PLC通過輸入點來檢測接近開關和按鈕的信號，然后配合程序完成對應的動作。

3 控制系統軟件設計

巡檢機器人控制系統分為兩個模塊：以IPC為核心的上位機程序和以PLC為核心的下位機程序。控制系統的軟件采用模塊化思想來進行編寫，控制系統軟件的組成如圖4所示。

圖4 控制系統軟件程序設計結構

3.1 上位機程序設計

控制系統上位機程序通過C#語言開發設計，包括如下模塊：

(1) 信息采集模塊：主要是利用工業相機、放電檢測裝置和模擬量模塊來采集信息。利用工業相機拍照，并存儲拍攝的照片，利用圖像識別技術來獲取設備的信息。經過計算放電檢測裝置檢測到的數值來得到設備的放電情況，并將數值反饋給控制系統。通過讀取模擬量模塊輸入口的數值來得到高壓室的環境數據。

(2) 通信模塊：主要實現對AGV和PLC的控制。控制系統對AGV發送運動指令，驅動AGV移動到指定位置，并能夠實時讀取AGV的運行狀態，如當前速度、當前位置、故障類型等信息。通過對PLC發送控制指令，修改電機的運動參數，使電機按照要求運動，同時PLC將電機的運行狀態和輸入信息反饋給控制系統。

(3) 數據庫模塊：為了使巡檢任務具有靈活性，將一些參數，例如電機速度、報警閾值存放在數據庫中，方便后期的修改。高壓室由多種不同的高壓電氣柜組成，每面柜子的檢測項目也不相同，相同柜子的檢測項目也不一定相同，因此每次巡檢的高壓電氣柜也不一定相同。為了適應現場情況，設置不同的任務類型，一次巡檢任務中可以選擇不同的高壓電氣柜，為高壓電氣柜設置不同的任務類型。通過使用數據庫模塊對初始化參數以及巡檢任務進行修改，使程序更加靈活方便。

(4) 手動模塊：在手動模塊中可以單獨測試某個硬件的功能，例如控制電機的運動、手動拍攝照片等。當系統出現故障時，通過手動模塊對故障模塊進行單獨調試，以此來分析故障原因。

(5) 自動模塊：自動運行程序可調用上位機與下位機程序來完成這一整套流程，具體的流程如圖5所示。首先控制所有電機回原點，初始化數據庫；然后讀取數據庫中目標點，驅動AGV到達目標電氣柜，通過查看數據庫中的任務類型，由巡檢機器人根據任務類型做出相應的動作；動作完成后，對采集到的數據進行分析，如果有異常，發出報警，然后到達數據庫中的下一個目標電氣柜，重復上述動作，直到數據庫中所有的電氣柜檢測完畢，生成巡檢報告，并將巡檢結果傳送至鐵路后臺終端，然后巡檢機器人返回到充電位。

(6) 報警模塊：巡檢機器人在自動巡檢過程中，不可能無限制地等待某個動作的完成，因此需要設置超時報警。同時需要對故障進行分級，此處分為3級。第1級為最高等級，任務直接終止。例如：當進行放電檢測時，由于放電檢測裝置緊貼高壓電氣柜柜面，如果大擺總成收回時出現故障，而此時如果AGV移動，則會損壞巡檢機器人，必須停止此次巡檢任務。第2等級，某一個動作發生故障，則與此故障有關的動作在后續的巡檢過程中都不需要再做。例如：小擺總成擺不到位，工業相機拍攝的圖片就沒有意義。第3等級，某一個動作發生故障，但是與之有關的動作也有可能得到正確信息。例如：當提升總成進行指針式儀表與指示燈狀態檢測時，電機發生故障，但是提升總成依舊可以完成下一面電氣柜的指針式儀表與指示燈的識別。對于第2與第3等級故障，由于此類型故障不影響巡檢機器人的安全運行，可以繼續進行巡檢作業。當故障出現或者檢測結果有異常時，需要進行報警提示，并記錄故障信息，同時將故障信息通過路由器傳送至鐵路后臺終端，然后派人過來維修。

3.2 下位機程序設計

PLC程序分為三個模塊，分別是通信模塊、I/O模塊以及運動模塊。

(1) 通信模塊：通過接收上位機命令來控制PLC輸出點的狀態，實現對電機運動以及繼電器的控制，PLC將伺服電機的運行狀態和一些狀態信息發送給上位機，實現上位機對下位機的控制。

(2) I/O模塊：I/O模塊分為輸入與輸出，輸入點主要是檢測接近開關與按鈕的狀態，通過讀取輸入點的狀態來配合其他模塊執行特定的動作，并作用到輸出點上。

(3) 運動模塊：PLC需要控制3臺伺服電機與1臺步進電機，每個電機都需要單獨控制，并且可以手動控制每個電機的運行速度和目標位置。

圖5 自動運行流程

4 現場調試及結果

在完成機械裝配與電氣設備安裝工作后，設計好巡檢機器人的控制系統，將巡檢機器人送至合肥某變配電所的35 kV高壓室，進行巡檢機器人的現場調試。高壓室內一共有14面高壓電氣柜，每面柜子的前面與背面都有檢測點，具體的布局如圖2所示，現場的運行情況如圖6所示。經過現場調試，巡檢機器人能夠很好地按要求完成檢測動作，檢測結果與現場實際情況比較符合，巡檢機器人每隔2 h完成一次巡檢任務，一次巡檢需要耗時18 min，滿足變電所的巡檢要求。

圖6 自動巡檢中

5 結束語

目前，變配電巡檢機器人的控制系統已經研制完成，實現了對35 kV高壓室內設備的自動巡檢，對檢測結果進行數據分析后得到報表，傳送至鐵路后臺終端。變配電巡檢機器人對于高壓室的風險管控具有良好的效果，提高了設備的巡檢效率和巡檢質量，降低了工作強度和工作風險，為無人值守變配電所的安全運行提供了一種新型檢測設備和預警手段。