基于2.4 G無線通訊的絕緣子噴涂清潔設備控制系統

呂剛，唐華東，陳亮，鄧文斌，王春，張瑞亮

（南方電網超高壓輸電公司貴陽局，貴陽 550081）

引言

當前，我國電力行業裝機規模巨大，根據中電聯數據，2019年底我國總裝機容量約20億千瓦[1]。電網運營在輸變電過程中需要用到數量龐大的絕緣子用于電氣絕緣保護，其中，在高壓變電站中通常會用到支柱絕緣子。隨著經濟的發展，電網容量和輸電電壓等級相應提高，同時隨著工農業的發展，部分地區環境污染日趨嚴重，在霾、霜、露、毛毛雨等不利氣象條件下，污穢絕緣子在較低的電壓作用下就可能發生閃絡，造成污閃事故，給電力輸變電系統安全運行帶來嚴重威脅[2-4]。空氣飄浮污染以有機物燃燒后的飄塵含有膠質粘附能力最強，成分復雜容易發生化學反應，形成更深層的粘附。線路和電力設備的清潔需求大，對潔凈度的要求高。傳統的人工噴涂清洗方式無論從效率或質量，都難以滿足當前電力行業日益增加的絕緣子噴涂與清潔防污需求，為了更好地滿足電網的運營現狀及未來發展，提高并改善噴涂與清潔效果，亟需開發自動化程度高的絕緣子噴涂、清洗設備及其控制系統。

為了設備運行控制的便捷性與適應性，控制系統通常采用無線通訊，市面上應用最廣的三種短距無線通訊技術分別為藍牙、WiFi及Zigbee，其中，Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議，其特點是低距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據率、低成本，Zigbee使用頻段為2.4 GHz，868 MHz以及915 MHz，在不使用功率放大器的前提下，Zigbee的有效傳輸范圍為10～75 m，該距離可以滿足絕緣子噴涂設備的實際使用需求[5, 6]。

本文開發的絕緣子噴涂與清潔機械臂的應用方案中，電氣電子控制系統包括無線組網控制、機械臂定位控制及噴涂過程控制。

1 無線組網控制

本控制系統方案使用的無線組網控制采用2.4 G無線通信技術，實現主控制中心對整噴涂系統操作控制，其通訊頻段處于2.400～2.483 5 GHz之間，2.4 G 產品應用比較廣泛，具有低電壓，高效率，低成本，雙向數據傳輸速度高，體積小，快速跳頻，前向糾錯，校驗，傳輸質量穩定等功能特點，而且工作在全球開放的ISM 頻段，免許可證使用。

本文采用的2.4 G全雙工無線串口模塊功率級別為100 mW，能實現2 000 m距離范圍內的全雙工高速數據傳輸，參照絕緣子噴涂設備的實際應用場景，2.4 G全雙工無線串口模塊完全滿足雙向數據傳輸及雙向遙控的短距離應用需求。

組網方案使用的是一對多通信，全雙工串口式排隊訪問的通信模式。確定目的地址和源地址，讓從機的一端定時發送數據，如果信道忙就隨機延時等待，待接收到之后進行校驗，返回數據同樣包含目的地址和源地址，接收端再進行校驗，重新確定通信狀態。

系統無線組網方式如圖1所示，通過設定主控制中心為通信主機，平臺升降控制模塊、物料車控制模塊及機械臂控制模塊為從機，從機之間是相對孤立的。主機根據設置地址不同的發射地址來實現與各個從機的無干擾通信。從機在未收到主控制中心的通信許可時，處于等待呼喚的狀態。本文所選用的2.4 G通信模塊具有快速切換/喚醒功能，在切換通信對象，喚醒等待并建立通信狀態的時間僅為130 μs。

圖2為從機部分的控制系統結構圖，系統運作時，主控制中心根據設置地址不同的發射地址，切換與各個模塊的通信狀態。從機獲得主控制中心的指令，根據指令的需求，完成指定的操作，或將狀態信息打包發送至主控制中心。

圖1 控制系統無線組網方式

圖2 從機部分的控制系統結構

2 機械臂定位控制

2.1 升降高度的控制

系統使用的是雙桅鋁合金升降平臺將機械臂提升至工作高度。雙桅鋁合金升降平臺，其上升動作是由葉片泵推動液壓油至活塞，從而推動平臺上升。下降則是通過泄壓閥釋放液壓油，平臺憑自重下降。其上升速度為出廠額定速度8～12 m/min且不可調，而下降速度可以通過調整泄壓閥的開度來改變。

實際測試中，由于上升速度達到20 cm/s，速度太快，如果使用繼電器控制其上升幅度難以實現均勻噴涂；而下降速度可調為8 cm/s，則較容易實現下降幅度的微調，所以宜使用由上而下的分段噴涂方式完成整段絕緣子的噴涂。

圖3為升降控制部分的架構圖，升降控制部分的集成控制中心通過采集安裝在機械臂下方的高度傳感器的數據，控制葉片泵和泄壓閥的動作，可把機械臂調整至不同高度。

2.2 機械臂中心空間位置的確定

為了確保整個絕緣子噴涂效果的完整性兩側的一致性，在噴涂操作開始前，必須確定絕緣子頂端位置及絕緣子柱體的圓心線位置。

噴涂工作高度的確定，使涂料能覆蓋絕緣子的頂端。噴涂的起止高度，是水平激光測距儀和輔助觀測攝像頭來共同完成的。在整機初定位時，機械臂處于往后張開的狀態，機械臂中心與絕緣子的距離保持在60～120 cm的范圍。此時安裝在機械臂中心的水平激光測距儀對準絕緣子。機械臂上升時，水平激光測距儀的數據在一定范圍內反復波動，當數據突然超出這一范圍時，即認為機械臂中心越過了絕緣子的頂端，此時機械臂不再上升，可通過輔助觀測攝像頭觀察機械臂的空間位置和水平激光測距儀光點的位置，進一步確定機械臂中心是否到達絕緣子頂端。控制中心記錄此時激光高度傳感器的測量信息。

圖3 升降控制部分的架構

在噴涂附帶操作進行前，必須調整機械臂的位置使機械臂抱合后形成的圓環與絕緣子處于同圓心的狀態，避免機械臂在合抱過程中與絕緣子發生碰撞，同時保證兩臂上的噴頭與絕緣子距離一致，以使兩側的噴涂效果均勻。

在測量得到絕緣子頂端高度數據后，絕緣子的圓心位置有待測定，需要控制機械臂下降以確保后續測量的數據可靠有效。通常，絕緣子的直徑為30～60 cm，普通傘裙的高度6～18 cm，傘裙間距為2～15 cm，X軸上傳動裝置的機械臂左右平移，水平激光測距儀測量機械臂中心與絕緣子表面的距離變化，在60 cm范圍內來回平移測得的最小距離，即為機械臂中心與絕緣子的最近距離，此時認為機械臂中心線與即對準了絕緣子的圓心，X軸上噴涂位置確定。

確定X軸的位置后，還需要調整機械臂Y軸上的位置使機械臂合抱形成的圓環與絕緣子圓柱截面處于同心狀態。本方案水平方向上使用的是點激光測距儀，優點是光強大，適用于室外環境使用，測量數據處理速度快，靈敏度高；但其缺點也是明顯的，只能測出單點距離，無法測量連續曲面的變化。所以在本方案的應用中，要保證噴涂效果的均勻還必須確定傘裙圓柱面位置，通過已知的絕緣子出廠外半徑數據R，確定圓心的所在位置。方法如下：X軸的位置確定后，機械臂中心與絕緣子圓心處于同一連線上；此時水平激光測距傳感器隨機械臂在垂直方向上運動，測得的數據就是絕緣子傘裙與芯棒的高度，取其最小值即為傘裙與機械臂中心的距離S；則圓心與機械臂中心的距離L=R+S。抱合后機械臂的圓心半徑為0.6 m，通過Y軸的前后移動，調整傘裙與機械臂中心的距離S，最終使絕緣子外半徑R+S=0.6 m，即絕緣子圓柱與機械臂圓心同心。

3 噴涂過程控制

圖4為噴涂物料小車的系統結構。

3.1 清洗

清洗系統是由高壓水泵、電控閥門、管路及高壓噴嘴組成。本方案所使用的是功率為2.4 kW的柱塞式高壓水泵，噴刷壓力為130 kg，出水量僅為13 L/min，其優點是能產生高壓沖擊，但耗水量只相當于平時自來水的流量，清潔效果明顯。

清洗功能啟動后，純凈水經水泵加壓沿清洗管路到達機械臂兩側的高壓噴嘴；高壓噴嘴被驅動電機帶動沿環形滑軌運動，重復來回兩次沖洗絕緣子表面，即可完成沖洗過程。

圖4 噴涂物料小車的系統結構圖

3.2 風干

清洗過后殘留在絕緣子表面的水漬必須處理干凈，否則會影響涂料在絕緣子表面的吸附效果。風干系統是由空壓機、電控閥門及空氣噴嘴組成，本方案使用的是壓縮空氣配合多孔式風刀，壓縮空氣高速從風刀噴出，能將絕緣子表面水珠有效吹落。同時啟動散料吸附系統，將風刀刮落的水滴吸收防止再次散落影響吹干效果。

3.3 噴涂

噴涂系統使用高壓隔膜泵提供噴涂壓力，使用電動閥門控制噴嘴氣路的開合，從而控制噴涂的通斷。不同的絕緣子的傘裙角度是不同的，且表面不是水平的，因此，正面的噴涂可能存在噴涂面不完整。所以噴涂時需要根據現場絕緣子傘裙角度調整噴涂的角度，以消除噴涂不均勻現象。

圖5 噴涂運作的流程圖

3.4 散料回收

散料回收使用的是3.4 kW的大吸力工業干濕兩用吸塵器。由于噴涂溶劑使用的是揮發性的有機物，所以在散料回收桶內增加了活性碳吸附網處理回收得到的噴涂散料。散料回收系統的另一作用是在清洗過程中，高壓水泵噴刷絕緣子表面同時，啟動散料回收系統，可以控制清洗時高壓水的濺落范圍。

圖5為噴涂運作的流程圖。機械臂抱合后，機械臂上升至絕緣子頂端，噴涂操作正式開始。高壓清洗噴頭、風干空氣噴嘴和高壓噴涂噴嘴同時裝在運動電機驅動的噴涂架上，隨運動電機的轉動，沿環形滑軌繞絕緣子做圓周運動。

高壓清潔水泵啟動，兩側運動電機帶動清潔噴頭沿環形滑軌運動，雙側噴刷絕緣子表面，運動電機沿環形滑軌不停來回滑動，配合升降平臺的緩慢下降完成整根絕緣子表面的清潔。

清洗完成后，機械臂回到噴涂起始高度。吹干系統的電控閥門開啟，壓縮空氣從風刀式空氣噴頭噴出。此時散料回收吸附系統一同啟動，用于吸附散落的水霧。空氣噴頭隨驅動動機往復一個來回，完成該高度的風干。

噴涂前，使用輔助觀測攝像頭觀察絕緣子傘裙的角度，用航模舵機驅動噴頭調整噴頭角度。角度調整完成后，啟動噴涂隔膜泵開始噴涂。噴涂噴頭通過氣動活塞控制噴涂的開合。

在一高度位置噴涂完成后，使用輔助觀測攝像頭觀察，噴涂效果、噴涂厚度和均勻性是著重考察的因素。絕緣子表面噴涂效果中，其厚薄程度是通過調整運動驅動電機的運轉速度控制噴頭在某一位置的停留時間來決定的。通過輔助觀測攝像頭觀察判斷厚度情況是過薄還是過厚，應調整運動驅動電機運轉速度，若噴涂過薄則需重新噴涂；如有漏噴現象，則有可能是涂料霧化不均勻或機械抖動引起的，應及時補噴。確定噴涂效果完好后，升降平臺下降18 cm，機械臂重復吹干的動作，然后開始下一高度的噴涂，如此地重復，直到完成整根絕緣子的噴涂工作。

4 總結與展望

本文利用2.4 G無線通訊短距離通訊技術的優勢，開發一種絕緣子噴涂機械臂的應用方案，其中電氣電子控制系統包括無線組網控制、機械臂定位控制及噴涂過程控制，主控制中心負責集中控制平臺升降、機械臂動作及物料車動作。本套設備系統包括清洗、風干、噴涂、散料回收的全過程精確控制，相比傳統人工噴涂清潔方式，操作簡便并且能夠有效地改善噴涂與清潔效果，更好地滿足電網的安全、可靠運營，同時提高絕緣子噴涂清潔運行維護效率，在電力系統中具有非常巨大的應用潛力與市場前景。