韋 鵬，徐 攀，竇俊廷，李 寧，趙欣洋

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，銀川 750001；2.山東魯能智能技術有限公司，濟南 250101）

0 引言

閥廳作為換流站的核心部分，是放置換流閥的封閉建筑，換流站及直流輸電系統(tǒng)的運行性能和安全可靠程度與閥廳內電力設備的安全運行度密切相關，對整個電力系統(tǒng)的運行也有重要的影響[1]。換流閥在工作時會因自身功率耗散產(chǎn)生大量的熱，故其配有可靠性很高的高效冷卻系統(tǒng)和溫度監(jiān)控系統(tǒng)[2]。但冷卻和溫控系統(tǒng)也存在出現(xiàn)故障的風險，比如冷卻系統(tǒng)泄露等情況[3]，因此，對閥廳設備的實時監(jiān)控和定期巡視都必不可少。

傳統(tǒng)方式主要依靠人工巡檢和固定位置的實時監(jiān)視。人工巡檢方式存在著勞動強度大、工作效率低、檢測質量分散、手段單一等不足，巡檢到位率、及時性無法保證。而固定位置的監(jiān)控系統(tǒng)，由于受到閥塔整體較高且分層等客觀條件限制，只能對部分設備的局部位置進行監(jiān)控，存在很大的監(jiān)控盲區(qū)，很難真正滿足巡視范圍全方位覆蓋的要求。基于此種情況，研究能夠滿足大范圍檢測要求的閥廳智能巡檢機器人就具有重要意義。本文的目的就在于研制電磁兼容性強和可靠性高，可對閥塔等閥廳內設備進行大范圍、多角度、高精度檢測的巡檢機器人系統(tǒng)，并可根據(jù)預設任務進行全自主巡檢或者手動巡檢，并能自動進行模式識別和故障診斷，為閥廳內設備的運行狀態(tài)提供客觀的判斷依據(jù)[4,5]。

1 系統(tǒng)方案

閥廳智能巡檢機器人系統(tǒng)為網(wǎng)絡分布式架構，整體分為基站層、終端層和外部系統(tǒng)層。基站層為裝有智能控制與分析軟件的系統(tǒng)后臺；終端層為機器人本體及軌道、固定點；外部系統(tǒng)層為接入的操作站和輔助系統(tǒng)。由網(wǎng)絡交換機、通信線纜等設備負責建立基站層與終端層間透明的網(wǎng)絡通道。外系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 閥廳智能巡檢機器人系統(tǒng)結構

基站以面向對象的內存實時數(shù)據(jù)庫和大型商用關系型數(shù)據(jù)庫相結合；通過多線程進行耗時任務的后臺處理，避免阻塞用戶操作；系統(tǒng)性能和可靠性高、維護和擴展方便。本系統(tǒng)還提供基于角色的安全權限控制；越變化死區(qū)和定周期采集相合的實時數(shù)據(jù)存儲機制；無損壓縮的巡檢數(shù)據(jù)存儲技術等。

終端層各設備（軌道機器人及輔助固定點監(jiān)測裝置）可分為兩大模塊：運動模塊與控制檢測模塊，主要完成運動控制、檢測信息采集處理、云臺控制、移動本體定位及系統(tǒng)狀態(tài)檢測等功能。

系統(tǒng)之間通采用光纖，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠傳和命令的遙控。在此基礎上，可以方便接入電力系統(tǒng)生產(chǎn)專用光纖通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)與調度中心的數(shù)據(jù)交換。

2 機械結構設計

閥廳內的閥塔一般分為六列，每列閥塔又分為多層。換流閥分布于閥塔的每一層中，故巡檢機器人需要對每一層都有較好的檢測視角。為設計滿足檢測范圍和閥塔爬電距離要求，機器人在閥廳壁面上運動較為合適。豎直壁面上采用軌道式運動平臺較為合適，機器人可以沿豎直軌道上下運行并通過云臺的水平俯仰旋轉而實現(xiàn)對閥廳內設備特別是換流閥的大范圍細節(jié)巡檢。

2.1 軌道系統(tǒng)結構

目前移動機器人主要采用輪式、履帶或是復合驅動的方式[6]。受閥塔等設備布局限制，要實現(xiàn)對設備全方位的檢測功能，需要機器人能夠在垂直方向運動。傳統(tǒng)輪式驅動或履帶式驅動方式實現(xiàn)垂直方向運動時相對困難，故在閥廳機器人行走軌道設計上采用軌道式設計。軌道豎直安裝閥廳壁面上，軌道上有同步帶和滑座，同步帶帶動滑座上下移動，滑座上安裝輔控箱和相關檢測組件，實現(xiàn)閥廳內所關注設備的可見光和紅外檢測，軌道巡檢機器人系統(tǒng)外形如圖2所示。

圖2 軌道巡檢機器人系統(tǒng)外形圖

軌道系統(tǒng)其主要組成包括：型材軌道、同步帶、同步帶輪、同步帶輪箱、減速器、交流伺服電機、限位開關、接近開關、拖鏈、滑座。軌道根據(jù)檢測需要確定其安裝位置。

同步帶輪裝在同步帶輪箱內，同步帶輪箱與安裝在軌道的上下兩端。在一端的同步帶輪上安裝減速器和伺服驅動電機，組成軌道驅動系統(tǒng)。同步帶與同步帶輪配合裝在軌道型材的槽內，滑座安裝在型材軌道上，通過型材軌道實現(xiàn)導向，并與同步帶固連，在同步帶帶動下實現(xiàn)上下運動。上述軌道加同步帶驅動系統(tǒng)組成一個整體，安裝到閥廳壁面上。

2.2 負載扭矩與等效慣量設計

當機器人靜止啟動逆重力向上運動時，電機所承受的載荷最大[7]，其中，滑座及機器人重15Kg（不考慮同步帶自重），則負載的重力：

η為同步帶傳動的機械效率，取0.9；同步帶輪的直徑為D=67mm，則在帶輪上產(chǎn)生的負載扭矩為：

滑座上機器人和同步帶的總重量為35Kg，隨滑座上下做直線運動，滑座上直線運動部分的等效慣量為：

其中，M為負載總質量，Kg；A為電機轉動一周時滑座的直線運動量，m/r，減速器的減速比為3:1。

減速器的轉動慣量很小，可忽略不計。

同步帶在0.5s內加速到直線速度為0.5m/s，計算可以得到電機軸的角加速度β為89.6rad/s2，則加速轉矩：

其中ηG為減速器的機械效率，取0.8。i為減速器傳動比3，電動機輸出軸的必要轉矩為：

系統(tǒng)設計要求巡檢機器人不檢測時的最高運行速度為1m/s，檢測時速度在0.2m/s以下綜合考慮電機與減速器連接法蘭、尺寸重量和采購成本等問題，選擇松下帶保持制動器的松下A5系列中慣量電機MDME 102G1H，其額定扭矩為4.77Nm，額定扭矩與負載扭矩的比值為1.8，可作為設計余量；慣量為5.9×10-4Kg.m2，額定轉速2000r/min，實際負載慣量比為10，而該電機推薦的慣量比在10以內，通過計算，滿足設計要求。

3 驅動及導航系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)結構

移動平臺采用鋁合金型材軌道，同步帶傳動方式，通過伺服電機帶動平臺移動，該方案控制系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 軌道驅動系統(tǒng)結構框圖

PLC內置FINS以太網(wǎng)通信協(xié)議，通過光纖與主控系統(tǒng)通訊，接收并執(zhí)行主控系統(tǒng)下發(fā)的控制指令，并上報機器人當前的運動狀態(tài)信息和故障信息等。PLC控制伺服電機，控制機器人完成前進、后退動作；PLC接收定位系統(tǒng)輸出的機器人位置和檢測系統(tǒng)輸出的姿態(tài)信息，控制機器人實現(xiàn)導航和定位。

3.2 驅動及導航定位原理

機器人采用交流伺服電機驅動。軌道采用的同步帶驅動方式具有較高的精度，而伺服電機自身的精度也很高[8]，所以通過脈沖計數(shù)方式可以實現(xiàn)機器人的準確定位?？?。位置反饋原理如圖4所示。

圖4 驅動及導航定位原理框圖

以編碼器和安裝在軌道上的傳感器協(xié)同工作為例，簡要描述定位過程：機器人第一次上電，首先進行原點搜索作業(yè)，停止在原點位置，等待主控系統(tǒng)發(fā)出定位指令。PLC接收到主控系統(tǒng)定位指令后，自動判斷向上或向下運動，當編碼器反饋脈沖數(shù)到達指定范圍并接收到指定位置傳感器的信號后，經(jīng)過PLC的邏輯判斷，完成系統(tǒng)定位，同時將當前位置反饋給主控系統(tǒng)。

對于系統(tǒng)長期運行時可能造成的累積誤差，通過增加零點位置開關的方法來解決。機器人運行一定數(shù)量的任務之后，自動返回零點位置進行校正，以消除累積誤差。在考慮丟失脈沖數(shù)的情況下，可以保證定位精度在0.1mm以內。

4 檢測組件和云臺控制系統(tǒng)

檢測組件包括紅外熱熱像儀、可見光攝像機、拾音器、視頻服務器、云臺、云臺控制板等。系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 檢測組件和云臺控制系統(tǒng)框圖

云臺主要用來使搭載在其上的可見光攝像機和紅外熱成像儀動作至指定位置，以便進行設備檢測。如圖5所示，用戶通過工控機向云臺控制板發(fā)出控制命令，云臺控制板控制云臺動作。預置位存儲在上位機，下次進行此處的設備檢測時直接調用即可。云臺控制板內存儲有預先設置好的零點，便于進行自檢、復位。

用戶通過工控機向視頻服務器發(fā)送控制命令，進而控制可見光攝像機和紅外攝像機進行聚焦，抓拍待檢測設備的圖像、紅外熱圖，并將數(shù)據(jù)傳送回上位機，也可實時顯示監(jiān)測畫面，以備相關人員進行分析。同時系統(tǒng)也可通過拾音器采集閥廳內設備噪聲。

5 基站應用軟件設計

基站層應用軟件系統(tǒng)采用分層的模塊化結構，基于Windows操作系統(tǒng)和.Net Framework運行平臺；采用純面向對象的編程語言C#進行托管代碼編程；以面向對象的內存實時數(shù)據(jù)庫和大型商用關系型數(shù)據(jù)庫相結合。通過多線程進行耗時任務的后臺處理，避免阻塞用戶的界面操作。

軟件系統(tǒng)的體系結構共分為4層，分別為數(shù)據(jù)層、功能層、邏輯層和表示層，如圖6所示。各模塊基于接口編程，廣泛應用設計模式，降低模塊間的耦合，系統(tǒng)架構清晰，功能擴展方便。

6 結束語

本文設計的閥廳巡檢機器人系統(tǒng)已經(jīng)應用于河南某±800kV換流站。現(xiàn)場應用如圖7所示。站內有2個低端閥廳和2個高端閥廳共計四個閥廳，其中每個低端閥廳布置2臺6米軌道機器人和2個固定點監(jiān)測裝置；每個高端閥廳布置1臺9米軌道機器人和3個固定點監(jiān)測裝置。

機器人在軌道上設置6個?？奎c，每個?？奎c觀測閥塔對應層，聯(lián)動輔助固定點監(jiān)測裝置，檢測層的另一面，保證系統(tǒng)檢測的完整性，檢測過程中如發(fā)現(xiàn)溫度超出設定閾值，會向值守運行人員發(fā)出預警，并聯(lián)動相關設備，采取進一步措施。系統(tǒng)5臺機器人檢測任務同時運行，一次完整的檢測任務耗時2分鐘。每20分鐘啟動一次巡檢任務。每次巡檢任務完成后，會自動生成閥塔各部位溫度報表。

圖6 基站應用軟件系統(tǒng)框圖

圖7 閥廳智能巡檢機器人現(xiàn)場應用圖

現(xiàn)場實際運行表明：

1）機器人攜帶紅外、可見光、聲音等檢測設備，進行閥廳內設備巡檢，可以降低勞動強度，提高設備巡檢的效率和質量。

2）巡檢數(shù)據(jù)自動傳回上位機，通過分析處理，可以實時獲取設備的狀態(tài)信息并自動報警，提高了設備監(jiān)控的自動化水平。

3）機器人在巡檢過程中可以按照預設的巡檢任務自動達到指定位置，?？烤确浅８?，更好地滿足了狀態(tài)識別對圖像一致性的要求。

4）巡檢機器人和輔助的固定點監(jiān)測裝置可以實現(xiàn)大范圍多角度的檢測，很好地滿足了層疊式閥塔全方位的檢測要求，真正達到了檢測范圍無死角。而且可以根據(jù)各自運行狀態(tài)、位置及被監(jiān)測設備的位置，選擇最適合的機器人或者固定點進行檢測配合。

閥廳智能巡檢機器人系統(tǒng)的應用研究，為電力系統(tǒng)室內設備的實時狀態(tài)監(jiān)控提供了一種實用高效的創(chuàng)新型技術手段。

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