周維明，劉 翔，支勁超，季安邦

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司常州供電公司，常州 213164；2.常州市驃馬工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)工程有限公司，常州 213164）

基于BYEC-1820運(yùn)動(dòng)控制器的中置柜檢修智能小車控制系統(tǒng)

周維明1，劉 翔2，支勁超1，季安邦2

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司常州供電公司，常州 213164；2.常州市驃馬工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)工程有限公司，常州 213164）

在供電系統(tǒng)中，為了保證安全性和可靠性，中置柜每隔一段時(shí)間需要檢修一次，然而中置柜非常重，需要一種智能小車來進(jìn)行輔助操作，提高效率和增加安全性，把職工從繁重的人工操作中解放出來。小車主控制器采用BYEC-1820運(yùn)動(dòng)控制器，小車的驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)由伺服電機(jī)構(gòu)成，要求電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩過渡平滑，電機(jī)的軟硬啟動(dòng)特性良好。采用圖像處理技術(shù)用于小車的視覺定位系統(tǒng)（VSL），保證了小車能準(zhǔn)確抓取中置柜斷路器開關(guān)。小車水平調(diào)整平臺(tái)上安裝有水平傳感器，利用模糊PID控制技術(shù)提高小車檢修平臺(tái)的水平調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性。利用外擴(kuò)液晶顯示器顯示小車各個(gè)部分動(dòng)作指令按鍵和小車各部分運(yùn)行狀態(tài)。小車成功應(yīng)用于中置柜斷路器安裝、調(diào)試、檢修過程中，顯著提高了檢修工作的安全性和效率，減少了檢修工作的人工投入，明顯縮短了中置柜斷路器檢修工作的停電時(shí)間。

觸摸屏；伺服電機(jī)；自動(dòng)水平調(diào)整；模糊PID控制

0　引言

中置柜的全稱為鎧裝型移開中置式金屬封閉開關(guān)設(shè)備，其分三層結(jié)構(gòu)，上層為母線和儀表室（相互隔離），中間層為斷路器室，下層為電纜室。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由于斷路器在中間層，所以稱為鎧裝型移開中置式金屬封閉開關(guān)設(shè)備，簡(jiǎn)稱中置柜。因?yàn)閿嗦菲鞯闹亓恳话阍?00kg以上，以往檢修斷路器時(shí)常使用如圖2類似的人工小車。為了提高效率和增加安全性，并把職工從繁重的操作中解放出來，研制了一臺(tái)智能小車輔助中置柜斷路器的檢修。該小車具有以下功能：

圖1　中置柜和斷路器

圖2　目前使用的手動(dòng)檢修小車

1）機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠承載當(dāng)前不同中置柜斷路器型號(hào)最大重量。

2）小車可以在人為控制下，平穩(wěn)行走，能夠精確?？吭谥兄霉袂肮潭ㄎ恢?，以便將斷路器拉出和推進(jìn)。

3）小車支撐平臺(tái)有上下升降功能，可適應(yīng)不同型號(hào)中置柜斷路器層的高度。

4）小車水平調(diào)整平臺(tái)具有水平調(diào)整能力，可適應(yīng)地面不平和斷路器自身重量引起的支撐平臺(tái)的變形。

5）小車動(dòng)力部分能夠支撐小車完成以上所有動(dòng)作，且方便使用控制器統(tǒng)一控制。

6）需能使用觸摸顯示屏對(duì)小車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示，并能使用觸摸屏對(duì)小車進(jìn)行操作。

7）能自動(dòng)識(shí)別斷路器下的把手，使小車上的抓取裝置準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)固抓取到斷路器。

1　機(jī)械結(jié)構(gòu)及動(dòng)力部分

1.1小車整體機(jī)械構(gòu)架

智能小車整體機(jī)械構(gòu)架如圖3所示。

1）頂部裝配體平臺(tái)：該平臺(tái)上安裝有VSL設(shè)備和機(jī)械抓手，用于斷路器把手的自動(dòng)識(shí)別和抓取。

2）水平調(diào)整平臺(tái)：用于調(diào)節(jié)頂部裝配平臺(tái)的水平，以使斷路器托板和頂部裝配體平臺(tái)保持平行，能使得斷路器可以平行推進(jìn)/拉出。

3）平臺(tái)承重支架：用于水平調(diào)整平臺(tái)和頂部裝配體平臺(tái)的整體升降。

4）提升小車主體：用于支撐整個(gè)小車的上層機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)小車轉(zhuǎn)向和行進(jìn)，并且為小車電控部分提供安裝支撐。

圖3　智能小車整體機(jī)械構(gòu)架

1.2動(dòng)力單元

本設(shè)計(jì)中，小車部分主要靠伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，且需要完成精確定位控制和同步控制。伺服電機(jī)采用多摩川伺服電機(jī)，為10極電機(jī)轉(zhuǎn)子、12極電機(jī)定子設(shè)計(jì)，降低了約65%的電機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，SE系列伺服電機(jī)適合各種加工機(jī)器或便捷型傳輸系統(tǒng)等要求低振動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合。整體可提高約20%效率，實(shí)現(xiàn)低損耗、小型化、輕量化。

伺服系統(tǒng)內(nèi)部采用了模糊PID算法，模糊PID是PID算法與模糊控制理論相結(jié)合的一種控制理論，PID模糊控制重要的任務(wù)是找出PID的三個(gè)參數(shù)與誤差e和誤差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中不斷檢測(cè)e和ec，根據(jù)確定的模糊控制規(guī)則來對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，滿足不同e和ec時(shí)對(duì)三個(gè)參數(shù)的不同要求。

通過高速DSP數(shù)字信號(hào)處理器和每圈10000個(gè)脈沖的反饋編碼器，可實(shí)現(xiàn)高精度定位以及低速穩(wěn)定性，保證最高500Hz速度響應(yīng)頻率，如圖4所示。

圖4　電機(jī)穩(wěn)定性和響應(yīng)頻率

采用步云公司研發(fā)的伺服電機(jī)控制器內(nèi)部高精度定位控制算法，高精度定位控制可有效降低位置偏差，效果如圖5所示。

圖5　常規(guī)控制和高精度定位控制對(duì)位置偏差的影響

2　控制系統(tǒng)

2.1控制系統(tǒng)硬件組成

小車控制系統(tǒng)硬件主要由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、VSL控制器、觸摸屏、外部傳感器等設(shè)備構(gòu)成，如圖6所示。其中CPU是一款內(nèi)置專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制芯片的可編程運(yùn)動(dòng)控制器BYEC-1820。采用世界先進(jìn)的分布式雙總線控制結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)控制功能強(qiáng)大，構(gòu)架簡(jiǎn)單靈活，并且符合多項(xiàng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PAC控制器，支持Visual C/C++；C#等多種語(yǔ)言編程控制。

如圖7所示，步云可編程運(yùn)動(dòng)控制器BYEC-1820通過Profibus貫穿整個(gè)硬件架構(gòu)，方便、快捷地提升系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性，大大減少了配線成本［1］。

圖6　智能小車控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

圖7　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.2水平調(diào)整平臺(tái)的控制

小車路徑的行走以及水平承重支架的上升/下降均通過人工手動(dòng)控制觸摸屏上的按鍵來實(shí)現(xiàn)進(jìn)退轉(zhuǎn)向和升降操作，所以不做具體介紹。平臺(tái)的水平調(diào)整采用模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)。

2.2.1基本PID算法

PID控制器在連續(xù)控制系統(tǒng)中，按偏差的比例P、積分I、微分D進(jìn)行計(jì)算調(diào)整并輸出，以控制小車前進(jìn)?；綪ID控制算法分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法［2］，其中增量式PID控制算法比較常用。

2.2.2增量式PID控制算法

增量式算法輸出的時(shí)空質(zhì)量的增量Δu（k）：

上式變換后，可得到下式：

其中，T為采樣周期。

2.2.3模糊控制規(guī)則

模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。它是基于被控系統(tǒng)的不確定性，模擬人的思維方式和人的控制經(jīng)驗(yàn)來表征事物本身性質(zhì)的一種智能控制，適用于復(fù)雜、不能精確建立數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象。

模糊控制系統(tǒng)原理框圖如圖8所示，虛線框部分為模糊控制器。模糊控制系統(tǒng)由輸入/輸出接口、檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象及模糊控制器組成閉環(huán)系統(tǒng)［3］。

圖8　模糊控制系統(tǒng)原理框圖

1）輸入/輸出接口

輸入/輸出接口均與控制器相連，常常是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D）和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（D/A）。輸入接口與水平傳感器連接，把檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并輸入給C P U處理。輸出接口把C P U輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移信號(hào)，分別輸出驅(qū)動(dòng)給X/Y方向的伺服驅(qū)動(dòng)器［4］。

2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)

小車水平調(diào)整系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別由X和Y兩個(gè)方向的伺服電機(jī)調(diào)節(jié)頂部裝配體平臺(tái)的水平。

3）檢測(cè)裝置

小車水平調(diào)整系統(tǒng)的檢測(cè)裝置。

4）被控對(duì)象

被控對(duì)象為小車水平調(diào)整平臺(tái)如圖9所示，其有X方向的位移、Y方向的位移，它們根據(jù)水平傳感器的感應(yīng)信號(hào)來確定X/Y方向的輸出位移偏移量。

圖9　水平調(diào)整平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)

5）模糊控制器

模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，在智能車上由DSP程序和相關(guān)硬件組織，實(shí)現(xiàn)模糊控制算法。

2.2.4小車控制系統(tǒng)的模糊PID理論

模糊PID算法是基于基本PID算式，采用模糊語(yǔ)言變量和模糊推理進(jìn)行控制的算法。模糊PID控制器由傳統(tǒng)PID控制器和模糊控制環(huán)節(jié)組成，在控制上不使用固定參數(shù)PID算法，而是針對(duì)不同水平傳感器信號(hào)，由模糊控制算法確定實(shí)時(shí)PID參數(shù)值進(jìn)行系統(tǒng)控制［5］。

小車使用雙軸電子水平傳感器，利用I2C總線和CPU相連，分別有X方向和Y方向的傾角信息傳入CPU中。

以X方向的模糊PID為例，如圖10所示，小車到達(dá)指定位置后，由人工在觸摸屏上按下水平調(diào)整按鈕，小車會(huì)根據(jù)當(dāng)前水平傳感器的數(shù)據(jù)值，由主程序計(jì)算實(shí)際X方向角度和期望偏差e（k）及偏差變化率，并由相關(guān)位移PID算法得出位移輸出值，由電機(jī)執(zhí)行。

圖10　模糊PID控制器結(jié)構(gòu)框圖

同理，Y方向的模糊PID控制和X方向是類似的，不再贅述。

較傳統(tǒng)PID算法，模糊PID控制算法不僅使系統(tǒng)具有模糊控制的靈活性和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而且具有PID控制精度高的優(yōu)勢(shì)，很適合應(yīng)用在小車水平調(diào)整上［6］。

3　小車控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖11所示，小車CPU所有硬件都需要對(duì)應(yīng)低層初始化，硬件初始化完成后會(huì)啟動(dòng)WinCE嵌入式操作系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動(dòng)正常后運(yùn)行控制軟件，通過控制軟件調(diào)用小車各部分控制程序來完成對(duì)小車的所有操作及功能實(shí)現(xiàn)。

控制軟件主要有下面三個(gè)：

MyConfig for EasyPAC是配置工具，是調(diào)整系統(tǒng)的組態(tài)工具，例如IP地址等。

MyDataCheck 是通訊數(shù)據(jù)映射工具，主要是對(duì)于通訊地址的映射。

MyLink for EasyPAC是小車運(yùn)行控制工具，主要是可以初步檢查通訊是否正常，伺服有無異常狀況，以及對(duì)于I/O口的初步測(cè)試。

圖11　小車控制系統(tǒng)啟動(dòng)及控制流程

通過小車控制軟件MyLink for EasyPAC，小車所有控制命令由系統(tǒng)中的觸摸屏發(fā)出。包括小車的前進(jìn)/后退/轉(zhuǎn)向、提升/下降、水平調(diào)整、自動(dòng)識(shí)別中置柜斷路器托盤把手等命令都是靠人工在觸摸屏上選擇相應(yīng)命令按鈕。小車操作流程圖如圖12所示。

圖12　小車操作流程圖

4　結(jié)束語(yǔ)

本中置柜智能操作檢修小車已成功應(yīng)用于中置柜斷路器安裝、調(diào)試、檢修過程中，如圖13所示。該小車可以根據(jù)不同柜體的需求、柜體安裝偏差等因素，自動(dòng)調(diào)整平臺(tái)高度及水平；可以模擬人工操作行為，安全可靠地將開關(guān)與本體之間來回移動(dòng)操作，自動(dòng)化程度高；同時(shí)可以升降小車平臺(tái)，為檢修工作提供空間；擁有自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)及動(dòng)力供應(yīng)部件，可以滿足小范圍的移動(dòng)需求。

上述功能的實(shí)現(xiàn)顯著提高了檢修工作的安全性和效率，減少了檢修工作的人工投入，明顯縮短了10kV中置柜斷路器檢修工作的停電時(shí)間。

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Control system of smart car for centrally installed switchgear maintaining based on BYEC-1820 motion controller

ZHOU Wei-ming1， LIU Xiang2， ZHI Jin-chao1， JI An-bang2

TP273

A

1009-0134（2016）10-0010-04

2016-07-25

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目資助（SGJSCZ00FZJS1500925）

周維明（1970 -），男，江蘇常州人，高級(jí)工程師，本科，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化方向的研究工作。