換流站閥廳智能巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制技術(shù)研究

換流站閥廳智能巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制技術(shù)研究換流閥是直流輸電過程中的關(guān)鍵設(shè)備，為保證其可靠運(yùn)行，需要定期巡檢。介紹了用于閥廳設(shè)備巡檢的機(jī)器人開發(fā)背景，對用于閥廳設(shè)備檢測的軌道式機(jī)器人的運(yùn)動控制技術(shù)展開研究。該巡檢機(jī)器人既可通過人工操作執(zhí)行巡檢任務(wù)，也可根據(jù)預(yù)設(shè)任務(wù)全自主進(jìn)行巡檢。設(shè)計(jì)了其系統(tǒng)架構(gòu)，并分別對軌道驅(qū)動系統(tǒng)、通信控制系統(tǒng)和應(yīng)用軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)做了說明。機(jī)器人在實(shí)際中的應(yīng)用表明該巡檢機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行可靠，檢測效率和質(zhì)量高，可較好地替代人工進(jìn)行常規(guī)巡檢工作。0前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(yùn)行性能和安全可靠程度與閥廳內(nèi)電力設(shè)備的安全運(yùn)行度密切相關(guān)，對整個電力系統(tǒng)的運(yùn)行也有重要的影響。換流閥在工作時(shí)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)。但冷卻和溫控系統(tǒng)也存在出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)，比如冷卻系統(tǒng)泄露等情況，因此，對閥廳設(shè)備的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)視。人工巡檢方式存在著勞動強(qiáng)度大、工作效率低、檢測質(zhì)量分散、手段單一等不足，巡檢到位率、及時(shí)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(shè)備的局部位置進(jìn)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?；诖朔N情況，研究能夠滿足大范圍檢測要求的閥廳智能巡檢機(jī)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(qiáng)和可靠性高，可對閥塔等閥廳內(nèi)設(shè)備進(jìn)行大范圍、多角度、高精度檢測的巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，并可根據(jù)預(yù)設(shè)任務(wù)進(jìn)行全自主巡檢或者手動巡檢，并能自動進(jìn)行模式識別和故障診斷，為閥廳內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)提供客觀的判斷依據(jù)。1智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)概述閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)為網(wǎng)絡(luò)分布式架構(gòu)，整體分為基站層、終端層和外部系統(tǒng)層?；緦訛檠b有智能控制與分析軟件的系統(tǒng)后臺；終端層為機(jī)器人本體及軌道、固定點(diǎn)；外部系統(tǒng)層為接入的操作站和輔助系統(tǒng)。由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、通信線纜等設(shè)備負(fù)責(zé)建立基站層與終端層間透明的網(wǎng)絡(luò)通道?；疽悦嫦?qū)ο蟮膬?nèi)存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和大型商用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫相結(jié)合；通過多線程進(jìn)行耗時(shí)任務(wù)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(hù)和擴(kuò)展方便。本系統(tǒng)還提供基于角色的安全權(quán)限控制；越變化死區(qū)和定周期采集相合的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲機(jī)制；無損壓縮的巡檢數(shù)據(jù)存儲技術(shù)等。終端層各設(shè)備（軌道機(jī)器人及輔助固定點(diǎn)監(jiān)測裝置）可分為兩大模塊：運(yùn)動模塊與控制檢測模塊，主要完成運(yùn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳和命令的遙控。在此基礎(chǔ)上，可以方便接入電力系統(tǒng)生產(chǎn)專用光纖通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與調(diào)度中心的數(shù)據(jù)交換。2機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)閥廳內(nèi)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(jī)器人需要對每一層都有較好的檢測視角。為設(shè)計(jì)滿足檢測范圍和閥塔爬電距離要求，機(jī)器人在閥廳壁面上運(yùn)動較為合適。豎直壁面上采用軌道式運(yùn)動平臺較為合適，機(jī)器人可以沿豎直軌道上下運(yùn)行并通過云臺的水平俯仰旋轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)對閥廳內(nèi)設(shè)備特別是換流閥的大范圍細(xì)節(jié)巡檢。目前移動機(jī)器人主要采用輪式、履帶或是復(fù)合驅(qū)動的方式。受閥塔等設(shè)備布局限制，要實(shí)現(xiàn)對設(shè)備全方位的檢測功能，需要機(jī)器人能夠在垂直方向運(yùn)動。傳統(tǒng)輪式驅(qū)動或履帶式驅(qū)動方式實(shí)現(xiàn)垂直方向運(yùn)動時(shí)相對困難，故在閥廳機(jī)器人行走軌道設(shè)計(jì)上采用軌道式設(shè)計(jì)。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(guān)檢測組件，實(shí)現(xiàn)閥廳內(nèi)所關(guān)注設(shè)備的可見光和紅外檢測，軌道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)外形如圖1所示。圖1軌道式巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)3驅(qū)動及導(dǎo)航技術(shù)3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)帶動平臺移動，該方案控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2軌道驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖PLC內(nèi)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(bào)機(jī)器人當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)信息和故障信息等。PLC控制伺服電機(jī)，控制機(jī)器人完成前進(jìn)、后退動作；PLC接收定位系統(tǒng)輸出的機(jī)器人位置和檢測系統(tǒng)輸出的姿態(tài)信息，控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和定位。3.2驅(qū)動及導(dǎo)航定位原理機(jī)器人采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動。軌道采用的同步帶驅(qū)動方式具有較高的精度，而伺服電機(jī)自身的精度也很高，所以通過脈沖計(jì)數(shù)方式可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的準(zhǔn)確定位?？?。位置反饋原理如圖3所示。圖3驅(qū)動及導(dǎo)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(jī)器人第一次上電，首先進(jìn)行原點(diǎn)搜索作業(yè)，停止在原點(diǎn)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(yùn)動，當(dāng)編碼器反饋脈沖數(shù)到達(dá)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(shí)將當(dāng)前位置反饋給主控系統(tǒng)。對于系統(tǒng)長期運(yùn)行時(shí)可能造成的累積誤差，通過增加零點(diǎn)位置開關(guān)的方法來解決。機(jī)器人運(yùn)行一定數(shù)量的任務(wù)之后，自動返回零點(diǎn)位置進(jìn)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(nèi)。4檢測與云臺控制檢測組件包括紅外熱熱像儀、可見光攝像機(jī)、拾音器、視頻服務(wù)器、云臺、云臺控制板等。系統(tǒng)框圖如圖4所示。圖4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(jī)和紅外熱成像儀動作至指定位置，以便進(jìn)行設(shè)備檢測。如圖4所示，用戶通過工控機(jī)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(yù)置位存儲在上位機(jī)，下次進(jìn)行此處的設(shè)備檢測時(shí)直接調(diào)用即可。云臺控制板內(nèi)存儲有預(yù)先設(shè)置好的零點(diǎn)，便于進(jìn)行自檢、復(fù)位。用戶通過工控機(jī)向視頻服務(wù)器發(fā)送控制命令，進(jìn)而控制可見光攝像機(jī)和紅外攝像機(jī)進(jìn)行聚焦，抓拍待檢測設(shè)備的圖像、紅外熱圖，并將數(shù)據(jù)傳送回上位機(jī)，也可實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測畫面，以備相關(guān)人員進(jìn)行分析。同時(shí)系統(tǒng)也可通過拾音器采集閥廳內(nèi)設(shè)備噪聲。5基站應(yīng)用軟件基站層應(yīng)用軟件系統(tǒng)采用分層的模塊化結(jié)構(gòu)，基于Windows操作系統(tǒng)和.NetFramework運(yùn)行平臺；采用純面向?qū)ο蟮木幊陶Z言C#進(jìn)行托管代碼編程；以面向?qū)ο蟮膬?nèi)存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和大型商用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫相結(jié)合。通過多線程進(jìn)行耗時(shí)任務(wù)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(jié)構(gòu)共分為4層，分別為數(shù)據(jù)層、功能層、邏輯層和表示層。各模塊基于接口編程，廣泛應(yīng)用設(shè)計(jì)模式，降低模塊間的耦合，系統(tǒng)架構(gòu)清晰，功能擴(kuò)展方便。6結(jié)語閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用研究，為電力系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控提供了一種實(shí)用高效的創(chuàng)新型技術(shù)手段。機(jī)器人攜帶紅外、可見光、聲音等檢測設(shè)備，進(jìn)行閥廳內(nèi)設(shè)備巡檢，可以降低勞動強(qiáng)度，提高設(shè)備巡檢的效率和質(zhì)量。巡檢數(shù)據(jù)自動傳回上位機(jī)，通過分析處理，可以實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的狀態(tài)信息并自動報(bào)警，提高了設(shè)備監(jiān)控的自動化水平。機(jī)器人在巡檢過程中可以按照預(yù)設(shè)的巡