（机械电子工程专业论文）基于plc的超高压带电清扫机器人控制系统的设计与实现.pdf

基于p l c 的超高压带电清扫机器人控制系统 的设计与实现 摘要 本论文主要分析论述了超高压带电清扫机器人控制系统的硬件 和软件的设计与实现，着重分析了超高压环境下的无线通讯和自动控 制方法，提高了系统的可操作性和自动化水平，解决了云台的精确调 整和系统的安全可靠性问题，并对控制系统的一些参数进行了分析， 对机器人的运动学进行分析，解决了机器人手爪摆动的问题。 我国西北地区具有丰富的电力能源，但由于气候干旱，粉尘污染 严重，导致变电所高压绝缘瓷件的绝缘性能下降，由此引起的绝缘闪 络事故频繁发生，造成了巨大的经济损失，影响西电东送工程的顺利 进行。为此，上海交通大学和兰州供电局联合立项，开发研制了 2 2 0 k v 3 3 0 k v 超高压带电作业机器人，代替目前的人工清扫绝缘瓷件 作业，以保证供电的连续性和人身安全，提高工作效率和可靠性。本 课题主要研究的内容是清扫机器人控制系统的设计，实现遥控、监视 和清扫等功能，提高机器人的自动化水平，方便操作人员并且提高安 全性。 整个控制系统采用两级p l c 控制，p l c 之间通过无线数传模块 通讯，以实现遥控操作，保证了操作人员的人身安全性。在遥控操作 台上，工控机与p l c 进行实时通讯，并将通讯交换的数据以及采集到 的c c d 摄像机的图像显示到液晶屏上，实现对清扫过程的实时监控。 在通讯实现时，利用优化的方法最大限度地减少延时时间，提高 通讯速率，在数据传输过程中采用c r c 循环冗余校验，减少误码率， 提高准确可靠性。在控制方式上，提高机器人清扫的智能化和自动化， 实现了机器人平台的自动水平调节以及利用视觉引导清扫刷子对中 定位，用p w m 方式解决了云台精确调整的问题，尝试了对相同规格的 绝缘子采用自动清扫，效果明显，大大节省了人力，提高了效率。 文章最后从理论和实践的角度分析了控制系统的一些参数并利 用对机器人进行运动学分析，解决了机器人手爪摆动的问题。 关键词p l c ，超高压，清扫，机器人，无线通讯 d e s i g na n dr e a i ，i z a t i o nf oc o n t r o l s y s t e mo fu l t r a v o i 凡g eh o t l i n e c l e a n l n gr o b o t a bs t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h eu l t r a - v o l t a g eh o t - l i n ec l e a n i n gr o b o t s c o n t r o ls y s t e m t h ee m p h a s i si st h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dt h ew a y o fa u t o m a t i cc o n t r o lw i t hu l t r a - v o l t a g ee n v i r o n m e n tt h a ti m p r o v et h e m a n e u v e r a b i l i t ya n da u t o m a t i z a t i o no ft h ew h o l es y s t e m i ts o l v e st h e p r o b l e m so f t h ep a n sa c c u r a t ea d j u s t m e n ta n ds a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e s y s t e m ，a n da n a l y z e s s o m ep a r a m e t e r so ft h ec o n t r o ls y s t e ma n d k i n e m a t i c so fr o b o tt h a tm a k e st h er o b o tp a w ss w i n g t h e r ei sa b u n d a n tp o w e rr e s o u r c ei nn o r t h w e s tc h i n a ，h o w e v e r , b e c a u s eo fd r yc l i m a t ea n ds e r i o u sp o w d e rd u s tp o l l u t i o n ，t h ei n s u l a t i o n p e r f o r m a n c eo fh i 曲- v o l t a g ei n s u l a t e dp o r c e l a i ne q u i p m e n t sd r o p s a n d t h ef l a s h o v e rf x e q u e n t l yh a p p e n s ，w h i c hl e a d st og r e a te c o n o m yl o s sa n d b l o c kt h ed e v e l o p m e n to ft h ep r o j e c to fw e s tp o w d e re a s td e l i v e r y , t h e r e f o r e ，s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t ya n dl a n c h o wp o w e rs u p p l y b u r e a ue s t a b l i s h e dt h ei t e mt od e v e l o pt h e2 2 0 330 k vu l t r a - h i g hh o b l i n e c l e a n i n gr o b o ti n s t e a do fp e o p l e ，w h i c hg u a r a n t e e s t h ec o n t i n u i t yo f p o w e rs u p p l ya n d t h es a f e t yo fh u m a na n di m p r o v e sw o r ke f f i c i e n c y t h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n to ft h i ss u b j e c ti st od e s i g no fc l e a n i n gr o b o t s c o n t r o ls y s t e m ，t or e a c ht h ef u n c t i o n so fr e m o t ec o n t r o l ，m o n i t o r i n ga n d c l e a n i n g ，a n dt oi m p r o v et h ea u t o m a t i z a t i o no f t h er o b o t t h ew h o l ec o n t r o l s y s t e me m p l o y s t w op l cc o n t r o l s u b s y s t e m s t h e t w o s u b s y s t e m s c o m m u n i c a t eb yw i r e l e s sd a t a r e c e i v e r - t r a n s m i t t e rt or e a l i z er e m o t ec o n t r o la n da s s u r et h es a f e t yo ft h e o p e r a t o r i n o r d e rt om o n i t o rt h ec l e a n i n gp r o c e s si nr e a l - t i m e ，t h e i n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e rc o m m u n i c a t e sw i t hp l ci nr e a l - t i m e t o e x c h a n g ed a t aa n dt h ep i c t u r e sc c d c a m e r ac o l l e c t sa n dd i s p l a yt h e mo n t h el c di nt h er e m o t ec o n t r o lo p e r m i n gp l a t f o r m w em a n a g et or e d u c et h ed e l a yt i m ed u r i n gt h ec o m m u n i c a t i o n i nm a x i m u mt oi m p r o v et h ec o m m u n i c a t i o nv e l o c i t y c r c ( c y c l i c r e d u n d a n c yc h e c k ) i su s e dt or e d u c et h ee r r o rc o d er a t i oa n di m p r o v e t h ev e r a c i t ya n dr e l i a b i l i t y a st ot h ec o n t r o lw a y , w er e a l i z ea u t o m a t i c p l a n ea d j u s t m e n to f t h er o b o tp l a t f o r ma n dt h eo r i e n t a t i o no ft h ec l e a n i n g b r u s h e sw i t hv i s i o nt oi m p r o v ei n t e l l i g e n c ea n da u t o m a t i o no ft h er o b o t ， s o l v et h ep r o b l e mo ft h ep a n sa c c u r a t ea d j u s t m e n tu s i n gp w m ，a n d m a k eat r yt oc l e a nt h ei n s u l a t e dp o r c e l a i nb o t t l eo ft h es a m es p e c i f i c a t i o n a u t o m a t i c a l l yr e s u l t i n gi ns a v i n gm a n p o w e r a n di m p r o v i n ge f f i c i e n c y a tt h el a s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e ss o m ep a r a m e t e r so ft h ec o n t r o l s y s t e mi nt h e o r ya n dp r a c t i c e ，a n ds o l v e st h ep r o b l e mo f t h er o b o tp a w s s w i n gw i t ht h ea n a l y s e so f t h er o b o tk i n e m a t i c s 。 k e y w o r d s ：p l c ，u l t r a - v o l t a g e ， c l e a n i n g ，r o b o t , w i r e l e s sc o n 觚玲娃c a t i o n 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：匆踢辐 日期：加、年上月lq 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在卫年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：袁2 嫁汤 指导教师签名：荔新罕 日期：撕年上月、a 1 日日期：工叫年4 月，夕日 e 拇交通 学顽十论空 镕章绪论 第一章绪论 11 课题的研究背景 电力设备的电瓷表面，受到固体的、液体的和气体的导电物质的污染，在遇 到雾、露和毛毛雨等；显润作用时，使污层电导增大，泄漏电流增加，产生局部放 电，在运行电压下瓷件表面的局部放电发展成为电弧闶络，这种闽络称为污闪。 设备发生污闪，将严重影响电力系统安全运行。且在设备污闪时，重合闸成功率 很低，往往造成大面积停电。污闪中所伴随的强力电弧还常导致电气设各损坏， 使停电时阃延长；8 0 年代以柬，随着工襁l k 生产的飞迅发展，我国大气环境污 染日趋严重。由此引起的电网设备外绝缘污秽闪络事故随之突增，灾难性的电网 大丽积污闪事故在全国较大范同内频频发生，严重威胁电力系统的安全运行。 据不完全统计，1 9 7 1 1 9 9 4 年全国3 5 k v 5 0 0 k v 输电线路污闪3 5 4 2 条次： 1 9 7 1 1 9 9 2 年发变电沾污刚1 7 6 8 座次。2 2 0 k v 及以上主网架线路年平均污 】跳 曰率在01 次百公里年以上。特别是在8 0 年代以后，受大环境污染的影响，电 网绝缘子污染加重，输变电设备外绝缘水平不能适应工业快速发展所带来的大气 污染的增长，外绝缘爬电比距与其表面污秽水平不相适应，污闪事故和大面积污 | ：j i 跳司频繁发生。 兰州属温带半干旱大陆性季风气候，温差大，降雨少，粉尘多，绝缘子的污 秽程度相对较大，1 9 8 6 年兰州电嘲的“31 6 ”污闪，导致1 4 条线路4 1 处发生污 闪，5 条线路9 处架空地线断线，2 条线路3 处导线断线，全删开关跳闸1 0 6 台 次，5 个2 2 0 k v 变电站和2 8 个1 l o k v 变电站全部停电，1 个2 2 0 k v 变电站部分 停电，兰卅】电网与西北主网解列，电厂与系统解列两次。污| ：j _ j 事故造成国民经济 重大损失，大面积污闽事故是电网的灾难性事故。采取有效措施防止电网大面积 污闪事故的发生，降低污闪跳闸率，是提高电网供电可靠性重要内容之一。定期 进行设备清扫是保持设各实际抗污能力的有效手段，也是当前不可缺少的手段。 目前国内电网设备的清扫绝大多数是采用停电清扫。这不仅需要耗费巨大的人力 物力，还严重影响多发供电。随着电网电压等级的提高、系统容量的增长，设备 停电的机会越柬越少、停电时间也越来越短。设备停电清扫成为难于实现的措旋。 为及时清扫设备表面污秽、防止设备污闪事故、保证安全多发供电、减轻清扫工 作的繁重体力劳动，因此甘肃省电力j 业局兰卅j 供电局与上海交通大学联合立 项，研制开发采用轻型卡车作为移动载体的清扫2 2 0 k v 3 3 0 k v 绝缘瓷瓶的带电作 业机器人。 1 2 国内研究现状 国内研制的带电清扫2 2 0 k v 3 3 0 k v 瓷瓶的清扫设备是西北电力试验研究院 研制的叉车型超高压带电自动清扫机。叉车型超高压带电自动清扫机将绝缘清扫 盯 童。 圈l i 蟹钳形毛刷盘 器安装在叉车的货叉上，也就是说绝缘清扫器制成一种与 足车配套的附属专用机具，可灵活安装在叉车的货叉上。 色缘清扫器出动力箱、绝缘升降梯、绝缘伸缩传动杆、蟹 1 t 形毛刷盘( 图11 ) 构成。其与叉车配套结构如图12 行示。 小型叉车是一种可靠、实用的起重搬运机械，它升降 灵活、平滑、平稳，行驶方便，转弯灵活，可在很小的半 上海交通大学硕士论文第一章绪论 径( 1 5 m 左右) 作自转3 6 0 。，车身小，可在变 电站内自由穿行，自动清扫器安装在其货叉 上进行清扫作业，二者相互配合。 它的主要特点是：以叉车作为移动载体， 采用了手动控制和无线遥控相结合的方式， 实现了人机分离，确保作业人员的安全，无 线遥控器设计频率在4 1 8 赫兹，采用可调节 毛刷盘，可以清洗不同直径的瓷柱；可以清 扫从2 2 0 k v 到5 0 0 k v 级的超高压电气设备。 由于机具采用二级升降，叉车升降台一级f 可 升到电气设备的构架高度) ，绝缘升降梯一级 ( 可升到5 0 0 k v 电气设备最高绝缘位置) ，最大 升降高度可达1 0 m ；旋转力量大，清扫速度 快，效果好。机具所采用的毛刷盘( 如图1 2 所示) 转动电动机为4 k w ，转动力矩大，可 使8 个毛刷同时高速旋转( 1 2 0 0 r m i n ) 。每个毛 刷采用优质尼龙丝制成( 毛长1 2 c m ) 转动时靠 离心力刮扫到瓷柱的各个部位，不仅能够清扫 图1 2 叉车型带电自动清扫机结构图 浮灰，同时也能清扫陈旧性的污垢。一套3 3 0 k v 级刀闸支柱清扫一次仅需2 m i n 。 此设备的清扫操作规程如下：进行清扫作业时机具到达现场先后将清扫器安 装在叉车的货叉上，开动叉车到达清扫作业处，接通清扫机电源，操作控制器使 毛刷盘张开，叉车对准瓷柱下端缓缓前进，当刷盘抱住瓷柱时叉车定位，使清扫 器接地线接地。升起货叉使绝缘梯下端的动力箱升高至设备瓷柱支承柱顶端( 不 超过带电瓷柱下端) 货叉上升停止，然后再操作绝缘梯上升使毛刷盘缓缓上至带 电瓷柱的顶端，升至顶端启动刷盘抱紧瓷柱。在上升过程中如果绝缘梯的绝缘水 平达不到要求，泄漏电流超过l m a 时，保护动作绝缘梯不再上升。当一切正常 后启动毛刷盘8 个毛刷均以1 2 0 0 r m i n 高速旋转，这时瓷柱顶部立即清扫干净， 缓缓降落叉车货叉，刷盘随之边旋转清扫边下降，当下降至第一级瓷柱( 由上至 下数) 下端将到达法盘处操作刷盘停止旋转并张开刷盘，当刷盘降至第二级瓷柱 上端时再启动刷盘旋转，这时刷盘又抱紧瓷柱再次进行边旋转清扫边下降的作 业直至清扫到最下一组瓷柱的下端，停止刷盘毛刷转动打开刷盘断开机具接 地线叉车后退，这样一组瓷柱的清扫作业已告完成。开动叉车再进行下一组瓷柱 的清扫作业。 由于使用了叉车组合清扫机，使得整体机具的功效大为提高。叉车车体重， 体积并不大，转动灵活操作方便，使清扫作业的刷盘对准就位操作时间大大缩短， 同时当刷盘升至最高处( 1 0 m ) 同样能够平稳旋转( 叉车自身重稳定性好) 。这样使 得带电自动清扫的速度大大加快，一组3 3 0 k v 瓷柱大约在2 m i n 之内便可清扫完 毕，叉车的换位对准也在几分钟后便可完成，毛刷盘经过多次改进，采用活动关 节，角度可任意调整的活动刷盘使用起来大为方便。对于直径较大的瓷套，可采 用先扫一半，然后再扫一半的方法完成清扫。 此设备的缺点是：l 、使用变电站的交流电源，有潜在的危险性。2 、清扫时， 刷盘的对准定位以及刷子的清扫情况只能靠人眼远距离观察，有较大的局限性。 3 、只能清扫垂直的瓷瓶，无法清扫其他姿态的瓷瓶，如倾斜的瓷瓶或在倾斜的 地面清扫垂直的瓷瓶。4 、整个清扫过程基本上是手动操作，没有自动过程。5 、 2 上海交通大学硕士论文 第一章绪论 由于机械本身的限制，无法实现清扫器的在3 6 0 。摆动清扫，对于大的瓷柱，只 能分两次进行清扫，耗费了时间。6 、野外作业是，设备运输比较困难，叉车和 清扫机要用吊车等设备吊装到叉车上运载。 1 3 国外情况简介 发达国家在本世纪8 0 年代末已研制成功了智能机器人，并在带电设备上进 行了表演。进行带电作业的主要有两种智能机器人，一种是高架车高空操作箱有 机械手进行操作，操作人员也在高空，但与带电体保持一定距离。另一种是地面 操作一根长臂机械手，也可达到不用入作业的目的。两种机械人各有优缺点，需 要作进一步完善。 日本k y u s h u 电子电力公司和y a s k a w a 电子公司共同研制出一系列带电作业 机器人，从p h a s ei 、p h a s ei i 到p h a s e i i i ，从手动、半自动到全自动，彻底改变 图1 3 基于双目视觉的双臂机器人 了传统的作业方式。开发到p h a s ei i 时机器人开始引进视觉控制，它们都是基于 单目或多目视觉的双臂机器人，如图1 3 所示是基于双目视觉的双臂机器人。此 类机器人具有多种用途，可以完成高空的各种带电作业，特别适合于野外作业。 图1 3 中上部控制器包括双臂操作手的伺服单元和c c d 摄像机的驱动机构，配合 着位于操作室内的主控制器( 下部控制器) ，形成上下位的控制系统。卡车上装 有交流发电机，作为动力系统的电源。机器人手臂上安装有激光传感器、力觉传 感器等多种传感器。在控制过程中要传输的信号包括在上部和下部控制器之间交 换的运动控制信号、c c d 摄像机视频信号、力觉传感器信号和其他输入输出控制 信号等等。为了保证实时可靠地信号传输，采用光纤组成以太网，实现了高速 ( 1 0 m b s ) 多路通讯。一个用于数据传输的光学旋转关节被设计出来以便上部的 3 上海交通大学硕士论文第一章绪论 箱体可以无限制的旋转。 卡车上发电机发出来的电被安装在操作室后面的大容量整流器单元转换成 l o k h z ，并通过在支撑臂内的电缆给上部控制器供电。在绝缘支撑臂顶端安装在 一个体积小、重量轻的绝缘变压器以防止地线短路的发生。 操作室安装在支撑臂的旋转支座上，随着支撑臂旋转。操作室内有下部控制 器、操作面板和9 英寸的显示器，另配有空调。为了观察工作区，手臂后端装有 四台可调焦的c c d 摄像机，它们分别是：1 、跟踪摄像机，与手臂进行运动连接； 2 、俯瞰摄像机，用于观察整个工作区；3 、中心摄像机，用于观察作业对象；4 、 仰视摄像机，用于从下部观察工作区。机械操作手臂为双臂7 轴关节式机器人。 从控制方式上说，已经实现了半自动化和人机协作的智能化。充分考虑到了 操作人员的作业环境，设置了合理的人机界面，操作人员有一个非常优越的工作 环境，他( 她) 所要做的事情就是在操作室通过监视仪器和触摸屏指挥机器人手 臂的动作。 4 上海交通大学硕士论文第二鬻超高压带电清扫机器人的总体结构设计 第二章超高压带电清扫机器人的总体结构设计 2 1 清扫对象概述 本文中超高压带电清扫机器人的清扫对象是2 2 0 k v 和3 3 0 k v 的户外支柱绝 缘瓷瓶，有和圆锥形等形状，用作不同的用途。绝缘瓷瓶又称绝缘子，用于工频 交流电压1 0 5 0 0 k v 户钋电站、变电所配电装量和电器设备中，作带电部分的 绝缘和支持用。2 2 0 k v 和3 3 0 k v 的实心棒形绝缘子分别如图2 1 和2 2 所示。 图2 12 2 0 k v 绝缘子图2 23 3 0 k v 绝缘子 从图中可以看出，2 2 0 k v 绝缘子有两级瓷柱，而3 3 0 k v 绝缘予有三级瓷柱， 掰种绝缘子高度有些不同，其它的都相似，伞形都是开放型，每一级瓷柱上摆邻 伞形的间距是相同的。 由于绝缘子长期暴露在户外，所以绝缘予表面不可避免地沾有许多污物，特 别是伞形之闻、伞裙底部容纳有大量污垢，虽有风吹雨淋，也无法皇清洁。这些 污物会腐蚀绝缘子，严重时会发生污闪闪络事故。因此，清扫机器人的主要任务 就是清除掉滞留在绝缘子伞裙底部和伞裙间的污垢。 2 2 清扫机器人的总体结构和基本工作原理 超高压带电清扫机器人的系统结构如图2 3 所示。系统分为4 个部分，包括 轻型卡车、绝缘平台、机器入操作臂和作业工具。 采用轻型卡车作为机器人的载体。包括驾驶室、液压支撑脚和车厢。轻型卡 车既是操作机器人的载体，又是控制、驱动系统的载体。能够在操作工人的操作 下移动，以适应每组瓷瓶的位置，也适于野外作业。液压支撑脚由遥只脚组成， 5 上海交通大学硕士论文 第二章超高压带电清扫机器人的总体结构设计 图2 3 滑扫机器人系统结构 可以自动调平机器人以清扫垂直的瓷瓶，也可以调整姿态清扫具有一定倾角的瓷 瓶。 整个清扫机器人系统的电源均采用直流电源，即为蓄电池供电，与电网完全 隔离，提高了安全性。机器人各种动作都采用液压驱动，各运动和传动元件均为 耐高压绝缘材料，驱动所需的油和输油管也是耐高压绝缘的，都经过了严格的高 压测试，符合国家标准规定的在变电站的使用范围。 绝缘平台用于承载机器人操作臂，具有旋转和升降两个自由度，在1 8 0 0 范围内旋转，平台上升高度可达9 m 。绝缘平台采用高强度超高压绝缘材料制成， 具有较好的稳定性和超高压绝缘性。 摄像机和云台安装在绝缘平台上。云台有两个自由度，旋转和俯仰，分别由 两台2 4 v 直流电机驱动，云台可以在3 6 0 0 范围内旋转，在9 0 0 范围内俯仰，实现 摄像机对手臂的监控要求。 机器人操作臂安装在绝缘升降平台上，实现作业工具的位置，机械手臂主要 部分采用超高压绝缘材料制成。 作业工具作为机器人的手爪，安装在操作机械手臂的末端。包括耐高压的绝 缘刷子和刷子的运动机构。刷盘可以调节以适应不同直径的瓷瓶，刷子共有1 2 只，分上下两层，每一层有六只刷子。刷子的基板在水平面内可以回转3 0 0 ， 保证绝缘瓷瓶在3 6 0 0 范围内都可以刷到，无死区。 为了获得更好的绝缘性能，除了卡车，机器人的所有动作都采用液压驱动， 驱动元件为液压油缸和油马达，分别驱动支撑腿的伸缩、平台的回转、平台的升 降、手爪的摆动、手臂的伸缩和刷子的转动。同时配有电磁阀以实现对油缸和油 马达的控制。 清扫机器人共有四个自由度，包括绝缘平台的旋转、平台的升降、手爪的回 转和手臂的伸缩，多自由度的配合使机器人具有灵活的工作空间。 6 e 海变太学颤j ，论文 第= $ * m 扫机# 日勺n 体结构世* 机器人的工作过程如下：如图2 4 是实际工作的变电站的部分瓷瓶，首先 卡车通过支撑瓷瓶的水泥什闻的牢嘴进入洁车 厨 鬻韩拈削刍古浩妇阿专从七 翦 ：耸： 翟 图24 变电# 局部目 车停稳以后，液压支撑脚先同步伸出，然后自动调平绝缘平台，安装在下台上的 摄像机通过对瓷瓶图象的处理，引导平台调整，使手爪的轴心通过瓷瓶的中心， 实现对中定位，并通过安装在手臂后端的光电测距传感器测出摄像机到瓷瓶的距 离。然后平台歼始上升，借助摄像机的观察，使手臂对准瓷瓶的晟顶部需要清扫 的部分。伸出手臂，当手臂伸出到位时，由光电限位开关控制自动停止，刷子丌 始高速旋转，手爪央紧瓷瓶开始清扫。第一级和第二级瓷柱清扫完后，松开手 爪，刷子一边旋转一边随平台下降至第三缴瓷柱，然后手爪夹紧瓷瓶，再 次清 扫，如此循环肓至清扫到最下一组瓷柱的f 端，松开下爪，刷子停止旋转，手臂 缩回，平台下降，平台旋转一定的角度，按照上面的操作，继续清扫附近的瓷瓶。 对于直径大的瓷瓶，可以通过手爪的摆动实现3 6 0 度的清扫：对于有一定倾斜角 度的瓷柄，可以调整机器人的位姿完成清扫工作。所有的这些操作部是通过遥控 束实现，整个清扫的过程以及相关的参数都在监视器上实时显示。 带电清扫机器人作业的环境是在变电站，变电站里面有各种大型的闸刀开关 和变压器，有几r 万伏的高压电缆，有监视设备和无线通讯设备，会对清扫机器 人产生较大的电磁和电流干扰。为了保证整个机器人控制系统能够在恶劣的环境 下工作，实现在变电站带电遥控作业清扫功能，机器人控制系统必须具有较强的 抗干扰眭能和安全性和自动化程度，因此选择何种控制器和无线模块、如何准 确可靠地实现无线通讯以及如何有效地监控便成了控制系统研究的重点。 本章首先介绍了清扫对象一绝缘子和绝缘子上要清扫的部分，接着详细地说 明了清扫机器人的总体结构和机器人的工作概况。 上海交通大学硕士论文 第三章控制系统的硬件设计 第三章控制系统的硬件设计 3 1 控制系统综述 带电清扫机器人必须在变电站的工作环境下实现对绝缘瓷瓶的清扫，并且满 足变电站的一些特殊要求，以此确定控制系统的设计目标如下： 清扫功能：在操作人员操作下，控制清扫机器人的本体，完成绝缘瓷瓶 的清扫过程。 自动功能：系统能够自动调平绝缘平台；在c c d 摄像机的引导下，手 爪能够实现自动对中绝缘瓷瓶。 遥控操作：操作人员能够远程操作机器人动作，操作距离大于2 0 米。 安全性：不使用变电站的电源；防止同高压设备的碰撞；防止误操作； 意外情况下( 断电、通信失效) 系统锁定。 可靠性：通讯链路可靠性；传感器数据的可靠性；控制设备的抗干扰性。 可操作性：操作简单、方便、易学、效率高。 变电站的工作环境非常恶劣，工作地区风沙较大，灰尘较重，变电站内到处 都有高压设备，有很强的电磁干扰，通常情况下，清扫完一个变电站就要把机器 人转移到另一个变电站工作，这些客观的条件要求控制设备具有较好的防尘性 能，能够在恶劣的环境下长期工作，具有较强的抗电磁干扰能力，特别是对主控 制器和无线通讯模块，一定要满足这些要求。 因此，要实现既定的作业目标，对于控制系统来说，主控制器和无线通讯模 块的选择成了一个比较关键的问题，那么，选择什么样的主控制器呢? 3 2 主、副控制器的选择和性能 对于主控制器，我们有两种较优的选择：一是工业控制计算机，二是可编程 序逻辑控制器( p l c ) 。虽然工业控制计算机运行速度较快，可以用多种软件实 现控制，但是它容易受病毒的影响，对工作环境要求较高，也可能会产生死机等 其他问题，这都会造成机器人的误动作或者是锁死，具有安全隐患。而可编程序 逻辑控制器则不同，它能在恶劣的工业环境下运行，具有高可靠性、高抗干扰能 力，坚固耐用和密封性好，其平均无故障时间约为5 万小时；逻辑功能强，编程 简单，通用性强，易于扩展，特别适合对电磁阀等开关量的控制；体积小、结构 紧凑、安装、维护方便，所以p l c 更适合在变电站里的这种野外作业。在众多 的p l c 产品中，我们选择西门子系列p l c 产品，因为它有三个突出的特点： 成本低，功能强大，具有较高的性能价格比，模块化设计； 具有以个人计算机为基础，在w i n d o w s 平台下，结合i e c l l 3 1 3 国际 标准的新一代开放体系结构，编程、调试非常容易。 在硬件上采用了光电隔离和滤波技术，有效地抑制了外部干扰源对p l c 的影响，同时还可以防止外部高电压进入c p u 模块。对供电系统及输 入线路采用多种形式的滤波，可消除或抑制高频干扰。用良好的导电、 导磁材料屏蔽c p u 等主要部件可减弱空间电磁干扰。此外，对有些模 块还设置了联锁保护、自诊断电路等。采取了以上措施，p l c 的可靠性 和抗干扰能力大大提高，可以承受幅值为1 0 0 0 v 、上升时间为l n s 、脉 冲宽度为1us 的干扰脉冲，p l c 的平均故障间隔时间可达几十万小时。 确定了p l c 作为主控制器，再来看看控制系统中的输入输出点的情况，如 8 上海交通大学硕士论文 第三章控制系统的硬件设计 表3 1 机器人的基本输入输出表 基本的输入输出信号输入点数 输出点数 支撑脚控制( 伸缩)88 平台控制( 升降旋转) 44 手臂控制( 伸缩) 2 2 手爪控制( 摆动)22 刷子控制( 转动和紧松) 44 云台控制( 旋转) 4 4 摄像机控制( 调焦)22 总和2 62 6 表3 2c p u 2 2 6d c d c d c 的性能 c p u 特性 本机数字输入 2 4 路数字量输入 本机数字输出 1 6 路数字量输出 高速计数器( 3 2 一位值) 总数6 个高速计数器 单相计数器个数6 个都是3 0 k h z 时钟速率 两相计数器个数4 个都是2 0 k h z 时钟速率 程序空间( 永久保存) 4 0 9 6 字 数据块空间：( 永久保存) 2 5 6 0 字 永久保存2 5 6 0 字 由超级电容或电池保存2 5 6 0 字 扩展模块的数量7 个模块 最大的数字量i ，o2 5 6 最大的模拟量i o3 2 a j 和3 2 a o 本机通讯通讯口数2 口 电气接口隔离( 外部信号到逻辑电路)r s 4 8 5 不隔离 p p i m p i 波特率 9 6 ，1 9 2 ，和1 8 7 5 k 波特 自由口波特率 0 3 ，0 6 ，1 2 ，2 4 ，4 8 ，9 6 ，1 9 2 ，和3 8 4k 波特 电源 电源电压允许范围2 0 4 2 8 8v d c 输入电流仅c p u 最大负载1 5 0 1 0 5 0m a ，2 4v d c 冲击电流( 最大) l o a ，2 8 8v d c 传感器电源2 4 v d c 输入特性 隔离( 现场侧到逻辑电路) 光电隔离5 0 0v a c ，1 分钟 隔离组 1 3 点和1 1 点 h s c 时钟输入速率单相 逻辑l 电平= 1 5 3 0 v d c2 0 k h z 逻辑l 电平= 1 5 2 6v d c3 0 k h z 输出特性 输出类型固态m o s f e t 隔离( 现场侧到逻辑电路) 光电隔离 5 0 0v a c ，1 分钟 9 上海交通大学硕士论文 第三章控制系统的硬件设计 表3 1 所示，系统的基本i o 点为2 6 2 6 ，在西门子系列p l c 中，我们选择c p u 2 2 6 d c d c d c 作为主控制器，它是小型p l c 中性价比较好的一种，它的i 0 点为 2 4 1 6 ，对于不足和以后要增加的输入输出点，可以扩展i o 模块来满足，其他 有关参数参看表3 2 。 因为要实现遥控操作，所以我们选用两个c p u 作为控制的终端，分别装载于 车体和遥控控制台上，作为车体控制器和控制台控制器。在变电站里面对绝缘瓷 瓶的清扫过程中，工人是在清扫区以外遥控机器人的动作，而且清扫的对象位于 高处( 最高达9 米) ，人眼无法在如此远的距离外看清楚手臂的动作，为了保证 遥控的可靠性和准确性，我们采用c c d 摄像机对清扫过程进行监视，另外配备一 台工业控制计算机和液晶显示屏，c c d 摄像机采集到的图像通过无线调制解调器 传送到工控机，然后显示在液晶屏上，这样工人可以通过监控画面实时掌握清扫 的状态，操作起来更为安全可靠。 工控机的配置如下： 机箱a c s 一2 4 6 8 p 主板r o c k y 一3 7 8 2 v p i 工1 8 6 6 k i n g s t o n 5 1 2 m 2 0 g 1 4 4 键盘 鼠标p c i 一8 3 1 0 p c 一6 4 0 8 ，其中的机箱a c s - 2 4 6 8 系列是专门为工业现场或其它 恶劣环境设计，机箱的结构紧凑合理，体积小和散热性能好是它的最大特点，具 有较好的抗振动、抗冲击和防尘的能力。机箱只有6 5 ”宽很容易在面板、墙壁或 机架上安装。 显示器我们选择了三星的液晶显示器( l c d ) 5 6 0 v t f t ，l c d 体积小，厚 度薄，安装携带方便。 实现遥控操作最关键的是选择什么样的无线数传模块以满足在变电站中使 用的需要。 3 3 无线数传模块的选择 p l c 的串行通讯接口是r s 4 8 5 标准接口，采用平衡驱动器和差分接收器的 组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。通讯距离长，最大传输距离可 达3 0 0 0 米，其数据最高传输速率为1 0 m b p s 。r s 4 8 5 接口组成的半双工网络，一 般只需二根连线，所以r s 4 8 5 接口均采用屏蔽双绞线传输。r s 4 8 5 接口连接器 采用d b 一9 的9 芯插头座，与智能终端r s 4 8 5 接口采用d b 呻( 孔) ，与键盘 连接的键盘接口r s 4 8 5 采用d b - - 9 ( 针) 。p l c 自带的r s 4 8 5 接口引脚的定义如 表3 3 所示。 表3 ，3r s 4 8 5 接口引脚的定义 引针号信号说明 1地( r s - 4 8 5 逻辑地) 2 2 4 v 返回( r s - 4 8 5 逻辑地) 3 信号b ( r x d t x d + ) 4r t s ( m 电平) 5地( r s 一4 8 5 逻辑地) 6 + 5 v ( 带1 0 0 0 串联电阻) 7 2 4 v 电源 8信号a ( r x d t x d 一) 9 协议选择 目前，实现基于r s 4 8 5 接口的无线通信有两种方案：一种是选用高频的无线 m o d e m 。无线m o d e m 中通常嵌入了微处理器，能够完成收发数据的缓存、呼叫、 1 0 上海交通大学硕士论文第三章控制系统的硬件设计 应答等功能，但是成本高；另一种方案是采用低频的无线通信模块，功能相同， 成本低，根据所研制系统的特点，我们选择了后一种方案。 针对后一种方案，我们分别构建了两个无线通讯系统通过实验来比较分析。 系统之一： 采用了北京捷麦通信器材有限公司生产的s a 6 8 d 4 r t 型无线数传模块，它的 主要技术指标是： 工作频段：3 0 0 0 0 0 m h z , - - , 4 0 0 0 0 0 m h z 工作温度：一3 0 + 6 0 工作电源：d c5 v 接口速率：9 6 0 0 b p s 接口标准：t t l 电平 发射功率：1 0 0 m w ( d c s v ) 发射电流：l o o m a 它的发射功率和电流较小，接口速率也较大，但是它的接口要求是t t l 电 平，这一点r s 4 8 5 接口无法满足，只有将r s 4 8 5 转换成r s 2 3 2 接口才能实现通 讯。图3 1 和图3 2 分别是模块的电路框图和外形图。图6 中的频率源采用高稳 定度晶体振荡，频率稳定性高，抗干扰性强；透明式数据传输，方便灵活；具有 良好的发射匹配，辐射场强大、单位功率通讯距离远。 图3 1s a 6 8 d 4 r t 电路框图 图3 2 中s a 6 8 d 4 r t 模块的五针插 座各端的定义如下： 端l ：数据输出d m o d 端2 ：5 v 电源d c s v 端3 ：地( g n d ) 端4 ：收发转换r t ，低电平为发 射，高电平为接收 端5 ：调制端数据调制m o d 图3 3 为p l c 与无线数传模块的接 口框图。p l c 发送的串行数据通过 r s 4 8 5 收发器转换为t t l 电平，输出到 无线收发模块的数据发送端。无线数传模块和 图3 2s a 6 8 d 4 r t 的外形图 r s 4 8 5 收发器的收发切换由p l c 的输出触点控制。光电隔离完成p l c 的2 4 v 电 平与5 vt t l 电平的转换、隔离。 上海交通大学硕士论文第三章控制系统的硬件设计 p l c 与无线数传模块的硬件接口电路如图3 4 。各元件的型号、参数如电路 中所示。r s 4 8 5 收发器选用m a x i m 公司的m a x 4 8 5 c p a 、光电耦合器选用4 n 3 5 。 整个系统能够正常可靠的工作，但是在实际应用中，误码率较高，无线模块 的收发要由p l c 的输出点来控制，增加了软件编制的复杂性，同时，为了防止外 界对系统的干扰和适应变电站的工作环境，无线数传模块和接口电路都要用金属 外壳进行密封，金属外壳要专门设计，成本较高。 图3 。3p l c 与无线数传模块接口框图 图3 4p l c 与无线收发模块接口电路 系统之二： 采用了北京捷麦通信器材有限公司生产的s a 6 8 d 2 1 d l 型无线数传模块，它的 主要技术指标是： 工作频段：2 2 7 0 0 0 m h z - 2 3 3 0 0 0 m h z 工作温度：一3 0 + 6 0 工作电源：d c6 v 接口速率：1 2 0 0 b p s 接口标准：r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、n 阻电平可选 数据传输延时：l o o m s 误码率：1 0 e 6 ( 2 0 d bs r n a d ) 发射功率：5 0 0 m w ( d c 6 v ) 发射电流：6 0 0 m a 它的技术指标满足我们的控制要求，另外它内部采用c r c 检验，可验出传 输中9 9 9 9 错误；按照工业级产品设计，工作温度范围宽，可适合野外工作； 采用全封闭铝合金外壳，抗干扰能力强，它这些特点满足我们在变电站的安全可 靠使用要求。无线数传模块的外形如图3 5 所示。 此模块共有四个插座j 1 叫4 ，在使用时只用到了j 1 和j 4 ，j 1 插座是直流电 源输入，而j 4 插座是与p l c 上的r s 4 8 5 通讯口相连的，在r s 4 8 5 协议下j 1 和 1 2 上海交通大学坝l 论女第三控制系统廿勺硅件设* j 4 的定义如表34 所示 圈35s a 6 8 d 2 1 d l 型无线数传模块外形 表34j 1 和j 4 插座引脚的定义 插座日端口e端l 瑞称作用 j l2v c c 丘流m 输 j l - - i 7 4 4 接r s 4 8 5u 的信号r j 3 接r $ 4 8 5 口信q a d s r* 镕 t 接 p l c j 无线数传模块的连接框圈如图3 6 所示 无线数传模块p l c 目36p l c 目z 线数传模块连接图 p i _ c 与模块问的通讯是通过异步串口来完成的。异步串口采用标准的串口格 式即：一个起始位、八个数据位、一个停止位。传输速率为1 2 0 0 b i t s 。p l c 与 模块间的通讯内容是数据。无论是p