变电站设备巡检机器人系统项目方案

1 重庆市电力公司超高压局 变电站设备巡检机器人系统 项目方案 变电站设备巡检机器人系统项目小组 2010.9 2 1 概述 1.1 项目背景 传统的变电站巡检工作主要由工作人员来完成，但对于无人值守或少人值守的变电站，巡检工作是一件非常困难的工作，尤其对偏远地区的变电站，需要耗费大量的人力和时间；其次，由于变电站多为高压、高辐射设备，人工巡检具有很大的危险性；同时对于无人值守或少人值守的变电站，当变电站故障时的应急指挥调度难度也非常大。因此运用机器人在一定程度上代替人工对变电站实行自动巡检成为变电站巡 检的发展趋势。 为了更好的实现偏远地区和无人值守变电站的安全、可靠地巡检，重庆市电力公司超高压局建设巡检机器人应用系统，通过无线网络对机器人实现遥控巡检。系统通过定位系统对机器人准确导航、定位，采集电气设备的工作状态，即时向控制中心返回设备状态和机器人本体工作状态。中心通过无线网络对机器人实施监控，对返回的数据进行处理，即时发现电气设备的外观异常和内部热缺陷等故障，从而达到可靠的巡检。 1.2 应用效果 通过开发、安装变电站设备巡检机器人系统，可达到以下预期成果： 1. 机器人本体能够沿着指定的巡检线路进行巡游； 3 2. 机器人 在巡游过程中对待检设备定位； 3. 通过摄像仪和红外热像仪对变电站电气设备的运行状态进行监测； 4. 采集机器人本体的状态参数，并将这些参数传送至控制中心； 5. 对机器人本体的硬件进行检测，一旦出现故障，系统给出报警提示并采取相应措施，确保机器人在工作过程中的可靠性和安全性； 6. 控制中心能够通过上传的视频和红外图像对电气设备进行监控； 7. 控制中心通过电子地图来展现机器人巡检的工作过程； 8. 工作人员能够对机器人本体的运动实现远程控制； 9. 工作人员能够对视频和红外设备实现远程控制； 10. 工作人员能够对机器人本体的工作状态进行监控； 11. 机器人 本体和控制中心之间能够通过网络进行通信。 2 设计方案 2.1 建设思路 通过重庆创格科技有限责任公司和重庆大学专家一起研讨，制定出一套切实可行的方案。在该方案的基础上定制或研发相应的设备，经过组装、调试研制出机器人本体部分。再根据项目的需求制定出配套软件的设计方案，然后通过编码完成项目的软件部分。最后到现场进行联合调试，对出现的问题进行改进，最终将成果交付超高压局。 4 建设过程中坚持以下原则： 能够完成巡检任务； 不破坏变电站任何装置； 不影响电气设备的正常运行； 机器人在工作中保证可靠性； 在一定程度上减轻工作人员的 巡检工作量。 5 2.2 整体架构 系统由三个部分组成：变电站控制中心软件、无线网络和现场巡检机器人。控制中心软件运行在变电站控制室的计算机上，主要功能是对巡检现场的情况进行监控。该软件包括以下几个主要功能： 1、电子地图的展现。控制中心软件根据变电站平面图绘制出电子地图，对巡检机器人的工作过程进行展现。 6 2、视频、红外图像的显示。机器人采集的视频图像信息和红外图相信息经网络传输到控制中心，控制中心软件就会在相应的窗口中显示视频图像和红外图像。工作人员可以通过这两个窗口监视现场的工作情况和设备的运行情况。 3、机 器人状态数据和电力设备状态数据的显示。控制中心软件能够接收机器人回传的本体状态数据和电力设备状态数据并将其在窗口中显示出来。这样工作人员可以及时地了解现场的巡检状况。 4、远程遥操作。控制中心软件允许工作人员通过软件提供的操作面板对机器人本体、摄像仪和红外热像仪实施远程遥操作，不仅可以远程控制机器人行走而且可以控制摄像仪和红外热像仪的云台、焦距等。 无线网络负责中心软件和巡检机器人之间的通讯。无线网络要求高带宽、高可靠性和低延迟，能够稳定地传输视频数据和其他数据。在数据传输过程中误码率低。 巡检机器人主要承 担设备巡检的任务并将采集的设备状态数据和其他数据上传到控制中心。其主要功能包括： 1、机器人导航定位。机器人要能够沿着巡检路线巡游，同时还要能够对电力设备的位置进行定位。 2、机器人本体故障诊断和自保护。机器人本体软件系统对硬件进行检测，一旦发现故障，系统发出报警信息并采取相应措施进行自我保护。 7 3、电力设备的监测。机器人通过其所携带的摄像仪和红外热像仪对电力设备进行监测，并将采集的图像数据和红外数据上传至控制中心。 2.3 拓扑结构 A PA P交 换 机交 换 机全 向 天 线全 向 天 线摄 像 头视 频 编 码 器机 器 人红 外 测 试 仪摄 像 头机器人本体携带导航设 备、监控设备、数据采集设备和网络设备。控制中心软件运行在监控室的服务器上。服务器与机器人之间采用点对点的无线网络连接。在机器人上安装全向天线，确保在任何方向上都能够接收到无线网络信号。服务器通过交换机和无线 AP 相连，在网络设置上保证机器人和服务器处于同一个局域网网段中，这样机器人和服务器就能够实现相互通信。 8 2.4 系统工作方式 系统采用客户端 /服务器的工作模式。控制中心软件作为客户端，机器人作为服务器。系统运行时，机器人首先启动，然后启动控制中心的软件系统。在这个过程中机器人会和服务器建立网络连接。机器人开机启 动后，就会在导航系统的控制下沿着巡检路线行进，在各个监测点，机器人会停下来对电力设备进行监测的工作。机器人所采集的监测数据和本体运行状态数据通过网络上传至控制中心。 控制中心接收机器人发回的数据，其中，视频和红外数据通过控制中心软件窗口显示；机器人本体数据在状态窗口中显示。控制中心软件还以电子地图的方式展现机器人在现场的工作情况。另外，工作人员还可以通过软件控制面板对机器人的行走和摄像仪、红外热像仪的焦距、云台进行远程遥操作。 2.5 系统可靠性 2.5.1 可靠性隐患 1 机器人在行走过程中出现无法检测到磁条、标签时会与行走路 线产生较大偏差，超出了系统的控制范围； 2、机器人携带的设备可能出现故障； 3、网络可能会出现中断。 2.5.2 可靠性解决方案 1. 可靠的导航控制 ：采用多种导航定位技术相融合的方案，确保机 9 器人在行走过程中不会出现大的偏差和失控的情况。一旦出现无法控制的情况，机器人采用多种处理方式使自己停止运行。用户可以采用远程人工控制的方法，一旦系统导航系统出现故障，则可以采取人工对机器人的行走加以控制。 2. 故障检测和机器人的自我保护 ：机器人在运行过程中不断检测自身硬件设备的运行状况。一旦出现故障，系统的故障处理程序会采取相应 的处理措施，必要时可以让机器人停止工作。这样可以避免机器人出现失控的情况下对自身和电力设备造成损害。 3. 采用高可靠性的网络 ：采用高可靠性、高传输带宽的网络设备，一方面保证了机器人和控制中心之间的通讯畅通，另一方面可以使监控室的视频、红外图像保持流畅，减少了控制中心与机器人失去联系的情况。同时为了以防网络出现中断，机器人配置了网络检测模块，该模块实时检测网络的连接状况，一旦检测到网络中断，机器人会停止运行。 2.6 开发环境 以 Visual C+ 6.0 作为开发工具，电子地图采用 MapX，数据库采用 SQL Server 数据库平台。 3 功能设计 3.1 导航定位 机器人本体沿着指定路线行走。考虑到机器人两个电机性能的差异 10 性以及在行走过程中出现的偏差，因此机器人控制系统包含对在行走过程中出现的偏差进行校正。在路径转弯处能够识别转弯标志并且能够正确做出转弯动作。 在巡检过程中能够对监测点以及特殊位置实现定位。机器人本体能够比较准确地读取监测点的标识信息，从而使机器人停止前进并对电气设备进行检测。在路径转弯处，机器人也能够读取转弯标识从而使机器人能够做出正确的转弯动作。 3.2 设备监测 在监测点，机器人本体可通过实现设定的预置位将可见 光摄像仪和红外热像仪自动对准待监测电气设备，并对其运行状态、温度等进行监测，之后将采集的视频图像、红外图像以及温度等参数传送至控制中心，工作人员通过控制中心软件窗口在线检测电气设备的运行状态。在巡检过程中，用户还可以对云台位置和焦距等参数进行设置，可使用录像和图像截取功能，还可对红外热像仪的参数进行设置。 3.3 数据采集 机器人本体通过各种传感器采集机器人运动所需的各种数据，包括超声波、磁传感器、 RFID 标签、温度，这些数据能够传送到控制中心软件并显示出来。 3.4 机器人本体硬件检测 机器人本体软件实现对自身硬件的检测 ，包括超声波、磁传感器、 11 RFID 读写器、网络等，确保系统各硬件能够正常工作。一旦发现故障，系统会调用故障处理程序来作出相应的处理。 3.5 故障报警处理 针对系统出现的故障，故障报警处理程序会根据不同故障的类别给出报警提示信息并采取相应的故障处理，这样就保证了系统的可靠性。 3.6 参数设置 机器人本体软件允许用户对关键参数进行设置，这样使得系统可以运行在不同的配置环境下，从而提高了系统的灵活性。 3.7 开机自启动 机器人系统加电后，下位机软件自动启动，读取设定的配置信息，进入工作状态。 3.8 远程控制 控制中心软件能够对机器人本体和 监测设备（摄像仪和红外热像仪）进行远程控制。工作人员通过操作远程控制界面或键盘控制机器人本体前进、后退、左转、右转和停止。 控制中心软件提供对可见光摄像仪和红外摄像仪远程操作面板，可对其进行云台控制、焦距控制、录像、图像截取以及红外摄像仪各种功能的远程控制。 12 3.9 预置位设置 系统提供对监测点的预置位设置，在监测点用户可以记录下云台的方位、俯仰角等信息，在实际巡检时机器人根据预置位自动将云台转动到预先设定的方位，便于工作人员对设备进行监测。 3.10 电子地图展现 该功能根据机器人本体回传的数据展现机器人的巡检状况。这使得工作人员以非常直观的方式了解现场的情况，也使得人机界面十分友好。 3.11 视频和红外图像的显示 机器人本体采集的变电站设备视频和红外图像经网络传输后在窗口中显示，工作人员可以通过视频窗口红外窗口观察电气设备的运行状态。 3.12 数据传输 系统提供数据传输的功能。数据传输包括数据发送和数据接收，机器人本体软件和控制中心软件能够发送和接收不同格式、不同类型的数据，并能够对它们进行正确的处理和显示。 3.13 用户管理 系统提供用户登录、添加、删除、用户信息修改等基本用户管理功 13 能。 3.14 数据存储 系统拥有数据库系统，可以实现对数据的存储 4 实施 方案 4.1 实施策略 1. 了解甲方的需求并给出切实可行的实施方案。 乙方在充分了解甲方的需求后，就项目的实施方案咨询有关专家、学者，在与专家、学者进行充分研讨后制定出符合甲方要求的可行的项目方案。 2. 研制或定制项目有关的硬件设备。 本系统的开发需要硬件的支持。乙方根据项目的实施方案，研制或定制相关的硬件设备，使得在硬件层次上保证项目满足用户的需求。 3. 制定软件设计方案并开发软件系统。 根据项目的整体方案和客户需求，制定出软件设计方案，如概要设计、详细设计，最后开发出符合需求的软件系统。 4采取先试点后 推广的策略，确保实施工作稳步推进。 为保证项目实施工作有序、稳步进行，可采取先试点、后推广的策 14 略。通过试点，一方面验证软、硬件系统，另一方面为全局推广积累经验。 4.2 项目组织机构 1. 甲方项目组织 甲方成立项目领导小组，协调各项工作，并对重大事项作出决策；成立项目工作小组，负责本项目协调沟通、组织管理和其它各项具体工作。 2. 乙方项目组织 乙方成立变电站设备巡检机器人系统项目组，负责本项目具体实施工作。乙方项目组的工作由乙方项目管理组织进行统一管理。 4.3 项目计划安排 项目整体工作分为七个阶段：（ 1）项目启动 及业务需求交流、分析；（ 2）制定硬件系统的方案；（ 3）硬件设备的研制、定制及测试；（ 4）制定软件系统的设计方案；（ 5）软件系统的开发、测试；（ 6）系统整体的测试；（ 7）项目验收。 项目整体计划及各阶段工作时间见下图： 采取先试点后推广的策略，确保实施工作稳步推进 15 4.4 项目各阶段的主要工作 项目各阶段具体工作内容见下图： 软件开发与调试 硬件方案 软件系统设计 第八月 第四月 第五月 第六月 第七月 第一月 项目验收 第二月 第三月 第九月 第十月 项目启动 需求分析 硬件研制、定制和调试 系统整体调试 16 5 项目管理 5.1 项目管理目的 1. 确保项目范围清晰且没有不必要的重叠 2. 解决项 目之间可能发生的冲突，当项目之间发生资源冲突时确定T1 需求确认 T2 制定 硬件方案 需求交流 确定方案 制定导航方案 制定定位方案 制定监测方案 制定网络方案 硬件资料准备 需求分析 项目实施任务包括： 1 3 2 T4 软件系统 设计 概要设计 详细设计 数据库设计 4 制定硬 件研制方案 购买基本材料 T3 硬件研制、 定制 制定硬件方案 硬件研制、定制 软件系统设计 5 软件开发、测试 6 系统整体测试 7 项目验收 T5 软件开发、 测试 T6 系统整体测试 机器人本体开发 控制中心软件开发 导航定位测试 设备巡检测试 网络测 试 远程控制测试 项目验收并投入使用 技术支持 T7 项目验收 17 资源分配的优先次序 3. 将项目相互之间的依赖关系沟通给相关项目，并有效地执行 4. 减少项目风险的影响 5. 向总部相关领导提供有效和一致的项目状态汇报 6. 加强贯串不同项目的项目规范的一致性 5.2 项目管理范围 1. 在支撑机构与每个独立项目之间建立起有效的沟通渠道 2. 确定每个关键项目的主要检查点 3. 向每个项目提供项目状态汇报模板 4. 明确（不是任命）每个项目的项目负责人 5. 协调分析可能存在的项目风险，提出风险管理的方法和流程 6. 定义项目成 效的衡量方法 7. 负责项目的规划，控制实施周期 5.3 项目管理工作内容描述 从项目管理角度，每个成功的项目都要经历从立项、启动、规划、执行与控制及结束 5 个阶段，在这 5 个阶段中项目管理工作的主要内容 18 见下表： 阶段 标题 说明 1 立项 根据对业务影响的优先顺序和项目的可行性来描述并确定项目或想法，并获得领导小组的批准。 2 启动 定义项目要求、进行初步规划、协商项目细节，即预算审批，以及进行“准备执行”，评审所要求的任务或工作。 3 规划 确保项目有效执行所要求的活动或工作，如项目的评审和总结。建立项目组， 制定详细的项目计划，以及为评审详细计划所做的最后准备。 4 执行和控制 执行项目及实施解决方案所涉及的活动或工作。该阶段包括所有项目任务的执行、项目的监督和控制、成本管理、时间安排、项目成效、风险、合同和项目的变更。该阶段还包括审批项目承建商提交的项目管理或交付件的签收。 5 结束 项目完成工作，包括将实施完成的解决方案转交给适当的业务部门，提供培训、结束项目计划，进行最后的项目评审，并解散项目组。 5.4 项目管理流程 项目管理分为项目启动、项目执行和项目验收三个阶段，在项目执行阶段，项目管理的主要任务是 阶段工作计划制定、计划执行跟踪检查、阶段总结汇报。项目管理各阶段、各项任务都产生相应的管理控制文档。 项目管理阶段、任务、流程及管理控制文档的关系见下图： 19 项目启动 项目执行 项目验收验收规划报告计划 总结汇报月度计划每周计划阶段报告 验收报告阶段任务控制文档实施记录阶段结束阶段开始规划 执行项目运行简报以下对项目各类管理控制文档具体包含的内容进行说明： 规划报告：指项目规划的结果报告； 月度计划：按照项目规划进行月度工作安排及月度工作总结，形成月度工作计划； 每周计划：项目管理中，每周召开例会，对周工作进行总结和安排，形成项目周计划； 实施记录：项目实施过程中各类项目工作的记录文档，如：设计记录、开发记录、测试记录、培训记录、实施记录、维护记录， 测试报告、实施总结、数据核对记录、对帐报告等； 项目运行简报：对项目实施运行过程中实施进度、系统使用情况、存在问题及改进要求进行总结通报，项目运行简报报项目领导小组成员，根据需要在项目实施范围内进行文件下发； 阶段报告：对项目规划中各阶段工作进行总结的报告，如阶段设计总结、 20 阶段开发总结、实施总结、项目阶段总结等。 验收报告：项目验收时所形成的报告，验收报告中包含对项目过程、结果的评价。 21 重庆市电力公司超高压局 变电站设备巡检机器人系统 工作报告 变电站设备巡检机器人系统项目小组 2009.12 22 1 立项背景 传统的变电站巡检工作主要由工作人员来完成，但对于无人值守或少人值守的变电站，巡检工作是一件非常困难的工作，尤其对偏远地区的变电站，需要耗费大量的人力和时间；其次，由于变电站多为高压、高辐射设备，人工巡检具有很大的危险性；同时对于无人值守或少人值守的变电站，当变电站故障时的应急指挥调度难度也非常大。因此运用机器人在一定程度上代替人工对变电站实行自动巡检成为变电站巡检的发展趋势。 为了更好的实现偏远地区和无人值守变电站的安全、可靠地巡检，重庆市电力公司超高压局建设巡检机器人应用系统，通 过无线网络对机器人实现遥控巡检。系统通过定位系统对机器人准确导航、定位，采集电气设备的工作状态，即时向控制中心返回设备状态和机器人本体工作状态。中心通过无线网络对机器人实施监控，对返回的数据进行处理，即时发现电气设备故障，从而达到可靠的巡检。 2 主要任务 变电站设备巡检机器人系统负责在指定的对电气设备的工作状态进行巡检。机器人在导航系统的控制下能够沿着指定路线行进，在各个监测点，机器人停止运动并通过调节摄像仪和红外热像仪的参数采集电气设备的工作状态数据。这些数据通过网络上传至控制中心。 23 工作人员在监控室的电 脑上通过控制中心软件对电气设备以及现场的巡检情况进行监控。工作人员还可以通过远程控制的方式对机器人本体和检测设备（摄像仪和红外热像仪）进行遥操作。 3 研制过程 2009 年 9 月 10 月由重庆市电力公司超高压局和重庆创格科技有限责任公司、重庆大学提出总体的思路，并确定开发小组、开发的总体方案等。 2009 年 11 月 12 月 查询相关资料；购买所需的设备并对设备进行测试；软件系统的概要设计； 2010 年 1 月 2010 年 5 月 硬件设备的安装与调试；网络的安装与调试；软件系统详细设计。 2010 年 6 月 7 月 软件系统编 码与测试。 2010 年 8 月 到变电站进行现场调试，并获得成功； 2010 年 9 月 系统试运行并进行适应性修改，完成系统各功能的测试及试运行，资料文档的准备。 4 系统实现功能 变电站设备巡检机器人系统实现机器人本体沿着指定巡检路线行进并且能够定位所处位置。在检测点，机器人能够采集变电站设备的视 24 频和红外数据，这些数据通过网络传送至控制中心软件。对于机器人产生的故障，故障处理程序会给出报警并采取相应的处理。 控制中心软件能够显示机器人传回的监测视频数据和红外数据；能够以电子地图方式展现现场的工作状况。工作人员能够通过 软件界面对机器人、摄像仪、红外热像仪等设备进行远程控制。 控制中心软件还提供用户管理、数据存储、数据传输等功能。 4.1 导航定位 机器人本体沿着指定路线行走。考虑到机器人两个电机性能的差异性以及在行走过程中出现的偏差，因此机器人控制系统包含对在行走过程中出现的偏差进行校正。在路径转弯处能够识别转弯标志并且能够正确做出转弯动作。 在巡检过程中能够对监测点以及特殊位置实现定位。机器人本体能够比较准确地读取监测点的标识信息，从而使机器人停止前进并对电气设备进行检测。在路径转弯处，机器人也能够读取转弯标识从而使机 器人能够做出正确的转弯动作。 4.2 设备监测 在监测点，机器人本体可通过实现设定的预置位将可见光摄像仪和红外热像仪自动对准待监测电气设备，并对其运行状态、温度等进行监测，之后将采集的视频图像、红外图像以及温度等参数传送至控制中心，工作人员通过控制中心软件窗口在线检测电气设备的运行状态。在巡检 25 过程中，用户还可以对云台位置和焦距等参数进行设置，可使用录像和图像截取功能，还可对红外热像仪的参数进行设置。 4.3 数据采集 机器人本体通过各种传感器采集机器人运动所需的各种数据，包括超声波、磁传感器、 RFID 标签、 温度，这些数据能够传送到控制中心软件并显示出来。 4.4 机器人本体硬件检测 机器人本体软件实现对自身硬件的检测，包括超声波、磁传感器、RFID 读写器、网络等，确保系统各硬件能够正常工作。一旦发现故障，系统会调用故障处理程序来作出相应的处理。 4.5 故障报警处理 针对系统出现的故障，故障报警处理程序会根据不同故障的类别给出报警提示信息并采取相应的故障处理，这样就保证了系统的可靠性。 4.6 参数设置 机器人本体软件允许用户对关键参数进行设置，这样使得系统可以运行在不同的配置环境下，从而提高了系统的灵活性。 4.7 开机自启动 机器人系统加电后，下位机软件自动启动，读取设定的配置信息， 26 进入工作状态。 4.8 远程控制 控制中心软件能够对机器人本体和监测设备（摄像仪和红外热像仪）进行远程控制。工作人员通过操作远程控制界面或键盘控制机器人本体前进、后退、左转、右转和停止。 控制中心软件提供对可见光摄像仪和红外摄像仪远程操作面板，可对其进行云台控制、焦距控制、录像、图像截取以及红外摄像仪各种功能的远程控制。 4.9 预置位设置 系统提供对监测点的预置位设置，在监测点用户可以记录下云台的方位、俯仰角等信息，在实际巡检 时机器人根据预置位自动将云台转动到预先设定的方位，便于工作人员对设备进行监测。 4.10 电子地图展现 该功能根据机器人本体回传的数据展现机器人的巡检状况。这使得工作人员以非常直观的方式了解现场的情况，也使得人机界面十分友好。 4.11 视频和红外图像的显示 机器人本体采集的变电站设备视频和红外图像经网络传输后在窗口中显示，工作人员可以通过视频窗口红外窗口观察电气设备的运行状 27 态。 4.12 数据传输 系统提供数据传输的功能。数据传输包括数据发送和数据接收，机器人本体软件和控制中心软件能够发送和接收不同格式、 不同类型的数据，并能够对它们进行正确的处理和显示。 4.13 用户管理 系统提供用户登录、添加、删除、用户信息修改等基本用户管理功能。 4.14 数据存储 系统拥有数