35KV变电站巡检机器人

.35KV 变电站巡检机器人研制摘要目前的变电站巡检机器人多应用于500KV 及以上的大型变电站，其巡检机器人本体和监控端都位于变电站内，主要功能是代替站内值班人员执行每天的例行巡检任务。而35KV 变电站规模较小，人工巡检劳动强度并不大，但是其位置分散，因而值班人员需要开车或步行较长路程赶往多个变电站现场进行巡检。因此35KV变电站迫切需要一种监控端在供电公司的巡检机器人，使得值班人员在供电公司就可以通过远程操控来完成例行巡检。本文以某35KV 变电站为研究对象，根据其变电站特点和无人值守化运行的实际情况，研制了一种用于35KV 变电站的巡检机器人。该35KV 变电站巡检机器人的监控端在供电公司。巡检机器人本体位于35KV 变电站内，并通过4G 网络连接到互联网。二者采用WCF 协议框架，通过新花生壳软件的动态域名解析服务和内网穿透功能实现互联阿通讯。该巡检机器人采用磁轨导航方式，并通过RFID 标签实现辅助定位。其搭载高清摄像头和红外成像仪，能够对变电站设备进行可见光拍摄和红外热成像拍摄。监控端能够控制巡检机器人的运动，并实时接收其回传的视频图像，然后通过图像匹配技术和OCR 文字识别技术诊断出变电站设备的外观异常和温度异常。另外，针对传统巡检机器人充电机构对接有偏差的不足，本文还研制了一种地插式充电装置，采用磁轨导航定位和机械矫正相结合的方式提高了充电对接成功率，实现了巡检机器人的自动充电功能。目录第1章 绪论第2章 系统的总体设计第3章 运动及导航模块第4章 自动充电第5章 监控模块第6章 散热系统分析第7章 展望第一章 绪论随着变电站的数量和规模不断增大，人工巡检工作变得越来越繁琐复杂，人工巡检的到位率、及时性都无法保证，变电站数量剧增与变电站值班员数量不足之间的矛盾日益突出。同时，人工巡检的作业质量有着很大的随机性，它与作业人员的工作经验多少、责任心强弱、精神状态和业务熟练程度等多种因素有关。人工巡检方式存在劳动强度大，工作效率低，检测质量分散，管理成本高等明显不足。而且在高寒地区或恶劣气候条件下，人工巡检存在较大安全风险，且缺乏其他有效的巡检手段。随着机器人技术和计算机技术的不断发展以及智能变电站和无人值守变电站模式的推广，机器人代替人工进行变电站巡检成为可能。因此变电站巡检机器人应运而生。目前国内投入使用的巡检机器人仅有200 余台， 多是用于500KV 及以上等大型变电站。该类巡检机器人系统中，机器人移动本体和监控端(基站)均位于变电站内。其功能主要是代替站内值班人员执行每天的设备巡检任务，从而实现了站内例行巡检工作的自动化。而35KV 变电站规模较小，一次电气设备较少，其例行巡检劳动强度相对较轻，但其数量较多，位置分散，其人工巡检劳动强度主要体现在值班人员需要开车或步行很长路程去多个无人值守变电站现场进行巡检。因此开发一种监控端位于供电公司的巡检机器人取代35KV 无人值守变电站的人工例行巡检，对于提高巡检质量和效率，具有十分重要的意义。从20 世纪90 年代起，日本就开始研究应用于500KV 变电站的有轨巡检机器人，用来代替人工测量变电站设备温度。国内研究变电站巡检机器人最早的机构为山东电科院。山东电科院在2004 年研制出第1 代样机，之后相继研制出从第2 代到第5 代的系列化变电站巡检机器人。该巡检机器人正逐步在国内一些变电站推广使用。目前变电站巡检机器人的关键技术主要体现在移动行走、导航定位和设备检测三方面。（1）移动行走方面。根据移动行走原理不同，巡检机器人可分为轨道式、轮式和履带式三种。（2）导航定位方面。轨道式巡检机器人移动和导航完全依靠固定轨道，形式比较单一。而对于轮式和履带式巡检机器人，最常用的导航方式是磁轨导航并通过RFID 标签辅助定位。（3）设备检测方面。变电站设备的检测诊断则主要是依靠红外成像仪、高清摄像头和拾音器等传感器分别对设备的温度、外观和噪声等状态进行测量和分析。本文的主要研究工作如下:（1）通过分析变电站巡检机器人的研究现状和河北省石家庄市灵寿县的某220KV 变电站和35KV变电站的实际需求，确定该巡检机器人的总体方案。本文将采用基于互联网的通讯方案。该巡检机器人搭载高清摄像机和红外成像仪，采用磁轨导航方式，采用工控机作为核心控制器，单片机为辅助控制器，并通过互联网和位于供电公司的监控端通讯。（2）研制巡检机器人的机械结构。采用PID 控制算法实现了巡检机器人的磁轨导航。PID 参数通过实验方式整定。采用永磁式交流同步伺服电机取代传统的直流电机，提高了机器人运动控制的稳定性和快速性。（3）研制巡检机器人的电路硬件系统。针对变电站的强电磁环境，电路硬件必须采取必要的抗干扰措施。（4）设计并搭建监控端和变电站巡检机器人之间的通讯网络。变电站巡检机器人通过4G 网络连接到互联网，通过DDNS动态域名解析服务器和固定域名建立映射。监控端通过该固定域名实现对巡检机器人的访问。（5）研制自动充电系统。自动充电系统负责巡检机器人的电源供给，保证其能在无人值守变电站持续工作。巡检机器人系统主要功能(1)一键启动巡检机器人。巡检机器人处于24 小时待机状态。值班人员通过监控端可以一键启动巡检机器人执行巡检作业。(2) 磁轨导航， RFID 标签辅助定位。当巡检机器人接收到启动命令后，首先打开高清摄像头和红外成像仪。然后将充电插头收缩。进而通过磁轨导航的方式驶出充电室。当检测到RFID 标签时，巡检机器人停止前进，转动云台进行可见光拍摄和红外热成像拍摄。(3)远程高清视频监控和红外成像监控。巡检机器人在巡检过程中，能够将高清摄像头的视频流和红外成像仪的视频流实时上传，使得运检人员能够通过监控端软件实时观察变电站设备。(4) 特定设备的外观异常和温度异常报警。通过图像匹配技术和OCR 文字识别技术发现设备外观异常和温度异常情况并及时向监控端发送报警信号，以供运检人员进行及时处理。(5) 中途临时停止和启动。值班人员可以控制巡检机器人作业中的临时停止和临时启动。当临时需要观察某设备时，值班人员可使巡检机器人临时停止，同时远程控制云台转动，从而完成对该设备的检查。(6) 一键返回功能和雨天自动返回功能。一键返回功能是巡检机器人不再检测巡检过程中遇到的RFID 标签，而是直接返回充电室。另外，巡检机器人上安装有雨滴传感器。当检测到下雨时，巡检机器人能够快速返回充电室。(7)自动充电功能。巡检作业完成后，巡检机器人能够自动返回充电室，完成充电接头对接，并进行自主充电。第二章 系统的总体设计为了研究变电站线路巡检装置，我专门到220KV 变电站和35KV变电站实习，实地了解情况。跟随工作人员一起巡检变电站，并记录数据。本文所设计的35KV 变电站巡检机器人按照硬件分类可分为巡检机器人本体、充电室和监控端三大部分（见图）。其中巡检机器人本体和充电室位于35KV 变电站内。监控端是位于供电公司的监控电脑。巡检机器人本体通过站内无线接入点(Wireless Access Point) 连接到互联网闷。供电公司的监控电脑并非内网办公专用电脑，而是通过路由器、交换机等设备连接到公网(广域互联网)的电脑。监控端和巡检机器人的互联网通讯采用客户端/服务器体系结构。其中巡检机器人为服务器，其通过安装花生壳客户端软件而使用新花生壳的动态域名解析服务和内网穿透技术， 从而在公网中映射出固定域名。监控端作为客户端，通过该固定域名实现对巡检机器人的访问。二者的通讯采用WCF 协议框架。巡检机器人本体以工控机为主控制器，以单片机为辅助控制器，两者通过RS485接口相连。工控机和单片机的实物图见图。单片机的功能是执行工控机的命令并实时向其上传传感器信号。其具体功能有以下几个方面:（1）上传磁轨位置信息。当工控机请求获取磁轨位置信息时，读取磁传感器信号并通过发送数据包上传。（2）上传下雨报警消息。当雨滴传感器检测到下雨时，向工控机发送下雨报警数据包。（3）上传按钮动作消息。当检测到有按钮被按下时，向工控机发送按钮按下消息数据包。（4）控制指示灯状态。当收到工控机的指示叮亮灭命令时，执行相应动作。（5）充电插头自动控制。根据工控机的命令，控制充电插头完成收缩、半伸张和全伸张动作。工控机安装有Windows系统，并通过无线网卡连接到互联网。工控机是巡检机器人的大脑。工控机中运行的主控软件实现了巡检机器人本体所有的自动控制和监控功能。工控机的具体工作主要有以下几个方面:（1）控制云台角度，进而读取红外成像仪和高清摄像头的视频数据并通过网络上传。其中工控机通过RS485 接口连接云台，通过USB 接口连接红外成像仪和高清摄像头。（2）通过磁传感器获取磁轨位置信息并根据PID (比例-积分-微分)控制算法控制伺服电机循磁轨运动。行进途中如果检测到RFID 标签，则停止前进并检测特定设备，检测完毕后继续前进。工控机通过RS485 接口控制伺服电机和读取RFID读写器数据。磁传感器的信号由于是开关量，故采用单片机处理并转换成数据包后再发送给工控机。（3）实时接收供电公司监控端的指令(例如 临时停止等) ，并采取相应的动作。（4）在巡检作业的开始和结束时，通过控制伺服电机和单片机，完成充电插头插座的自动脱离和自动对接动作。（5）实时接收巡检机器人本体中按钮消息(启动或者停止按钮被按下等并响应，实时将当前控制系统运行状态通过指示灯显示。第三章 运动及导航模块工控机通过RS485 总线和交流伺服驱动器、RFID读写器、单片机等相互通讯。其中，交流伺服驱动器控制的交流伺服电机是执行机构，磁传感器完成磁轨位置的反馈。工控机根据磁传感器的反馈信息并通过PID 闭环控制算法控制两个交流伺服电机的差动速度，从而控制巡检机器人完成磁轨导航。由于工控机不能直接读取磁传感器的开关量信号，故使用单片机作为转换器，即单片机读取磁传感器的8 位开关量信号，并通过基于RS485 总线的自拟定协议将磁轨位置信息反馈给工控机。变电站的特定设备位置通过RFID 标签标定。巡检机器人在磁轨导航过程中如果检测到RFID 标签，通过读取RFID 标签编号就可以识别特定的电气设备。当雨滴传感器检测到下雨时，巡检机器人能够停止当前的巡检任务，直接快速返回充电室。另外，监控端软件中的运动控制部分可以远程遥控巡检机器人， 向其发送启动巡检、临时停止、临时启动、一键返回等运动控制指令。3.1.1 伺服电机巡检机器人的驱动机构采用轮式结构。两个相互独立的主动轮驱动位于底盘中间位置。两个随动轮安装在底盘后方。底盘两个主动轮分别配有减速箱和伺服电机。伺服电机轴通过减速箱连接到驱动轮轴。传统的巡检机器人多采用直流电机。直流电机的调速性能好，只需采用脉宽调制的方法，通过功率放大器件即可实现电机的无级调速。但是直流电机由于采用电源电压调速方式，故其低速时输出扭矩较小，且直流电机电刷容易磨损。而交流伺服电机内部没有电刷，与直流电机相比其结构简单，体积小而重量轻。随着电机控制技术和电力电子技术的发展，交流伺服驱动器技术越来越成熟，交流伺服电机越来越多的应用到工业场合中。本文采用 Shenzhen Just Motion Control Electromechanics Co., Ltd.生产的60ASM200 系列低压交流伺服电机作为巡检机器人的驱动电机。巡检机器人的转弯通过左右交流伺服电机的速度差实现。同时采用了与交流伺服电机配套的交流伺服驱动器和减速机构。该驱动器采用48V 直流供电，其内部采用先进的正弦波矢量控制算法，通过三相正弦PWM电压型逆变器以变频方式驱动交流伺服电机。该驱动器通过485 接口连接工控机，其接口为Modbus 通讯协议。交流伺服驱动器内的速度寄存器为有符号16 位整型数。3.1.2 磁传感器磁传感器采用目前工业自动导引小车AGV(Automated Guided Vehicle) 中常用的磁导航传感器。磁传感器位于巡检机器人底盘的前部并垂直于磁条安装(见图) 。其内部均匀安装有8 个磁敏模块。当磁轨位于某个磁敏模块正下方时，该磁敏模块则会以开漏输出的形式输出开关量信号。实际使用时，磁传感器中会有1-3 个磁敏模块同时检测到磁轨。3.1.3 光耦隔离电路为了保证系统工作稳定性，磁传感器的信号输入到单片机时需要经过光耦隔离电路。光耦隔离电路使得单片机的10 口和磁传感器输出信号完全隔离，从而避免磁传感器的扰动干扰或者尖峰脉冲损害单片机的10 口。磁传感器的8 位开漏输出电路完全相同，因此图3-3 只显示了其中一路磁传感器信号的光耦隔离电路。磁传感器的开漏输出口需要外接上拉电阻才可使用，否则无电平输出。图3-3中，该开漏输出口通过2K 电阻上拉到24V 电源。常规情况下，光祸不工作，光耦输出高电平:当磁敏模块检测到磁轨时，开漏输出口连接到GND ，光祸中的发光二极管得电工作，光糯输出端连接到数字GND ，输出低电平。光耦内部通过光学耦合作用传输信号，其两端的电源系统完全隔离，从而避免了干扰信号对单片机的损害，有效地提高系统抗干扰能力。3.1.4 RFID 辅助定位装置RFID 辅助定位装置主要由RFID标签和RFID 读写器组成。近年来， RFID 识别作为构建物联网的关键技术而受到人们的关注。RFID 识别技术稳定使用且硬件价格较低，故本文采用RFID技术实现巡检机器人的辅助定位。在磁轨上通过RFID 标签设置多个巡检点，标定多个电气设备。3.2.1 运动及导航的PID 控制35KV 巡检机器人工作在变电站强磁场户外环境，要求其运动及导航模块拥有很高的稳定性和可靠性。因此，巡检机器人的运动及导航控制采用经典的PID 控制算法。在工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制。PID控制是应用最广，适应性最强的控制方式。经过多年的研究， PID 控制参数整定方法较成熟 ，具有一定的抗干扰能力。常规的PID 控制器是线性控制器，其基本模型如图所示。3.2.1 PID 闭环控制模型巡检机器人运动及导航模块的闭环框图如图3-7 所示。由于磁轨在磁传感器正中央时，加权平均值是0 ，故该系统的输入值是0 。磁传感器的检测值是反馈信号。偏差信号经过PJD 控制器后，其输出值作为左右伺服电机的转速输入值。伺服电机速度的初始值为500 。当偏差为0 时，左右伺服电机以相等的速度直线前进:当存在偏差时，则左伺服电机在速度初始值的基础上加上PID 控制器的输出值u(k) ， 右伺服电机在速度初始值的基础上减去PID 控制器的输出值u(k) 。比例系数Kp 、积分系数Ki、微分系数Kd三个值决定了PID 的控制效果。三个数值的整定可以通过理论计算获得，也可以通过工程实验获得。增大比例系数Kp会加快系统响应速度，使得系统的稳态误差减小，但是却不能彻底消除。比例系数的作用是实现PID 控制的粗略调节。在稳定性和响应性上起到基础作用。积分系数Ki 则主要用来消除稳态误差。保证系统的响应准确性。提高系统的响应速度， 通过增加微分系数Kd可以提高系统的响应速度。但是微分环节同时也使得系统对噪声更加敏感，甚至会削弱系统的稳定性，故微分环节主要用来细微调节偏差，从而保证控制系统的快速反应。第4章 自动充电今后35KV 以下的变电站巡检机器人工作在完全无人值守变电站内，因此必须有自主充电功能才能保证其持续工作。目前常见的变电站巡检机器人自动充电装置多采用侧边对接方式。机器人磁轨导航误差的存在使得该方式会出现偶然对接不成功的现象。针对该问题，本文设计了新的自动充电模块。自动充电模块的充电插头安装于巡检机器人上。充电插座安装于充电室内。1. 充电室控制柜通过进门处的接近开关检测到巡检机器人靠近进门口时，立刻控制进门口的电动卷帘门打开。10秒后，该电动卷帘门自动关闭。2. 进门处同时安装有RFID 标签，当巡检机器人检测到该标签后，工控机向单片机发送充电插头半伸张命令。单片机根据命令执行该功作。此时，充电插头处于半伸张状态，并时刻准备对接。3. 当充电插头到达充电插座正上方的位置时，充电插头前部的限位开关正好压在充电插座上。4. 单片机检测到该对接反馈后，上传工控机。工控机收到信息后向单片机发送充电插头完全伸张指令，从而完成充电对接。进而工控机关闭运动与导航线程、关闭高清摄像机、红外成像仪等。此时巡检机器人进入充电待机状态。5. 当其接受到启动巡检信息时，首先向单片机发送收起充电插头命令。单片机收到指令后通过电机驱动控制推杆电机执行收缩动作。6. 充电插头收缩完成后，充电插头插座完成分离，巡检机器人进而执行完其他初始化工作(例如开启高清摄像头等)。7. 当充电室控制柜通过出门处的接近开关检测到巡检机器人靠近出门口时，立刻控制出门口的电动卷帘门打开。10 秒后，该电动卷帘门自动关闭。电源模块负责变电站巡检机器人移动体的电源转换。电源模块设计方案的优劣将直接影响巡检机器人运行稳定性。由于巡检机器人中交流伺服电机采用的是直流逆变为交流进而变频的控速方式，交流伺服驱动器会产生很多的谐波干扰，该谐波干扰将直接反映到铿电池的电源电压上，因而会给巡检机器人控制系统造成很多未知的干扰。而48V 转24V 和48V 转12V 时为了保证转换效率，采用高频开关电源，也会会产生高频谐波干扰。所以电源模块必须具备较强的降噪功能，才能满足系统的要求。该电源方案采用48V 理电池供电，在转换的输入端和输出端均设计有短路保护、电源滤波、浪涌保护等。电源滤波采用EMI(Electromagnetic Interference)三级滤波器(见图) 。该滤波器采用电感电容器件组成，其具有双向滤波作用，即抑制电源母线对开关电源输入的干扰，同时抑制开关电源对电源母线的高频干扰。第5章 监控模块监控模块是35KV 变电站巡检机器人的核心功能部分。运动及导航模块实现了巡检机器人的站内自动导航。自动充电模块解决了巡检机器人的电源供应问题，保证其持续工作。而监控模块通过巡检机器人搭载的高清摄像头和红外成像仪实现了变电站设备的自动巡检。其主要功能包括三部分: (1) 通过监控端软件，值班人员可以实时控制巡检机器人的运动。(2) 可见光视频流和红外热成像视频流可以实时上传到监控端软件上并实时显示。(3)基于图像匹配和图像识别技术的变电站设备外观异常和温度异常报警。监控模块的硬件组成框图见图5-1 。监控模块的通讯采用客户端/服务器构架。其中监控端是客户端(Client) ，巡检机器人是服务端(Sever) 。5.1.1 通讯网络的搭建根据国家电网公司办公计算机信息安全和保密管理规定若要实现供电公司和变电站巡检机器人之间的网络通讯，必须自建通讯网络，而不能使用国家电网公司内部网络。本文设计了一种采用4G网络的互联网通讯方案。35KV 变电站内部安装有4G 路由器。该路由器通过网络运营商的流量卡连接4G 网络。该4G 路由器工作在网关模式，从而组建了一个新的局域网络。户外大功率Wireless Access Point 以有线方式连接到4G路由器的LAN 口(局域网口)。由于35KV 变电站一般规模较小一般在1000-2000 平方米左右)，所以该AP 可实现35KV 变电站的无线网络覆盖。5.1.2 动态域名解析服务和内网穿透技术35KV 变电站巡检机器人系统中，监控端软件和巡检机器人通讯采用WCF 协议框架，通过DDNS CDynamic Domain Name Server)动态域名解析服务 和 NAT traversal内网穿透功能实现通讯。采用客户端/服务端软件构架，其中巡检机器人是服务端。客户端(供电公司监控端)要想通过广域互联网访问到该服务端(巡检机器人)，就必须知道服务端的公网IP 地址。“花生壳”网络服务公司能够提供优质和安全的动态域名解析服务，以及内网穿透技术服务。而且，对于小型变电站，一年的使用费只有518元，是非常便宜的。5.2 WCF 通讯35KV 变电站巡检机器人采用WCF 程序框架传输运动控制指令和视频监控图像。WCF (Windows Communication Foundation) 是由微软公司开发的一系列支持数据通信的应用程序框架。运动控制指令服务(机器人临时启动、|临时停止等操作)使用WCF 的请求与访问模式进行交互。视频监控图像的传输采用WCF 的发送订阅模式。客户端向服务端发送请求，进而服务端将监控视频流推送给客户端。5.3设备异常识别设备异常的识别包括巡检机器人的人工识别和自动识别两种方式。人工识别方式是指，巡检机器人在磁轨导航过程中检测到RFID标签时，停止前进并通过转动云台使高清摄像头和红外成像仪镜头对准变电站特定设备，然后拍摄该设备的外观图像和温度图像，并将该照片通过网络上传到监控端软件上以供值班人员进行人工在线分析。同时，巡检机器人将每次巡检作业拍摄的照片存储于巡检机器人内部大容量硬盘之中，以供值班人员进行离线分析和历史数据分析。自动识别是指，巡检机器人在巡检作业中，监控端软件通过图像识别技术判断外观异常和温度异常。5.3.1 外观异常图像识别监控端软件中存储有35KV 变电站设备的外观图像标准模板。当监控端软件接收到巡检机器人上传的变电站设备可见光图像后，立即将其与标准模板进行比对，当发现两者差值超过允许阁