電力計量用Ⅱ型采集器自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

魯 然，沈曙明，徐永進，丁徐楠，葉 盛

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

電能表和低壓電流互感器自動檢定系統(tǒng)已在全國范圍內(nèi)大規(guī)模實用化運行，相比傳統(tǒng)人工檢定模式，減少了檢定人員，提高了檢定效率[1－4]。而在電力計量用Ⅱ型采集器的檢測領(lǐng)域，因其體積小、定位難、接線頭不固定等因素[5]，目前在國內(nèi)仍采用人工檢測的方式[6－8]。

以國網(wǎng)浙江省電力有限公司計量中心為例，每年需檢測的電力計量用Ⅱ型采集器超過200萬臺，需要投入大量的人力及設(shè)備，工作效率低。為了提高檢測效率，減少人力和物力，急需研究電力計量用Ⅱ型采集器自動檢測技術(shù)。目前，國外對該技術(shù)的專題研究也處于空白狀態(tài)，沒有可借鑒的成熟可靠經(jīng)驗。

在綜合研究電力計量用Ⅱ型采集器型式結(jié)構(gòu)、工裝板、自動上/下料裝置、自動接拆線裝置、紙箱內(nèi)膜的基礎(chǔ)上，設(shè)計并開發(fā)了電力計量用Ⅱ型采集器自動檢測系統(tǒng)。以下將具體介紹電力計量用Ⅱ型采集器自動檢測系統(tǒng)各個關(guān)鍵設(shè)備的研究與設(shè)計。

1 系統(tǒng)實現(xiàn)

電力計量用Ⅱ型采集器自動檢測系統(tǒng)主要由硬件和軟件2部分組成，利用自動輸送設(shè)備將各功能裝置有機集成，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件部分主要包括上料裝置、輸送裝置、條碼掃描裝置、外觀檢查裝置、檢測裝置、下料裝置、空箱緩存裝置等。如圖2所示，裝有電力計量用Ⅱ型采集器的待檢箱通過上料主輸送線輸送至上料裝置，由上料機器人從周轉(zhuǎn)箱內(nèi)抓?、蛐筒杉?、定位并放到工裝板上；輸送裝置依次將工裝板輸送至條碼掃描裝置、外觀檢查裝置和檢測裝置，定位后依次完成條形碼識別、外觀檢查和檢測試驗；待全部檢測項目完成后，輸送裝置將工裝板輸送至下料裝置，由下料機器人完成合格與不合格Ⅱ型采集器的分揀和裝箱[9]。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

檢測裝置主要由信號源、功放、通信切換箱、串口服務(wù)器等組成，可實現(xiàn)120個Ⅱ型采集器同時在線檢測，如圖3所示。其中，信號源和A相、B相、C相3組功放作為電壓源，每組功放為40只Ⅱ型采集器供電；通信切換箱中安裝多種類型的抄控器，與采集器進行通信；串口服務(wù)器用于接收主站指令，并下發(fā)給抄控器。實際檢測中，主站根據(jù)獲取的采集器的通信參數(shù)，對與其載波模塊相匹配的抄控器進行自動查找與連接，繼而進行通信測試[10]。和現(xiàn)有的人工查找與連接相比，大大簡化了測試步驟，提高了檢測效率，且避免了因更換抄控器時對線路拉扯而對設(shè)備穩(wěn)定性造成的不利影響。

圖3 Ⅱ型采集器檢測裝置

1.2 軟件架構(gòu)

電力計量用Ⅱ型采集器自動檢測系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖4所示，包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層和應(yīng)用綜合展示層。各層次相互分離，但又存在數(shù)據(jù)交互，形成一種典型的WMS（平臺管理系統(tǒng)）+WCS（設(shè)備控制系統(tǒng)）+MVC（模型—視圖—控制器）框架。

1.2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件環(huán)境基于X86的Windows7平臺開發(fā)，整體采用C/S架構(gòu)，MVC框架設(shè)計[11]。軟件主要開發(fā)語言為java，C#，.Net和sql，基本開發(fā)工具為 eclipse， VS2010，Oracle10g， VisionPro7.2和PL/SQL8.0。軟件層主要包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層和應(yīng)用綜合展示層3類，各層作用如下：

（1）數(shù)據(jù)采集層：通過各種類型的通信協(xié)議以及接口從硬件設(shè)備獲取到需要的數(shù)據(jù)，如RS232，RS485，TCP/IP，ProfiNet等常用的工業(yè)通信技術(shù)協(xié)議[12]，讀取全部數(shù)據(jù)并保存到主控系統(tǒng)電腦內(nèi)存或者數(shù)據(jù)庫中，供給數(shù)據(jù)處理層。

（2）數(shù)據(jù)處理層：收集數(shù)據(jù)采集層的全部數(shù)據(jù)，通過分析進行分類，作出符合邏輯、符合前端簡單業(yè)務(wù)的預(yù)處理，快速組裝后將數(shù)據(jù)快速存儲到數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)內(nèi)存中。需數(shù)據(jù)查詢時，可通過快速查詢已分類數(shù)據(jù)，迅速從數(shù)據(jù)庫或者系統(tǒng)內(nèi)存中獲得對應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖4 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

（3）應(yīng)用綜合展示層：通過軟件界面各個模塊獲取數(shù)據(jù)處理層的數(shù)據(jù)，以可視化視圖的形式將設(shè)備各項數(shù)據(jù)展示在操作界面層[13]，操作人員可直接獲取設(shè)備運行的全部狀態(tài)和檢測數(shù)據(jù)，方便對檢測系統(tǒng)進行管理和操作。

1.2.2 測試功能

軟件按測試功能分為管理軟件、控制軟件和檢測軟件，主要由界面仿真、任務(wù)管理、系統(tǒng)操作、數(shù)據(jù)庫操作、圖像識別、檢測等模塊組成。各模塊既相互獨立，又相互關(guān)聯(lián)。界面仿真模塊顯示整個系統(tǒng)的實時運行情況，包括2D仿真、設(shè)備狀態(tài)和異常報警信息；任務(wù)管理模塊將系統(tǒng)接收到的檢測任務(wù)自動分配給各檢測單元，由各檢測單元按各自檢測能力競爭獲??；系統(tǒng)操作模塊可手動修改系統(tǒng)狀態(tài)，進行硬件動作，多用于異常情況的處理；數(shù)據(jù)庫操作模塊用于對檢測數(shù)據(jù)進行管理、保存及更新數(shù)據(jù)；圖像識別模塊顯示Ⅱ型采集器的銘牌信息和指示燈狀態(tài)，并和標準模板比對，自動判斷是否合格[14]；檢測模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)置的檢測方案，控制檢測裝置全自動完成檢測，判斷結(jié)果并保存至數(shù)據(jù)庫中。

2 關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計

2.1 Ⅱ型采集器型式結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Ⅱ型采集器尾部的軟導(dǎo)線姿態(tài)不固定、無支撐強度，在自動檢測過程中，自動上/下料和接拆線動作都將受到軟導(dǎo)線不規(guī)則擺放位置的干擾，無法實現(xiàn)準確定位，進而無法實現(xiàn)自動輸送和自動檢測工序。因此，首先需對Ⅱ型采集器的型式結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

對Ⅱ型采集器的背板結(jié)構(gòu)進行改進，增加背板長度，設(shè)計繞線立柱和固定底座，將軟導(dǎo)線纏繞在繞線立柱上，female接插件固定在底座上。背板與延長段之間折口采用打孔與分隔縫結(jié)合的方式，以方便掰斷延長段部分，并保證斷口整齊（如圖5所示）。

該設(shè)計方案僅改變Ⅱ型采集器的背板結(jié)構(gòu)，不改變內(nèi)部元器件布局，不影響電氣性能?，F(xiàn)場施工時，將背板延長段掰斷，并將female接插件連同軟導(dǎo)線從背板延長段上脫離，不影響現(xiàn)場裝接工作。female接插件和軟導(dǎo)線得到固定，自動檢測過程中不受軟導(dǎo)線影響，有效提高了檢測成功率和可靠性。

圖5 Ⅱ型采集器型式結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.2 Ⅱ型采集器工裝板的設(shè)計

由于Ⅱ型采集器檢測量大、輸送速率要求高，設(shè)計了10表位的工裝板，由底層輸送結(jié)構(gòu)、中間過渡結(jié)構(gòu)和采集器固定板組成，如圖6所示。

圖6 工裝板結(jié)構(gòu)

在工裝板的底部設(shè)計了RFID卡片，通過RFID讀寫頭將Ⅱ型采集器條形碼與工裝板進行綁定，輸送裝置將工裝板輸送到各裝置前便可讀取到RFID內(nèi)Ⅱ型采集器信息，與各裝置工位綁定并將信息存放于數(shù)據(jù)庫中。

2.3 自動上/下料裝置的設(shè)計

設(shè)計了Ⅱ型采集器自動上/下料的專用機械裝置，并與檢測系統(tǒng)有機集成，主要由小型工業(yè)化機器人、夾具、固定底座等組成。為滿足上/下料節(jié)拍的要求，上/下料機器人夾具均設(shè)計了5只真空吸盤，每次可同時吸取5只Ⅱ型采集器。每只吸盤均設(shè)計了真空壓力傳感器，可顯示吸盤真空度，以監(jiān)控吸盤吸力是否正常[15]。如圖7所示，自動上/下料裝置結(jié)構(gòu)相同。

圖7 自動上/下料裝置

面對Ⅱ型采集器體積小、定位困難的難題，設(shè)計了中轉(zhuǎn)臺，進行Ⅱ型采集器的姿態(tài)調(diào)整和精準定位，如圖8所示，中轉(zhuǎn)臺包括定位裝置和工位2個部分。上料時，上料機器人先從紙箱中吸?、蛐筒杉鞣胖玫街修D(zhuǎn)臺上進行定位，然后再從中轉(zhuǎn)臺上吸取放置到工裝板上；下料時，下料機器人先從工裝板上吸?、蛐筒杉鞣胖玫街修D(zhuǎn)臺上定位，再放置到紙箱中?？紤]到Ⅱ型采集器存在底面安裝天線接頭的樣式，將中轉(zhuǎn)臺的支撐下托設(shè)計為“L”型，在提供可靠支撐的同時避開了天線接頭和折板。

圖8 中轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)

Ⅱ型采集器下料的難點在于合格品與不合格品的分離。為了將合格品與不合格品分開裝箱并且裝滿，在下料中轉(zhuǎn)臺旁設(shè)計了下料分揀臺，由10個合格品工位、10個不合格品工位和2只單吸盤機械手組成，如圖9所示。當出現(xiàn)不合格品時，下料機器人先將合格與不合格品分別放到右側(cè)的5個工位中，再由2只單吸盤機械手分別將其對應(yīng)5個工位中的Ⅱ型采集器按從左往右的順序依次放到左側(cè)的工位中，當數(shù)量達到5只后再由下料機器人抓取至對應(yīng)的表箱中。此設(shè)計實現(xiàn)了合格與不合格Ⅱ型采集器的快速、自動分揀與裝箱。

圖9 下料分揀臺結(jié)構(gòu)

2.4 自動接拆線裝置的設(shè)計

自動接拆線裝置由壓接氣缸、壓接端子、導(dǎo)向定位滑塊等組成，設(shè)計為每個接線端子由1個氣缸帶動，并用1個滑軌進行導(dǎo)向，如圖10所示。這樣設(shè)計的優(yōu)點是5個Ⅱ型采集器的接拆線相對獨立穩(wěn)定，可消除5個Ⅱ型采集器的位置誤差對自動接拆線裝置的影響，并且在第一次壓接后通信不成功的情況下可進行二次壓接，保證了自動接拆線的成功率。

圖10 自動接拆線裝置

由于Ⅱ型采集器的插接頭較小，插接頭上4個孔的相對位置較近，因此需要設(shè)計自動接拆線的壓接端子。將壓接探針頭部設(shè)計成“圓角型”（如圖11所示），使得插入采集器時有一定導(dǎo)向，探針很方便進入采集器，并且與接線柱接觸面大，端子受力均勻，提高了接拆線的穩(wěn)定性。

2.5 紙箱內(nèi)膜的設(shè)計

Ⅱ型采集器在上料檢測前和下料裝箱后，均存放于紙箱內(nèi)膜中，為了方便機器人自動上/下料，需對紙箱內(nèi)膜進行特殊設(shè)計?？紤]機器人節(jié)拍及采集器存儲效率最大化，設(shè)計1個紙箱中豎放25只Ⅱ型采集器，并且采用5×5的模式進行布局。紙箱內(nèi)膜的兩側(cè)分別設(shè)計一列凹槽，用于放置Ⅱ型采集器的外接線。同時設(shè)計了接插頭缺口位置，使得Ⅱ型采集器按照反方向無法放入，避免因人為因素將Ⅱ型采集器裝反。

圖11 “圓角型”探針示意

紙箱內(nèi)膜在物流運輸及機器人上/下料過程中易破損，降低了上/下料成功率。為此將紙箱內(nèi)膜設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)，在內(nèi)膜下面增加了加固型內(nèi)膜，增強了紙箱內(nèi)膜的強度，提高了檢測效率，如圖12所示。

圖12 紙箱內(nèi)膜結(jié)構(gòu)

3 應(yīng)用分析

通過對關(guān)鍵設(shè)備的研究與設(shè)計，研制成功了1套120表位的電力計量用Ⅱ型采集器自動檢測系統(tǒng)樣機，并在某公司試運行。經(jīng)過對樣機4個月試運行結(jié)果的分析，各項技術(shù)方案均達到了設(shè)計指標要求，成效十分明顯。

2016年11月，浙江省計量科學(xué)研究院對系統(tǒng)進行了第三方測試。通過向系統(tǒng)下達檢測任務(wù)，進行3 h的滿負荷連續(xù)運轉(zhuǎn)試驗，試驗過程中對各裝置功能進行測試，結(jié)束后統(tǒng)計系統(tǒng)檢測能力、上/下料成功率、一次性數(shù)據(jù)采集成功率、誤檢率、錯檢率等技術(shù)指標，結(jié)果如表1所示。

由表1可見，檢測結(jié)果均符合要求，相比于人工檢測時間每批次60 min，系統(tǒng)檢測效率提高了4倍以上。按年檢測量200萬只電力計量用Ⅱ型采集器測算，系統(tǒng)可減少作業(yè)人員42人，減少檢測場地860 m2。檢測效率的提高，能有效改善原來Ⅱ型采集器供需緊張的局面，提升了Ⅱ型采集器的配送服務(wù)能力，加快推進Ⅱ型采集器的配送進程。整個檢測過程無人工干預(yù)，通過先進的管理方法和手段，實現(xiàn)信息管理和設(shè)備控制的有機集成，按照控制指令要求自動完成Ⅱ型采集器檢測作業(yè)的各環(huán)節(jié)，使檢測能力和管理水平大幅提高，并減少了人員到現(xiàn)場處理故障的頻次，提升了企業(yè)的公信力。

表1 第三方測試結(jié)果

4 結(jié)語

新技術(shù)和新方案的應(yīng)用需要經(jīng)過長時間運行來檢驗其穩(wěn)定性。在電力計量用Ⅱ型采集器自動檢測系統(tǒng)設(shè)計過程中多次消除了各類大小故障、缺陷，無論硬件還是軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性還需進一步完善、優(yōu)化。

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