基于數(shù)字功放的拆回電能表分揀裝置

劉含露 朱文波 林綠浩

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司咸寧供電公司 湖北省咸寧市 437100）

對(duì)于拆回電能表的分揀工作，目前主要依靠基層人員人工手動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，人工通電、手動(dòng)讀取并抄錄止碼信息、查看存儲(chǔ)或計(jì)量故障等信息并進(jìn)行分揀結(jié)果記錄。人工手動(dòng)拆回電能表的分揀方式存在錯(cuò)檢誤檢率無法保障、效率低、分揀環(huán)境雜亂無章等問題。針對(duì)人工分揀存在的問題，本文提出一種自動(dòng)智能化分揀方式，采取分揀裝置自動(dòng)通電、電能表智能檢測(cè)、檢測(cè)結(jié)果智能記錄等流程，實(shí)現(xiàn)拆回電能表能夠高效、準(zhǔn)確、可靠的分揀工作。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，掃碼槍實(shí)現(xiàn)電能表信息讀取以及錄入。數(shù)字功放系統(tǒng)提供待檢電能表電源，并與電能表進(jìn)行交互完成電能表基本功能檢測(cè)。通過載波測(cè)試系統(tǒng)完成電能表載波通信功能的檢測(cè)，紅外抄表系統(tǒng)完成電能表紅外通信功能的檢測(cè)。圖像識(shí)別系統(tǒng)通過拍攝完成電能表止碼錄碼、外觀等檢測(cè)。從各個(gè)不同的維度完成電能表的檢測(cè)分揀工作，最終輸出電能表分揀結(jié)果。

1.2 數(shù)字功放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字功放系統(tǒng)主要針對(duì)拆回電能表基本功能進(jìn)行檢測(cè)，包括電壓電流量程、日計(jì)時(shí)誤差、計(jì)量誤差等[1]。數(shù)字功放系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2 所示。

1.2.1 功率源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

功率源系統(tǒng)主要輸出全量程電壓電流，實(shí)現(xiàn)電能表基本功能檢測(cè)，其工作流程：當(dāng)上位機(jī)下發(fā)輸出電壓電流命令后，信號(hào)源進(jìn)過內(nèi)部處理輸出，提供一個(gè)sin 波給功率源系統(tǒng)，功率源系統(tǒng)中的前置PWM 電壓、電流放大電路板內(nèi)部的三角波發(fā)生電路產(chǎn)均生一個(gè)三角波，sin 波以及三角波兩種波形比較產(chǎn)生一個(gè)PWM 波，此PWM 波通過功率源內(nèi)部電路處理分成4 路PWM 波，經(jīng)過調(diào)制解調(diào)電路以及濾波放大電路產(chǎn)生sin 波，再進(jìn)過升壓器或者升流器輸出電壓電流[2]。不同檔位的電壓電流輸出配合饋網(wǎng)系統(tǒng)通過升壓器以及升流器來進(jìn)行控制輸出，其輸出精度受標(biāo)準(zhǔn)表以及補(bǔ)償電路控制，準(zhǔn)確度等級(jí)不低于0.1 級(jí)[3]。

1.2.2 饋網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

饋網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要為了電能表供電切擋的實(shí)現(xiàn)，兼容全量程輸出。CUP 控制單元采用PIC 系列單片機(jī)，控制電壓電流的切擋功能，電壓、電流均采用隔離光耦驅(qū)動(dòng)MOS 管，進(jìn)而控制繼電器的開閉切換，實(shí)現(xiàn)切擋。

1.2.3 信號(hào)源設(shè)計(jì)

信號(hào)源主要為功率源系統(tǒng)提供一個(gè)sin 波，與其內(nèi)部發(fā)生的三角波進(jìn)行對(duì)比產(chǎn)生PWM 波，最終實(shí)現(xiàn)功率輸出。信號(hào)源工作原理主要是通過單片機(jī)XC6SLX45-2FGG484I 控制DAC8812ICPWR 芯片完成DAC 輸出，經(jīng)過波形表換實(shí)現(xiàn)sin 波的輸出。需要注意的是在DAC 輸出時(shí)需要提供兩個(gè)DAC 電壓基準(zhǔn)。

1.2.4 時(shí)鐘源設(shè)計(jì)

時(shí)鐘源系統(tǒng)提供輸出500K 信號(hào)，用于檢測(cè)電能表日計(jì)時(shí)誤差。系統(tǒng)電源由總電源220V 提供，經(jīng)過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)直流供電15V，經(jīng)過幾路DC-DC 電源電路分別給不同的芯片電路提供供電。系統(tǒng)內(nèi)部使用晶體振蕩器，輸出標(biāo)準(zhǔn)的5VTTL 電平，晶振頻率準(zhǔn)確度＜±30ppb/25℃，通過雙四位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的應(yīng)用保證準(zhǔn)確性，通過雙MOS 控制電路，實(shí)現(xiàn)500K 信號(hào)的輸出，通過與表位單元系統(tǒng)連接，經(jīng)過串口服務(wù)器傳輸，最后通過RJ45 接口由交換機(jī)與上位機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)功能。

1.2.5 標(biāo)準(zhǔn)表設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)表系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)計(jì)量誤差功能檢測(cè)、電能表供電功能檢測(cè)。供電主要由LTM4622Y 電源芯片以及幾路DC-DC 電路實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部通過XC6SLX45 型號(hào)的FPGA、MX25L12835FM2I-10G 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)FLASH、電壓回路A/D 轉(zhuǎn)換電路、電壓回路A/D 轉(zhuǎn)換電路、CT補(bǔ)償電路提供標(biāo)準(zhǔn)電壓電流、計(jì)量信息，用于檢測(cè)拆回電能表的供電以及計(jì)量誤差等信息。

1.2.6 通信單元設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)交互主要通過CAN 總線通信或者RS-485 通信，分別為CAN 通信電路以及485 通信電路。

1.3 載波測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 寬帶載波測(cè)試工裝設(shè)計(jì)

寬帶載波測(cè)試工裝主要針對(duì)安裝HPLC 載波模塊的電能表進(jìn)行通信功能檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，通過上行通過RS232 串口與交換機(jī)進(jìn)行連接，下行直接連接待測(cè)電能表取電端子，其工作硬件原理框圖如圖3 所示。

通過載波芯片TC9202 TCS091.+TCS091 對(duì)于信號(hào)的處理實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送與接收功能。載波芯片TC9202 TCS091.+TCS091 接口為串行UART 口，而交換機(jī)接口為RS-232、RS-485 標(biāo)準(zhǔn)串口通信接口，故中間需要RS-232 接口電路，通過SP3232EEN-L/TR 芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

具體工作原理為：當(dāng)上位機(jī)發(fā)出通信功能檢測(cè)命令時(shí)，交換機(jī)通過RJ45 接口完成命令的轉(zhuǎn)發(fā)通信，經(jīng)由232 接口電路完成電平轉(zhuǎn)換到載波芯片端口為TTL電平信號(hào)，載波芯片完成D/A信號(hào)處理，通過發(fā)送電路使用發(fā)送PA 放大芯片進(jìn)行信號(hào)放大、載波耦合電路耦合到電能表接線端子，與電能表進(jìn)行交互，讀取相應(yīng)的抄讀數(shù)據(jù)，抄讀信結(jié)果通過接收濾波電路濾除異頻干擾信號(hào)，保留同頻信號(hào)，將信號(hào)傳輸?shù)捷d波芯片TC9202 TCS091.+ TCS091，載波芯片實(shí)現(xiàn)A/D 信號(hào)處理，仍通過232 接口電路實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，通過交換機(jī)最終反饋給上位機(jī)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能。

1.3.2 窄帶載波測(cè)試工裝設(shè)計(jì)

窄帶載波測(cè)試工裝，檢測(cè)對(duì)象為安裝窄帶載波模塊的電能表，其硬件原理參考寬帶載波測(cè)試工裝設(shè)計(jì)。

使用載波芯片TCS081F 實(shí)現(xiàn)載波信號(hào)的發(fā)送接收處理，接收信號(hào)時(shí)，耦合信號(hào)經(jīng)過濾波接收電路后，信號(hào)解調(diào)電路使用TC6003A 芯片進(jìn)行信號(hào)的解調(diào)，然后再通過載波芯片TCS081F 處理，使用SP3232EEN-L/TR 芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，完成整個(gè)通信功能的檢測(cè)。

2 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件系統(tǒng)基于C++builder 開發(fā)環(huán)境，使用C++語言進(jìn)行編寫，其中圖像識(shí)別功能基于OpenCV 庫開發(fā)，在完成系統(tǒng)開發(fā)后，首先在實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)際環(huán)境進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行，能夠正常調(diào)試運(yùn)行后，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行測(cè)試檢測(cè)，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)電能表分揀工作的需求，以止碼錄碼檢測(cè)為例，其軟件系統(tǒng)工作流程如圖1 所示。

當(dāng)需要進(jìn)行止碼錄碼功能檢測(cè)時(shí)，上位機(jī)根據(jù)需求選擇配置的檢測(cè)方案，優(yōu)先默認(rèn)選擇載波方式進(jìn)行通信檢測(cè)，與待測(cè)電能表進(jìn)行通信，通信后的結(jié)果反饋到上位機(jī)系統(tǒng)，通信成功則進(jìn)行下一步工作，系統(tǒng)完成止碼錄碼工作，連續(xù)通信失敗則檢測(cè)判斷電能表載波通信功能異常，重新選擇紅外檢測(cè)方式進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果反饋上位機(jī)，如果成功和進(jìn)行下一步止碼錄碼工作，連續(xù)失敗則判斷電能表紅外功能異常，重新選擇拍攝檢測(cè)方式，使用高精度攝像頭進(jìn)行拍照完成止碼信息的錄入，軟件工作流程框圖如圖4 所示。

上位機(jī)軟件界面采用任務(wù)靈活配置，將所有包含的檢測(cè)命令項(xiàng)均通過代碼實(shí)現(xiàn)，建立一個(gè)完整的檢測(cè)命令庫，將單一檢測(cè)項(xiàng)均規(guī)整添加進(jìn)去，對(duì)于需要的檢測(cè)項(xiàng)，可通過新建檢測(cè)方案來實(shí)現(xiàn)，方案包含檢測(cè)項(xiàng)靈活配置，并存檔保留，重復(fù)應(yīng)用性好。

另外拍攝檢測(cè)方式不單單是進(jìn)行電表信息拍照，上傳存儲(chǔ)到系統(tǒng)，還包括對(duì)拍攝結(jié)果的圖像識(shí)別功能，識(shí)別結(jié)果可以在系統(tǒng)中存儲(chǔ)與拍攝結(jié)果進(jìn)行對(duì)比留檔，進(jìn)一步提升檢測(cè)的可靠性。

3 結(jié)論

本文對(duì)拆回電能表分揀裝置進(jìn)行了研究，采用數(shù)字功放原理，經(jīng)過一系列硬件集成、配合實(shí)現(xiàn)拆回電能表分揀功能。在進(jìn)行功能檢測(cè)時(shí)功放系統(tǒng)使用PWM 前置放大電路、電壓電流功放電路、IGBT 放大電路能夠?qū)崟r(shí)提供全量程供電以及電源切換，而配合時(shí)鐘源、信號(hào)源、標(biāo)準(zhǔn)表系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確日計(jì)時(shí)誤差檢測(cè)、計(jì)量存儲(chǔ)信息等功能檢測(cè)，準(zhǔn)確高效的實(shí)現(xiàn)電能表功能檢測(cè)，完成分揀功能。

分揀裝置經(jīng)過實(shí)際使用，非常適用于拆回電能表的分揀檢測(cè)，對(duì)于拆回電能表支持645協(xié)議、698協(xié)議，對(duì)于一些外觀、計(jì)量、時(shí)鐘、存儲(chǔ)問題均能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，且設(shè)備輕便靈活，易于移動(dòng)，操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性、可靠性、安全性均能滿足大范圍推廣。

4 總結(jié)

文中主要論述了整個(gè)數(shù)字功放系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以及組成模塊，配合載波測(cè)試系統(tǒng)、紅外抄表測(cè)試系統(tǒng)、圖像識(shí)別系統(tǒng)完成拆回電能表的分揀工作，能夠?qū)崿F(xiàn)日計(jì)時(shí)誤差、計(jì)量誤差、通信功能檢測(cè)，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)要求，且通過自動(dòng)化分揀手段大大較少了人工成本，提高了分揀準(zhǔn)確度，以及可靠性、安全性也得到保證。