變配電開(kāi)關(guān)柜電動(dòng)操作按鈕就地遙控分合裝置研究與應(yīng)用

袁季方，陳蘇芳，王林發(fā)，楊丕瀠，廖志華，林 榕

（國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司龍巖供電公司，福建 龍巖 364000）

開(kāi)關(guān)分合閘操作是電力運(yùn)維人員的基礎(chǔ)工作，遠(yuǎn)方遙控操作開(kāi)關(guān)是避免開(kāi)關(guān)爆炸傷人的有效措施，但由于受成本限制，在當(dāng)前電力開(kāi)關(guān)設(shè)備未普遍具備遠(yuǎn)方遙控操作功能的形勢(shì)下，本文研制一種變配電開(kāi)關(guān)柜電動(dòng)操作按鈕就地遙控分合裝置，可以遠(yuǎn)程操作開(kāi)關(guān)，避免運(yùn)行人員就地操作時(shí)因開(kāi)關(guān)爆炸造成的傷人事故。

1 變配電開(kāi)關(guān)柜電動(dòng)操作按鈕就地遙控分合裝置原理和結(jié)構(gòu)

操作按鈕就地遙控分合裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。裝置主要有2 部分組成：機(jī)械手執(zhí)行部分和機(jī)器視覺(jué)部分。機(jī)械手及其控制部分包括核心控制器、機(jī)械手、控制開(kāi)關(guān)、無(wú)線通信，其作用為正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制和分析，利用無(wú)線通信控制電機(jī)操作開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)，達(dá)到分合開(kāi)關(guān)的目的。機(jī)器視覺(jué)部分，作用是將機(jī)器視覺(jué)識(shí)別到的開(kāi)關(guān)中心點(diǎn)坐標(biāo)傳送到機(jī)械手操作系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換成機(jī)械手的坐標(biāo)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將機(jī)械手精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)柜操作機(jī)構(gòu)。

圖1 變配電開(kāi)關(guān)柜電動(dòng)操作按鈕就地遙控分合裝置結(jié)構(gòu)框架

1.1 核心控制器

選擇STC89C51 單片機(jī)作為操作按鈕就地遙控分合裝置的核心控制器，根據(jù)項(xiàng)目須求設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的STC89C51 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的原理圖如圖2所示。

圖2 電動(dòng)操作按鈕就地遙控分合裝置控制器原理圖

該原理圖中電位器RV1 采集電壓信號(hào)；用轉(zhuǎn)換器ADC0808 對(duì)輸入電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)；用總線將ADC0808的OUT8～OUT1 口與單片機(jī)STC89C51 的P1 口相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的傳送，硬件電路中用P1 口作為通用IO 準(zhǔn)雙向動(dòng)態(tài)端口，輸入控制指令（延時(shí)常數(shù)）。用P3.7 口作為輸出控制信號(hào)（輸出脈沖），控制OP07 的3 端的信號(hào)輸入。用RV1 采集電壓信息，IN0 作為電壓模擬信號(hào)輸入。OUT8 為最低位，OUT1 為最高位，OUT 端口作為數(shù)字信號(hào)的輸出，將OUT8～OUT1 分別接到單片機(jī)的P1.0～P1.7。電路為12 MHz 晶振頻率工作。

1.2 機(jī)械手

機(jī)械手使選用AI 視覺(jué)識(shí)別4 代機(jī)械手臂，它具有五自由度，能夠接受控制器的指令完成開(kāi)關(guān)的控制任務(wù)。圖3 為機(jī)械手組成結(jié)構(gòu)和功能介紹，該機(jī)械手由底部基座、5 個(gè)數(shù)字舵機(jī)、手腕、小臂、大臂和金屬爪子組成。

圖3 就地遙控分合裝置機(jī)械手

1.2.1 舵機(jī)和舵機(jī)支架

舵機(jī)可以精準(zhǔn)地控制舵盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，因此采用舵機(jī)作為機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置。舵機(jī)內(nèi)部由電機(jī)、控制電路板、齒輪組、電位器4 部分組成。當(dāng)控制脈沖信號(hào)傳送到舵機(jī)的控制電路后，開(kāi)始控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)通過(guò)變速齒輪組帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)可調(diào)電位器轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂齐娐钒鍣z測(cè)到電位器轉(zhuǎn)動(dòng)后，會(huì)判斷電位器是否轉(zhuǎn)動(dòng)到了指定角度，如果轉(zhuǎn)動(dòng)到了指定角度就讓電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，否則將繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

舵機(jī)支架采用6061 鋁合金，具備良好的耐腐蝕性，韌性高，且加工成型后不易變形。表面經(jīng)過(guò)烤漆處理，廣泛應(yīng)用于汽車、地鐵等交通運(yùn)輸工具，還被應(yīng)用于制作飛機(jī)蒙皮、飛機(jī)機(jī)身框架、火箭鍛環(huán)、宇宙飛船壁板等航空航天設(shè)備中。

1.2.2 電源

對(duì)需要的鋰電池容量進(jìn)行計(jì)算。鋰電池容量的計(jì)算公式為：

C鋰電池的容量=I放電電流×T放電時(shí)間

計(jì)算該容量時(shí)須要考慮2 點(diǎn)要求，一是保證電機(jī)輸出扭矩達(dá)到50 N·m；二是能夠持續(xù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)50 min。為達(dá)到輸出扭矩的要求，所選無(wú)刷直流電機(jī)產(chǎn)品的額定電壓和額定功率分別為36 V 及360 W，可知：

I額定=P額定/U額定=360/36=10 A

計(jì)算驅(qū)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)時(shí)須要考慮蓄電池的放電特性。由于放電過(guò)程是非線性的，放電后期電池的存儲(chǔ)容量越少，放電就越快，因此實(shí)際有效時(shí)間比理論時(shí)間要短。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選取裕量系數(shù)為0.75，得到的驅(qū)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)T為1.12 h。所以，鋰電池容量C=I×T=11.2 A·h=11 200 mA·h。

1.3 控制開(kāi)關(guān)

控制開(kāi)關(guān)的作用為控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止的元器件，綜合考慮開(kāi)關(guān)的環(huán)境溫度、接觸電阻、絕緣電阻、壽命、操作力以及耐壓水平等因素，船形開(kāi)關(guān)的使用壽命為15 000 次，性能滿足要求，因此選用船形開(kāi)關(guān)。

1.4 無(wú)線通信

變配電開(kāi)關(guān)柜電動(dòng)操作按鈕就地遙控分合裝置機(jī)械手須要考慮電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止等控制信號(hào)的傳輸方式。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的通信速率為100～16 Mbit/s，且無(wú)需路由器等中間設(shè)備，所以選用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式。射頻識(shí)別通信距離為9～10 m，在通信速率滿足要求的前提下，該方式具有通信安全性高及生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì)，因此采用射頻識(shí)別進(jìn)行無(wú)線控制，根據(jù)要求設(shè)計(jì)的射頻識(shí)別無(wú)線控制電路圖如圖4所示。

圖4 射頻識(shí)別無(wú)線控制電路圖

1.5 攝像頭

機(jī)器視覺(jué)部分是操作按鈕就地遙控分合裝置控制開(kāi)關(guān)的首要步驟，它的工作任務(wù)就是在機(jī)械手操縱開(kāi)關(guān)之前利用攝像頭對(duì)當(dāng)前開(kāi)關(guān)進(jìn)行拍攝，然后對(duì)拍攝到的圖像進(jìn)行顏色空間轉(zhuǎn)換、濾波等處理，使圖像更加平滑、干凈，并提取所需的開(kāi)關(guān)中心點(diǎn)信息，通過(guò)OpenCV 工作空間轉(zhuǎn)換相應(yīng)坐標(biāo)信息發(fā)送給機(jī)械手控制器進(jìn)行開(kāi)關(guān)操縱。

2 應(yīng)用效果

2.1 有效性驗(yàn)證

本文選取3 種品牌環(huán)網(wǎng)柜、2 種品牌KYN28 柜，利用就地遙控分合裝置分合開(kāi)關(guān)以驗(yàn)證有效性，每個(gè)品牌分合50 次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。為檢查開(kāi)關(guān)分合閘是否到位，每次操作完畢后，均人工檢查，檢查發(fā)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)均分合閘到位。

表1 不同品牌變配電開(kāi)關(guān)柜操作試驗(yàn)

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：操作桿具備旋轉(zhuǎn)功能良好，調(diào)整角度達(dá)到0～180°；可以用無(wú)線控制電機(jī)帶動(dòng)開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)，扭矩達(dá)到了70 N·m，適合所有類型的變配電開(kāi)關(guān)柜。

2.2 遙控距離驗(yàn)證

機(jī)器人采用射頻識(shí)別通信，理論上通信距離為9～10 m。選取1～15 m 不同的距離下，每種距離對(duì)泰開(kāi)KYN28 無(wú)線遙控操作20 次，測(cè)試操作成功率，如表2 所示?？梢钥闯觯瑢?shí)際操作時(shí)，遙控距離8 m 可以完全確保操作人員安全，具有很好的安全性。

表2 不同通信距離下無(wú)線遙控操作成功率 %

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了一種變配電開(kāi)關(guān)柜電動(dòng)操作按鈕就地遙控分合裝置，具有3 個(gè)特點(diǎn)：代替人工，使用機(jī)械遠(yuǎn)程操作開(kāi)關(guān)，避免了人員柜前操作的危險(xiǎn)性；適用范圍廣，適合多種品牌的開(kāi)關(guān)柜；遙控距離遠(yuǎn)，距離8 m 即可操作開(kāi)關(guān)，確保遠(yuǎn)程操作人員的安全。試驗(yàn)驗(yàn)證了該機(jī)器人的安全性和有效性，具備良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。