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GIS设备内部检查及清理机器人

编辑:   发布时间:2018-08-10

1  项目背景

    近年来GIS装用量越来越大,截止到2015年底, 63~1000kV组合电器在运量将超过60000间隔,年平均增长率超过13%,对供电可靠性和安全稳定运行要求的提升,GIS组合电器类设备正越来越被各级电网使用。而当GIS内部发生故障或检测到缺陷进行解体检查时,由于罐体长度较长、空间较小、或部分设备存在死角位置,无法有效发现设备内部缺陷部位及缺陷原因,更无法直接清理内部异物。考虑到三相共箱式GIS管母内部母线排布不同引起空间狭小(如图1所示)无法检查或清理,需要付出大量的时间拆解方可检查清理异物。因此,项目研发GIS设备内部检查及清理机器人,将GIS设备内部检查及清理机器人置于GIS罐体内部,遥控移动该装置并附带360°可活动高清摄像头及辅助异物清理设备,实现GIS腔体内部可视化,避免长母线或死角部位无法查看现象;同时对于罐体底部异物时可应用辅助功能进行清理,为GIS设备故障诊断分析验证以及异物清理提供帮助。

图1 三相共箱式GIS管母排布图(不同排布方式)

    GIS设备内部检查及清理机器人研制及应用旨在解决GIS内部发生故障或检测到缺陷进行解体检查时,由于罐体长度较长、空间较小、或部分设备存在死角位置,无法有效发现设备内部缺陷部位及缺陷原因,更无法直接清理内部异物问题。

    GIS设备内部检查及清理机器人可以解决由于GIS罐体长度较长、空间较小、或部分设备存在死角位置,无法有效发现设备内部缺陷部位及缺陷原因,更无法直接清理内部异物;现场故障GIS设备解体后,可实现对故障GIS腔体内部结构、故障情况可视化,内部异物查看以及异物清理。为GIS设备故障诊断分析验证以及异物清理提供帮助,缩短检修维护时间。

    该项目的研发具有较高的经济效益和社会效益,设备研发成功后,检修人员只需要打开手孔,把该装置放置设备内部然后遥控该装置进行GIS内部故障可视化检查以及检查异物情况,针对于故障严重的设备根据检查结果再安排下一步的处理工作,对于小异物可以直接进行遥控清理,不需要在进行大规模解体检查清除异物工作。该项目所研发的设备如果在GIS设备故障后进行检查或异物清理工作中应用,将大大缩短设备的GIS设备的故障检修时间,能够干净有效的清理异物,为电力设备保驾护航。

2  研究内容

2.1  GIS设备内部检查及清理机器人本体的研究

    GIS设备内部检查及清理机器人研制及应用项目旨在解决对GIS腔体进行可视化检查同时进行异物清扫的问题,本体结构分为四部分:可视化系统、移动平台、人机交互系统、电源系统,其整体结构框图如图2所示。

图2  GIS设备内部检查及清理机器人总原理图

2.2  GIS设备内部检查及清理机器人的硬件设计

GIS设备内部检查及清理机器人的硬件主要为:可视化系统、移动平台、人机交互系统、电源系统。

    硬件部份是整个设备运行的保障,在设计硬件电路时,从电路的原理设计、电子零部件的选型以及制造安装过程,充分考虑到了设备运行的可靠性、可扩展性。该设备电路部份主要由电源、人机交互电路、驱动电路、传感器采集模块等几部分组成。

2.3  GIS设备内部检查及清理机器人的App设计

    嵌入式App是该设备的重要组成部份,良好的嵌入式App可保障设备可靠准确运行,该App也是与Android操作平台上下沟通的桥梁。App采用先进的模块化、多任务设计理念,使硬件的各部份功能在任务调度机制下协调工作。App采用抢占式调度实时多任务处理,该处理方式能在系统运行时,任何情况都运行最高的优先级任务,以确保关键任务被及时处理。在整个设备的系统中,硬件电路处于从机地位,因此,串口处理处于最高优先级任务,以确保Android操作平台所发送的指令,及时被实行以及反馈上去。多个任务之间,采用信号量、邮箱、消息队列、事件标志等处理之间的联系以及对临界资源的访问。

    依照硬件电路的划分,嵌入式App按照功能相应划分为:通信处理,输入接口处理,输出处理,现场环境信息采集等部分。

    良好的硬件电路设计以及嵌入式App的设计,为Android系统人机交互平台的数据处理以及指令实行,提供流畅的途径,使硬件设备能流畅地实现设备所需的功能。其整体的流程如图3所示。

图3 系统App架构流程图

    为更好实现对GIS管道腔体的可视化检测及腔体底部的异物清扫,GIS设备内部检查及清理机器人系统的人机交互平台采用基于蓝牙手柄的Android操作平台,从而可以通过调节手柄的按钮来实现相关操作指令输入。具体的人机交互平台控制框图如图4所示。

图4人机交互平台控制框图

    从图4可以看出,GIS设备内部检查及清理机器人系统通过无线的方式实现GIS设备内部检查及清理机器人硬件系统与人机交互平台之间的信号交流。在人机交互平台中,其主体为基于Android系统的平板控制台,并将其集成到蓝牙手柄控制终端,用以实现GIS设备内部检查及清理机器人视频模块的实时信息显示、GIS设备内部检查及清理机器人运动姿态的监测、GIS设备内部检查及清理机器人系统状态的监测以及运动控制模块的监测。对应各模块的功能及其监控画面如下图所示。

    如图5所示为GIS设备内部检查及清理机器人系统的人机交互平台主控界面,从图中可以看到,整个主控界面包含3D动画显示模块、现场环境的实时显示模块、移动平台运动姿态的实时控制、吸尘装置的实时控制以及GIS设备内部检查及清理机器人机械臂部分的控制,同时,在主界面中,还伴有当前电量的提示,当人机交互平台的电量过低时,系统会语音提示用户,当前的电量较低,请及时充电。

图5 人机交互界面主控图

3  项目的先进性

3.1  GIS设备内部检查及清理机器人的理念

    本项目针对现有对GIS管道的检修不能兼顾腔体内部可视化以及腔体底部异物清扫的问题,设计了一种能用于GIS内腔可视化检查及腔体底部异物清扫的装置,考虑到安全系数增加了故障卡涩、电量不足自返回机制,该系统以提高GIS管道的安全运行、降低电力GIS设备检修的人力成本为目的。GIS设备内部检查及清理机器人集成了嵌入式软硬件技术、传感与检测技术、运动控制技术等多学科技术,具有集成化程度高、兼容性强、功能多样化等特点。

3.2  GIS设备内部检查及清理机器人本体新型结构

    从外观来看,在整体架构上,设计的GIS设备内部检查及清理机器人由移动平台和六轴机械臂组成。其中,考虑到GIS管道内壁为弧形面,GIS设备内部检查及清理机器人工作空间小的问题,将移动平台车体设计为弧形结构,以便在有限的空间内扩大GIS设备内部检查及清理机器人的工作空间。同时,考虑到GIS设备内部检查及清理机器人运动过程中的稳定性,集成到移动平台上各模块的组装采用了科学分布、合理配重的原则,以保证GIS设备内部检查及清理机器人的重心始终位于其几何中心附近。为实现对GIS腔体内壁的无死角检测,六轴机械臂可在预定的空间内按特定的轨迹移动、360°旋转检查GIS腔体内部结构。

3.3  基于麦克纳姆轮的独立悬挂驱动机构

    为保证GIS设备内部检查及清理机器人在GIS管道腔内能实现全向运动,设计的GIS设备内部检查及清理机器人采用了基于麦克纳姆轮的独立悬挂驱动机构。该机构通过麦克纳姆轮的全方位移动方式,实现了GIS设备内部检查及清理机器人在GIS管道腔内左右各20゜的移位;保证了GIS设备内部检查及清理机器人前进的速度。采用独立悬挂驱动机构的方式更好的保证了GIS设备内部检查及清理机器人运动过程中的稳定性。

3.4  基于Android平台及蓝牙手柄操控的人机交互平台

    为更好的保障GIS设备内部检查及清理机器人运行的可靠性,实现友好的人机交互,在GIS设备内部检查及清理机器人人机交互平台的设计上,采用了将Android嵌入式操作系统集成到蓝牙操控手柄上的架构。其中Android嵌入式系统架构分为硬件层、内核驱动层、Android底层驱动层、Android应用层等几层构成。Android嵌入式系统可进行模块化应用开发,以保证系统的稳定性,且具有独立的数据库管理的机制,因此能进行大数据量的操作。在人机交互方面,Android系统可以将UI独立出来,以实现更美观和实用的人机交互界面。而蓝牙操作手柄则体现在对人机交互平台的控制方面,通过该结构,操控人员能更好的感知人机交互平台。

3.5  基于Intel Edison平台的及stm32协处理器的硬件实现

    在硬件结构的设计上,GIS设备内部检查及清理机器人整体架构的控制基于一款针对物联网、智能硬件的微型计算机平台-Edison平台。在本GIS设备内部检查及清理机器人硬件架构的设计中,该平台运行在Yocto Project Linux系统上,同时支撑Arduino、Eclipse的开发。

3.6  独特的电机驱动系统及摄像头补光措施

    在GIS设备内部检查及清理机器人的设计中,考虑到现有驱动芯片驱动能力差、发热大的问题,对GIS设备内部检查及清理机器人系统的电机及舵机控制中,采用MOS搭建了H桥,以便更好的驱动对应模块的运行,同时加入了相应的隔离保护措施(如电机过流保护)。而在摄像头的补光方面,考虑到GIS管道内腔光线较暗,摄像头拍摄光照不足等情况,对高清摄像头的拍照过程增加了补光方案,通过改变对应脉冲的宽度来实现对LED灯亮度的调节,从而使摄像头采集到的图像更加清晰。

3.7  可扩展性

    设计的GIS设备内部检查及清理机器人架构主要是结合了管道机器人工作的特点。考虑到不同的工作环境,GIS设备内部检查及清理机器人控制系统集成在GIS设备内部检查及清理机器人的移动平台上,其控制中心与机械臂之间可拆卸重组,以便适应不同环境的需要。另一方面,独特的蓝牙手柄操控Android架构人机交互平台,该平台可组装、拆解,同时还能适应各种不同的环境,对具有类似的交互平台都能应用。

4  项目的创新点

4.1  技术创新

1)GIS设备内部检查及清理机器人的理念;2)GIS设备内部检查及清理机器人本体弧形结构;3)基于麦克纳姆轮的独立悬挂驱动机构;4)基于Android平台及蓝牙手柄操控的人机交互平台;5)基于Intel Edison平台的及stm32协处理器的硬件实现;6)独特的电机驱动系统及摄像头补光措施。

4.2  方法创新

1)为GIS设备安装后及投运前提供一种全新的检查手段,避免GIS设备安装过程中产生的异物等问题在设备试验时及投运后引起设备故障;

2)当GIS设备状态检测手段检测出缺陷时,提供一种辅助开盖检查的工具,为缺陷的查找提供有效帮助;

3)当设备故障后,为设备故障后内部状态的检查提供辅助工具。

4.3  创意

1)缩小机器人的尺寸,满足110kV及以上GIS设备内部检查需求;

2)开发柔性关节技术,实现GIS内部检查更加灵活;

3)实现智能识别技术,异物检查功能更加智能;

4)模块化设计,根据设备故障辅助分析的不同情况搭载不同的模块。

5  应用效果

    项目实施后已在上海思源电气股份有限企业110kV、220kV及500kVGIS开关设备内部进行应用,在六盘山750kV变电站缺陷处理应用,灵州换流变电站7532断路器故障处理现场应用,大大缩短GIS及开关设备的故障检修时间,能够有效的清理异物,为电力设备保驾护航,可以节省大量的人力、物力,同时为设备投运前提供一种全新检查手段,具有很好的经济、社会效益。

主创人员:马飞越、丁  培、王  博、田  禄、朱洪波、黎  炜、胡  伟、郭  飞、魏  莹、刘威峰、周  秀、李奇超、倪  辉、徐玉华、牛  勃、伍  弘

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