千萬(wàn)級(jí)電能計(jì)量器具全自動(dòng)檢測(cè)研究與設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)江蘇省電力公司千萬(wàn)級(jí)規(guī)模電能計(jì)量器具全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的工程建設(shè)需要，研究了適合大規(guī)模電能計(jì)量器具全自動(dòng)檢測(cè)的系統(tǒng)工藝流程及特征，探討了系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)方法，包括理想檢測(cè)裝置探討、機(jī)器人拆盤(pán)上料與下料組盤(pán)環(huán)節(jié)的故障轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)、AGV高效搬運(yùn)和分布式檢測(cè)任務(wù)調(diào)度方法等。所研究?jī)?nèi)容對(duì)國(guó)家電網(wǎng)今后制定計(jì)量器具全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)也有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：電能計(jì)量器具 全自動(dòng)檢測(cè) AGV搬運(yùn) 任務(wù)調(diào)度

中圖分類號(hào)：TH873.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）04（c）-0140-03

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)“三集五大”的建設(shè)需要，部分所屬省電力公司正在建設(shè)或籌建電能計(jì)量器具（簡(jiǎn)稱計(jì)量器具）的全自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)。目前，計(jì)量器具的全自動(dòng)化檢測(cè)方案主要有基于流水線和基于AGV搬運(yùn)兩種方式[1，2]，都處于初步試用階段，迫切需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和先進(jìn)性研究。江蘇省電力公司根據(jù)該省未來(lái)大規(guī)模電能計(jì)量器具檢測(cè)的需要，正在研究采用基于AGV搬運(yùn)的方案[3，5]，建設(shè)適合該省計(jì)量器具檢測(cè)規(guī)模的全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[4]。本文研究適合建設(shè)超大規(guī)模電能計(jì)量器具的全自動(dòng)檢定系統(tǒng)的工藝流程和特征，探討系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)，對(duì)提高系統(tǒng)的工程建設(shè)質(zhì)量及國(guó)家電網(wǎng)今后制定計(jì)量器具全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)都有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 系統(tǒng)工藝流程與實(shí)現(xiàn)方式

江蘇省電力公司自動(dòng)化檢定/檢測(cè)（簡(jiǎn)稱檢測(cè)）系統(tǒng)綜合運(yùn)用AGV、機(jī)器人[7，8]、計(jì)算機(jī)控制、傳感器檢測(cè)、氣動(dòng)和電動(dòng)控制、圖像識(shí)別及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊等領(lǐng)域的技術(shù)[10]，實(shí)現(xiàn)計(jì)量器具的傳輸、上料及下料、耐壓試驗(yàn)、外觀檢查、誤差檢定、鉛封、檢定合格證粘貼等各個(gè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)將單相表[6]檢定、三相表檢定及采集終端檢測(cè)集成在一套自動(dòng)化系統(tǒng)中。系統(tǒng)所采用的檢定工藝流程及實(shí)現(xiàn)方式如圖1工藝流程與實(shí)現(xiàn)方式所示。其中，AGV每次搬運(yùn)一垛5周轉(zhuǎn)箱電能計(jì)量器具，通過(guò)轉(zhuǎn)接臺(tái)與下一環(huán)節(jié)銜接；每個(gè)檢測(cè)裝置對(duì)應(yīng)3個(gè)轉(zhuǎn)接臺(tái)；單個(gè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多個(gè)檢測(cè)裝置的拆盤(pán)上料和下料組盤(pán)；自動(dòng)檢測(cè)環(huán)節(jié)完成耐壓試驗(yàn)和誤差檢定；后續(xù)處理基于輸送線模式[9]實(shí)現(xiàn)外觀檢查、鉛封、檢定合格貼標(biāo)等操作；通過(guò)站臺(tái)實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)化庫(kù)房接駁。

2 系統(tǒng)特征研究

2.1 單次檢測(cè)任務(wù)執(zhí)行最短時(shí)間

系統(tǒng)調(diào)度時(shí)，以垛作為檢測(cè)任務(wù)的調(diào)度單元，進(jìn)行出庫(kù)、搬運(yùn)、檢測(cè)等操作。分析單次檢測(cè)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程，找出其中的效率瓶頸，是分析系統(tǒng)運(yùn)行效率的基礎(chǔ)，對(duì)指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行目標(biāo)具有重要意義。分析系統(tǒng)工藝流程，推導(dǎo)該時(shí)間過(guò)程如下。

（1）由于計(jì)量器具拆盤(pán)上料、自動(dòng)檢測(cè)、下料組盤(pán)必須順序執(zhí)行，因此可以將這三個(gè)環(huán)節(jié)合并為一個(gè)大的環(huán)節(jié)，本文將其命名為上料檢測(cè)環(huán)節(jié)。在一次檢測(cè)任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程中，該環(huán)節(jié)持續(xù)時(shí)間最久，約100 min右，其他環(huán)節(jié)持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短。

（2）由于上述環(huán)節(jié)通過(guò)轉(zhuǎn)接臺(tái)與其他環(huán)節(jié)對(duì)接，轉(zhuǎn)接臺(tái)形成了一個(gè)中轉(zhuǎn)和緩存區(qū)，因此，該環(huán)節(jié)可以與其他所有環(huán)節(jié)并行執(zhí)行。

（3）在系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的情況下，當(dāng)其他環(huán)節(jié)能力足夠的情況下，單次檢測(cè)任務(wù)執(zhí)行的最短時(shí)間為拆盤(pán)上料、自動(dòng)檢測(cè)、下料組盤(pán)時(shí)間的總和。

2.2 檢測(cè)裝置數(shù)量估算

檢測(cè)裝置數(shù)量是系統(tǒng)規(guī)模的主要衡量指標(biāo)之一，決定了系統(tǒng)的檢測(cè)能力，是搬運(yùn)及其他環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。由于單垛計(jì)量器具自動(dòng)檢測(cè)的時(shí)間通常是固定的，而每個(gè)檢測(cè)裝置執(zhí)行檢測(cè)是獨(dú)立事件，因此，根據(jù)單次檢測(cè)任務(wù)執(zhí)行的最短時(shí)間、平均每天檢測(cè)需求，可以估算出每種類型檢測(cè)裝置的數(shù)量規(guī)模。

2.3 AGV數(shù)量估算

考慮到單輛AGV價(jià)格較高，對(duì)系統(tǒng)建設(shè)成本影響較大，因此，需要理論與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)AGV的數(shù)量做出合理估算。目前，AGV軌道環(huán)形設(shè)計(jì)，完成一次搬運(yùn)任務(wù)時(shí)間是AGV從離開(kāi)站臺(tái)到AGV回到站臺(tái)所用時(shí)間，包括AGV在站臺(tái)裝貨、搬運(yùn)待檢計(jì)量器具行駛、卸下待檢計(jì)量器具、裝載已檢測(cè)計(jì)量器具、搬運(yùn)已檢測(cè)計(jì)量器具返回、進(jìn)入站臺(tái)卸貨的時(shí)間總和。根據(jù)單次檢測(cè)任務(wù)執(zhí)行最短時(shí)間的分析，滿足檢測(cè)任務(wù)連續(xù)執(zhí)行的系統(tǒng)搬運(yùn)能力要求是，在正在執(zhí)行的檢測(cè)任務(wù)下料組盤(pán)完成之前，AGV要將下一個(gè)檢測(cè)任務(wù)的計(jì)量器具運(yùn)到，并將上次檢測(cè)任務(wù)的已檢計(jì)量器具運(yùn)走。因此，在不考慮因調(diào)度及彎道的爭(zhēng)用導(dǎo)致的時(shí)間耽擱的情況下，只需單輛AGV在多個(gè)軌道環(huán)路一次搬運(yùn)所需時(shí)間總和小于一次檢測(cè)任務(wù)執(zhí)行的最短時(shí)間，就可以滿足對(duì)應(yīng)軌道上檢測(cè)裝置執(zhí)行檢測(cè)對(duì)搬運(yùn)系統(tǒng)的能力要求。根據(jù)上述關(guān)系，可以推理估算出系統(tǒng)所需AGV總數(shù)。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)裝置

按目前的檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)，單次檢測(cè)任務(wù)執(zhí)行中，大部分單個(gè)計(jì)量器具的檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)為上料、上料等待、檢測(cè)、下料、下料等待的總時(shí)間之和。為了消除上述等待時(shí)間，一種理想的檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)是，考慮將檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)成每個(gè)檢測(cè)位上料后立即執(zhí)行檢測(cè)的裝置，上料后立即執(zhí)行檢測(cè)。按照該設(shè)計(jì)，每個(gè)計(jì)量器具將實(shí)現(xiàn)用最少的時(shí)間完成檢測(cè)，系統(tǒng)的檢測(cè)效率也將達(dá)到最優(yōu)。

3.2 上下料容錯(cuò)設(shè)計(jì)

在同一條機(jī)器人運(yùn)行的軌道上安裝多個(gè)機(jī)器人可以有效提高拆盤(pán)上料與下料組盤(pán)環(huán)節(jié)的容錯(cuò)能力。假設(shè)單條軌道上有N臺(tái)機(jī)器人，正常運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)機(jī)器人使用N分之N-1的額定負(fù)荷。當(dāng)某個(gè)機(jī)器人出現(xiàn)故障時(shí)，其余機(jī)器人自動(dòng)多分擔(dān)N分之1的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)拆盤(pán)上料與下料組盤(pán)環(huán)節(jié)的故障轉(zhuǎn)移?？梢钥闯觯粭l軌道上，機(jī)器人越多，機(jī)器人的利用率越高。

3.3 高效AGV搬運(yùn)

3.3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

仿真驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，AGV達(dá)到一定數(shù)量后，AGV利用率急劇下降，而所提供的搬運(yùn)能力不再繼續(xù)提高。分析系統(tǒng)工藝流程，結(jié)合考慮投資成本可以得出，在目前的自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)和空間限制條件下，通過(guò)合理的AGV軌道設(shè)計(jì)和AGV調(diào)度算法，用最少的AGV實(shí)現(xiàn)提供足夠的計(jì)量器具搬運(yùn)能力是AGV搬運(yùn)環(huán)節(jié)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.3.2 一種AGV軌道設(shè)計(jì)

一種AGV軌道設(shè)計(jì)如圖2AGV軌道設(shè)計(jì)圖所示。圖中紅線顯示了AGV的運(yùn)行軌跡。仿真模擬實(shí)驗(yàn)顯示，采用該設(shè)計(jì)，使用14輛速度為1 m/s，或15輛速度為0.8 m/s的AGV可以滿足系統(tǒng)對(duì)搬運(yùn)能力的需求，AGV利用率最優(yōu)。

3.3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

觀察仿真場(chǎng)景發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)站臺(tái)附近出現(xiàn)了大量AGV阻塞的現(xiàn)象。分析發(fā)現(xiàn)，AGV轉(zhuǎn)彎速度僅0.2 m/s，加上小車(chē)加速、減速和碰撞檢測(cè)造成的等待等因素嚴(yán)重降低了AGV的運(yùn)輸效率。另外，下垛站臺(tái)的數(shù)量影響了同時(shí)在執(zhí)行取待檢計(jì)量器具AGV的數(shù)量，也對(duì)AGV啟動(dòng)時(shí)的運(yùn)輸速度造成了一定的影響。因此，提高AGV的搬運(yùn)效率的方法包括以下幾點(diǎn)。

（1）減少?gòu)澋赖臄?shù)量。

（2）增加站臺(tái)數(shù)量。

（3）合理安排AGV到達(dá)路口的次序，避免AGV排隊(duì)。

（4）增加主干道的數(shù)量，降低軌道的爭(zhēng)用。

（5）優(yōu)化軌道設(shè)計(jì)等。

3.3.4 并行站臺(tái)設(shè)計(jì)

目前站臺(tái)垛口采用了并排的方式設(shè)計(jì)，導(dǎo)致站臺(tái)附近彎道很多，影響了AGV進(jìn)站和出站的效率，且容易形成影響全局的故障點(diǎn)。建議站臺(tái)垛口采用并行設(shè)計(jì)。為了提高空間利用率，可以考慮在同一條軌道上，沿AGV前進(jìn)方向，上垛站臺(tái)在前，下垛站臺(tái)在后設(shè)計(jì)。技術(shù)上，除了考慮為每個(gè)垛口安裝升降機(jī)的方式外，還可以考慮為AGV增加一個(gè)托舉功能，AGV停靠在站臺(tái)后，首先將貨物托舉到一定高度，然后再將貨物送到輸送線上。這樣設(shè)計(jì)，輸送線可以橫跨在AGV軌道上，不影響AGV通過(guò)。

3.3.5 AGV調(diào)度設(shè)計(jì)

一種AGV調(diào)度算法如下。

（1）將所有AGV放在站臺(tái)附近，組成AGV空閑隊(duì)列。

（2）系統(tǒng)接到可執(zhí)行待檢計(jì)量器具搬運(yùn)任務(wù)后，總是從空閑隊(duì)列調(diào)度AGV執(zhí)行。

（3）AGV執(zhí)行完待檢計(jì)量器具搬運(yùn)任務(wù)（包括站臺(tái)到轉(zhuǎn)接臺(tái)、轉(zhuǎn)接臺(tái)到轉(zhuǎn)接臺(tái)）后，通常立即回到空閑隊(duì)列（不占用軌道，目前軌道全部是共享設(shè)計(jì)）。

情況一：AGV執(zhí)行放下待檢計(jì)量器具后，檢測(cè)到同一檢測(cè)裝置有已檢計(jì)量器具搬運(yùn)，則立即執(zhí)行該已檢計(jì)量器具的搬運(yùn)任務(wù)。

情況二：AGV執(zhí)行放下待檢計(jì)量器具后，檢測(cè)到同一檢測(cè)裝置沒(méi)有已檢計(jì)量器具搬運(yùn)，且發(fā)現(xiàn)有后續(xù)待檢計(jì)量器具搬運(yùn)任務(wù)或有需要占用該通道的其他任務(wù)，則AGV返回空閑隊(duì)列或立即執(zhí)行下一個(gè)搬運(yùn)任務(wù)。

情況三：AGV執(zhí)行放下待檢計(jì)量器具后，檢測(cè)到同一檢測(cè)裝置沒(méi)有已檢計(jì)量器具搬運(yùn)，且發(fā)現(xiàn)沒(méi)有后續(xù)待檢計(jì)量器具搬運(yùn)任務(wù)，且沒(méi)有需要占用該通道的其他任務(wù)，則AGV原地監(jiān)聽(tīng)等待。

（4）系統(tǒng)接到可執(zhí)行的已檢計(jì)量器具搬運(yùn)任務(wù)，判斷對(duì)應(yīng)檢測(cè)裝置是否有后續(xù)待檢計(jì)量器具搬運(yùn)任務(wù)。如果沒(méi)有，立即安排空閑AGV執(zhí)行搬運(yùn)。如果有，判斷檢測(cè)裝置檢測(cè)剩余時(shí)間，根據(jù)該時(shí)間，安排向該位置送計(jì)量器具的緊急程度。剩余時(shí)間越少，越緊急。

（5）當(dāng)系統(tǒng)接到新的搬運(yùn)任務(wù)后，通知所有監(jiān)聽(tīng)AGV重新判斷。

3.4 分布式檢測(cè)任務(wù)調(diào)度

3.4.1 一種檢測(cè)任務(wù)調(diào)度設(shè)計(jì)

目前系統(tǒng)采用的一種檢測(cè)任務(wù)調(diào)度方式是，綜合調(diào)度控制系統(tǒng)向單種設(shè)備或裝置的調(diào)度控制系統(tǒng)同步所有設(shè)備或裝置的狀態(tài)，進(jìn)行檢測(cè)任務(wù)調(diào)度時(shí)，根據(jù)一定的調(diào)度規(guī)則，掃描所有的設(shè)備或裝置實(shí)現(xiàn)具體任務(wù)的派發(fā)，包括搬運(yùn)任務(wù)、上料及下料任