電力計量用Ⅱ型采集器自動檢測系統的設計及應用

魯 然，沈曙明，徐永進，丁徐楠，葉 盛

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

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

以國網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。目前，國外對該技術的專題研究也處于空白狀態，沒有可借鑒的成熟可靠經驗。

在綜合研究電力計量用Ⅱ型采集器型式結構、工裝板、自動上/下料裝置、自動接拆線裝置、紙箱內膜的基礎上，設計并開發了電力計量用Ⅱ型采集器自動檢測系統。以下將具體介紹電力計量用Ⅱ型采集器自動檢測系統各個關鍵設備的研究與設計。

1 系統實現

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

圖1 系統總體框架

1.1 硬件結構

系統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箱內抓取Ⅱ型采集器、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 系統硬件結構

檢測裝置主要由信號源、功放、通信切換箱、串口服務器等組成，可實現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；串口服務器用于接收主站指令，并下發給抄控器。實際檢測中，主站根據獲取的采集器的通信參數，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備穩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

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

1.2.1 系統軟件設計

軟件環境基于X86的Windows7平臺開發，整體采用C/S架構，MVC框架設計[11]。軟件主要開發語言為java，C#，.Net和sql，基本開發工具為 eclipse， VS2010，Oracle10g， VisionPro7.2和PL/SQL8.0。軟件層主要包括數據采集層、數據處理層和應用綜合展示層3類，各層作用如下：

（1）數據采集層：通過各種類型的通信協議以及接口從硬件設備獲取到需要的數據，如RS232，RS485，TCP/IP，ProfiNet等常用的工業通信技術協議[12]，讀取全部數據并保存到主控系統電腦內存或者數據庫中，供給數據處理層。

（2）數據處理層：收集數據采集層的全部數據，通過分析進行分類，作出符合邏輯、符合前端簡單業務的預處理，快速組裝后將數據快速存儲到數據庫和系統內存中。需數據查詢時，可通過快速查詢已分類數據，迅速從數據庫或者系統內存中獲得對應數據。

圖4 系統軟件架構

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

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、任務管理、系統操作、數據庫操作、圖像識別、檢測等模塊組成。各模塊既相互獨立，又相互關聯。界面仿真模塊顯示整個系統的實時運行情況，包括2D仿真、設備狀態和異常報警信息；任務管理模塊將系統接收到的檢測任務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取；系統操作模塊可手動修改系統狀態，進行硬件動作，多用于異常情況的處理；數據庫操作模塊用于對檢測數據進行管理、保存及更新數據；圖像識別模塊顯示Ⅱ型采集器的銘牌信息和指示燈狀態，并和標準模板比對，自動判斷是否合格[14]；檢測模塊根據預先設置的檢測方案，控制檢測裝置全自動完成檢測，判斷結果并保存至數據庫中。

2 關鍵設備的設計

2.1 Ⅱ型采集器型式結構優化

Ⅱ型采集器尾部的軟導線姿態不固定、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線不規則擺放位置的干擾，無法實現準確定位，進而無法實現自動輸送和自動檢測工序。因此，首先需對Ⅱ型采集器的型式結構進行優化。

對Ⅱ型采集器的背板結構進行改進，增加背板長度，設計繞線立柱和固定底座，將軟導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）。

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

圖5 Ⅱ型采集器型式結構優化

2.2 Ⅱ型采集器工裝板的設計

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

圖6 工裝板結構

在工裝板的底部設計了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Ⅱ型采集器信息，與各裝置工位綁定并將信息存放于數據庫中。

2.3 自動上/下料裝置的設計

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

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，設計了中轉臺，進行Ⅱ型采集器的姿態調整和精準定位，如圖8所示，中轉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取Ⅱ型采集器放置到中轉臺上進行定位，然后再從中轉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取Ⅱ型采集器放置到中轉臺上定位，再放置到紙箱中。考慮到Ⅱ型采集器存在底面安裝天線接頭的樣式，將中轉臺的支撐下托設計為“L”型，在提供可靠支撐的同時避開了天線接頭和折板。

圖8 中轉臺結構

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，在下料中轉臺旁設計了下料分揀臺，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的5個工位中，再由2只單吸盤機械手分別將其對應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的工位中，當數量達到5只后再由下料機器人抓取至對應的表箱中。此設計實現了合格與不合格Ⅱ型采集器的快速、自動分揀與裝箱。

圖9 下料分揀臺結構

2.4 自動接拆線裝置的設計

自動接拆線裝置由壓接氣缸、壓接端子、導向定位滑塊等組成，設計為每個接線端子由1個氣缸帶動，并用1個滑軌進行導向，如圖10所示。這樣設計的優點是5個Ⅱ型采集器的接拆線相對獨立穩定，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，因此需要設計自動接拆線的壓接端子。將壓接探針頭部設計成“圓角型”（如圖11所示），使得插入采集器時有一定導向，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，提高了接拆線的穩定性。

2.5 紙箱內膜的設計

Ⅱ型采集器在上料檢測前和下料裝箱后，均存放于紙箱內膜中，為了方便機器人自動上/下料，需對紙箱內膜進行特殊設計。考慮機器人節拍及采集器存儲效率最大化，設計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。紙箱內膜的兩側分別設計一列凹槽，用于放置Ⅱ型采集器的外接線。同時設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。為此將紙箱內膜設計為雙層結構，在內膜下面增加了加固型內膜，增強了紙箱內膜的強度，提高了檢測效率，如圖12所示。

圖12 紙箱內膜結構

3 應用分析

通過對關鍵設備的研究與設計，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樣機，并在某公司試運行。經過對樣機4個月試運行結果的分析，各項技術方案均達到了設計指標要求，成效十分明顯。

2016年11月，浙江省計量科學研究院對系統進行了第三方測試。通過向系統下達檢測任務，進行3 h的滿負荷連續運轉試驗，試驗過程中對各裝置功能進行測試，結束后統計系統檢測能力、上/下料成功率、一次性數據采集成功率、誤檢率、錯檢率等技術指標，結果如表1所示。

由表1可見，檢測結果均符合要求，相比于人工檢測時間每批次60 min，系統檢測效率提高了4倍以上。按年檢測量200萬只電力計量用Ⅱ型采集器測算，系統可減少作業人員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，通過先進的管理方法和手段，實現信息管理和設備控制的有機集成，按照控制指令要求自動完成Ⅱ型采集器檢測作業的各環節，使檢測能力和管理水平大幅提高，并減少了人員到現場處理故障的頻次，提升了企業的公信力。

表1 第三方測試結果

4 結語

新技術和新方案的應用需要經過長時間運行來檢驗其穩定性。在電力計量用Ⅱ型采集器自動檢測系統設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的穩定性、可靠性還需進一步完善、優化。

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