光伏智能運(yùn)維機(jī)器人跨行運(yùn)載小車的優(yōu)化設(shè)計(jì)

文/段春艷 馮澤君 許繼源 陳瀟躍 連佳生

根據(jù)國(guó)際能源署與國(guó)家能源局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從2015年至2017年，中國(guó)連續(xù)五年成為新增裝機(jī)量全球第一的國(guó)家。隨著光伏電站安裝量的大幅增加，光伏電站運(yùn)維顯得更加重要。

隨著人工智能的快速發(fā)展，智能化光伏電站運(yùn)維提升日程，開發(fā)光伏電站智能化運(yùn)維產(chǎn)品成為光伏行業(yè)的一個(gè)新方向。運(yùn)維機(jī)器人是近年應(yīng)用研究的熱點(diǎn)，例如采用光伏電源供電的機(jī)器人、面向綠色建筑光伏裝置清潔機(jī)器人、全液壓驅(qū)動(dòng)光伏板清掃機(jī)器人仿真、以及日本Mirnikikai 公司開發(fā)的機(jī)器人、以色列的太陽(yáng)能電池板清理系統(tǒng)EcoppiaE4 機(jī)器人等。市場(chǎng)上的機(jī)器人主要可以分為兩類，一類是小型的便攜式機(jī)器人，可進(jìn)行組件的局部清掃；一類是和組件縱向尺寸一致，能夠單次連續(xù)清掃整塊組件的機(jī)器人。無(wú)論哪種機(jī)器人，在面對(duì)大量的、成規(guī)模的光伏電站，都面臨如何增加配套系統(tǒng)，將機(jī)器人搬運(yùn)至其他行的組件進(jìn)行清掃，提升清掃效率，降低成本的問(wèn)題。此外，大范圍執(zhí)行清掃任務(wù)的機(jī)器人面臨電量不足需要充電的問(wèn)題。當(dāng)機(jī)器人位于停機(jī)位進(jìn)行充電時(shí)，傳統(tǒng)的有線充電模式不僅采用接觸式充電，存在充電觸頭磨損、需要定期更換的問(wèn)題。而且因?yàn)槌潆娪|頭系暴露部件，無(wú)法在低溫凝露、潮濕、易燃易爆等環(huán)境下正常工作，存在安全隱患。

圖1：光伏智能運(yùn)維機(jī)器人運(yùn)載小車結(jié)構(gòu)及行走機(jī)械模塊示意圖

圖2：光伏智能運(yùn)維機(jī)器人運(yùn)載小車電氣功能模塊示意圖

本文針對(duì)能夠單次連續(xù)清掃整塊組件的光伏電站運(yùn)維機(jī)器人系統(tǒng)，設(shè)計(jì)制作了運(yùn)維機(jī)器人運(yùn)載小車，能夠?qū)C(jī)器人運(yùn)送至需要清掃的組件陣列，能夠給自身充電并給機(jī)器人無(wú)線充電，并且在后臺(tái)可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 光伏智能運(yùn)維機(jī)器人運(yùn)載小車機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)

運(yùn)載小車機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括車身及行走機(jī)械結(jié)構(gòu)。圖1給出了其結(jié)構(gòu)示意圖。

運(yùn)載小車車身整體支架采用歐標(biāo)3030 鋁型材制作，根據(jù)行走機(jī)械模塊的特性以及整體的受力分析設(shè)計(jì)了其底部支架，車身頂部安裝了80W 單晶硅光伏組件作為運(yùn)載小車的供電來(lái)源。

行走機(jī)械結(jié)構(gòu)（圖1（b））由86HS100步進(jìn)電機(jī)、XL18 同步輪、172XL 皮帶、XL40同步皮帶輪、15mm 同步軸、驅(qū)動(dòng)輪、KP002驅(qū)動(dòng)輪軸承座、正面從動(dòng)輪、側(cè)面從動(dòng)輪組成。行走機(jī)械模塊的動(dòng)力由86HS100 步進(jìn)電機(jī)及DM860H 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供。86HS100 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力輸出軸與XL18 同步皮帶輪連接，隨后動(dòng)力從XL18 同步皮帶輪通過(guò)172XL 皮帶傳送到XL40 同步皮帶輪。而XL40 同步皮帶輪固定在15mm 同步軸中間區(qū)域，驅(qū)動(dòng)輪固定在15mm 同步軸兩側(cè)的KP002 軸承座。從而將動(dòng)力傳送到驅(qū)動(dòng)輪上方。正面從動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)輪的安裝方式相似，通過(guò)15MM 同步軸固定在另一個(gè)KP002軸承座上，跟隨驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)載小車在地面導(dǎo)軌上方行走時(shí)，側(cè)面從動(dòng)輪卡住導(dǎo)軌左右兩側(cè)，防止運(yùn)載小車掉落。

2 光伏智能運(yùn)維機(jī)器人運(yùn)載小車的電氣功能模塊設(shè)計(jì)

機(jī)器人運(yùn)載小車的電氣功能模塊如圖2，包含小車控制中心、小車行走驅(qū)動(dòng)模塊、車身傳感模塊、離網(wǎng)自身充電模塊、向外無(wú)線充電模塊、多向通訊模塊、后臺(tái)管理中心。

當(dāng)運(yùn)載小車工作時(shí)，小車控制核心PLC發(fā)送正轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)運(yùn)載小車執(zhí)行正轉(zhuǎn)指令，運(yùn)載小車從停車位出發(fā)，依靠車身傳感模塊，沿導(dǎo)軌行走至第一行待清掃組件后停止，發(fā)送數(shù)據(jù)給運(yùn)維機(jī)器人；運(yùn)維機(jī)器人接收到數(shù)據(jù)即開始執(zhí)行清掃程序，從運(yùn)載小車停靠點(diǎn)出發(fā)，以設(shè)定速度正轉(zhuǎn)行走至第一行待清掃組件上，驅(qū)動(dòng)毛刷清掃，清掃至設(shè)定距離長(zhǎng)度后停止脈沖輸出；再發(fā)送高速反轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)運(yùn)載小車執(zhí)行反轉(zhuǎn)指令，運(yùn)維機(jī)器人返回到運(yùn)載小車停靠點(diǎn)，停靠完畢后回傳數(shù)據(jù)至運(yùn)載小車；運(yùn)載小車接收到回傳數(shù)據(jù)后，小車控制核心PLC 再次發(fā)送正轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)運(yùn)載小車執(zhí)行正轉(zhuǎn)指令，運(yùn)載小車正轉(zhuǎn)行走至第二行待清掃組件后停止脈沖輸出；依此類推，當(dāng)運(yùn)載小車行走至最后一行待清掃組件后停止脈沖輸出，等待運(yùn)維機(jī)器人回傳清掃完成數(shù)據(jù)；當(dāng)運(yùn)載小車接收到反轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)后執(zhí)行反轉(zhuǎn)指令，反轉(zhuǎn)行走至停車位后停止脈沖輸出，一個(gè)自動(dòng)清掃完整流程結(jié)束。

2.1 車身傳感功能模塊設(shè)計(jì)

機(jī)器人運(yùn)維時(shí)，運(yùn)載小車會(huì)在其所在光伏陣列始發(fā)點(diǎn)等候（圖3）。當(dāng)智能運(yùn)維機(jī)器人運(yùn)維完畢返程時(shí)，通過(guò)運(yùn)載小車自身傳感系統(tǒng)識(shí)別小車就位，然后前往下一排光伏陣列繼續(xù)工作。

運(yùn)載小車的車身傳感模塊的核心為兩個(gè)24V LJ30A3-10-Z/DX 電感式直流接近開關(guān)。LJ30A3-10-Z/DX 電感式接近開關(guān)（1）主要負(fù)責(zé)判斷運(yùn)維機(jī)器人是否停靠在運(yùn)載小車上，LJ30A3-10-Z/DX 電感式接近開關(guān)（2）主要通過(guò)感應(yīng)地面導(dǎo)軌上設(shè)置的定位片判斷運(yùn)載小車在每一排光伏陣列旁的停車位置。

2.2 離網(wǎng)自身充電模塊設(shè)計(jì)

圖3：跨行示意圖

圖4：后臺(tái)管理中心界面

運(yùn)載小車頂?shù)?0W 單晶硅光伏組件接收太陽(yáng)光后產(chǎn)生直流電，經(jīng)過(guò)減壓式MPPT太陽(yáng)能充電控制器對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化調(diào)節(jié)并加入多級(jí)充放電保護(hù)恒壓輸出，隨后電流流入24V/20Ah 磷酸鐵鋰電池組將電量?jī)?chǔ)存起來(lái)，供給運(yùn)載小車的用電模塊。減壓式MPPT 太陽(yáng)能充電控制器的MPPT 功率優(yōu)化算法為多峰MPPT 功率優(yōu)化算法。光伏組件在有太陽(yáng)光照的情況下發(fā)電，減壓式MPPT 太陽(yáng)能充電控制器通過(guò)梯度法結(jié)合擾動(dòng)觀察法檢查出第一個(gè)峰值功率點(diǎn)，當(dāng)找到第一個(gè)局部峰值后用電壓的小步長(zhǎng)增量對(duì)實(shí)時(shí)的功率曲線進(jìn)行掃描并更新最大功率點(diǎn)，找到最大功率點(diǎn)后，用擾動(dòng)法保存最大功率點(diǎn)動(dòng)態(tài)尋優(yōu)。達(dá)到最優(yōu)的發(fā)電量存儲(chǔ)在24V/20Ah 磷酸鐵鋰電池組中。

2.3 向外無(wú)線充電模塊設(shè)計(jì)

在運(yùn)載小車的24V/20Ah 磷酸鐵鋰電池組和運(yùn)維機(jī)器人上分別設(shè)置了感應(yīng)式100W 無(wú)線充電發(fā)射端，組成感應(yīng)式無(wú)線充電模組，隨時(shí)為運(yùn)維機(jī)器人補(bǔ)充電量。

機(jī)器人運(yùn)維作業(yè)時(shí)，若超出無(wú)線充電的有效距離時(shí)，供電切換模塊啟動(dòng)自身光伏供電，自帶的光伏組件可持續(xù)性為機(jī)器人提供微弱電源，保障部分模塊穩(wěn)定工作。若其與小車距離達(dá)到無(wú)線充電的有效距離時(shí)，感應(yīng)式100W 無(wú)線充電發(fā)射端工作在諧振狀態(tài)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，以無(wú)線方式發(fā)送至感應(yīng)式100W 無(wú)線充電接收端，無(wú)線充電發(fā)射端與無(wú)線充電接收端產(chǎn)生相同功率信號(hào)并相互匹配，發(fā)射端可以根據(jù)接收端的功率實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)射功率，同時(shí)供電切換模塊選擇性切斷機(jī)器人光伏組件的直流恒壓供電，穩(wěn)定并快速的完成運(yùn)維機(jī)器人與運(yùn)載小車的無(wú)線充電系統(tǒng)控制，為機(jī)器人充電。

圖5：光伏電站運(yùn)維機(jī)器人和運(yùn)載小車工作狀態(tài)

2.4 多向通訊模塊設(shè)計(jì)

多向通訊模塊包含智能網(wǎng)關(guān)、以太網(wǎng)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)模塊，分別與運(yùn)載小車及機(jī)器人的控制中心PLC 連接，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載小車、運(yùn)維機(jī)器人和后臺(tái)管理中心之間進(jìn)行實(shí)時(shí)的工作信息處理。

兩個(gè)433C30 以太網(wǎng)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)載小車與運(yùn)維機(jī)器人各自的控制中心PLC之間的聯(lián)動(dòng)控制與通訊。433C30 以太網(wǎng)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)模塊（1）與433C30 以太網(wǎng)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)模塊（2）在與PLC 通訊時(shí)使用以太網(wǎng)通訊協(xié)議，兩個(gè)數(shù)傳電臺(tái)之間則使用ModBus通訊協(xié)議。

采用HINET M112W 智能網(wǎng)關(guān)作為運(yùn)載小車、運(yùn)維機(jī)器人以及后臺(tái)管理中心之間的“中介”，實(shí)現(xiàn)光伏電站智能運(yùn)維系統(tǒng)感知端產(chǎn)品的遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制。運(yùn)載小車上搭載的HINET M112W 智能網(wǎng)關(guān)擁有一個(gè)WAN/LAN 兩用口，一個(gè)LAN 口，分別通過(guò)超5 類網(wǎng)線與433C30 以太網(wǎng)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)模塊（1）和西門子S7-200 SMART ST20 PLC 上的以太網(wǎng)接口直接進(jìn)行物理連接。智能網(wǎng)關(guān)可通過(guò)2G/3G/4G/Wi-Fi/以太網(wǎng)口，連接至因特網(wǎng)，同時(shí)智能網(wǎng)關(guān)使用的是VPN OVER P2P 的通訊架構(gòu)，智能網(wǎng)關(guān)先與云服務(wù)器通訊連接后即可與后臺(tái)管理中心建立構(gòu)建VPN 通道進(jìn)行通訊。在基于兩個(gè)433C30 以太網(wǎng)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)模塊的兩個(gè)PLC 聯(lián)動(dòng)控制與通訊方案的條件下，本遠(yuǎn)程無(wú)線通訊方案只需架設(shè)一臺(tái)智能網(wǎng)關(guān)，就能對(duì)運(yùn)載小車與運(yùn)維機(jī)器人同時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控與管理；同時(shí)還能將設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集傳輸至后臺(tái)管理中心，手動(dòng)控制或定時(shí)設(shè)置感知端產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)維。

當(dāng)運(yùn)維機(jī)器人離開或者返回至運(yùn)載小車上方時(shí)，我們不僅能夠通過(guò)運(yùn)載小車上的LJ30A3-10-Z/DX 電感式接近開關(guān)（1）判斷，也能通過(guò)兩臺(tái)PLC 聯(lián)動(dòng)通訊判斷運(yùn)維機(jī)器人是否準(zhǔn)確停靠在運(yùn)維小車上方平臺(tái)。若運(yùn)維機(jī)器人離開或返回時(shí)出現(xiàn)故障，將通過(guò)此通訊模塊通知運(yùn)載小車，運(yùn)載小車就不執(zhí)行下一項(xiàng)工作任務(wù)，并告知后臺(tái)管理中心人員維修。

以運(yùn)載小車為主體，通過(guò)兩臺(tái)PLC 聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多重指令。例如，當(dāng)執(zhí)行運(yùn)維任務(wù)時(shí)，運(yùn)載小車會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)情況，向運(yùn)維機(jī)器人發(fā)送如出發(fā)、返程、停止等工作指令。當(dāng)在雪天環(huán)境，運(yùn)載小車上的光伏組件被積雪遮擋無(wú)法發(fā)電時(shí)，運(yùn)載小車將向運(yùn)維機(jī)器人發(fā)出“自身清潔”工作指令，運(yùn)維機(jī)器人將反方向行走清掃運(yùn)維小車上方的光伏組件，同時(shí)啟動(dòng)無(wú)線充電功能為兩個(gè)感知端設(shè)備充電。

2.5 后臺(tái)管理中心

后臺(tái)管理中心主要包括GIS 地圖導(dǎo)航頁(yè)面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控頁(yè)面、實(shí)時(shí)控制與管理頁(yè)面、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控頁(yè)面（用于熱斑檢測(cè)）、歷史數(shù)據(jù)上云監(jiān)控、歷史故障監(jiān)控頁(yè)面、設(shè)備保養(yǎng)工單上傳與處理頁(yè)面、設(shè)備維修工單管理頁(yè)面。通過(guò)機(jī)器人運(yùn)載小車的物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊以及多臺(tái)PLC 之間的聯(lián)動(dòng)控制與通訊，后臺(tái)管理中心實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)載小車、智能運(yùn)維機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，使得整個(gè)光伏電站的運(yùn)維更加便捷化、無(wú)人化、智能化，提升光伏電站收益。后臺(tái)管理中心界面如圖4所示。

3 光伏智能運(yùn)維機(jī)器人運(yùn)載小車應(yīng)用

在佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)訓(xùn)b 樓頂搭載了一套光伏電站智能運(yùn)維系統(tǒng)，包括光伏電站智能運(yùn)維機(jī)器人、運(yùn)載小車和地面導(dǎo)軌（圖5），管理后臺(tái)的電腦設(shè)在樓下的實(shí)驗(yàn)室。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)維機(jī)器人工作和運(yùn)載小車搭載工作。運(yùn)載小車和配套運(yùn)維機(jī)器人包含手動(dòng)控制清掃模式、定時(shí)清掃模式和雨天清掃模式三種運(yùn)行模式。手動(dòng)控制清掃模式可以隨時(shí)隨地觸發(fā)運(yùn)載小車執(zhí)行清掃；定時(shí)清掃模式則通過(guò)設(shè)定一個(gè)或多個(gè)時(shí)間觸發(fā)運(yùn)載小車執(zhí)行清掃；雨天清掃模式為當(dāng)下雨時(shí)長(zhǎng)及雨量到達(dá)設(shè)定時(shí)間后觸發(fā)運(yùn)載小車執(zhí)行清掃。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款光伏智能運(yùn)維機(jī)器人運(yùn)載小車系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件和功能實(shí)現(xiàn)模塊。搭建了戶外運(yùn)行及測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)通過(guò)后臺(tái)管理中心發(fā)出指令，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光伏智能運(yùn)維機(jī)器人運(yùn)載小車及機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控。運(yùn)載小車能夠根據(jù)指令準(zhǔn)確到達(dá)指定的光伏陣列位置，使機(jī)器人平穩(wěn)過(guò)渡到光伏組件陣列，開展清掃等運(yùn)維工作；運(yùn)維完畢，能夠?qū)C(jī)器人運(yùn)送至停機(jī)位停靠。運(yùn)載小車能夠?qū)崿F(xiàn)自身充電，并對(duì)機(jī)器人開展無(wú)線充電。運(yùn)載小車系統(tǒng)、運(yùn)維機(jī)器人及后臺(tái)管理中心相互配合，實(shí)現(xiàn)了光伏電站的無(wú)人化、智能化運(yùn)維，提升光伏電站發(fā)電收益。