色譜測(cè)試機(jī)器人的設(shè)計(jì)與性能分析

樊義康，葉敏，魏小豐，陳遠(yuǎn)彬，梅雪川，林粵科

（1.國(guó)機(jī)智能（蘇州）有限公司，蘇州215134；2.國(guó)機(jī)智能科技有限公司，廣州510700；3.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州510640）

0 引言

油浸式變壓器以其造價(jià)低、體積小、噪音小的特點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛[1]。隨著工業(yè)發(fā)展，超高壓、特高壓變壓器在電網(wǎng)建設(shè)中不斷增多，變壓器是供電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，因此，及時(shí)了解油浸變壓器內(nèi)部運(yùn)行情況并發(fā)現(xiàn)故障的類型對(duì)保證變壓器安全可靠地運(yùn)行具有十分重要的意義[2-3]。對(duì)于油浸變壓器，線圈和鐵芯全部浸沒于變壓器油中，無法通過肉眼來了解變壓器的運(yùn)行狀況，通過對(duì)變壓器油中的溶解氣體進(jìn)行氣相色譜分析可以較好地了解變壓器油中的各種氣體的含量，從而判斷變壓器內(nèi)部故障的類型，即了解油浸變壓器內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)并發(fā)現(xiàn)故障類型對(duì)保證其安全可靠運(yùn)行有十分重要的意義[4-6]。目前采集油樣后進(jìn)行油氣分離都是采用人工的方式，因油氣分離時(shí)，工序繁多，導(dǎo)致工作人員的工作量非常大[7-8]。通過研究目前油氣分離的方法，開發(fā)出能實(shí)現(xiàn)油氣分離自動(dòng)化，效率高的色譜測(cè)試機(jī)器人，并通過油氣分離色譜分析實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行性能分析。

1 機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

色譜測(cè)試機(jī)器人主要由其分離裝置及氣相色譜檢測(cè)設(shè)備組成。其中油氣分離裝置包括供油部、供氣部、套帽部、機(jī)械臂組件、震蕩儀和控制機(jī)構(gòu)，如圖1 所示。各個(gè)部分均安裝與工作臺(tái)架上，根據(jù)控制機(jī)構(gòu)的控制執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，供油部、套帽部、供氣部依次工作，將油氣分離并將氣體注入色譜儀中對(duì)氣體進(jìn)行色譜分析。

1.1 供油部

供油部由龍門式機(jī)器人、吸油管、油泵、第一管路和注油頭組成，如圖2 所示。龍門式機(jī)器人分為X 軸和Z 軸，X 軸由伺服模組控制，行程為1000mm，Z 軸由氣缸控制，吸油管固定于Z 軸末端，龍門下放置樣品容器，機(jī)器人具備XZ 兩個(gè)方向的自由度，吸油管可在形成范圍內(nèi)沿這兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)樣品吸油操作。油泵與吸油管路連接安裝于龍門上，配合一個(gè)三位四通電磁換向閥，還可以實(shí)現(xiàn)在注油前潤(rùn)洗針筒的目的，注油時(shí)，油泵吸油量設(shè)置為5ml/s，注入針筒時(shí)流量適中，不產(chǎn)生氣泡也不會(huì)發(fā)生漏油。

圖2 供油部

1.2 套帽部

套帽部與第一機(jī)器人配合，以令針筒的端口處套設(shè)端帽。套帽部包括振動(dòng)盤、第一檢測(cè)傳感器、第二傳感器、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)，如圖3 所示。第一傳感器和第二傳感器為漫反射傳感器，分別檢測(cè)振動(dòng)盤出口處是否有膠帽，膠帽方向是否正確，與控制機(jī)構(gòu)配合判斷是否正確夾持到端帽，達(dá)到正確夾取膠帽、完成給針頭套膠帽的目的。

圖3 套帽部

1.3 供氣部

供氣部用于給針筒內(nèi)注入載氣。由電磁閥、泄壓閥和注氣頭組成，安裝于供油部龍門機(jī)器人龍龍門上。設(shè)置注氣壓力0.2MPa，泄壓閥和注氣頭直接與氮?dú)馄肯噙B，往針筒內(nèi)注氣時(shí)能保持平穩(wěn)。

1.4 油氣分離機(jī)構(gòu)

油氣分離機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將油氣分離，并將震蕩儀從樣油內(nèi)脫出的氣體注入色譜儀內(nèi)進(jìn)行分析。包括震蕩儀、開蓋機(jī)構(gòu)、油分機(jī)構(gòu)和壓力。

因針筒在震蕩儀內(nèi)部運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，還設(shè)置優(yōu)先選擇算法。由于有兩臺(tái)震蕩儀，運(yùn)行時(shí)，相較于選擇取出震蕩好的針筒進(jìn)入油分機(jī)構(gòu)，第二機(jī)器人優(yōu)先選擇將注好氮?dú)獾尼樛卜湃胝鹗巸x，通過這種設(shè)計(jì)算法不僅實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化油氣分離，并且進(jìn)一步提高了整體效率。油分機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將震蕩好的針筒進(jìn)行油氣分離，如圖4 所示。采用設(shè)置有壓力傳感器的方式判斷氣體余量，當(dāng)針筒內(nèi)氣體都打出時(shí)傳感器壓力發(fā)生變化，通過這樣的設(shè)計(jì)能避免將針筒內(nèi)絕緣油打進(jìn)氣路中，保證色譜儀及氣路不被污染，提高測(cè)試準(zhǔn)確性。

圖4 油氣分離機(jī)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人、色譜儀和屏幕之間的通訊和控制，同時(shí)又要對(duì)傳感器的信息進(jìn)行邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)各升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)等的各個(gè)伺服電機(jī)的精準(zhǔn)控制。本系統(tǒng)采用西門子S7-1200 PLC，該P(yáng)LC處理速度快、支持多種通訊方式，可以很好地滿足工藝控制要求[9]。PLC 通過控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)的精確位置控制；通過定時(shí)器實(shí)現(xiàn)電磁閥的準(zhǔn)時(shí)關(guān)閉，從而達(dá)到油路和氣路的正確流向，實(shí)現(xiàn)各氣缸的準(zhǔn)時(shí)動(dòng)作；PLC 通過網(wǎng)線與觸摸屏高速通訊，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；本系統(tǒng)的硬件配置如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件配置

2.2 工作流程

色譜測(cè)試機(jī)器人工作流程如圖6 所示。首先，開啟系統(tǒng)后復(fù)位，系統(tǒng)檢測(cè)抽油裝置和油氣分離裝置是否復(fù)位，若正確復(fù)位則進(jìn)行兩機(jī)器人復(fù)位，若沒有復(fù)位則系統(tǒng)報(bào)警，避免機(jī)器人復(fù)位過程中發(fā)生碰撞。確認(rèn)機(jī)器人復(fù)位后進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，選擇正確的針筒序號(hào)輸入觸摸屏，系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的程序后自動(dòng)開始。針筒的優(yōu)先選擇法是由于針筒在震蕩儀中震蕩至油氣分離需要30 分鐘，所以在油氣分離工位和油分排氣工位均有針筒時(shí)，系統(tǒng)判斷優(yōu)先進(jìn)行油氣分離操作，將針筒放置進(jìn)震蕩儀中，當(dāng)震蕩儀裝滿時(shí)才判斷進(jìn)行另一操作。上述所有判斷完成后自動(dòng)開始進(jìn)行抽油-套膠帽-注氣操作和油氣分離操作。

圖6 系統(tǒng)工作流程

2.3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件由PLC 控制和觸摸屏人機(jī)交互界面組成，邏輯控制程序負(fù)責(zé)對(duì)I/O 的控制，I/O 具體配置如表1 所示。

表1 I/O 口配置

人機(jī)交互界面由Easy Builder Pro 設(shè)計(jì)，觸摸屏界面可以顯示色譜測(cè)試機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)，還可以通過其對(duì)整個(gè)操作平臺(tái)進(jìn)行直接控制。根據(jù)色譜測(cè)試機(jī)器人系統(tǒng)功能需求，觸摸屏包括多種模式，多個(gè)界面，部分界面如圖7 所示。

圖7 觸摸屏界面

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 機(jī)器人試驗(yàn)

為了檢測(cè)色譜測(cè)試機(jī)器人的性能，本文進(jìn)行了變壓器絕緣油氣相色譜實(shí)驗(yàn)，測(cè)試色譜測(cè)試機(jī)器人自動(dòng)化油氣分離可靠性以及精確性。設(shè)置10 組不同的樣油作為實(shí)驗(yàn)材料，進(jìn)行氣相色譜實(shí)驗(yàn)，每組分兩次實(shí)驗(yàn)，第一次為人工油氣分離，第二次為色譜測(cè)試機(jī)器人油氣分離操作，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（單位：ppm）

3.2 結(jié)果分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，針對(duì)10 組試驗(yàn)樣品，2 個(gè)操作人員用時(shí)4.44 小時(shí)，色譜測(cè)試機(jī)器人用時(shí)4.1 小時(shí)。

以人工操作所得數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，由表2 數(shù)據(jù)分析人工操作和機(jī)器人操作氣體組份含量差值，如表3 所示，每組針筒兩次實(shí)驗(yàn)的單種氣體含量差值最大值為10.34%。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，變壓器油內(nèi)氣體組份兩次實(shí)驗(yàn)的含量差值不得超過15%[10]，因此，機(jī)器人試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確有效。

表3 氣體組份含量差值（百分比絕對(duì)值）

4 結(jié)語

綜上所述，色譜測(cè)試機(jī)器人進(jìn)行連續(xù)油氣分離和氣相色譜檢測(cè)，有良好的運(yùn)行狀態(tài)。氣分離過程控制邏輯清晰，操作簡(jiǎn)單，且分離出的氣體進(jìn)行氣相色譜分析得到的數(shù)據(jù)精確，符合標(biāo)準(zhǔn)。使用色譜測(cè)試機(jī)器人進(jìn)行操作，平均每小時(shí)完成2.4 個(gè)針筒實(shí)驗(yàn)，且只需將針筒放到初始位置，后續(xù)操作全部自動(dòng)化完成；人工實(shí)驗(yàn)每人每小時(shí)完成1.125 個(gè)針筒實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)色譜測(cè)試機(jī)器人效率。