變配電智能應(yīng)急操作機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

吳焱明，趙士豪，郜 雄，詹 晨

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

牽引變電所作為電氣化鐵路的核心環(huán)節(jié)，在電氣化鐵路運(yùn)作過程中起著極其重要的作用[1]。牽引變電所的設(shè)備復(fù)雜，設(shè)備良好和可靠的運(yùn)行狀態(tài)對于保障鐵路運(yùn)輸十分重要[2]。因此，做好設(shè)備的日常維護(hù)與緊急情況下對電氣控制柜的準(zhǔn)確操作，及時消除牽引變電所內(nèi)的電氣安全隱患[3-5]，是保證牽引變電所穩(wěn)定運(yùn)行的首要任務(wù)。為此設(shè)計了一種智能應(yīng)急操作機(jī)器人控制系統(tǒng)，可遠(yuǎn)程發(fā)送指令使該機(jī)器人自主移動至指定操作對象前，并按指令精準(zhǔn)地操作電氣柜上的電氣元件。應(yīng)急操作機(jī)器人采用自動控制、多種類傳感、圖像識別、遠(yuǎn)程通訊等技術(shù)，通過遠(yuǎn)程的任務(wù)下達(dá)并結(jié)合現(xiàn)場信息反饋，實(shí)現(xiàn)牽引變電所全天候、全方位、全自主的智能應(yīng)急操作。機(jī)器人硬件與基礎(chǔ)電氣平臺已搭建完畢，現(xiàn)對其控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計[6]。

1 智能應(yīng)急操作機(jī)器人工作原理

智能應(yīng)急操作機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)主要由升降總成、操作總成、控制柜和移動小車(AGV)組成[7]，如圖1所示。

1-移動小車；2-操作總成；3-升降總成；4-控制柜

升降總成負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)操作平臺豎直方向的升降功能；操作總成搭載機(jī)械手和工業(yè)相機(jī)，相機(jī)用于圖像識別與定位，機(jī)械手負(fù)責(zé)執(zhí)行操作任務(wù)。機(jī)器人通過工業(yè)相機(jī)定位操作對象，將機(jī)械手對準(zhǔn)操作對象后操作總成向前移動執(zhí)行操作。控制柜內(nèi)布置機(jī)器人控制系統(tǒng)所需的各類電器元件，如PLC、伺服驅(qū)動器等。AGV作為智能應(yīng)急操作機(jī)器人的承載平臺，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退和旋轉(zhuǎn)等功能。

在牽引變電所室和控制室內(nèi)鋪設(shè)磁條和布置RFID傳感器標(biāo)簽，AGV可讀取磁條位置和RFID標(biāo)簽信息，移動至不同的電氣柜定位處。RFID傳感器標(biāo)簽布局如圖2所示。

圖2 RFID傳感器標(biāo)簽布局

智能應(yīng)急操作機(jī)器人的工作流程如圖3所示。

圖3 智能應(yīng)急操作機(jī)器人工作流程

(1)機(jī)器人接收遠(yuǎn)程計算機(jī)發(fā)送的指令。

(2)控制系統(tǒng)分析指令中需要操作的操作對象，從數(shù)據(jù)庫中讀取操作目標(biāo)操作對象參數(shù)。

(3)機(jī)器人自主移動至指定柜門前，將機(jī)械手移動至目標(biāo)操作對象前進(jìn)行粗定位。

(4)圖像識別子模塊對目標(biāo)操作對象進(jìn)行圖像識別與定位，精確調(diào)整機(jī)械手進(jìn)行精定位。

(5)機(jī)械手準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)目標(biāo)操作對象后執(zhí)行操作，拍照發(fā)送至遠(yuǎn)程計算機(jī)等待工作人員確認(rèn)。

(6)操作完成后自動返回充電位等待下一次任務(wù)。

2 控制系統(tǒng)硬件組成

依據(jù)控制系統(tǒng)功能需求，本文采用模塊化、開放式的分布式主從控制的硬件結(jié)構(gòu)，主控制器負(fù)責(zé)任務(wù)決策命令，從控制器控制機(jī)器人電氣系統(tǒng)。整體分散控制、集中管理。控制系統(tǒng)硬件組成框圖如圖4所示，因控制系統(tǒng)需要進(jìn)行圖像處理、TCP/IP通訊、流程控制等操作，故選用研華PPC-3120S型工控機(jī)作為上位機(jī)。工業(yè)計算機(jī)通過交換機(jī)連接無線路由器、工業(yè)相機(jī)和PLC。

圖4 控制系統(tǒng)硬件組成框圖

執(zhí)行操作任務(wù)時，機(jī)器人控制系統(tǒng)需要同時控制多臺伺服電機(jī)，并讀取位移傳感器數(shù)據(jù)、RFID傳感器數(shù)據(jù)和磁條傳感器數(shù)據(jù)，因此選擇臺達(dá)AS200系列PLC作為下位機(jī)。臺達(dá)AS200系列PLC使用CANopen協(xié)議與伺服電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行通訊，從而控制伺服電機(jī)[8]。加裝AS04AD模塊讀取激光位移傳感器輸出的模擬量。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)上位機(jī)程序通過C#語言開發(fā)設(shè)計，采用模塊化設(shè)計方案，分別設(shè)計實(shí)現(xiàn)單獨(dú)功能需求的子模塊，將子模塊組合成機(jī)器人控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)執(zhí)行的功能[9]。主要包含如下模塊：

(1)圖像處理模塊：計算機(jī)讀取工業(yè)相機(jī)拍攝的照片，對圖片進(jìn)行處理，根據(jù)圖像特征識別按鈕、旋鈕和空氣開關(guān)。其中通過霍夫圓算法檢測按鈕的圓形輪廓，通過按鈕的顏色篩選不同按鈕，選擇目標(biāo)按鈕，獲取圓心在圖片中的坐標(biāo)用于按鈕定位；旋鈕上貼上藍(lán)色矩形條，對圖片進(jìn)行二值化處理獲取矩形輪廓信息，通過矩形頂點(diǎn)獲取旋鈕在圖片中的坐標(biāo)；空氣開關(guān)下方貼有含空氣開關(guān)信息的二維碼，通過對二維碼進(jìn)行定位獲取空氣開關(guān)在圖片中的坐標(biāo)。獲取操作對象在圖片中的坐標(biāo)后進(jìn)行坐標(biāo)變換，返回機(jī)械手對準(zhǔn)操作對象所需移動的值。

(2)機(jī)械手運(yùn)動控制模塊：該模塊實(shí)現(xiàn)各機(jī)械手的點(diǎn)進(jìn)、點(diǎn)退、到目標(biāo)、回原點(diǎn)等功能，因機(jī)械手運(yùn)動控制模塊可能會在不同線程中被調(diào)用，所以需要實(shí)現(xiàn)該控制類的單例模式，保證在各線程中能正常使用機(jī)械手運(yùn)動控制模塊。在該模塊中上位機(jī)連接PLC，控制系統(tǒng)通過對PLC發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)控制伺服電機(jī)的功能，驅(qū)動各機(jī)械手的運(yùn)動，同時將電機(jī)的運(yùn)行信息反饋至控制系統(tǒng)。

(3)機(jī)器人底盤控制模塊：該模塊通過對機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行控制，調(diào)整兩個驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)和糾偏等功能；控制系統(tǒng)與移動小車PLC進(jìn)行通訊讀取當(dāng)前地標(biāo)卡信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的定位功能；使用Astar算法計算到達(dá)各柜門的最短路徑[10]，計算從當(dāng)前地標(biāo)卡至目標(biāo)地標(biāo)卡的路徑和路徑上的地標(biāo)卡，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在牽引變電所內(nèi)的自主移動。

(4)數(shù)據(jù)庫模塊：將電氣牽引所內(nèi)完成任務(wù)所需的各操作對象參數(shù)和牽引所室內(nèi)地圖儲存在數(shù)據(jù)庫中，設(shè)計數(shù)據(jù)庫并儲存參數(shù)，由控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫模塊實(shí)現(xiàn)參數(shù)的讀取與修改。使用數(shù)據(jù)庫對操作對象參數(shù)進(jìn)行儲存，機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時可由控制系統(tǒng)讀取目標(biāo)操作對象參數(shù)。通過對數(shù)據(jù)庫模塊中儲存的參數(shù)進(jìn)行修改對任務(wù)執(zhí)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使程序更加靈活方便。

(5)遠(yuǎn)程通訊模塊：遠(yuǎn)程通訊模塊能提供可靠的網(wǎng)絡(luò)通訊，保持遠(yuǎn)程計算機(jī)與機(jī)器人之間的通訊連接，自動檢測斷線重連的功能。根據(jù)工作人員選擇的電氣柜和操作對象實(shí)現(xiàn)生成指令的功能，當(dāng)遠(yuǎn)程應(yīng)急指令發(fā)出后，需要內(nèi)部計算機(jī)對指令的正確性、有效性進(jìn)行鑒別。只有正確有效的指令才會被接收，且轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)急操作機(jī)器人。控制系統(tǒng)接收遠(yuǎn)程計算機(jī)發(fā)送的指令，分析指令，執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)還負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)器人任務(wù)執(zhí)行進(jìn)度報告和工作圖片。

4 現(xiàn)場調(diào)試及執(zhí)行結(jié)果

開發(fā)完成智能應(yīng)急操作機(jī)器人控制系統(tǒng)后，將其下載至機(jī)器人上位機(jī)中，并進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試。牽引變電所共有兩個電氣控制室(34個電氣柜)。現(xiàn)場調(diào)試時采集電氣柜上的電氣元件參數(shù)，寫入數(shù)據(jù)庫中。啟動機(jī)器人控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作模式，由遠(yuǎn)程計算機(jī)隨機(jī)選擇操作對象，指揮機(jī)器人進(jìn)行應(yīng)急操作，確認(rèn)機(jī)器人執(zhí)行結(jié)果。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，機(jī)器人接收到指令后能夠穩(wěn)定移動至目標(biāo)操作對象前，準(zhǔn)確識別并定位目標(biāo)操作對象，返回工作圖片，工作人員確認(rèn)后完成操作任務(wù)，如圖5所示。因電氣柜位置不同，操作任務(wù)耗時2 min～5 min，滿足牽引變電所的應(yīng)急操作要求。

圖5 機(jī)器人執(zhí)行操作任務(wù)中

5 結(jié)束語

目前，智能應(yīng)急操作機(jī)器人控制系統(tǒng)已開發(fā)完成，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人遠(yuǎn)程接收指令、自動執(zhí)行操作任務(wù)、反饋操作結(jié)果的功能，實(shí)現(xiàn)了牽引變電所供電高壓室內(nèi)應(yīng)急操作的智能化，提高了工作效率，降低了人工投入。