復合絕緣子自動清洗及檢測系統設計

朱香將，杜亞江，李宗剛*，柯良斌，魏永東

（1.蘭州交通大學 機電工程學院，蘭州 730070；2.蘭州交通大學 機器人研究所，蘭州 730070)

0 引言

復合絕緣子具有重量輕，耐污閃性能優異等優點，隨著直流輸電技術的迅速發展，因此被廣泛應用于高壓直流輸電[1]，尤其應用在軌道交通領域，其性能對列車的運行安全具有重要的影響。由于復合絕緣子長期暴露戶外外表面會形成污穢層，導致絕緣子表面的絕緣能力降低，在正常工作電壓運行下可能發生“污閃”現象，產生嚴重的交通事故[2]。

目前，在軌道交通及列車用復合絕緣子的清洗大都采用人工清洗的方法，需要投入大量的人力和時間，且不能保證清洗質量。另外，復合絕緣子進行噴水分級法檢測其憎水性等級，多采用手持型檢測儀對絕緣子進行噴水檢測，受環境和手持方式的影響會使待測區域噴涂不均，使用目測的方法判斷絕緣子的憎水性等級很不規范，人工手持的檢測方式存在費時長、人工成本高、步驟繁雜、容易受環境影響等問題[3]。為解決上述問題，我們設計了一種復合絕緣子自動清洗及檢測系統。該系統有清洗和檢測模塊，分別完成復合絕緣子的高效清洗和憎水性檢測的任務，工業機器人負責絕緣子的搬運過程，工人在整個流程中只需要通過上位機進行監控和參數設置，大大地提高了絕緣子的清洗及檢測效率。

1 系統總體設計

如圖1為復合絕緣子自動清洗及憎水性檢測系統控制框圖，由圖可知，該系統包括PLC控制模塊、清洗設備模塊、檢測設備模塊、圖像處理模塊、報警模塊、數據采集模塊、上位機和工業機器人。PLC系統模塊輸出指令控制清洗及檢測模塊，圖像處理模塊在后臺對采集的圖像數據進行圖像分析，并且判定絕緣子憎水性等級。當清洗及檢測設備運行模塊出現異常情況，PLC系統啟動報警模塊。數據采集模塊包括限位傳感器，用于采集清洗和檢測設備運行過程中位置數據，并將采集的信號傳輸給PLC模塊。上位機利用LabVIEW平臺編寫操作界面與PLC模塊相連，實現對設備運行的監控和參數設置，并且顯示所測絕緣子憎水性等級[4]。

圖1 控制系統框圖

2 系統結構組成及動作流程

如圖2為設備結構原理圖，由圖2(a)可知，絕緣子自動清洗設備，主要包括電動推桿、光電限位開關、左右毛刷輥等，通過電動推桿和限位開關可實現對不同型號復合絕緣子的自動限位夾持。如圖2(b)檢測設備，主要包括機架、盤形傳送和同步帶導軌。盤形傳送由步進電機帶動絕緣子依次進行圖像采集，同步帶導軌上安裝有工業相機、霧化噴頭和環形燈，采集圖片時需要噴水，有水箱將流落下的廢水進行統一收集。

圖2 設備結構原理圖

清洗設備模塊：首先，機器人將復合絕緣子放置在下托盤，電動推桿自動下降到上托盤與絕緣子接觸時，限位處彈簧被不斷壓縮；此時，光電開關將信號傳輸到PLC控制器，控制器將暫停命令傳遞到電動推桿，絕緣子正好被穩定的夾持住；之后，伺服電機帶動左右毛刷輥旋轉，兩毛刷輥間由V帶傳動，旋轉方向恰好相反；同時步進電機帶動絕緣子轉動，設備上部開始噴淋，達到較好的清洗效果。

檢測設備模塊：絕緣子底座形狀為上部有拱形弧度面和下部內掏空的中心圓柱，拱形弧度是為了貼合絕緣子傘裙，內掏空的圓柱體用來放置絕緣子的芯棒，使絕緣子在隨轉臺轉動的時候不會晃動受到磕碰損壞；檢測絕緣子時，檢測機門關閉，減小外界環境對內部檢測的影響；相機拍攝傘裙被噴水的部位，并將高清圖像傳回上位機后臺進行圖像處理。

圖3 PLC輸入輸出分配圖

3 控制系統軟硬件設計

3.1 系統硬件設計

根據系統的控制要求，分析所需要的輸入設備（傳感器、限位開關等）和輸出設備（電機驅動器、電磁閥、水泵等），其中6個輸入點和12個輸出點。綜合考慮，選用西門子S7-200（CPU226）作為主控制器。

系統PLC控制器的輸入輸出分配圖如圖4所示，由圖可知，PLC控制器輸入模塊用于采集和接收輸入信號，如限位信號、光電開關信號和機器人反饋信號等；輸出模塊用來控制執行部件，控制驅動器、電磁閥和水泵等[5]。

圖4 機械手實物控制圖

清洗機中，電推桿下降至頂住絕緣子時，光電開關閉合，此時PLC的Q1.7與機器人X20信號交互，保證絕緣子被穩定的夾持住，機器人才離開清洗機，清洗機開始閉門運行。在執行檢測任務時，門先關閉，光照打開、噴水，在標準檢測環境下，采集圖片進行憎水性等級判別。系統運行過程中，機器人與設備的信息交互通過I/O口實現，機器人將絕緣子放入檢測機、清洗機時信號Y10、Y12分別對應PLC的I0.4、I0.5，回到初始位置信號Y11對應PLC的I0.0。

機械手的抓取部分，采用氣動的方式，由空氣壓縮機、電磁閥、氣缸和手爪構成。通過電磁閥控制氣缸的張開或閉合進而實現兩機械手抓取和放開的任務。其中兩電磁閥與分別與機器人PLC輸出端的Y08和Y09相連接，通過機器人程序的編寫輸出口進而控制機械手狀態[6]，如圖8所示，機械手實物控制圖。

圖8 系統平臺

3.2 系統軟件設計

軟件主要包括兩個方面，一、PLC的程序控制，主要控制清洗機、檢測機以及與機器人之間的信息交互，實現絕緣子從物料臺到清洗機再到檢測機的過程，最終完成對絕緣子的高效清洗及憎水性檢測任務。二、上位機的程序設計，通過的程序編寫，與PLC控制器連接，將系統運行的過程及檢測結果在界面實時顯示。

3.2.1 人機交互

為了方便工作人員的操作控制及系統參數的修改，自動清洗檢測系統配置了人機交互模塊。上位機采用LabVIEW平臺編寫操作程序，采用圖形化編程語言，具有直觀、形象和易于觀察系統運行狀況的特點，符合本系統的設計要求。此外LabVIEW可使用經過測試和支持的NI底層代碼庫創建諸多方面的設計，保證整個系統運行的平穩性和安全性，上位機與主控制器PLC通過RS-485串口通訊[9，10]。

由圖5上位機主界面可知，一方面能夠實時顯示系統的工作狀況，包括：運行步驟、錯誤警示和通信情況。系統運行到每個步驟，右側藍燈都會實時的顯示，方便錯誤的診斷和排查，提高系統智能化程度。另一方面可體現運行數據，采集的絕緣子表面圖片數據，通過后臺圖像處理程序能夠實時獲得每組復合絕緣子的憎水性等級并自動保存，同時通過數據查詢也可獲得歷史數據，如圖6所示。

圖5 主界面

圖6 圖像采集和數據處理

3.2.2 PLC主程序設計

根據控制系統的需求，PLC控制流程如圖7所示，我們將第一周期的絕緣子編號為1#、2#。系統啟動后，在上位機進行初始化操作，初始化成功后，PLC控制程序啟動。首先，機器人抓取兩絕緣子（1#和2#），確保取料成功后，將1#放入清洗機，執行清洗任務；之后，機器人從清洗機中取出1#，放入2#絕緣子，在2#執行清洗任務同時1#放入檢測機，執行檢測任務；待2#和1#分別完成清洗和檢測任務，機器人將2#從清洗機搬運至檢測機，1#放到已完成物料臺；當2#完成檢測搬運至已完成物料臺，至此完成一次循環，機器人重回到原點進行下一周期的任務，周而復始，直至所有絕緣子完成清洗及檢測任務，實現流水線生產加工[11]。

圖7 PLC程序流程

4 實驗結果分析

如圖9為系統平臺，由圖9(a)工作結構圖可知，系統主要有檢測機、清洗機、控制柜、上位機和機器人組成，圖(b)為系統控制柜，控制柜主要有PLC控制器、繼電器、空氣開關和驅動器組成，其中，空氣開關為整個系統的電路正常工作的保障，PLC為系統的核心，實現整個系統的動作流程控制。

4.1 絕緣子圖像獲取和處理

本系統設計了標準化的檢測環境，一是光照采用的防水環形燈，光照強度900流明左右；二是自動噴淋裝置采用霧化噴頭，與絕緣子傘面距離在15mm～35mm之間，可調節達到最好的噴水效果；三是相機與傘面平行安裝，與傘面距離可進行微調，使得被測傘面充滿相機的取景框，獲取絕緣子憎水性圖像。

為了消除圖像的外部干擾信息，增強所需的信息。首先，需要通過灰度化、直方圖均衡和濾波等手段對絕緣子憎水性圖像進行預處理[12～14]。本文復合絕緣子憎水性檢測依次采用B通道分量法、直方圖均衡化處理、中值濾波和譜聚類分割進行圖像處理，譜聚類算法不受樣本空間的限制，相比于傳統的K均值算法對數據分布的適應性更強，其中Ncut算法效率優于FCM算法和K-means算法[15]。處理結果如圖9所示。

圖9 憎水性圖像處理

4.2 憎水性等級判定

表征憎水性的因子很多，但都不能很高的映射其與等級之間的函數關系，因此以改進的形狀因子法為基礎進行等級判定。改進的形狀因子法就是將最大水珠（水膜）的面積比和形狀因子兩個特征結合起來進行判定的一種方法[16]，如表1所示，其中k和fc的取值分別為：

表1 改進的形狀因子判定準則

式(1)、式(2)中k代表最大水珠/水膜的面積比；S表示最大水珠/水膜面積；s表示圖像的總面積；其中面積都是以像素點計算的；l為最大水珠或水膜的周長。水滴越接近圓，fc的值就趨近于1，隨著等級的增大，憎水性越來越小，相應fc的值越遠離1。

從某機務段選取三個復合絕緣子作為實驗樣本，在本系統設計的標準環境下進行憎水性等級檢測。以表1的判定準則為基礎，利用本系統的判定結果如表2所示，其中n、HC分別表示水珠數目和憎水性等級。由表2可知，所選擇的三個復合絕緣子在上位機界面顯示的憎水性等級依次為HC4、HC3和HC2。

表2 測量絕緣子的相關參數

與傳統方法相對比，在開放的環境下，有6名工作人員采用噴水分級法對上述絕緣子進行憎水性判斷，結果如圖表3所示。由表可知，6名工作人員的判別結果不盡相同，但是總體的判斷結果與本系統的檢查結果是相同的，因而表明所提方法和本系統的檢測結果是有效的。

表3 憎水性判斷

（續）

5 結語

針對復合絕緣子在清洗和憎水性檢測過程存在的工作效率和安全問題及難點，設計一套絕緣子集清洗及檢測一體的智能系統。該系統采用PLC控制器、人機界面開發及圖像處理技術研制的一款高自動化工廠使用設備，可實現對絕緣子的上料、清洗、檢測和下料等功能，并且通過上位機可進行實時監控整個工作流程和憎水性等級。該系統彌補我國在絕緣子清洗及檢測一體化自動化設備的技術空白，提好工作效率，降低人工成本。同時，通過實驗證明系統在憎水性等級判定的準確性和合理性，不需要進行高壓打壓實驗，避免了高壓危險。該系統具有可觀的產業化前景。