CN204557202U - 一种变电站带电水冲洗机器人用远程控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种变电站带电水冲洗机器人用远程控制系统，系统包括行走控制系统和安全控制系统，行走控制系统包括无线接收模块、遥控器、车载控制器和信息采集模块；所述无线接收模块与车载控制器之间及车载控制器和信息采集模块之间均采用无线设备，构建WIFI网络，实现三模块间的数据交互；安全控制系统利用云台上安装的超声传感器、磁场测距传感器、水阻率传感器及水压传感器，实现机器人运行过程的实时监控。本实用新型实现水阻率、水压、水柱长度的实时在线监测，保证水冲洗过程中机器人本体及变电站带电设备的绝缘性能，有效提高了水冲洗作业的安全性。

Description

一种变电站带电水冲洗机器人用远程控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种变电站带电水冲洗机器人用远程控制系统。

背景技术

随着大气环境污染日趋严重，电网设备污闪事故增加,严重影响电网设备安全运行。变电站绝缘子长时间暴露在外界环境中，表面易沉积污垢，这些污垢受恶劣天气侵害容易发生污闪事故。据统计，由污秽引起的绝缘闪络事故目前在电网事故总数中已占到第2位，仅1971-1994年全国35-500kV发、变电站就污闪1768座次。绝缘子带电水冲洗作业可以提高供电的可靠性，减少停电损失，保证变电站及输电线路的安全。在现阶段的变电站绝缘子冲洗作业主要存在以下缺点：

1、冲洗方式大多是由清洗技术人员手持冲洗设备进入现场进行作业，人工冲洗不仅依赖于天气情况，还需要清洗人员具备较高技术水平及熟练的操作流程，对绝缘子进行带电水冲洗时需要高规格的安全防护，以避免短路电流造成的安全事故，引发人员伤亡，这类作业方式存在安全隐患；

2、人工作业面临着劳动强度大，效率低，自动化水平低等诸多问题；

3、无法对水阻率、水压、水柱长度的实时在线监测，无法实时修改机器人运行状态，不能保证水冲洗过程中机器人本体及变电站带电设备的绝缘性能；

4、无自动化的控制系统，保持供电的连续性和水冲洗机器人一直与绝缘子保持安全距离；

因此研发能够实现用于水冲洗机器人的安全防护系统是非常有必要的，是符合时代发展要求的。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种变电站带电水冲洗机器人用远程控制系统，该系统可代替操作人员，在不停电的情况下对变电站设备进行机器人带电水冲洗作业，其可有效减轻人工清洗工作的繁重体力劳动，保证操作人员的人身安全，保证电网的安全运行。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种变电站带电水冲洗机器人用远程控制系统，包括行走控制系统和安全控制系统，行走控制系统包括无线接收模块、遥控器、车载控制器和信息采集模块，所述无线接收模块与车载控制器之间通过无线方式连接，用于控制水洗机器人的机械臂和移动底盘；遥控器通过无线接收模块控制车载控制器，所述信息采集模块采集装设于水冲洗机器人上的各个传感器测得的信号，安全控制系统基于对绝缘安全造成影响的因素，控制机器人与绝缘子串之间的距离保持在安全距离之内，安全控制系统包括超声传感器、激光测距仪、水电阻率传感器、水压传感器及磁场测距传感器，超声传感器和磁场测距传感器安装在机械臂末端的四个面上，用于检测机械臂末端与带电设备间的距离，激光测距仪与水枪平行安装，实时检测水冲洗过程中水柱的长度，水电阻率传感器及水压传感器安装在高压纯水制备设备之上，用于实时检测冲洗过程中水的压力和水的导电性能；安全控制系统通过无线接收模块连接遥控器。

所述机械臂是5自由度液压机械臂，机械臂上设有位置传感器测量每个轴的角度或长度；所述机械臂由液压驱动，液压源设有电磁阀用来启动、停止发动机、控制油门的大小。

所述车载控制器布置在水冲洗机器人移动底盘之上，电控开关是车载控制器的末端执行机构，当电控开关位于中位，此时电控开关控制电动机停止运动；当输入电压大于中位电压时，控制电动机正向旋转，当输入电压小于中位电压时，控制电动机反向旋转，通过TRIO控制器(即英国生产的翠欧运动控制器)IO输出口与机械臂的电控开关输入口连接，通过控制TRIO控制器输出口的输出电压，实现机器人电气执行机构的运动方向及运动速度的控制。

所述信息采集模块及车载控制器的角度传感器采集机械臂的升降高度及云台的角度信息，通过串口服务器将RS485协议数据转换为TCP协议数据，并通过HUB将数据发送至无线AP模块，进而实现与遥控端工控机的实时通讯。

所述信息采集模块布置在水冲洗机器人水枪云台之上，信息采集模块通过无线CLIENT与主控模块中的无线AP模块建立WIFI通讯连接，信息采集模块通过串口服务器采集绝对值角度编码器获取的云台俯仰、云台倾角数据，并通过WIFI网络上传至无线接收模块的工控机中，实现从而水枪云台上传感器信息的实时采集。

所述信息采集模块通过串口服务器采集绝对值角度编码器获取的云台俯仰及云台倾角数据，并通过WIFI网络上传至无线接收模块的工控机中；

所述无线接收模块包括工控机，工控机收集信息采集模块采集的传感器信息，通过TRIO控制器实现机械臂及车体的控制。

所述无线方式为采用无线AP模块和无线CLIENT设备。

所述超声传感器、磁场测距传感器及激光测距仪均通过HUB及无线AP模块将数据上传至工控机。

所述机械臂与带电设备间的距离大于变电站规定的安全工作距离。

所述激光测距仪采用红色激光，其光源光斑为1mm*1mm，测量距离1.5m至8m，测量时间为1至5毫秒。

一种基于上述安全防护系统的工作方法，具体为：

遥控系统控制工控机，使动力总成驱动车体行走机构运动，安全控制系统基于对绝缘安全造成影响的因素，控制机器人与绝缘子串之间的距离保持在安全距离之内，当水枪架上的激光测距仪，检测到水枪与需要冲洗的绝缘子的水平距离满足安全距离后，车载控制器控制机械臂进行竖直方向上的伸缩运动，以使水枪与绝缘子之间的距离满足冲洗距离，进行冲洗；跟踪摄像机实时观察水枪的状态，遥控系统控制云台的旋转，使水枪进行水平和俯仰运动，不断调整水枪的喷射角度，以使冲洗效果达到最好；水电阻率及水压传感器安装在高压纯水制备设备之上，用于实时检测冲洗过程中水的压力和水的导电性能；通过改变水柱的长度来改变绝缘水柱的绝缘性能。

所述对绝缘安全造成影响的因素包括水的电阻率、水柱的长度和机械臂与带电设备间的距离，其中水电阻率应大于500千欧每厘米；水柱长度应不小于2米，机械臂与带电设备间的距离应大于变电站规定的安全工作距离。

所述水柱的电阻与水柱的横截面积成反比，与水柱长度成正比，绝缘水柱的电阻的计算公式如下：

R＝r×L/A

其中r为水的电阻率，其含义为截面面积为一平方厘米，长度为一厘米的水柱的电阻值，L为水柱的长度，A为水柱的截面面积，R为水柱的电阻值；

在喷枪喷嘴口径一定的情况下，水柱的截面面积为一常数，在水的电阻率r变化时，可以通过改变水冲洗机器人喷嘴与设备间的距离，改变绝缘水柱的长度L，从而实现水柱绝缘性能的调节。

所述水柱的长度的自动控制算法为一双闭环控制算法，内环为作业距离和压力环，外环为水阻率环，当高纯水水阻率发生变化时，在线式水阻率传感器检测到该变化，通过事先通过实验建立好的水阻率与作业距离、喷水压力的专家系统得到与之对应的理想作业距离和喷水压力信息，由此进入内环系统，一方面通过激光测距仪的实时反馈信息，实现对作业距离的闭环控制，另一方面通过压力传感器返回的压力信息，实现对压力装置的输出压力的控制，进而实现对水冲洗机器人绝缘水柱绝缘性能的自动控制。

本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型代替操作人员，在不停电的情况下对变电站设备进行带电水冲洗作业，其可有效减轻人工清洗工作的繁重体力劳动，保证操作人员的人身安全，同时通过对设备污秽的清洗，防止设备污闪事故、保证电网的安全运行；

(2)本实用新型采用多传感器融合技术，实现水冲洗过程的自动实现，提高水冲洗作业的自动化和智能化水平；

(3)本实用新型可实现水阻率、水压、水柱长度的实时在线监测，保证水冲洗过程中机器人本体及变电站带电设备的绝缘性能，有效提高了水冲洗作业的安全性。

附图说明

图1为本实用新型的整体方框图；

图2为本实用新型的机器人控制系统车载控制器与无线接收模块方框图；

图3为本实用新型的控制系统框图；

图4为本实用新型的安全控制系统示意图；

图5为本实用新型的自动控制算法流程图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1-3所示，一种变电站带电水冲洗机器人包括机器人本体和机器人控制系统。

一种变电站带电水冲洗机器人包括：车体行走机构、动力总成、机械臂、水枪冲洗机构、电气控制系统等组成；其中，车体行走机构为履带式移动底盘结构，动力总成采用柴油机提供动力，安装于移动底盘上，机械臂连接在车体移动机构前端，机械臂安装有两级伸缩臂，两级伸缩臂的上臂通过绝缘支柱与水枪冲洗机构的工作云台相连；电气控制系统包括车载子系统和遥控子系统，遥控子系统与车载子系统相配合，通过无线方式远程完成对机器人机械臂及水枪冲洗机构的控制。

车体行走机构主要由履带底盘、左行走马达、右行走马达、驱动轮、从动轮、承重轮、履带、张紧缓冲装置组成，左行走马达和右行走马达通过螺栓连接在履带底盘支架上，驱动轮通过驱动轴与行走马达联接，从动轮、承重轮与张紧缓冲装置分别通过旋转轴与履带底盘支架联接，履带套在驱动轮、从动轮、承重轮与张紧缓冲装置的外侧，底盘左边为液压油箱，右边为柴油箱。

一种变电站带电水冲洗机器人用远程控制系统，包括行走控制系统和安全控制系统，行走控制系统包括无线接收模块、遥控器、车载控制器和信息采集模块，所述无线接收模块与车载控制器之间通过无线方式连接，用于控制水洗机器人的机械臂和移动底盘；遥控器通过无线接收模块控制车载控制器，所述信息采集模块采集装设于水冲洗机器人上的各个传感器测得的信号，安全控制系统基于对绝缘安全造成影响的因素，控制机器人与绝缘子串之间的距离保持在安全距离之内，安全控制系统包括超声传感器、激光测距仪、水电阻率传感器、水压传感器及磁场测距传感器，超声传感器和磁场测距传感器安装在机械臂末端的四个面上，用于检测机械臂末端与带电设备间的距离，激光测距仪与水枪平行安装，实时检测水冲洗过程中水柱的长度，水电阻率传感器及水压传感器安装在高压纯水制备设备之上，用于实时检测冲洗过程中水的压力和水的导电性能；安全控制系统通过无线接收模块连接遥控器。

车载控制器布置在水冲洗机器人移动底盘之上，电控开关是车载控制器的末端执行机构，当电控开关位于中位，此时电控开关控制电动机停止运动；当输入电压大于中位电压时，控制电动机正向旋转，当输入电压小于中位电压时，控制电动机反向旋转，通过TRIO控制器IO输出口与机械臂的电控开关输入口连接，通过控制TRIO控制器输出口的输出电压，实现机器人电气执行机构的运动方向及运动速度的控制。

信息采集模块及车载控制器的角度传感器采集机械臂的升降高度及云台的角度信息，通过串口服务器将RS485协议数据转换为TCP协议数据，并通过HUB将数据发送至无线AP模块，进而实现与遥控端工控机的实时通讯。

信息采集模块布置在水冲洗机器人水枪云台之上，信息采集模块通过无线CLIENT与主控模块中的无线AP模块建立WIFI通讯连接，信息采集模块通过串口服务器采集绝对值角度编码器获取的云台俯仰、云台倾角数据，并通过WIFI网络上传至无线接收模块的工控机中，实现从而水枪云台上传感器信息的实时采集。

信息采集模块通过串口服务器采集绝对值角度编码器获取的云台俯仰及云台倾角数据，并通过WIFI网络上传至无线接收模块的工控机中；

无线接收模块包括工控机，工控机收集信息采集模块采集的传感器信息，通过TRIO控制器实现机械臂及车体的控制。

无线方式为采用无线AP模块和无线CLIENT设备。

超声传感器、磁场测距传感器及激光测距仪均通过HUB及无线AP模块将数据上传至工控机。

机械臂与带电设备间的距离应大于变电站规定的安全工作距离。

激光测距仪采用红色激光，其光源光斑为1mm*1mm，测量距离1.5m至8m，测量时间为1至5毫秒，测量结果通过RS232信号传输，其与水枪平行安装，可以实时检测水冲洗过程中水柱的长度；水电阻率及水压传感器安装在高压纯水制备设备之上，用于实时检测冲洗过程中水的压力和水的导电性能。

本实用新型设计了一套变电站带电水冲洗辅冲机器人安全控制系统，如图4所示。该安全控制系统主要包括：超声传感器、磁场测距传感器、激光测距仪、水阻率传感器、水压传感器、串口服务器、工控机及无线AP和无线CLIENT组成。其中无线AP和无线CLIENT模块用于构建WIFI网络，实现各模块间数据的交互。

超声测距传感器和磁场测距传感器安装在机械臂末端的四个面上，用于检测机械臂末端与带电设备间的距离，其中磁场测距传感器利用带电设备周围磁场强度的分布，实现机械臂与带电设备间距离的实时检测，解决在潮湿天气条件下带电设备绝缘距离缩小的问题；当系统检测到机械臂与设备间的距离小于安全工作距离时，可以及时向操作人员反馈危险信息，并在必要时停止机器人的作业。

激光测距仪采用红色激光，其光源光斑为1mm*1mm，测量距离1.5m至8m，测量时间为1至5毫秒，测量结果通过RS232信号传输，其与水枪平行安装，可以实时检测水冲洗过程中水柱的长度；水电阻率及水压传感器安装在高压纯水制备设备之上，用于实时检测冲洗过程中水的压力和水的导电性能。

变电站水冲洗机器人喷射的高阻率水柱是其绝缘方式的一种，而水柱的绝缘性能受水的电阻率、水柱的长度，喷嘴的口径等因素的影响，其中任何一个因素发生变化时，都可能导致系统的绝缘性能下降，此时必须通过相应措施来弥补该绝缘性能的损失。实验证明，通过改变水柱的长度来改变绝缘水柱的绝缘性能是最可行，也是最有效的方法。

理论上，水柱的电阻与水柱的横截面积成反比，与水柱长度成正比。绝缘水柱的电阻的计算也是如此，其公式如下：

R＝r×L/A

其中r为水的电阻率，其含义为截面面积为一平方厘米，长度为一厘米的水柱的电阻值，L为水柱的长度，A为水柱的截面面积，R为水柱的电阻值。

在喷枪喷嘴口径一定的情况下，水柱的截面面积为一常数，从绝缘水柱的电阻值的公式可以看出，在水的电阻率r变化时，可以通过改变水冲洗机器人喷嘴与设备间的距离，改变绝缘水柱的长度L，从而实现水柱绝缘性能的调节。本实用新型采用一种变电站水冲洗机器人绝缘水柱自动控制算法，实现机械臂和压力装置的智能调节，改变水冲洗机器人喷嘴与设备间的距离，从而改变绝缘水柱的长度，保证足够的绝缘性能。

如图5所示，为变电站水冲洗机器人绝缘水柱自动控制算法的原理图，由原理图可知，该算法为一双闭环控制算法，内环为作业距离和压力环，外环为水阻率环。当高纯水由于某种原因水阻率发生变化时，在线式水阻率传感器检测到该变化，通过查找专家系统中事先通过大量实验建立的水阻率与作业距离、喷水压力的数据关系表，得到与之对应的理想作业距离和喷水压力信息，由此进入内环系统，一方面通过激光测距仪的实时反馈信息，实现对作业距离的闭环控制，另一方面通过压力传感器返回的压力信息，实现对压力装置的输出压力的控制，进而实现对水冲洗机器人绝缘水柱绝缘性能的自动控制。

本实用新型所述水冲洗机器人样机已经研制成功。其顺利通过了实验室内220KV等级高压、及电磁环境测试，并已顺利在220KV实验变电站内得到试验性应用，试验性应用表明，该控制系统能满足变电站带电水冲洗辅冲机器人的控制需求，并保证水冲洗机器人和被冲设备的运行安全。

本实用新型提供了一种变电站水冲洗机器人智能控制系统，该系统基于物联网技术和多传感器融合技术，构建变电站水冲洗机器人智能控制系统，采用该控制系统可以使变电站巡检机器人代替人的完成220kV变电站带电作业频率高的绝缘子水冲洗任务，一方面可减轻作业人员的劳动强度，另一方面也为作业人员的安全提供了保证的变电站水冲洗机器人无线遥控系统。后续将机器视觉技术引入该系统，利用图像处理、模式识别等功能，实现冲洗设备的自动识别，并利用视觉伺服技术进一步提高系统的智能型和自主性，随着系统的性能的不断提高，相信系统将会有相当大的应用空间。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种变电站带电水冲洗机器人用远程控制系统，其特征是：包括行走控制系统和安全控制系统，行走控制系统包括无线接收模块、遥控器、车载控制器和信息采集模块，所述无线接收模块与车载控制器之间通过无线方式连接，用于控制水洗机器人的机械臂和移动底盘；遥控器通过无线接收模块控制车载控制器，所述信息采集模块采集装设于水冲洗机器人上的各个传感器测得的信号，安全控制系统基于对绝缘安全造成影响的因素，控制机器人与绝缘子串之间的距离保持在安全距离之内，安全控制系统包括超声传感器、激光测距仪、水电阻率传感器、水压传感器及磁场测距传感器，超声传感器和磁场测距传感器安装在机械臂末端的四个面上，用于检测机械臂末端与带电设备间的距离，激光测距仪与水枪平行安装，实时检测水冲洗过程中水柱的长度，水电阻率传感器及水压传感器安装在高压纯水制备设备之上，用于实时检测冲洗过程中水的压力和水的导电性能；安全控制系统通过无线接收模块连接遥控器。

2.如权利要求1所述的一种变电站带电水冲洗机器人用远程控制系统，其特征是：所述车载控制器布置在水冲洗机器人移动底盘之上，电控开关是车载控制器的末端执行机构，当电控开关位于中位，此时电控开关控制电动机停止运动；当输入电压大于中位电压时，控制电动机正向旋转，当输入电压小于中位电压时，控制电动机反向旋转，通过TRIO控制器IO输出口与机械臂的电控开关输入口连接，通过控制TRIO控制器输出口的输出电压，实现机器人电气执行机构的运动方向及运动速度的控制。

3.如权利要求1所述的一种变电站带电水冲洗机器人用远程控制系统，其特征是：所述信息采集模块及车载控制器的角度传感器采集机械臂的升降高度及云台的角度信息，通过串口服务器将RS485协议数据转换为TCP协议数据，并通过HUB将数据发送至无线AP模块，进而实现与遥控端工控机的实时通讯。

4.如权利要求1所述的一种变电站带电水冲洗机器人用远程控制系统，其特征是：所述信息采集模块布置在水冲洗机器人水枪云台之上，信息采集模块通过无线CLIENT与主控模块中的无线AP模块建立WIFI通讯连接，信息采集模块通过串口服务器采集绝对值角度编码器获取的云台俯仰、云台倾角数据，并通过WIFI网络上传至无线接收模块的工控机中，实现从而水枪云台上传感器信息的实时采集。

5.如权利要求4所述的一种变电站带电水冲洗机器人用远程控制系统，其特征是：所述信息采集模块通过串口服务器采集绝对值角度编码器获取的云台俯仰及云台倾角数据，并通过WIFI网络上传至无线接收模块的工控机中。

6.如权利要求1所述的一种变电站带电水冲洗机器人用远程控制系统，其特征是：所述无线接收模块包括工控机，工控机收集信息采集模块采集的传感器信息，通过TRIO控制器实现机械臂及车体的控制。

7.如权利要求1所述的一种变电站带电水冲洗机器人用远程控制系统，其特征是：所述无线方式为采用无线AP模块和无线CLIENT设备。

8.如权利要求1所述的一种变电站带电水冲洗机器人用远程控制系统，其特征是：所述超声传感器、磁场测距传感器及激光测距仪均通过HUB及无线AP模块将数据上传至工控机。

9.如权利要求1所述的一种变电站带电水冲洗机器人用远程控制系统，其特征是：所述机械臂与带电设备间的距离大于变电站规定的安全工作距离。

10.如权利要求1所述的一种变电站带电水冲洗机器人用远程控制系统，其特征是：所述激光测距仪采用红色激光，其光源光斑为1mm*1mm，测量距离1.5m至8m，测量时间为1至5毫秒。