抽水蓄能机组狭窄空间内检查机器人研究与应用

张礼平高旭王根超

摘要：以机组为例，在机组发生故障停机后，发电电动机内部往往温度非常高，能达到六七十摄氏度，此时进入发电电动机内部检查定转子故障情况，对工作人员的身体有着极大的伤害，同时由于设计制造原因发电机内部空间狭小，例如：发电机空气冷却器后侧定子机架、定子绕组下端部区域、定子绕组汇流排、磁极绕组之间等，工作人员无法进入，使用内窥镜来观察效果也很不理想，而狭窄空间内检查机器人的产生可以极大的改善这种情况，方便工作人员对发电机内狭小区域的检查工作。发电电动机组对于抽水蓄能电站的稳定运行有着十分重要的意义，狭窄空间内检查机器人可以帮助工作人员及时找到隐患并及时排除，从而提高机组的稳定性，保证抽水蓄能电站的正常运行。

关键词：机组故障；检查；运行；应用

一、概况

在抽水蓄能电站发生机组故障后，处理过程中先查看发电机组运行记录，并与运行监控人员进行联系，了解故障发生前出现的异常情况。然后到现场对故障现象进行观察，如外观、气味等，以发电机内部外观检查结果及异常现象为依据来初步判断分析故障点，根据基本故障做进一步深入的细化故障分析，如绝缘检测、直流耐压试验、保护回路校正等并根据故障实际原因进行排查处理。

以机组为例，在机组发生故障停机后，发电电动机内部往往温度非常高，能达到六七十摄氏度，此时进入发电电动机内部检查定转子故障情况，对工作人员的身体有着极大的伤害，同时由于设计制造原因发电机内部空间狭小，例如：发电机空气冷却器后侧定子机架、定子绕组下端部区域、定子绕组汇流排、磁极绕组之间等，工作人员无法进入，使用内窥镜来观察效果也很不理想，而狭窄空间内检查机器人的产生可以极大的改善这种情况，方便工作人员对发电机内狭小区域的检查工作。发电电动机组对于抽水蓄能电站的稳定运行有着十分重要的意义，狭窄空间内检查机器人可以帮助工作人员及时找到隐患并及时排除，从而提高机组的稳定性，保证抽水蓄能电站的正常运行。

国网新源公司已拥有了十几个在运行的抽水蓄能电厂，未来还要大力发展抽水蓄能电站，通过检查机器人我们可以降低各个抽水蓄能电站发电电动机检查的工作难度和工作风险，提高工作效率。通过国网新源公司生产管理系统将典型经验发布，和各兄弟单位交流学习。为国网新源公司的发展带来非常可观的经济效益。

二、国内外研究水平综述

机器人技术是一种是以自动化技术和计算机技术为主体、有机融合各种现代信息技术的系统集成和应用。经过半个多世纪的发展，机器人技术在工业生产领域得到了广泛的应用，极大地提升了生产品质并成功解放了劳动力资源。作为高技术领域中重要的前沿技术之一，机器人技术具有前瞻性、先导性的特点，对学术研究、产业升级、培养创新意识、保障国家安全、引领未来经济社会的发展有着十分重要的作用。

目前，相关领域的技术突破，从根本上为提升机器人技术的学术研究提供了必要的支持，为机器人的应用范围拓宽了道路，已涵盖国防、航空航天、工业生产、服务、老人康复、教育甚至普通家庭生活，一场新的机器人技术研究高潮和发展契机业已到来。

在各种机器人中，工业机器人应用较早，发展最为成熟。同时，技术的不断进步一直在牵引着机器人学科的发展，使机器人的应用领域从工业机器人扩展到特种机器人和服务机器人等。机器人技术也正越来越深刻地影响着我们的生活。机器人不但将在工厂、实验室与人一起工作，还将在车站、机场、码头、交通路口为人们指引路径、回答问题、帮助行人。机器人还将步入千家万户，为老人端茶送水，护理伤病人等等。未来机器人将会越来越广泛地进入人类社会，人类对机器人的依赖会如同现时对待计算机一样，即使是短时间的离开都可能会造成很大不便。

狭窄空间环境下的特种机器人是一种融合了多种先进技术的机电一体化装置。综合国内外研究现状可以看出，世界各国对管束环境下的特种机器人技术以进行了长期且深入的研究，研究成果已经得到应用，并取得满意效果。我国在多传感器信息融合控制技术、遥感加局部自主系统遥控机器人、智能化机器人等方面与国外先进水平差距较大，特别是在核工业、有色冶金、石油化工等行业特殊环境下的机器人技术与国外差距非常大，急需加快研究步伐，研究重点包含以下几个方面。

（1）是狭小空间内机器人特种机构研究。这类机器人工作时或在蒸汽发生器管板上的中间管廊，或通过手孔进入设备，工作空间比较狭小，管束间隙更加狭小，这些条件限制机器人驱动力的大小。如何实现检测装置在狭窄管束间隙中的移动是机器人工作的关键，必须设计合理的传动和移动方式并综合协调各驱动机构的尺寸。

（2）机器人的模块化技术研究

模块化设计是当今急切无奈发展的重要方向，在满足使用要求的前提下，采用模块化设计，通过标准机构的相互替换，可以有效地提高机器人使用的灵活性，达到一机多用、一机多能的目的。

（3）机器人作业精度控制研究

狭窄空间内，机器人活动面积很小，要实现携带检测、清洗系统的末端执行器进入作业，必须要求机器人的作业精度为毫米级，因此，研究工作过程中的精度是此类机器人成功应用的基础。

国内外研究机构对本项目方面暂无相关研究。本项目利用了机器人体积小、对作业空间要求相对低、灵活性及机操作性高等特点，以完成工作人员很难完成或根本完不成的发电机内部必要的检查工作，扩大了可检查的范围并提高了工作效率。

三、理论和实践依据

1.项目研究的原理简述：

在遥控电动车上架构向前、向上两组视频采集装置，并配合上照明装置以使其可以在黑暗环境下采集影像，再通过无限信号将视频信息传输到遥控电动车手柄的显示器上，从而可以让工作人员清楚的获得发电机内部的情况。抽水蓄能电站一般地处偏僻，在现行的运维一体化模式下，生产人员数量较少，发电机内部检查机器人可以有效的解放生产人员。

2.项目研究的理论和实践依据

(1)无线网络信号传输机制与标准

微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1毫米-1米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为¡°超高频电磁波¡±。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收;而对金属类东西，则会反射微波。

由于微波频率很高，所以在不大的相对带宽下，其可用的频带很宽，可达数百甚至上千兆赫兹。这是低频无线电波无法比拟的。这意味着微波的信息容量大，所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外都是工作在微波波段。另外，微波信号还可以提供相位信息，极化信息，多普勒频率信息。

正因为微波的这些特性，所以无线局域网网络就是采用微波进行传播信号的，当无线局域网网络采用基础架构模式工作时，那么局域网中的所有无线工作站都需要通过一个无线路由器设备来进行数据信号处理。如果无线局域网网络采用点对点模式工作时，那么无线局域网中工作站与工作站之间的相互通信能够直接进行，而不需借助一个无线路由器设备或其他无线节点设备。在一些特定的场合下，这种工作模式比较有利于工作站的快速网络访问，比方说要是我们想与局域网中其他工作站进行共享传输文件时，就可以选用点对点工作模式。不过比较麻烦的是，只要我们启用了点对点这种模式，那么本地无线网络附近的非法用户也能够在我们毫无知情的情况下偷偷访问本地网络中的重要隐私信息，这么一来本地无线局域网的工作安全性就会大大下降。

这样就要通过对无线传输信号进行加密，来提高安全防范效果。当前无线节点设备比较常用的加密方法包括两种，一种是WEP加密技术，另外一种就是WPA加密技术。其中WEP技术也叫对等保密技术，该技术一般在网络链路层进行RC4对称加密，无线上网用户的密钥内容一定要与无线节点的密钥内容完全相同，才能正确地访问到网络内容，这样就能有效避免非授权用户通过监听或其他攻击手段来偷偷访问本地无线网络。正常来说，WEP加密技术为我们普通用户提供了40位、128位甚至152位长度的几种密钥算法机制。一旦无线上网信号经过WEP加密后，本地无线网络附近的非法用户即使通过专业工具窃取到上网传输信号，他们也无法看到其中的具体内容，如此一来本地无线上网信号就不容易对外泄密了，那么无线局域网的数据发送安全性和接收安全性就会大大提高了。而且WEP加密的选用位数越高，非法用户破解无线上网信号的难度就越大，本地无线网络的安全系数也就越高。

我们在本科研项目需要采用的无线信号传输标准为WIFI标准，其全称为WirelessFidelity，又称802.11b标准，它的最大优点就是传输速度较高，可以达到11Mbps，另外它的有效距离也很长，同时也与已有的各种802.11DSSS设备兼容。IEEE（美国电子和电器工程师协会）802.11b无线网络规范是IEEE802.11网络规范的变种，最高带宽为11Mbps，在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps，带宽的自动调整，有效地保障了网络的稳定性和可靠性。其主要特性为：速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低。

Wi-Fi，无线保真技术与蓝牙技术一样，该技术使用的是2.4GHz附近的频段，该频段目前尚属没有许可的无线频段。其目前可使用的标准有两个，分别是IEEE802.11a和IEEE802.11b。该技术由于有着自身的优点，因此受到厂商的青睐，被普遍应用。

(2）机器人方向控制的理论实践依据

机器人的方向主要靠舵机控制，它也叫伺服电机，最早用于船舶上实现其转向功能，由于可以通过程序连续控制其转角，因而被广泛应用智能小车以实现转向以及机器人各类关节运动中，舵机是小车转向的控制机构，具有体积小、力矩大、外部机械设计简单、稳定性高等特点，无论是在硬件设计还是软件设计，舵机设计是小车控制部分重要的组成部分。舵机的组成,一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成，舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路等，如图3.1、图3.2所示。

舵机工作原理:控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度，从而达到目标停止。其工作流程为：控制信号¡ú控制电路板¡ú电机转动¡ú齿轮组减速¡ú舵盘转动¡ú位置反馈电位计¡ú控制电路板反馈。

舵机的控制信号周期为20MS的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5-2.5MS,相对应的舵盘位置为0－180度，呈线性变化。也就是说，给他提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持一定对应角度上，无论外界转矩怎么改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应位置上如图3.4所求。舵机内部有一个基准电路，产生周期为20MS，宽度1.5MS的基准信号，有一个比出较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而生产电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服驱动器，转动范围不能超过180度，适用于那些需要不断变化并可以保持的驱动器中，比如说机器人的关节、飞机的舵面等。

图3.4舵机输出转角与输入脉冲的关系

舵机使用中应注意的事项:常用舵机的额定工作电压为6V，可以使用LM1117等芯片提供6V的电压，如果为了简化硬件上的设计直接使用5V的供电影响也不是很大，但最好和单片机进行分开供电，否则会造成单片机无法正常工作。一般来说可以将来信号线连接至单片机的任意引脚，对于51单片机需通过定时器模块出PWM才能进行控制。但是如果连接像飞思卡尔之类的芯片，由于飞思卡尔内部带有PWM模块，可以直接输出PWM信号，此时应将来信号连于专用的PWM输出引脚上。

3.项目研究的关键和难点

项目研究的关键在于机器人的结构设计以及控制器的软件研发。因为机器人有可能在强磁场，高温的环境下进行工作，各电子器件的耐温性能，动力部分及无线信号传输的抗磁场干扰等就成为研究过程需要着重关注难点

四、应用研究和实施方案

1.项目研究内容

如何在遥控电动车上架构黑暗情况的视频采集装置，并通过无限信号将视频信息传输到遥控电动车手柄的显示器上，从而可以让工作人员清楚的获得发电机内部的情况。具体研究内容包括：

（1）研究发电机内部检查机器人的原理，确定设计图纸；

（2）控制器上控制软件的研发；

（3）设备安装，并在实验室初步进行调试（电动车的动力性能、小车方向及速度控制的灵敏性、电池的蓄电量、传回画面的清晰程度等）；

（4）在发电机组内进行现场试验，并最终确定设备形式。

2.实施方案

（1）试验计划

1）在狭窄空间内为室温情况下进行测试，观察设备是否工作良好，传回画面是否清晰；

2）在发电机刚停机情况下做好隔离措施后进行测试，此时发电机内部温度较高，观察设备是否工作良好；

3）试验中如有问题，及时分析调整。

（2）目标

实现狭窄空间检查机器人发电机组内的检修作业，完成工作人员无法完成的工作内容，帮助工作人员及时找到隐患并及时排除，从而提高机组的稳定性，保证抽水蓄能电站的正常运行。

（3）技术关键

通过对机器人动力系统、视频系统、信号的传输以及控制软件的研究，制造出一个可以在黑暗、空间狭小的环境下将发电机内部的视频画面通过无限信号传输到控制器上，帮助运维人员直观、高效的对发电机内部进行检查，加之机器人体积小、对作业空间要求相对低、灵活性及机操作性高等特点，可以完成工作人员很难完成或根本完不成的发电机内部必要的检查工作，扩大了发电机内部的可检查范围并提高了工作效率。

（4）技术方案

1）机器人系统结构

机器人系统如图4.1所示,该系统包括移动机器人、旋转电弧传感器、电源、送丝机、计算机、数据采集卡和D/A输出卡等部分。

系统的工作过程为:霍尔传感器采集旋转电弧所产生的电流变化信号并将其送入计算机中处理,经滤波处理和特征谐波法焊枪偏差识别及倾角信息识别处理后,得到作业机械臂当前的偏差和倾角值,输入控制器中得到十字滑块和车轮的控制量,再由D/A转换输出,控制伺服电机驱动车轮和十字滑块运动,从而实现检修跟踪。为了节约计算机的资源,提高系统的实时性,旋转电弧传感器的闭环调速由单片机完成。

旋转电弧传感器作为检修点跟踪传感器,实时性好、结构紧凑,特别适合狭小空间中的检修点跟踪,其构造如图4.4所示。电机固定在外壳上,其转子带动空心轴旋转,光码盘及光偶产生的速度脉冲信号将被送到单片机调速系统中进行旋转速度调制。通过调节导电杆与空心轴之间的偏心量使导电杆做圆锥运动,保护气与冷却水经传感器后部送至冷却与保护气室。该设计使旋转电弧传感器结构更紧凑。

为使精确跟踪机构结构紧凑,在狭小空间中不与障碍相碰撞,采用折叠式十字滑块结构,并进行了全密封设计,以适应检修时恶劣环境对精确运动滑块的影响。

3）机器人控制

A检修点跟踪路径与过程分析

在狭小空间角检修中,以直角检修对空间要求最为严格。检修点跟踪时从起点位置¡ð1开始顺时针跟踪,经第二、三、四段后回至起点位置完成该矩形检修点的自动检修。跟踪过程中检修机器人位姿变化如图4.7中¡ð1○2○3所示。其中vw是检修速度,vc是机器人质心运动速度,vs为十字滑块的移动速度。因旋转电弧传感器只能检测当前检修点的检修轨迹,而在进行格子形检修点检修时,为防止机器人本体与工件碰撞,需要在到达折角之前转弯。在机器人前端安装了一个超声波测距传感器,测量机器人与下一段检修点之间的距离,根据该距离值来确定何时开始转弯。由于四个折角跟踪过程相同,在此仅以一个折角为例进行分析。

在¦È=45?处,即直角拐点位置,焊枪的倾角由后倾45?突变为前倾45?,因此可以利用旋转电弧传感器采集到的焊枪倾角信息来判断是否到达了直角拐点处。

参考文献：

【1】戈东方.电力工程电气设计手册.第1册，电气一次部分【M】.北京：中国电力出版社，1989.

【2】傅知兰主编.电力系统电气设备选择与实用计算【M】.北京：中国电力出版社，2004.

【3】卓乐友.电力工程电气设计手册.第2册，电气二次部分【M】.北京：水利电