千万级电能计量器具全自动检测研究与设计

摘 要：针对江苏省电力公司千万级规模电能计量器具全自动检测系统的工程建设需要，研究了适合大规模电能计量器具全自动检测的系统工艺流程及特征，探讨了系统主要环节的关键设计方法，包括理想检测装置探讨、机器人拆盘上料与下料组盘环节的故障转移设计、AGV高效搬运和分布式检测任务调度方法等。所研究内容对国家电网今后制定计量器具全自动检测系统标准也有一定的指导和借鉴意义。

关键词：电能计量器具 全自动检测 AGV搬运 任务调度

中图分类号：TH873.7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（c）-0140-03

根据国家电网“三集五大”的建设需要，部分所属省电力公司正在建设或筹建电能计量器具（简称计量器具）的全自动化检测系统。目前，计量器具的全自动化检测方案主要有基于流水线和基于AGV搬运两种方式[1，2]，都处于初步试用阶段，迫切需要进行标准化和先进性研究。江苏省电力公司根据该省未来大规模电能计量器具检测的需要，正在研究采用基于AGV搬运的方案[3，5]，建设适合该省计量器具检测规模的全自动检测系统[4]。本文研究适合建设超大规模电能计量器具的全自动检定系统的工艺流程和特征，探讨系统主要环节的关键设计，对提高系统的工程建设质量及国家电网今后制定计量器具全自动检测系统标准都有一定的指导和借鉴意义。

1 系统工艺流程与实现方式

江苏省电力公司自动化检定/检测（简称检测）系统综合运用AGV、机器人[7，8]、计算机控制、传感器检测、气动和电动控制、图像识别及计算机网络通讯等领域的技术[10]，实现计量器具的传输、上料及下料、耐压试验、外观检查、误差检定、铅封、检定合格证粘贴等各个环节的自动作业，实现将单相表[6]检定、三相表检定及采集终端检测集成在一套自动化系统中。系统所采用的检定工艺流程及实现方式如图1工艺流程与实现方式所示。其中，AGV每次搬运一垛5周转箱电能计量器具，通过转接台与下一环节衔接；每个检测装置对应3个转接台；单个机器人实现多个检测装置的拆盘上料和下料组盘；自动检测环节完成耐压试验和误差检定；后续处理基于输送线模式[9]实现外观检查、铅封、检定合格贴标等操作；通过站台实现与自动化库房接驳。

2 系统特征研究

2.1 单次检测任务执行最短时间

系统调度时，以垛作为检测任务的调度单元，进行出库、搬运、检测等操作。分析单次检测任务执行过程，找出其中的效率瓶颈，是分析系统运行效率的基础，对指导系统设计，优化系统运行目标具有重要意义。分析系统工艺流程，推导该时间过程如下。

（1）由于计量器具拆盘上料、自动检测、下料组盘必须顺序执行，因此可以将这三个环节合并为一个大的环节，本文将其命名为上料检测环节。在一次检测任务的执行过程中，该环节持续时间最久，约100 min右，其他环节持续时间相对较短。

（2）由于上述环节通过转接台与其他环节对接，转接台形成了一个中转和缓存区，因此，该环节可以与其他所有环节并行执行。

（3）在系统连续运行的情况下，当其他环节能力足够的情况下，单次检测任务执行的最短时间为拆盘上料、自动检测、下料组盘时间的总和。

2.2 检测装置数量估算

检测装置数量是系统规模的主要衡量指标之一，决定了系统的检测能力，是搬运及其他环节设计的基础。由于单垛计量器具自动检测的时间通常是固定的，而每个检测装置执行检测是独立事件，因此，根据单次检测任务执行的最短时间、平均每天检测需求，可以估算出每种类型检测装置的数量规模。

2.3 AGV数量估算

考虑到单辆AGV价格较高，对系统建设成本影响较大，因此，需要理论与仿真实验相结合，对AGV的数量做出合理估算。目前，AGV轨道环形设计，完成一次搬运任务时间是AGV从离开站台到AGV回到站台所用时间，包括AGV在站台装货、搬运待检计量器具行驶、卸下待检计量器具、装载已检测计量器具、搬运已检测计量器具返回、进入站台卸货的时间总和。根据单次检测任务执行最短时间的分析，满足检测任务连续执行的系统搬运能力要求是，在正在执行的检测任务下料组盘完成之前，AGV要将下一个检测任务的计量器具运到，并将上次检测任务的已检计量器具运走。因此，在不考虑因调度及弯道的争用导致的时间耽搁的情况下，只需单辆AGV在多个轨道环路一次搬运所需时间总和小于一次检测任务执行的最短时间，就可以满足对应轨道上检测装置执行检测对搬运系统的能力要求。根据上述关系，可以推理估算出系统所需AGV总数。

3 系统关键设计

3.1 检测装置

按目前的检测装置设计，单次检测任务执行中，大部分单个计量器具的检测时长为上料、上料等待、检测、下料、下料等待的总时间之和。为了消除上述等待时间，一种理想的检测装置设计是，考虑将检测装置设计成每个检测位上料后立即执行检测的装置，上料后立即执行检测。按照该设计，每个计量器具将实现用最少的时间完成检测，系统的检测效率也将达到最优。

3.2 上下料容错设计

在同一条机器人运行的轨道上安装多个机器人可以有效提高拆盘上料与下料组盘环节的容错能力。假设单条轨道上有N台机器人，正常运行时，每台机器人使用N分之N-1的额定负荷。当某个机器人出现故障时，其余机器人自动多分担N分之1的负荷，实现拆盘上料与下料组盘环节的故障转移。可以看出，同一条轨道上，机器人越多，机器人的利用率越高。

3.3 高效AGV搬运

3.3.1 设计目标

仿真验证发现，AGV达到一定数量后，AGV利用率急剧下降，而所提供的搬运能力不再继续提高。分析系统工艺流程，结合考虑投资成本可以得出，在目前的自动化仓储和空间限制条件下，通过合理的AGV轨道设计和AGV调度算法，用最少的AGV实现提供足够的计量器具搬运能力是AGV搬运环节的主要设计目标。

3.3.2 一种AGV轨道设计

一种AGV轨道设计如图2AGV轨道设计图所示。图中红线显示了AGV的运行轨迹。仿真模拟实验显示，采用该设计，使用14辆速度为1 m/s，或15辆速度为0.8 m/s的AGV可以满足系统对搬运能力的需求，AGV利用率最优。

3.3.3 优化设计思路

观察仿真场景发现，系统启动时站台附近出现了大量AGV阻塞的现象。分析发现，AGV转弯速度仅0.2 m/s，加上小车加速、减速和碰撞检测造成的等待等因素严重降低了AGV的运输效率。另外，下垛站台的数量影响了同时在执行取待检计量器具AGV的数量，也对AGV启动时的运输速度造成了一定的影响。因此，提高AGV的搬运效率的方法包括以下几点。

（1）减少弯道的数量。

（2）增加站台数量。

（3）合理安排AGV到达路口的次序，避免AGV排队。

（4）增加主干道的数量，降低轨道的争用。

（5）优化轨道设计等。

3.3.4 并行站台设计

目前站台垛口采用了并排的方式设计，导致站台附近弯道很多，影响了AGV进站和出站的效率，且容易形成影响全局的故障点。建议站台垛口采用并行设计。为了提高空间利用率，可以考虑在同一条轨道上，沿AGV前进方向，上垛站台在前，下垛站台在后设计。技术上，除了考虑为每个垛口安装升降机的方式外，还可以考虑为AGV增加一个托举功能，AGV停靠在站台后，首先将货物托举到一定高度，然后再将货物送到输送线上。这样设计，输送线可以横跨在AGV轨道上，不影响AGV通过。

3.3.5 AGV调度设计

一种AGV调度算法如下。

（1）将所有AGV放在站台附近，组成AGV空闲队列。

（2）系统接到可执行待检计量器具搬运任务后，总是从空闲队列调度AGV执行。

（3）AGV执行完待检计量器具搬运任务（包括站台到转接台、转接台到转接台）后，通常立即回到空闲队列（不占用轨道，目前轨道全部是共享设计）。

情况一：AGV执行放下待检计量器具后，检测到同一检测装置有已检计量器具搬运，则立即执行该已检计量器具的搬运任务。

情况二：AGV执行放下待检计量器具后，检测到同一检测装置没有已检计量器具搬运，且发现有后续待检计量器具搬运任务或有需要占用该通道的其他任务，则AGV返回空闲队列或立即执行下一个搬运任务。

情况三：AGV执行放下待检计量器具后，检测到同一检测装置没有已检计量器具搬运，且发现没有后续待检计量器具搬运任务，且没有需要占用该通道的其他任务，则AGV原地监听等待。

（4）系统接到可执行的已检计量器具搬运任务，判断对应检测装置是否有后续待检计量器具搬运任务。如果没有，立即安排空闲AGV执行搬运。如果有，判断检测装置检测剩余时间，根据该时间，安排向该位置送计量器具的紧急程度。剩余时间越少，越紧急。

（5）当系统接到新的搬运任务后，通知所有监听AGV重新判断。

3.4 分布式检测任务调度

3.4.1 一种检测任务调度设计

目前系统采用的一种检测任务调度方式是，综合调度控制系统向单种设备或装置的调度控制系统同步所有设备或装置的状态，进行检测任务调度时，根据一定的调度规则，扫描所有的设备或装置实现具体任务的派发，包括搬运任务、上料及下料任