基于机器视觉的智能电能表绿色破坏装置研制

2022-03-17国网江苏省电力有限公司常州供电分公司霍政界宋子豪

电力设备管理 2022年4期

国网江苏省电力有限公司常州供电分公司霍政界李铭宋子豪陈月

1 研究背景

电能表作为关系到电网运行过程中发、输、配、用各个环节的重要计量资产，需要对其从出厂到报废的所有流程进行严格管控[1]。根据国网（营销/4）897-2018号规章制度《国家电网公司电能表拆回分拣管理办法》中第二十九条规定：报废的电能表资产实物在与回收商交接时，需进行破坏式销毁（元器件、芯片、计量封印等必须破碎式销毁，外壳和金属端子等可以破坏式销毁）。但目前应用最广泛的电能表破坏方法采取人工作业的方式，即手持电钻在电能表上开孔进行表计破坏[2]。这种传统处理方式效率低下对表计破坏点的定位和钻孔深度完全依靠操作人员的经验判断，存在极大的不确定性，且破坏完成后无破坏记录无法追溯破坏情况，这些问题反映出现阶段的智能表报废方式已经无法满足对电力计量资产进行全寿命周期管理的需求[3]。

目前，可以查阅到多个电网公司研发的智能电能表自动报废处理装置，其采取的破坏方式主要有拆解和锤击粉碎性破坏等[4]。2017年4月12日，国网江苏省电力公司电力科学研究院申请公开专利《一种废旧电能表自动化拆解回收系统》，该发明将电能表的报废过程做成拆解回收系统，利用精密的机械臂将电能表各零部件在传送带上逐步分解，可以实现废旧电能表的全自动化拆解回收[5]。但该系统建设成本较大，且只能做到对特定型号电表的拆解，具有一定的局限性。2017年7月5日，国网山东省电力公司枣庄供电公司申请公开专利《一种电能表报废处置专用工具》，该发明的报废部位由击锤电机、锤杆和锤顶组成，报废方式是对电能表关键部位捶打进行粉碎性破坏。该设备结构简单，对报废电能表的处理速度快且不同型号的电能表之间没有局限性。但被该设备锤击过后电表内的所有元部件都粉碎性破坏，无法做到零部件的二次回收利用[6]。综上所述，现阶段需要研制出一种电能表自动报废处理装置，可实现对多种型号电能表的绿色智能化快速报废处理[7]。

本文拟通过三轴机械臂自动化控制技术实现报废电能表的全自动化和快速处理，提升国家电网公司在表计报废处置工作中的效率和精确性，高标准实现行业规章制度所规定的要求。同时提高报废电能表的周转速度，提升资源利用率，降低对仓储空间的占用。

2 装置结构

2.1 报废对象

本文研究的拟报废对象具有如下特征：兼容国网2009/2013版标准单相国网智能电能表，外形尺寸（长×宽×高）为160mm×112mm×58mm 或160mm×112mm×71mm；兼容国网2009/2013版标准三相国网智能电能表，外形尺寸（长×宽×高）为290mm×170mm×85mm；报废智能电能表实际稳定运行寿命大于等于10年。

2.2 报废流程模拟

在对电能表报废装置进行实物设计之前，需要模拟出报废作业的实施流程。

首先工人将装满报废电能表的周转箱放到设备工作台的工作区域内。设备工作区域具备设备限位装置，保证周转箱在工作过程中不会产生位移。

根据操作需要在人机界面上选择单、三相电能表，系统会根据选定型号使用相对应的程序，确认选择后，按下“设备启动”启动设备后，报废影像采集装置移动到报废电能表上方准备工作，先由感知系统的红外测距仪和限位开关感知报废电能表到位之后，影像采集系统开始工作，逐一扫描电能表信息，并在显示器上显示电能表的编码信息及图片供操作人员查看，人机界面上以表格形式记录下每个报废电能表的编码信息后保存在存储器根目录中。设备运行过程中绿色的警示灯常亮，当扫描过程中出现扫码异常时，人机界面出现报警信息，红色报警灯亮，并暂停工作，当人工将故障处理完之后，在人机界面进行报警信息解除，红色报警灯灭，然后按下“设备启动”设备将继续运行。

当影像采集系统完成信息采集之后，电能表破坏装置开始运行。可以根据实际需要在人机界面上设置设定破坏位置及深度，系统默认破坏点在电能表条形码中心位置，深度为可击穿线路主板的最小深度。

当破坏报废工作处理完成之后，用户可以根据需要选择是否再次进行已破坏设备的影像记录。如需要记录破坏电能表信息（以一箱12只单相电能表为例，需耗时1分钟），影像采集系统会开始运行，采集已报废的电能表信息，并记录下来储存在电脑中，方便后期的查找维护工作，储存完毕后报废影像采集装置会恢复到起始位置，并在人机界面显示工作完成。如果不需要，报废影像采集装置会直接恢复到起始位置，并在人机界面显示工作完成，黄色警示灯亮，工作人员看到人机界面提示后再将装满报废电能表的周转箱从工作区域搬下。

2.3 模型搭建

在制定好电能表报废装置的运行流程后，再根据相应流程进行装置的实物模块设计和组装。首先要确认好各项前置参数，该设备采用PLC 控制加感知系统相结合的方式，PLC 主要负责定位控制，感知系统主要负责信息采集。该系统可以适配于多种规格的电能表，根据不同规格的电能表，在人机界面上选择对应型号，系统将按选定型号进行自动定位，这种模块化的运行方式解决了目前报废装置中存在的局限性问题。由于需要对设备进行垂直方向打孔，机械臂的运动模式属于三维结构，其运动行程中的速度、相对位置等参数都可以通过人机界面进行设定和更改。三维轴承都采用的伺服模组，有运行精度高、运行速度快、噪音低等特点，打孔电机采用风冷式高速轴承，有功率大、噪音小等特点。

如图1所示，装置由机械结构、控制系统、感知系统、驱动系统、保护系统、监控中心五个部分组成。控制系统负责统筹各子系统的运行；感知系统由拍照相机、红外测距仪、限位开关等感应模块组成，实现视觉识别、视觉定位、装置保护等功能；驱动系统主要功能是电机的驱动，实现机械臂运动及钻头打孔功能；保护系统由覆盖整个装置的防护罩、限位装置、保护传感模块等组成，保护装置和使用人员的安全；监控中心提供人机交互功能，可以用于查看装置运行情况，查阅记录，异常告警等功能。

图1 设备系统框图

利用仿真软件搭建的报废装置实物图如图2所示，考虑到装置的成本问题，各模块设计应当尽量简化以实用为主。可以看到所构建的仿真模型中，最核心的破坏部件为一个六自由度三机械臂的结构，包括一对平行设置的X、Y 轴轨道、两对竖直设置的Z 轴轨道。Y 轴轨道上通过滑块连接有钻头，承担钻孔操作；钻头边上设有摄像头和红外测距仪。

图2 报废装置仿真模块图

其中驱动模块的控制单元位于工作区域的下方，可实现对机械臂、机械臂附件（表箱锁定装置）、电钻等部件的驱动控制，需设计其配套电路、通讯模块及电源模块。机械臂步进电机通过PWM 信号和方向信号来控制，根据通讯模块从控制系统获得的指令输出相应的PWM 信号和方向信号。表箱锁定装置使用电磁操作机构，钻头使用无刷电机驱动的钻头，根据控制系统的指令进行相应的操作。通讯模块通过通讯总线和控制系统通讯，电源模块为系统各模块提供匹配的工作电压。

将报废装置机械组装完成后的实物图（如图3所示），为防止钻头在报废处理过程中崩断伤人，在装置外围加装了防护罩，保障运行过程中人和设备的安全性。在实际操作过程中该设备对整箱单相电能表的报废操作时间为1min，相比的人工钻孔后逐一登记做记录，工作效率得到极大的提升。