袁季方，陈苏芳，王林发，杨丕潆，廖志华，林 榕
（国网福建省电力有限公司龙岩供电公司，福建 龙岩 364000）
开关分合闸操作是电力运维人员的基础工作，远方遥控操作开关是避免开关爆炸伤人的有效措施，但由于受成本限制，在当前电力开关设备未普遍具备远方遥控操作功能的形势下，本文研制一种变配电开关柜电动操作按钮就地遥控分合装置，可以远程操作开关，避免运行人员就地操作时因开关爆炸造成的伤人事故。
操作按钮就地遥控分合装置结构图如图1 所示。装置主要有2 部分组成：机械手执行部分和机器视觉部分。机械手及其控制部分包括核心控制器、机械手、控制开关、无线通信，其作用为正逆运动学控制和分析，利用无线通信控制电机操作开关机构，达到分合开关的目的。机器视觉部分，作用是将机器视觉识别到的开关中心点坐标传送到机械手操作系统中，转换成机械手的坐标，驱动电机将机械手精准对准开关柜操作机构。
图1 变配电开关柜电动操作按钮就地遥控分合装置结构框架
1.1 核心控制器
选择STC89C51 单片机作为操作按钮就地遥控分合装置的核心控制器，根据项目须求设计了对应的STC89C51 单片机驱动直流电机的原理图如图2所示。
图2 电动操作按钮就地遥控分合装置控制器原理图
该原理图中电位器RV1 采集电压信号；
用转换器ADC0808 对输入电压信号进行数模转换，转换成单片机可以识别的数字信号；
用总线将ADC0808的OUT8～OUT1 口与单片机STC89C51 的P1 口相连接，实现数字信号的传送，硬件电路中用P1 口作为通用IO 准双向动态端口，输入控制指令（延时常数）。用P3.7 口作为输出控制信号（输出脉冲），控制OP07 的3 端的信号输入。用RV1 采集电压信息，IN0 作为电压模拟信号输入。OUT8 为最低位，OUT1 为最高位，OUT 端口作为数字信号的输出，将OUT8～OUT1 分别接到单片机的P1.0～P1.7。电路为12 MHz 晶振频率工作。
1.2 机械手
机械手使选用AI 视觉识别4 代机械手臂，它具有五自由度，能够接受控制器的指令完成开关的控制任务。图3 为机械手组成结构和功能介绍，该机械手由底部基座、5 个数字舵机、手腕、小臂、大臂和金属爪子组成。
图3 就地遥控分合装置机械手
1.2.1 舵机和舵机支架
舵机可以精准地控制舵盘的转动角度，因此采用舵机作为机械驱动装置。舵机内部由电机、控制电路板、齿轮组、电位器4 部分组成。当控制脉冲信号传送到舵机的控制电路后，开始控制电机转动，电机通过变速齿轮组带动输出轴转动，输出轴转动的同时带动可调电位器转动。控制电路板检测到电位器转动后，会判断电位器是否转动到了指定角度，如果转动到了指定角度就让电机停止转动，否则将继续转动。
舵机支架采用6061 铝合金，具备良好的耐腐蚀性，韧性高，且加工成型后不易变形。表面经过烤漆处理，广泛应用于汽车、地铁等交通运输工具，还被应用于制作飞机蒙皮、飞机机身框架、火箭锻环、宇宙飞船壁板等航空航天设备中。
1.2.2 电源
对需要的锂电池容量进行计算。锂电池容量的计算公式为：
C锂电池的容量=I放电电流×T放电时间
计算该容量时须要考虑2 点要求，一是保证电机输出扭矩达到50 N·m；
二是能够持续驱动电机50 min。为达到输出扭矩的要求，所选无刷直流电机产品的额定电压和额定功率分别为36 V 及360 W，可知：
I额定=P额定/U额定=360/36=10 A
计算驱动时长时须要考虑蓄电池的放电特性。由于放电过程是非线性的，放电后期电池的存储容量越少，放电就越快，因此实际有效时间比理论时间要短。根据经验，选取裕量系数为0.75，得到的驱动时长T为1.12 h。所以，锂电池容量C=I×T=11.2 A·h=11 200 mA·h。
1.3 控制开关
控制开关的作用为控制电机的正转、反转和停止的元器件，综合考虑开关的环境温度、接触电阻、绝缘电阻、寿命、操作力以及耐压水平等因素，船形开关的使用寿命为15 000 次，性能满足要求，因此选用船形开关。
1.4 无线通信
变配电开关柜电动操作按钮就地遥控分合装置机械手须要考虑电机正转、反转、停止等控制信号的传输方式。点对点通信的通信速率为100～16 Mbit/s，且无需路由器等中间设备，所以选用点对点通信方式。射频识别通信距离为9～10 m，在通信速率满足要求的前提下，该方式具有通信安全性高及生产成本低等优势，因此采用射频识别进行无线控制，根据要求设计的射频识别无线控制电路图如图4所示。
图4 射频识别无线控制电路图
1.5 摄像头
机器视觉部分是操作按钮就地遥控分合装置控制开关的首要步骤，它的工作任务就是在机械手操纵开关之前利用摄像头对当前开关进行拍摄，然后对拍摄到的图像进行颜色空间转换、滤波等处理，使图像更加平滑、干净，并提取所需的开关中心点信息，通过OpenCV 工作空间转换相应坐标信息发送给机械手控制器进行开关操纵。
2.1 有效性验证
本文选取3 种品牌环网柜、2 种品牌KYN28 柜，利用就地遥控分合装置分合开关以验证有效性，每个品牌分合50 次，试验数据如表1 所示。为检查开关分合闸是否到位，每次操作完毕后，均人工检查，检查发现，开关均分合闸到位。
表1 不同品牌变配电开关柜操作试验
试验过程中发现：操作杆具备旋转功能良好，调整角度达到0～180°；
可以用无线控制电机带动开关操作机构，扭矩达到了70 N·m，适合所有类型的变配电开关柜。
2.2 遥控距离验证
机器人采用射频识别通信，理论上通信距离为9～10 m。选取1～15 m 不同的距离下，每种距离对泰开KYN28 无线遥控操作20 次，测试操作成功率，如表2 所示。可以看出，实际操作时，遥控距离8 m 可以完全确保操作人员安全，具有很好的安全性。
表2 不同通信距离下无线遥控操作成功率 %
本文研究了一种变配电开关柜电动操作按钮就地遥控分合装置，具有3 个特点：代替人工，使用机械远程操作开关，避免了人员柜前操作的危险性；
适用范围广，适合多种品牌的开关柜；
遥控距离远，距离8 m 即可操作开关，确保远程操作人员的安全。试验验证了该机器人的安全性和有效性，具备良好的应用前景和推广价值。
