近年來，智能電網(wǎng)概念的興起極大促進(jìn)了智能變電站的建設(shè)，就地化保護(hù)的新思路應(yīng)運而生。由于就地化保護(hù)裝置的測試方法和通信形式發(fā)生變化，大量檢測工作需要在工廠進(jìn)行，常規(guī)檢測方法無法滿足工廠化大規(guī)模檢測需求，這一問題給就地化保護(hù)測試工作帶來了新的挑戰(zhàn)。針對上述問題，本文設(shè)計一種就地化保護(hù)自動檢測平臺，以解決就地化保護(hù)裝置檢測方法不成熟、效率低等問題。

1 就地化保護(hù)檢測系統(tǒng)硬件架構(gòu)

就地化保護(hù)檢測平臺整體架構(gòu)如圖1所示，該平臺采用模塊化設(shè)計、流水線式檢測方式，主要部件包括掃描模塊、測試模塊、流水線裝置、檢測控制臺。

1）掃描模塊

掃描模塊的作用是對被測繼電保護(hù)裝置的智能標(biāo)簽進(jìn)行掃描，讀取其基本參數(shù)信息，并將該信息反饋給檢測控制臺。

圖1 就地化保護(hù)檢測平臺整體架構(gòu)

2）測試模塊

測試模塊的作用是接收檢測控制臺發(fā)送的檢測功能指令，向被測繼電保護(hù)裝置輸入相應(yīng)的開關(guān)量和電壓、電流值，并將被測繼電保護(hù)裝置的反饋量回傳至檢測控制臺。測試模塊的輸入、輸出信號，既可以是模擬信號，也可以是數(shù)字信號，一個測試平臺通常包括多個測試模塊，與流水線裝置的檢測工位對應(yīng)，可以根據(jù)測試需要投入或投出。

3）流水線裝置

流水線裝置用于運輸及投卸被測繼電保護(hù)裝置。檢測控制臺將指令下達(dá)給流水線裝置，電動臺依次將被測繼電保護(hù)裝置傳輸?shù)綑z測工位進(jìn)行連接。為了能夠適應(yīng)多種測試方案，真正體現(xiàn)流水線技術(shù)的優(yōu)越性，流水線平臺可以設(shè)置多個檢測工位供測試模塊使用，檢測工位通過光纜與測試模塊通信，通過航插接插件與被測繼電保護(hù)裝置連接。

4）檢測控制臺

檢測控制臺是整個測試平臺系統(tǒng)的核心樞紐，通過對各部分模塊進(jìn)行合理調(diào)度來實現(xiàn)被測裝置的運輸、測試方案的生成與下達(dá)和測試數(shù)據(jù)分析整個自動閉環(huán)檢測過程。

2 就地化保護(hù)檢測系統(tǒng)硬件工作原理

2.1 自動傳輸裝載設(shè)計

就地化保護(hù)在裝置尺寸、通信協(xié)議和應(yīng)用模型方面實現(xiàn)高度標(biāo)準(zhǔn)化，輔以預(yù)制航插接口的應(yīng)用，為測試過程中自動定位和對接創(chuàng)造了條件。就地化保護(hù)測試可采用流水線自動傳輸和裝載方式，將被測裝置接入測試系統(tǒng)指定工位，減少人為干預(yù)。

流水線測試平臺的流水線裝置采用電動滑臺的設(shè)計，主要由定位工裝件、標(biāo)準(zhǔn)航插接插件、X、Y二軸滑軌組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電動滑臺示意圖

1）滑軌

滑軌采用X、Y二軸滑軌，X軸滑軌進(jìn)行橫向移動，用于被測裝置與測試模塊的工位定位，Y軸滑軌進(jìn)行縱向移動，用于被測裝置與測試模塊的航插接插件對接。當(dāng)滑軌在300mm范圍內(nèi)移動時，精度誤差小于0.03mm，當(dāng)滑軌在1000mm范圍內(nèi)移動時，精度誤差最大不超過0.1mm。

2）定位工裝件

定位工裝件用于固定被測裝置，對被測裝置縱向移動時的精度起決定性作用。由于不同類型的被測裝置的接口位置尺寸不盡相同，因此在安裝被測裝置前，需要對定位工裝件進(jìn)行調(diào)整以滿足測試需求。

3）標(biāo)準(zhǔn)航插接插件

標(biāo)準(zhǔn)航插接插件的作用是與被測裝置進(jìn)行對接，向被測裝置傳入開關(guān)量和電壓、電流值，并將反饋信號回傳至檢測控制臺。由于不能保證不同類型的被測裝置在接口設(shè)計上絕對一致，因此標(biāo)準(zhǔn)航插接插件在設(shè)計上需要留有裕度，采用柔性設(shè)計，使標(biāo)準(zhǔn)航插接插件在橫向上可以進(jìn)行小范圍移動，柔性接插件示意圖如圖3所示。

同時，為了保證接插件的穩(wěn)定性，需要采用定位彈簧對接插件進(jìn)行固定。當(dāng)被測裝置的接口被Y軸滑軌推入導(dǎo)向槽時，X軸滑軌開始工作，使航插接口移動，最終實現(xiàn)被測裝置和測試模塊穩(wěn)定銜接。

4）位置傳感器

本文設(shè)計的流水線檢測系統(tǒng)使用光電位置傳感器與磁性位置傳感器。光電位置傳感器用于感應(yīng)被測保護(hù)裝置在電動滑臺上的實際位置，并將位置數(shù)據(jù)傳輸給測試系統(tǒng)，實現(xiàn)對被測裝置的實際定位。

磁性位置傳感器安裝在電動滑臺的氣缸上，其作用是檢測測試時接插件的實際位置。當(dāng)接插件發(fā)生機(jī)械故障而未處于初始位置時，電動滑臺開始運轉(zhuǎn)，會對接插件造成損害。因此，安裝磁性位置傳感器可以感應(yīng)接插件的實際位置，當(dāng)接插件沒有回歸至初始位置時，測試系統(tǒng)將暫停電動滑臺運行，從而保護(hù)接插件。

圖3 柔性接插件示意圖

2.2 流水線檢測設(shè)計

流水線檢測單元控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖4所示，包括主控單元模塊、傳感器模塊、電磁閥驅(qū)動模塊、伺服電動機(jī)驅(qū)動模塊、通信接口模塊和輔助電源模塊六個部分。

圖4 檢測單元控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

主控單元的作用是對各工控單元進(jìn)行合理調(diào)度以完成流水線檢測；傳感器模塊的作用是對光電傳感器和磁傳感器的信號采樣處理；電磁閥驅(qū)動模塊用于驅(qū)動電動滑臺氣缸運行；伺服電動機(jī)驅(qū)動模塊用于驅(qū)動伺服電動機(jī)帶動平臺運行；通信接口模塊為主控單元和其他模塊提供通信服務(wù)，其中控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network, CAN）通信用于主控端與各測試接口進(jìn)行通信，RS 485用于主控端和交流伺服電動機(jī)通信以控制電動滑臺的運行速度；輔助電源模塊為各部分提供所需電能。

被測繼電保護(hù)裝置在通過標(biāo)簽檢驗后，由電動滑臺運至流水線系統(tǒng)指定的檢測環(huán)節(jié)工位，在被測繼電保護(hù)裝置進(jìn)入對應(yīng)的工位前，流水線檢測系統(tǒng)通過CAN總線發(fā)送工位狀態(tài)，隨后流水線檢測系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前工位的運行狀態(tài)判斷是否將被測繼電保護(hù)裝置投入，電動滑臺推動裝置與測試儀完成對接進(jìn)行檢測，檢測的結(jié)果及對應(yīng)的工位編號通過CAN總線回傳至測試控制臺。

3 就地化保護(hù)檢測系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計

3.1 氣缸及其控制電磁閥選型

因為設(shè)計的流水線平臺主要進(jìn)行重復(fù)性的水平運動，運動過程較為簡單穩(wěn)定，若采用電缸作為動力執(zhí)行器，成本較高，且電缸在平臺運行受阻時容易被損壞，故選用亞德客公司生產(chǎn)的雙軸氣缸作為動力執(zhí)行器，型號為TN32，如圖5所示。該型雙軸氣缸可以適應(yīng)多種復(fù)雜的工作環(huán)境，能在承受大負(fù)載的同時保持動作靈敏，輸出轉(zhuǎn)矩線性穩(wěn)定，保證電動滑臺的平穩(wěn)運行。

圖5 亞德客TN32型雙軸氣缸

電磁閥用于控制氣缸動作，當(dāng)電磁閥內(nèi)部的電磁線圈通電或者斷電時，其產(chǎn)生的電磁力將會控制閥門通斷進(jìn)而控制氣缸的開閉。因為流水線的電動滑臺僅當(dāng)運載被測繼電保護(hù)裝置時才會工作，其靜止時間遠(yuǎn)大于運行時間，對應(yīng)的電磁閥閉合時間遠(yuǎn)大于開啟時間，故采用亞德客公司生產(chǎn)的常閉式直流電磁閥，型號為4V210—08，如圖6所示。該型電磁閥采用24V直流供電，最大能夠提供0.8MPa壓強，具備耐久性好、動作勻速的優(yōu)點。

圖6 亞德客常閉式直流電磁閥

3.2 控制芯片選型

控制板實物如圖7所示，控制芯片采用數(shù)字信號處理器（digital signal processor, DSP）及復(fù)雜可編程邏輯器件（complex programmable logic device, CPLD）的雙控制核心架構(gòu)。DSP芯片選用德州儀器公司的TMSF28377s型，該型DSP作為最新一代的控制處理器，具備最高200MHz的工作頻率和400MIPS（million instruction per second）的處理速度。

CPLD芯片選用阿爾特拉公司的EPM1270T144型，該型CPLD具備最高333MHz的工作主頻，可以并行執(zhí)行多個任務(wù)程序。本文采用DSP負(fù)責(zé)處理模擬量采樣、通信接收發(fā)送任務(wù)及控制算法的計算任務(wù)，采用CPLD負(fù)責(zé)處理同步回放延時產(chǎn)生的計算任務(wù)和驅(qū)動波形的輸出任務(wù)。

圖7 控制板實物

3.3 傳感器采樣電路設(shè)計

本文設(shè)計的傳感器采樣電路采用歐姆龍公司PNP輸出型光電傳感器作為待測保護(hù)裝置的位置傳感器，具體型號為E3Z—LS86，該型光電傳感器對干擾信號抑制能力強，動作響應(yīng)迅速可靠，因此適用于檢測被測保護(hù)裝置的實際位置。

設(shè)計的光電傳感器的采樣調(diào)理電路如圖8所示，光電傳感器采樣電路通過端口4接收采樣信號，經(jīng)過主回路處理后輸出至后級調(diào)理電路，再經(jīng)過運算放大器后送入DSP處理。

運算放大器采用±12V供電，光電傳感器采用12V供電，當(dāng)光電傳感器工作正常時，傳感器綠色發(fā)光二極管LED2常亮，當(dāng)光電傳感器接收到采樣信號時，傳感器橙色發(fā)光二極管LED1閃爍。在光電傳感器的1端和4端并聯(lián)瞬態(tài)二極管TVS1用于抑制浪涌電壓，防止光電傳感器和后級調(diào)理電路因瞬時高壓而損壞。

圖8 光電傳感器采樣調(diào)理電路

磁性位置傳感器采用亞德客公司生產(chǎn)的磁性傳感器，具體型號為AL—20R，該型傳感器控制精度高，靈活性好，適用于偵測氣缸實際位置。磁性開關(guān)傳感器采樣調(diào)理電路如圖9所示，磁性位置傳感器采用12V供電，當(dāng)磁性開關(guān)傳感器未檢測到氣缸靠近時，開關(guān)處于斷開狀態(tài)，此時輸入采樣電壓被瞬態(tài)二極管TVS1鉗位至2.8V，DSP檢測為高電平。

當(dāng)磁性開關(guān)傳感器檢測到氣缸靠近時，開關(guān)處于閉合狀態(tài)，回路導(dǎo)通，磁性開關(guān)傳感器的藍(lán)色發(fā)光二極管LED1和后級采樣調(diào)理電路的紅色發(fā)光二極管LED2同時被點亮，由于回路存在導(dǎo)通內(nèi)阻，此時輸入采樣電壓約為0.5V，DSP檢測為低電平。

圖9 磁性開關(guān)傳感器采樣調(diào)理電路

3.4 電磁閥驅(qū)動電路設(shè)計

電磁閥驅(qū)動電路如圖10所示，采用光耦將控制信號和功率信號進(jìn)行電氣隔離，光耦采用安華高公司的HCPL—3120型。金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transi- stor, MOSFET）采用威世公司生產(chǎn)的SI7738DP—T1—GE3 MOS管，該型MOS管最大可承受150V電壓及30A的持續(xù)電流。

電磁閥驅(qū)動電路工作原理具體為：當(dāng)DSP輸入光耦3腳的PWM信號為高電平時，光耦原邊發(fā)光二極管截止，進(jìn)而光耦副邊截止，光耦1腳輸出低電平，開關(guān)管S1驅(qū)動信號為低電平，電磁閥停止工作；當(dāng)DSP輸入光耦3腳的PWM信號為低電平時，光耦原邊發(fā)光二極管導(dǎo)通，使光耦副邊同樣導(dǎo)通，光耦1腳輸出高電平，開關(guān)管S1驅(qū)動信號為高電平，驅(qū)動電磁閥開始運行。

為了在電磁閥關(guān)閉期間為功率模塊提供續(xù)流回路，在MOS管的漏極和電源之間并聯(lián)一個續(xù)流二極管VD1。紅色發(fā)光二極管LED1用于顯示電磁閥的工作狀態(tài)，當(dāng)電磁閥正常工作時，LED1被點亮。

圖10 電磁閥驅(qū)動電路

3.5 通信電路設(shè)計

1）CAN總線通信電路設(shè)計

本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)采用CAN總線實現(xiàn)各模塊通信功能，控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN總線起源于博世公司為汽車開發(fā)的通信協(xié)議，可以實現(xiàn)由點對點或由點對多的通信方式。得益于成本低廉、對干擾抑制能力好、可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離實時通信的特點，目前CAN總線已經(jīng)發(fā)展為工業(yè)界嵌入式控制局域網(wǎng)的規(guī)范現(xiàn)場總線，本文設(shè)計的CAN總線通信電路如圖11所示。

由于DSP本身具有CAN總線數(shù)據(jù)處理模塊，因此只需設(shè)計CAN收發(fā)器電路即可，本文采用恩智浦PCA82C251型CAN收發(fā)器芯片，該型CAN收發(fā)器芯片具有最大1Mbit/s的總線差分發(fā)射能力和CAN控制器差分接收能力，抗電磁干擾能力高，因此適用于大部分場景。

流水線系統(tǒng)一般安裝于工廠，廠內(nèi)不同設(shè)備裝置會產(chǎn)生干擾，因此需要對CAN總線電路做干擾抑制處理。采用安華高HCPL—3120型光耦對CAN總線接收端和發(fā)送端進(jìn)行電氣隔離。瞬態(tài)二極管TVS1和TVS2可以有效地抑制接收發(fā)送時突然產(chǎn)生的浪涌電壓，防止芯片損壞。圖11中紅色發(fā)光二極管LED1和綠色發(fā)光二極管LED2用于指示CAN通信信號的發(fā)送與接收。

圖11 CAN總線通信電路

2）RS 485總線通信電路設(shè)計

RS 485協(xié)議廣泛用于表征數(shù)字系統(tǒng)的驅(qū)動器和接收器的電氣特性，為了對電動滑臺的交流伺服電動機(jī)進(jìn)行速度控制，需要在主控和交流伺服電動機(jī)之間建立RS 485通信，以傳輸電機(jī)的速度數(shù)據(jù)和指令信號。RS 485通信電路如圖12所示，由于伺服交流電動機(jī)處于高功率回路，因此需要進(jìn)行電氣隔離。

本文采用德州儀器ISO3082型全雙工RS 485收發(fā)器，該型收發(fā)器自帶隔離，無需外置光耦芯片，可以簡化通信電路。通信電路使用隔離的5V電源供電以保證通信不受外界信號干擾，使通信信號與電源信號有效隔離。

圖12 RS 485通信電路

通信芯片的接收使能端和發(fā)送使能端由同一個DSP驅(qū)動信號控制，通過程序判斷進(jìn)行通信數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的模式選通。將RS 485總線的輸出端A上拉電阻到隔離的5V，輸出端B下拉電阻至隔離地，可以有效避免噪聲信號的干擾，同時使芯片未工作時A、B輸出端之間的電壓差能保持在200mV以上，設(shè)置兩個解耦電容以吸收總線上的高頻干擾信號。

設(shè)置瞬態(tài)二極管用于抑制RS 485總線上的浪涌電壓，防止芯片損壞。為了適應(yīng)高速、長距離的信號傳輸，在伺服電動機(jī)設(shè)置120 的線路匹配阻抗，紅色的發(fā)光二極管LED1和綠色發(fā)光二極管LED2分別為信號的發(fā)送與接收指示燈，控制板采用DB9母頭的RS 485總線輸出接口以匹配交流伺服電動機(jī)的通信端口。

4 自動檢測平臺應(yīng)用

本文采用搭建的自動測試平臺對南瑞繼保公司生產(chǎn)的220kV就地化線路保護(hù)裝置PCS—931A—JG—G進(jìn)行實際測試。

自動檢測平臺俯視圖如圖13所示，底部臺面布置二維運動滑軌，工件固定工裝安裝于運動滑軌頂部。編號1為Y軸滑軌，編號2為X軸滑軌，編號3為定位工裝件，編號4為掃描器，編號5為標(biāo)準(zhǔn)航插接插件，編號6為被測繼電保護(hù)裝置PCS—931A—JG—G。

圖13 自動檢測平臺俯視圖

定位工裝件俯視圖如圖14所示，編號1為工位的線束固定夾具，編號2為4個航插，可在設(shè)定調(diào)節(jié)范圍內(nèi)左右移動，以滿足不同廠家裝置尺寸結(jié)構(gòu)的微調(diào)。

圖14 定位工裝件俯視圖

平臺首先通過掃描模塊掃描PCS—931A—JG—G裝置智能標(biāo)簽獲取裝置基本參數(shù)信息，然后平臺將PCS—931A—JG—G裝置運載至對應(yīng)檢測模塊的工位進(jìn)行測試。測試結(jié)果正確后可進(jìn)行下一項測試，最后自動生成測試報告。本平臺通過二維碼識別讀取保護(hù)裝置基本參數(shù)信息的方式替代人工輸入，通過流水線運輸測試裝置至指定工位替代人工安裝，將原有約30min的測試時長縮短到約15min，測試效率提升50%。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種就地化保護(hù)自動測試平臺，對于就地化保護(hù)裝置如何實現(xiàn)流水線自動化式的運輸、投卸技術(shù)進(jìn)行了分析研究，給出測試平臺的整體架構(gòu)，闡述了各部分模塊的具體功能，對硬件平臺主要模塊進(jìn)行選型，并設(shè)計了硬件平臺的采樣調(diào)理電路、電磁閥驅(qū)動電路、通信電路，為就地化保護(hù)自動檢測提供了一個高效的檢測途徑。

本文編自2021年第12期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“一種就地化保護(hù)自動檢測平臺硬件設(shè)計與應(yīng)用”，作者為李涵、宋宇。