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南京南瑞繼保電氣有限公司的研究人員王翔、宋偉成，在2018年第8期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，介紹了在智能制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型背景下，如何對電力控制保護設(shè)備的生產(chǎn)測試環(huán)節(jié)進行智能化升級，達到提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率、降低綜合生產(chǎn)成本的目的。

重點分析低壓綜合保護測量裝置的檢測過程，通過條碼識別裝置類型，改進接線方式，引入機器人完成轉(zhuǎn)運，利用PLC、上位機以及MES系統(tǒng)協(xié)調(diào)整個智能測試產(chǎn)線。該方案對繼電保護產(chǎn)業(yè)發(fā)展有示范效應(yīng)和借鑒意義，獲得全國電力職工技術(shù)成果獎二等獎。

近年來，國內(nèi)電力建設(shè)空前增長，帶動了電力系統(tǒng)保護控制設(shè)備制造和工程應(yīng)用的快速發(fā)展。而隨著“中國制造2025”國家戰(zhàn)略的不斷推進，以去產(chǎn)能、去庫存、去杠桿、降成本、補短板為重點的供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革也正式拉開，其中優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高產(chǎn)業(yè)質(zhì)量、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提升產(chǎn)品質(zhì)量顯得尤為重要。

南京南瑞繼保電氣有限公司（以下簡稱南瑞繼保）是國內(nèi)電力保護控制及智能電力裝備的重要科研和產(chǎn)業(yè)化基地，具有年均17萬套自動化設(shè)備、140萬塊板卡的生產(chǎn)試驗?zāi)芰Α．a(chǎn)品廣泛應(yīng)用于國內(nèi)電網(wǎng)、電廠和工礦企業(yè)，其中不乏一些重大工程如北京奧運場館、上海世博會等供電系統(tǒng)，因此對產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率有更嚴苛的要求，同時需要建立信息系統(tǒng)提供實時完善的生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)，便于后續(xù)的質(zhì)量追溯。

南瑞繼保電力設(shè)備智能調(diào)試車間分別對板卡和裝置進行功能性測試，車間重點通過價值流分析，改善瓶頸工序的生產(chǎn)節(jié)拍，在本行業(yè)內(nèi)率先引入工業(yè)機器人，開發(fā)智能化調(diào)試設(shè)備，力求提升板卡及裝置的產(chǎn)品質(zhì)量和測試效率。

由于電力保護控制設(shè)備的特點為多類型、小批量的生產(chǎn)測試，生產(chǎn)過程涉及裝置外接端子的多樣性、裝置配置的多樣性、測試項目的多樣性，測試過程狀態(tài)的監(jiān)控、測試結(jié)果的輸出、測試數(shù)據(jù)的存儲以及質(zhì)量追溯等問題，在整體的生產(chǎn)調(diào)試過程中需考慮柔性智能化的測試模式與信息化系統(tǒng)相結(jié)合的信息測試系統(tǒng)，因此結(jié)合上述特點以及測試環(huán)節(jié)的管理要求，建立了一套符合自身生產(chǎn)測試模式的智能調(diào)試車間。

繼電保護本身有著高精度、高可靠性的質(zhì)量要求，加之出口接點多回路復(fù)雜，測試過程中多為人工手動測試，很難保證產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量的一致性。本文針對繼電保護裝置測試的要求，結(jié)合生產(chǎn)流程精益化改造，在業(yè)內(nèi)首次引入工業(yè)機器人實現(xiàn)裝置在載具和流水線之間的轉(zhuǎn)運，建立測試線和回流線，通過條碼識別確定產(chǎn)品惟一ID，智能構(gòu)建被測裝置閉環(huán)的測試，提高了測試效率和柔性化。下面本文就該智能測試系統(tǒng)作整體介紹。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 總體介紹

引入機器人和傳輸鏈將裝配和初檢工序形成連續(xù)流，消除裝配后的等待時間，提高工作效率，確保初檢后的產(chǎn)品可以直接快速進入高溫老化工序。

產(chǎn)品以托盤模式來料，系統(tǒng)引入機器人實現(xiàn)產(chǎn)品的自動上下料，產(chǎn)品在流水線上分別經(jīng)過裝配和測試工序，測試合格的產(chǎn)品通過回流線方式至機器人下料區(qū)進行自動下料，不合格產(chǎn)品進入NG區(qū)域等待維修。具體布局圖、流程圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)流程

機器人利用視覺系統(tǒng)對產(chǎn)品進行準確的定位，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的自動抓取和搬運，減輕了勞動強度，提高了搬運效率。上位機系統(tǒng)與MES系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，裝配站點實現(xiàn)BOM的可視化，降低了裝配錯誤的風(fēng)險，提高了裝配效率和質(zhì)量。

測試站點采用柔性化設(shè)計，可同時滿足多型號產(chǎn)品的功能測試，解決了傳統(tǒng)測試方法頻繁換線的問題，提高了調(diào)試效率。上位機對產(chǎn)品信息進行解析，PLC根據(jù)解析的結(jié)果自動選擇測試模塊和端子，SmartTester測試系統(tǒng)根據(jù)解析的產(chǎn)品型號自動調(diào)用測試程序進行測試，并將測試結(jié)果反饋給上位機，對不合格產(chǎn)品進行記錄，便于追溯。

軟件架構(gòu)是以上位機為核心，接收來自MES生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的訂單信息，根據(jù)訂單中裝置型號數(shù)量比對實際產(chǎn)量防漏操作。上位機負責(zé)協(xié)調(diào)PLC去觸發(fā)機器人動作，與測試系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)聯(lián)動，完成整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

圖3 軟件架構(gòu)圖

2 關(guān)鍵點設(shè)計

2.1 標準托盤設(shè)計

裝置需要經(jīng)過倍速鏈在4個測試站間傳輸，在每個測試站中被頂升到平臺位置，所以選用統(tǒng)一尺寸的標準托盤，巧妙地將不同型號的裝置在機器人、雙層倍速鏈流水作業(yè)線、整機智能測試站、出料子系統(tǒng)自動運輸車四者之間安全高效傳輸。托盤載具有惟一性編碼，在承載產(chǎn)品同時與產(chǎn)品編碼綁定，系統(tǒng)進行識別進入測試站后可以依據(jù)編碼調(diào)用相應(yīng)測試程序。

2.2 倍速鏈傳輸設(shè)計

在線智能測試系統(tǒng)采用順時針傳輸?shù)碾p層倍速鏈設(shè)計。機器人首先將被測裝置從棧板上抓取移送到標準托盤上，上層倍速鏈主要將承載著產(chǎn)品的托盤送至空閑的測試單元由機構(gòu)頂升至測試平臺高度，由測試單元完成測試后放下至倍速鏈上。

通過末端下降機實現(xiàn)分流，流轉(zhuǎn)到下層倍速鏈上，測試有問題的裝置流轉(zhuǎn)到平層NG區(qū)域。下層倍速鏈將測試合格的產(chǎn)品送至首端提升機，由機器人自動轉(zhuǎn)運到轉(zhuǎn)運車上。倍速鏈是基于標準托盤設(shè)計的基礎(chǔ)上，完成裝置在系統(tǒng)中平行轉(zhuǎn)移，在4個并行運轉(zhuǎn)的測試單元間時間單件流。

2.3 整機智能測試站（ITS）

繼電保護裝置ITS針對低壓保護裝置三大類共計數(shù)十個子型號，采用統(tǒng)一建模方式，整體實現(xiàn)對裝置開入、開出接點，RS 232、RS 485通信接點，對時接點等裝置輸入輸出接點的整機智能化測試。ITS主要由以下幾部分構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 整機智能測試站系統(tǒng)組成

測試端子切換子系統(tǒng)與測試端子投退子系統(tǒng)共同構(gòu)成整機測試環(huán)境構(gòu)建子系統(tǒng)，根據(jù)智能測試控制中心的控制指令將繼電保護裝置的開入、開出、操作回路及各種通信接點與整機測試儀相關(guān)功能板卡進行自動連接，從而實現(xiàn)保護裝置的閉環(huán)測試。

本文的解決方案是在該型號裝置硬件滿配的基礎(chǔ)上通過型號識別選擇工裝夾具，達到自由靈活選擇相應(yīng)板卡測試線的目的。針對3種不同外形的裝置，分別設(shè)計測試把座控制面板A、C、D，通過伺服電機實現(xiàn)測試把座在X軸Y軸方向上的移動，從而建立整機閉環(huán)測試環(huán)境。

整機自動測試儀：根據(jù)被測保護裝置的硬件特點，按錄入裝置型號驅(qū)動測試程序并輸出對應(yīng)電氣量（如模擬量和開關(guān)量）的設(shè)計思想進行系統(tǒng)軟件架構(gòu)；在硬件設(shè)計上，采用最大化配置，模塊化選擇的方式與被測裝置匹配。

整機測試儀所有測試功能插件均通過CAN總線與CPU插件通信。由CPU根據(jù)條碼錄入信息，驅(qū)動模擬量及數(shù)字量開入開出信號的測試。整機測試儀按照智能測試控制中心提供的測試指令，對被測裝置進行測試，并返回相應(yīng)的測試結(jié)果，同時將整機測試報告提交給智能測試控制中心，有其上傳到云端數(shù)據(jù)庫。

智能測試控制中心就是整機智能測試站的大腦，主要負責(zé)被測裝置樣本知識庫構(gòu)建，與生產(chǎn)MES系統(tǒng)交互，根據(jù)裝置機箱二維碼獲取被測試裝置的數(shù)字化信息，并根據(jù)該信息，形成接線控制指令，傳遞給上位機子系統(tǒng)。上位機子系統(tǒng)根據(jù)控制指令控制PLC和伺服電機，實現(xiàn)測試線的型號選擇及連接。待整機閉環(huán)測試環(huán)境構(gòu)建完成，智能測試控制中心控制整機測試儀進行整機測試。最后將測試結(jié)果傳遞給上位機子系統(tǒng)，有其根據(jù)測試結(jié)果將裝置發(fā)往NG區(qū)域或流水線第二層返回區(qū)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用與分析

本文所述的繼電保護裝置整機在線智能測試系統(tǒng)已在南瑞繼保電力裝備智能產(chǎn)業(yè)園實施，實景如圖5所示。

圖5 整機在線智能測試系統(tǒng)現(xiàn)場

通過一年的使用，系統(tǒng)經(jīng)過后期不斷優(yōu)化，達到設(shè)計目標。但要充分發(fā)揮繼電保護裝置在線測試系統(tǒng)的最大使用效能，需要優(yōu)化兩個問題：

1）程序的智能化下載，即被測裝置自動下載對應(yīng)應(yīng)用程序的問題。解決方案是在整機智能測試站的智能測試控制中心布置分布式測試數(shù)據(jù)庫，根據(jù)程序歸檔編號與裝置二維碼，利用大數(shù)據(jù)匹配裝置需要下載的最新程序，解決裝置二維碼和歸檔程序唯一對應(yīng)的問題，實現(xiàn)保護裝置程序的智能化下載。

2）保護裝置電壓等級問題。裝置在硬件設(shè)計上，電壓等級會出現(xiàn)110V、220V之分，但在軟件設(shè)計中只能存在一個定值。因此，保護裝置要實現(xiàn)無人干預(yù)測試，需要智能判別，自動修改。解決方案是：智能測試控制中心根據(jù)裝置二維碼，去讀取云端生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)，確定裝置的電壓等級。通過與保護裝置軟件中默認的電壓等級數(shù)據(jù)進行比對，確認是否修改電壓等級。

效果對比：以項目實施前2016年12月傳統(tǒng)模式與項目實施后2017年12月智能模式的實際生產(chǎn)情況作對比。測試數(shù)據(jù)見表1。在生產(chǎn)周期、人員投入和工作強度三項指標前，智能測試系統(tǒng)充分體現(xiàn)出了其優(yōu)越性能。

表1 傳統(tǒng)測試模式和智能測試模式對比

結(jié)論

針對當(dāng)前繼電保護裝置大批量生產(chǎn)整機測試耗人耗時且容易出現(xiàn)錯漏的情況，本文提出了一種繼電保護裝置整機在線智能測試系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)首次在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用，并正式運行了一年，解決了裝置轉(zhuǎn)運問題、裝置型號智能識別問題、閉環(huán)測試環(huán)境智能構(gòu)建問題、整機智能測試流程控制問題，從而實現(xiàn)了繼電保護裝置的整機在線智能化測試，有效提高了繼電保護裝置的生產(chǎn)測試效率和企業(yè)的智能制造水平，并為智能制造在電力系統(tǒng)裝備生產(chǎn)測試領(lǐng)域的深入應(yīng)用做了有益探索。

本文下一步的工作重點是在線測試系統(tǒng)核心測試程序的優(yōu)化，確保整個測試更加高效；利用電氣檢驗報告，尋找測試數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性；分析故障回路發(fā)生規(guī)律，采取措施防止批量問題的發(fā)生。