智能制造技术在电力控制保护设备自动测试中的应用
南京南瑞继保电气有限公司的研究人员王翔、宋伟成，在2018年第8期《电气技术》杂志上撰文，介绍了在智能制造产业转型背景下，如何对电力控制保护设备的生产测试环节进行智能化升级，达到提高产品质量、提升生产效率、降低综合生产成本的目的。
重点分析低压综合保护测量装置的检测过程，通过条码识别装置类型，改进接线方式，引入机器人完成转运，利用PLC、上位机以及MES系统协调整个智能测试产线。该方案对继电保护产业发展有示范效应和借鉴意义，获得全国电力职工技术成果奖二等奖。
近年来，国内电力建设空前增长，带动了电力系统保护控制设备制造和工程应用的快速发展。而随着国家战略的不断推进，以去产能、去库存、去杠杆、降成本、补短板为重点的供给侧结构性改革也正式拉开，其中优化产业结构、提高产业质量、优化产品结构、提升产品质量显得尤为重要。
南京南瑞继保电气有限公司（以下简称南瑞继保）是国内电力保护控制及智能电力装备的重要科研和产业化基地，具有年均17万套自动化设备、140万块板卡的生产试验能力。产品广泛应用于国内电网、电厂和工矿企业，其中不乏一些重大工程如北京奥运场馆、上海世博会等供电系统，因此对产品质量及生产效率有更严苛的要求，同时需要建立信息系统提供实时完善的生产测试数据，便于后续的质量追溯。
南瑞继保电力设备智能调试车间分别对板卡和装置进行功能性测试，车间重点通过价值流分析，改善瓶颈工序的生产节拍，在本行业内率先引入工业机器人，开发智能化调试设备，力求提升板卡及装置的产品质量和测试效率。
由于电力保护控制设备的特点为多类型、小批量的生产测试，生产过程涉及装置外接端子的多样性、装置配置的多样性、测试项目的多样性，测试过程状态的监控、测试结果的输出、测试数据的存储以及质量追溯等问题，在整体的生产调试过程中需考虑柔性智能化的测试模式与信息化系统相结合的信息测试系统，因此结合上述特点以及测试环节的管理要求，建立了一套符合自身生产测试模式的智能调试车间。
继电保护本身有着高精度、高可靠性的质量要求，加之出口接点多回路复杂，测试过程中多为人工手动测试，很难保证产品的生产质量的一致性。本文针对继电保护装置测试的要求，结合生产流程精益化改造，在业内首次引入工业机器人实现装置在载具和流水线之间的转运，建立测试线和回流线，通过条码识别确定产品惟一ID，智能构建被测装置闭环的测试，提高了测试效率和柔性化。下面本文就该智能测试系统作整体介绍。
1 系统整体设计
1.1 总体介绍
引入机器人和传输链将装配和初检工序形成连续流，消除装配后的等待时间，提高工作效率，确保初检后的产品可以直接快速进入高温老化工序。
产品以托盘模式来料，系统引入机器人实现产品的自动上下料，产品在流水线上分别经过装配和测试工序，测试合格的产品通过回流线方式至机器人下料区进行自动下料，不合格产品进入NG区域等待维修。具体布局图、流程图分别如图1和图2所示。
图1 系统结构图
1.2 系统流程
机器人利用视觉系统对产品进行准确的定位，从而实现产品的自动抓取和搬运，减轻了劳动强度，提高了搬运效率。上位机系统与MES系统进行数据交互，装配站点实现BOM的可视化，降低了装配错误的风险，提高了装配效率和质量。
测试站点采用柔性化设计，可同时满足多型号产品的功能测试，解决了传统测试方法频繁换线的问题，提高了调试效率。上位机对产品信息进行解析，PLC根据解析的结果自动选择测试模块和端子，SmartTester测试系统根据解析的产品型号自动调用测试程序进行测试，并将测试结果反馈给上位机，对不合格产品进行记录，便于追溯。
软件架构是以上位机为核心，接收来自MES生产执行系统的订单信息，根据订单中装置型号数量比对实际产量防漏操作。上位机负责协调PLC去触发机器人动作，与测试系统、视觉系统联动，完成整个系统的运转。软件架构如图3所示。
图2 系统流程图
图3 软件架构图
2 关键点设计
2.1 标准托盘设计
装置需要经过倍速链在4个测试站间传输，在每个测试站中被顶升到平台位置，所以选用统一尺寸的标准托盘，巧妙地将不同型号的装置在机器人、双层倍速链流水作业线、整机智能测试站、出料子系统自动运输车四者之间安全高效传输。托盘载具有惟一性编码，在承载产品同时与产品编码绑定，系统进行识别进入测试站后可以依据编码调用相应测试程序。
2.2 倍速链传输设计
在线智能测试系统采用顺时针传输的双层倍速链设计。机器人首先将被测装置从栈板上抓取移送到标准托盘上，上层倍速链主要将承载着产品的托盘送至空闲的测试单元由机构顶升至测试平台高度，由测试单元完成测试后放下至倍速链上。
通过末端下降机实现分流，流转到下层倍速链上，测试有问题的装置流转到平层NG区域。下层倍速链将测试合格的产品送至首端提升机，由机器人自动转运到转运车上。倍速链是基于标准托盘设计的基础上，完成装置在系统中平行转移，在4个并行运转的测试单元间时间单件流。
2.3 整机智能测试站（ITS）
继电保护装置ITS针对低压保护装置三大类共计数十个子型号，采用统一建模方式，整体实现对装置开入、开出接点，RS 232、RS 485通信接点，对时接点等装置输入输出接点的整机智能化测试。ITS主要由以下几部分构成，如图4所示。
图4 整机智能测试站系统组成
测试端子切换子系统与测试端子投退子系统共同构成整机测试环境构建子系统，根据智能测试控制中心的控制指令将继电保护装置的开入、开出、操作回路及各种通信接点与整机测试仪相关功能板卡进行自动连接，从而实现保护装置的闭环测试。
本文的解决方案是在该型号装置硬件满配的基础上通过型号识别选择工装夹具，达到自由灵活选择相应板卡测试线的目的。针对3种不同外形的装置，分别设计测试把座控制面板A、C、D，通过伺服电机实现测试把座在X轴Y轴方向上的移动，从而建立整机闭环测试环境。
整机自动测试仪：根据被测保护装置的硬件特点，按录入装置型号驱动测试程序并输出对应电气量（如模拟量和开关量）的设计思想进行系统软件架构；在硬件设计上，采用最大化配置，模块化选择的方式与被测装置匹配。
整机测试仪所有测试功能插件均通过CAN总线与CPU插件通信。由CPU根据条码录入信息，驱动模拟量及数字量开入开出信号的测试。整机测试仪按照智能测试控制中心提供的测试指令，对被测装置进行测试，并返回相应的测试结果，同时将整机测试报告提交给智能测试控制中心，有其上传到云端数据库。
智能测试控制中心就是整机智能测试站的大脑，主要负责被测装置样本知识库构建，与生产MES系统交互，根据装置机箱二维码获取被测试装置的数字化信息，并根据该信息，形成接线控制指令，传递给上位机子系统。上位机子系统根据控制指令控制PLC和伺服电机，实现测试线的型号选择及连接。待整机闭环测试环境构建完成，智能测试控制中心控制整机测试仪进行整机测试。最后将测试结果传递给上位机子系统，有其根据测试结果将装置发往NG区域或流水线第二层返回区。
3 系统应用与分析
本文所述的继电保护装置整机在线智能测试系统已在南瑞继保电力装备智能产业园实施，实景如图5所示。
图5 整机在线智能测试系统现场
通过一年的使用，系统经过后期不断优化，达到设计目标。但要充分发挥继电保护装置在线测试系统的最大使用效能，需要优化两个问题：
1）程序的智能化下载，即被测装置自动下载对应应用程序的问题。解决方案是在整机智能测试站的智能测试控制中心布置分布式测试数据库，根据程序归档编号与装置二维码，利用大数据匹配装置需要下载的最新程序，解决装置二维码和归档程序唯一对应的问题，实现保护装置程序的智能化下载。
2）保护装置电压等级问题。装置在硬件设计上，电压等级会出现110V、220V之分，但在软件设计中只能存在一个定值。因此，保护装置要实现无人干预测试，需要智能判别，自动修改。解决方案是：智能测试控制中心根据装置二维码，去读取云端生产信息数据，确定装置的电压等级。通过与保护装置软件中默认的电压等级数据进行比对，确认是否修改电压等级。
效果对比：以项目实施前2016年12月传统模式与项目实施后2017年12月智能模式的实际生产情况作对比。测试数据见表1。在生产周期、人员投入和工作强度三项指标前，智能测试系统充分体现出了其优越性能。
表1 传统测试模式和智能测试模式对比
针对当前继电保护装置大批量生产整机测试耗人耗时且容易出现错漏的情况，本文提出了一种继电保护装置整机在线智能测试系统设计方案。该系统首次在行业内应用，并正式运行了一年，解决了装置转运问题、装置型号智能识别问题、闭环测试环境智能构建问题、整机智能测试流程控制问题，从而实现了继电保护装置的整机在线智能化测试，有效提高了继电保护装置的生产测试效率和企业的智能制造水平，并为智能制造在电力系统装备生产测试领域的深入应用做了有益探索。
本文下一步的工作重点是在线测试系统核心测试程序的优化，确保整个测试更加高效；利用电气检验报告，寻找测试数据关联性；分析故障回路发生规律，采取措施防止批量问题的发生。