输电线路巡检机器人修复控制系统

Repair control system of transmission line inspection robot

摘要

输电线路的定期巡检是使其长期稳定运行的重要保障，为解决传统人工巡检方式存在的劳动强度大、工作效率低且成本高等问题。设计了一种基于可编程逻辑控制器（programmable logic controllers，PLC）的输电线路自动巡检机器人系统，重点针对机器人巡检作业中防振锤复位和断线修复控制问题进行研究，将手动与自动控制模式相结合，采用经典的比例-积分-微分（proportional-integral-derivative，PID）控制算法参与控制。实验结果表明，设计的输电线路巡检机器人修复控制系统能够准确实现防振锤自动复位和断线自动修复，得到较好的控制效果。该系统对巡检机器人代替传统人工巡检方式、减轻巡检人员的劳动强度、提高输电线路管理和维护的自动化水平具有重要意义。

Abstract

Regular inspection of transmission lines is an important guarantee for the long-term stable operation.To solve the problems existing in traditional manual inspection methods such as high labor intensity，low work efficiency and high cost，a PLC-based transmission line automatic inspection robot system was designed， focusing on the robot inspection operations of anti-vibration hammer resetting and broken lines repairing control problems. The manual and automatic control mode were used， the classic PID control algorithm was applied to reset the anti-vibration hammer， and repair the broken lines. The experimental results show that the transmission line inspection robot repair control system can accurately achieve the resetting of the anti-vibration hammer and the repairing of broken lines， and get a better control effect. The system designed is of great significance for the inspection robot to replace the traditional manual inspection method， reduces the labor intensity of inspectors and improves the automation level of transmission line management and maintenance.

Graphical abstract

关键词

输电线路 / 巡检机器人 / PLC / 防振锤复位 / 断线修复

Key words

transmission line / inspection robot / PLC / anti-vibration hammer reseting / broken line repairing

我国架空输电线路布局范围广泛，且多分布于地形复杂、不平整的郊野，这些地区交通条件有限，环境恶劣。目前输电线路的巡检工作主要由人工完成^［1］，在人工检修的过程中会面临操作困难、工作效率低、安全系数低等问题，因此研究利用机器人代替人工操作，实现自主巡线、带电自主修复故障，对更好地保证电力传输的平稳运行具有重要意义。

随着国内电力行业的自动化程度不断提升，采用机器人替代或协助人工完成防振锤复位和断线修复等作业成为行业研究的热点^［1］。国内外关于输电线路巡检机器人的研究已经取得了诸多成果，2006年，中科院沈阳自动化研究所历经数年制造完成了三代巡检机器人样机^［2］，成功实现线上稳定行走、越障、刹车等功能。2008年，日本Hibot公司研发出新型巡线机器人Expliner^［3］。2014年，美国科研机构研发了一种将控制系统、通信系统、电力系统等集成起来的高压线作业机器人^［4］。2015年，国家电网湖南省分公司联合武汉大学与长沙理工大学先后研制了一代及二代具有防振锤更换功能的机器人^［5］。2017年，美国的GeorgiaTech团队设计了一款双臂巡检机器人Tarzan^［6］。2020年，南京师范大学的谢非教授团队和国网南瑞集团合作，设计开发出新型双臂式高压线检修机器人^［7］。2023年，云南电网昆明供电局联合陈凯等人研究设计了输电线路防振锤更换带电作业机器人^［8］。2024年，贵州电网联合王博禹^［9］研究并设计了高压输电线路巡检机器人。目前，国内外关于输电线路机器人的研究虽然已经取得诸多可借鉴的成果^［10-12］，但大多仍需要电网工作人员控制机器人完成作业，其电力作业速度、效率和精度受人工影响较大^［13-14］。

实现以机器人代替人工检修，可以实现带电检修，保证检修人员的安全性，提高工作效率，降低检修人员工作强度和危险性^［15］，这对于防振锤复位及断线修复机器人的研发具有重要意义。本文对输电线路巡检机器人修复控制系统进行研究，基于PLC控制将手动与自动控制模式相结合，使机器人同时实现防振锤复位及断线修复功能。

1 输电线路巡检机器人修复控制系统硬件设计

1.1 系统总体结构设计

输电线路巡检机器人由6部分构成，分别为视觉传感器、机械装置、通信装置、运动控制器、驱动电机和作业电源等。总控制器使机器人能够在输电线路上自动行走并完成防振锤复位和断线修复控制。机器人系统本体结构如图1所示。

1.2 防振锤复位及断线修复控制系统设计

多功能带电修复机器人以高压输电线的地线为作业路径，其控制系统采用分级控制的方式实现，包括地面控制站、机器人本体控制系统。地面控制站利用Profinet无线通讯模式对线路上作业的机器人本体进行监视和远程控制，实现与机器人本体间的控制信息传输及检测图像的接收与存储。

输电线路巡检机器人控制系统采用PLC作为主控制器，地面上位机通过Profinet通讯协议将各个运动部件的运动序列按照一定的次序发送给驱动器执行。输电线路巡检机器人的系统总体结构主要包括无线通信模块、电机驱动模块、图像采集模块、中央控制系统模块及末端执行机构等，其整体控制系统结构如图2所示。

1.3 控制系统硬件连接

控制系统总体结构主要包括电机驱动器、步进电机、PLC控制器、DQ模块、激光测距仪、压力传感器、电动推杆，控制系统硬件接线图如图3所示。

系统齿轮机构、电动扳手机构、导线修补机构的4台步进电机通过驱动器与CPU直连，用于测距的激光测距仪与电动扳手的压力传感器与IW点相连。与CPU通过Profinet相连的DQ模块用于控制3个电动推杆。系统中步进电机和步进驱动器的选型是确保整个系统正常运行的重要环节。综合考虑实际应用场景和需求，选择合适的型号与规格以满足系统的要求。为保证设备的稳定运行，选择了扭力为1 N·m的57步进电机，在相数上选择了使用率较高的两相57步进电机。为与步进电机相互配合，稳定运行，所选择的驱动器的型号为TB6600步进电机驱动器。位置固定部分选择带磁控开关式电动推杆，电源电压为24 V。

2 输电线路巡检机器人修复控制系统软件设计

2.1 上位机监控软件设计

上位机监控系统采用WinCC实现，与机器人本体进行远程通信及遥控。监控界面如图4所示。本系统在人机交互界面中，包括3个层别，分别是主界面（操作控制界面）、趋势界面和参数设置界面。在主界面（操作控制界面）中，本系统按照功能类别分为6部分，分别为行走齿轮电机控制、电动扳手推杆电机控制、电动扳手旋转电机控制、导线复位旋转电机控制、位置固定功能控制、机器人功能控制区域及报警信息控制等。

由图4可知，系统可实现各个电机的自动和手动分别运行，也可实现如防振锤自动复位、导线自动修补等复杂功能。电机控制部分包括信息显示区、参数设定区和功能控制区。信息显示区为电机的当前位置与当前速度显示；参数设定区为电机电动速度的设定与电机绝对速度的设定；功能控制区为控制电机状态的各个按钮。位置固定控制部分包括信息显示区和功能控制区，信息显示区显示电动推杆运行状态；功能控制区显示相关功能控制按钮。机器人功能控制部分包括防振锤自动复位功能按钮、导线自动修补按钮、自动模式下应急急停按钮等；报警信息部分可分别显示错误区域与详细信息。

2.2 PLC控制算法设计

PID控制算法因结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。PID控制算法根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量，对被控对象进行控制。

在行走电机运动控制中，输出值为电机脉冲与方向，被控值为电机物理位置反馈；在扳手旋转电机运动控制中，输出值为电机脉冲与方向，被控值为扳手压力反馈。即误差公式为

e_t=s_t-x_t（1）

式中：e_t为被控当前值与被控目标值差值；s_t为被控目标值；x_t为被控当前值。

比例项公式为

P_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}=k_p{e}_t（2）

式中：P_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}为比例项输出；k_p为比例系数；e_t为差值。

积分项公式为

I_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}=k_i{S}_t（3）

式中：I_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}为积分输出；k_i为积分系数；S_t为误差和。

微分项公式为

D_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}=k_d{D}_t（4）

式中：D_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}为微分输出；k_d为微分系数；D_t为连续误差值。

通过对比例项、积分项和微分项的计算可得出PID的最终输出u（t）公式为

u(t)=P_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}+I_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}+D_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}（5）

通过此公式即可得出输出值，当被控值达到PID死区后，电机控制停止输出，其控制程序执行完毕。

3 系统模拟实验

为验证系统的整体有效性，按照实际运行情况，在实验室中模拟搭建超高压输电线路和防振锤及部分破损导线。系统实验实物图如图5所示。

实验过程中，首先将机器人放置到指定位置，点击启动按钮，机器人完成复位，接收到指定的远程信号后，机器人切换到行走状态。机器人可根据PLC程序设定在高压输电线上一直前进，当机关测距仪检测到线路上的防振锤或破损处后，机器人行走电机停止。此时，电动扳手旋转电机或修补钳旋转电机启动，对防振锤进行松动或紧固，以及对破损导线的复位动作。

3.1 防振锤自动复位功能实验

实验过程中，模拟机器人与防振锤距离为2 000 mm，设定4.0 MPa的压力为旋紧螺栓，行走齿轮PID控制死区为10 mm，扳手旋转电机控制死区为0.2 MPa。实验一具体运行状态分别如图6所示。

由图6可知，当激光测距仪检测到与目标位置距离大于0时，操作员点击开始按钮，行走齿轮电机启动；当激光测距仪检测反馈示数进入PID死区位置，行走齿轮电机停止，此时机器人已到达目标位置。

行走齿轮电机停止后，由测量线可以看出，当压力未达到设定压力时，扳手旋转电机开始执行旋转动作。当压力反馈示数进入PID死区位置，扳手旋转电机停止，螺栓旋紧，实验完成。

3.2 导线自动修补功能实验

实验一中模拟机器人导线修补长度为2 000 mm，行走齿轮PID控制死区为10 mm；实验二中模拟机器人导线修补长度为1 500 mm，行走齿轮PID控制死区为5 mm。实验一、实验二具体运行状态如图7所示。

由图7可知，当修补长度大于0时，齿轮电机开始执行动作，同时修补钳旋转电机执行动作；当修补长度的反馈值进入行走齿轮电机PID控制死区位置，行走齿轮电机停止，修补钳旋转电机停止，此时导线自动修补功能执行完毕。

通过多次实验，可以观察到行走电机与扳手旋转电机的运动控制状态。当程序执行初步控制时，电机以恒定的速度运动，其被控当前值与被控目标值的差值逐渐减小，直至到达PID控制位。当程序开始执行PID控制时，可以观察到电机速度逐渐减慢，可控值逐渐趋近于目标值，当电机进入到PID控制死区时，控制结束，功能执行完毕。从实验结果看，本设计的两步法设计思路合理，在初步控制中，为保证效率，给予电机尽量大的固定脉冲值，使其快速到达PID位置，设置合理的死区并计算PID比例系数，再通过PID调节精准完成当前操作。

4 结论

本文所设计的多功能带电修复机器人结构简单，稳定可靠，执行力强。可同时实现防振锤自动复位与导线自动修复功能。基于PLC的控制系统稳定性强，易于操作和控制，机器人在防振锤复位、断线修复功能上利用PID控制算法，表现出较好的控制性能，能够稳定准确地执行PLC的命令，可靠地完成工作。整个机器人系统的性能达到了设计要求，体现出较好的实用性和市场应用前景。对于解放人力、有效提升输电线路线上作业的效率和安全性及整个电力行业的智能化发展具有重要意义。

参考文献

[1] 李周，王宇涵，顾伟，等.直流电网及其运行控制策略发展趋势［J］.电力系统自动化，2024，48（24）：1-21.

[2] 中国科学院.中国科学院改革开放四十年40项标志性重大科技成果［J］.中国科学院院刊，2018，33（12）：1282-1313.

[3] Kalani H， Malayjerdi M， Hasanpour Dehnavi M.H2M robot：a new prototype robot for insulation of high voltage transmission［J］.International Journal of Intelligent Robotics and Applications，2019，3（1）：87-98.

[4] 黄洪升，李绪镇，盛启玉，等.高压输电线机器人的研究现状及展望［J］.中国市场，2019（24）：183-184.

[5] 赵磊，肖爱平，黄晨，等.高压线巡检机器人被动式越障盘的设计与力学分析［J］.林业机械与木工设备，2019，47（2）：17-20，25.

[6] 易其泽.输电线路主动防冰/除冰机器人控制系统研究［D］.成都：西南交通大学，2020.

[7] 汪壬甲.面向电力巡检机器人的障碍物视觉检测与逐级巡检算法研究［D］.南京：南京师范大学，2021.

[8] 李斌，林彦彤，李相辉.输电线路防震锤更换带电作业机器人的研究［J］.电气技术与经济，2024（7）：218-220，223.

[9] 王博禹.高压输电线路巡检机器人的设计与仿真研究［J］.自动化应用，2024，65（3）：19-21，24.

[10] 李文杰，刘超，王青云，等.高压输电线路铁塔攀爬机器人夹持机构设计［J］.机械设计与制造，2025，409（3）：257-261.

[11] 黄菲，王在竹.高压输电线路巡检机器人专利情报分析［J］.中国发明与专利，2023，20（）：39-44.

[12] 董仲凯，漆海霞，张博，等.输电线路断股捋回修复机器人设计［J］.机床与液压，2024，52（8）：105-111.

[13] 丁一辛，秦浩，金甲杰，等.智能悬挂连接式巡检系统动态分析及工况仿真实验［J］.粘接，2023，50（4）：192-196.

[14] 王鹏，盛宇军，高笃良，等.架空输电线路巡检机器人系统设计［J］.电子测量技术，2022，45（21）：117-122.

[15] 彭向阳，吴功平，金亮，等.架空输电线路智能机器人全自主巡检技术及应用［J］.南方电网技术，2017，11（4）：14-22.

基金资助

教育部春晖计划(HZKY20220431)