張瑞恩，李欣然，符傳福，陳林聰，陳曉琳

[摘? ? 要]傳統(tǒng)方式的SF6鋼瓶搬運(yùn)一般采用人工滾動(dòng)方式，或采用輪式機(jī)械車拖運(yùn)，不僅效率低，操作不當(dāng)還容易造成人體受傷。本文研制一種基于強(qiáng)磁吸技術(shù)的鋼瓶自動(dòng)搬運(yùn)車，由大容量電池提供大電流產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，完成對(duì)鋼瓶的吸取，到達(dá)目標(biāo)位置再解磁落放，實(shí)現(xiàn)了人體與鋼瓶免接觸，避免了工傷事故，提高了工作效率。本搬運(yùn)車還設(shè)計(jì)了自動(dòng)稱重系統(tǒng)，可以自動(dòng)計(jì)算鋼瓶中SF6余量，并將計(jì)算結(jié)果通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)遠(yuǎn)傳至數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)SF6余量自動(dòng)化管理。

[關(guān)鍵詞]SF6鋼瓶搬運(yùn);磁吸技術(shù);自動(dòng)稱重;SF6余量管理

[中圖分類號(hào)]TH16 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）12–00–03

SF6 Cylinder Automatic Transport Vehicle and SF6 Margin

Management Based on Magnetic Technology

Zhang Rui-en，Li Xin-ran，F(xiàn)u Chuan-fu，Chen Lin-cong，Chen Xiao-lin

[Abstract]The traditional way of SF6 cylinder transportation is generally manual rolling or wheeled mechanical truck hauling， which is not only low in efficiency， but also easy to cause human injury due to improper operation. This article develops a steel cylinder automatic transport vehicle based on strong magnetic attraction technology. The large-capacity battery provides a large current to generate a strong magnetic field， completes the absorption of the steel cylinder， and then demagnetizes it when it reaches the target position. It reduces work accidents and improves work efficiency. The truck is also designed with an automatic weighing system， which can automatically calculate the SF6 margin in the cylinder， and transmit the calculation result to the data center through wireless transmission technology to realize the automatic management of SF6 margin.

[Keywords]SF6 cylinder handling; magnetic technology; automatic weighing; SF6 margin management

SF6氣體作為絕緣和滅弧的介質(zhì)廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備中。SF6新氣或回收的廢舊SF6氣體一般以液態(tài)形式存儲(chǔ)在高壓鋼瓶中。SF6氣體絕緣電氣設(shè)備的運(yùn)維檢修過(guò)程及運(yùn)維檢修儀器的實(shí)驗(yàn)室校驗(yàn)過(guò)程中都存在大量的鋼瓶搬運(yùn)工作。傳統(tǒng)方式的SF6鋼瓶搬運(yùn)一般采用人工滾動(dòng)方式，不僅效率低，操作不當(dāng)還容易造成人體受傷。故，亟須研究一種高效、安全的SF6鋼瓶自動(dòng)搬運(yùn)車，在人體與鋼瓶無(wú)接觸的情況下實(shí)現(xiàn)鋼瓶的自動(dòng)搬運(yùn)?？梢钥紤]采用磁吸技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼瓶的搬運(yùn)。

1 磁吸技術(shù)

1.1 磁吸技術(shù)的原理

磁吸技術(shù)是基于電磁鐵的勵(lì)磁和解磁進(jìn)行操作的。在鐵芯的外部纏繞與其功率相匹配的導(dǎo)電繞組。直流電源為電磁鐵輸入直流電，鐵芯被導(dǎo)電繞組的磁場(chǎng)磁化，磁化后的鐵芯也變成了一個(gè)磁體，兩個(gè)磁場(chǎng)互相疊加使得導(dǎo)電繞組的磁性增強(qiáng)。

大容量電池提供大電流產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，使電磁鐵對(duì)鐵磁性物質(zhì)產(chǎn)生吸力，把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能承載、搬運(yùn)鋼瓶，到達(dá)目標(biāo)位置再解磁落放，解決了傳統(tǒng)方式搬運(yùn)鋼瓶中存在的問(wèn)題。

1.2 磁吸技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

與人工滾動(dòng)或輪式機(jī)械車拖運(yùn)等傳統(tǒng)方式相比，磁吸技術(shù)應(yīng)用于鋼瓶搬運(yùn)車中具有的優(yōu)勢(shì)如下。

（1）磁吸技術(shù)所產(chǎn)生的強(qiáng)大磁力，使得鋼瓶搬運(yùn)車可自動(dòng)、平穩(wěn)地裝卸鋼瓶，避免了鋼瓶?jī)A覆的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）磁吸技術(shù)將鋼瓶緊密固定在鋼瓶搬運(yùn)車上，途徑凹凸不平的地面時(shí)，不易受到震動(dòng)、沖擊或碰撞，避免鋼瓶滾落的情況發(fā)生。

（3）磁力搬運(yùn)可以節(jié)省人力、物力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，提高工作效率。

2 基于磁吸技術(shù)、稱重技術(shù)和無(wú)線傳輸技術(shù)的SF6鋼瓶搬運(yùn)車設(shè)計(jì)

本文研制的SF6鋼瓶自動(dòng)搬運(yùn)車由動(dòng)力單元、機(jī)械部分、控制單元和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳部分四部分組成。

2.1 動(dòng)力單元

動(dòng)力單元的作用是產(chǎn)生電磁吸力搬運(yùn)鋼瓶并給整套裝置提供電能，包括磁吸模塊與大容量電池。

2.1.1 磁吸模塊

磁吸模塊基于磁吸技術(shù)產(chǎn)生電磁吸力，完成對(duì)鋼瓶的吸取，到達(dá)目標(biāo)位置后再解磁落放，以達(dá)到裝載、搬運(yùn)和卸載的目的。鋼瓶殼體與電磁鐵之間接觸面積越大，電磁鐵產(chǎn)生的吸力越大。目前常用的SF6鋼瓶體積最大為40 L，外徑約220 mm。因此，制作電磁鐵時(shí)需要根據(jù)SF6鋼瓶（40 L）的外徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，加工匹配鋼瓶殼體的圓弧造型，以達(dá)到更大的接觸面積。

電磁鐵產(chǎn)生的吸力至少應(yīng)足夠提升滿瓶的SF6鋼瓶（40 L）。

Fn=μG/n

式中：Fn為電磁吸力，N;G為鋼瓶受到重力，N（40 L滿瓶的SF6鋼瓶重力為950 N）;n為電磁鐵數(shù)量;μ為電磁鐵表面與鋼瓶之間的靜摩擦系數(shù)（0.25～0.3，為安全性考慮選取最低摩擦系數(shù)0.25進(jìn)行計(jì)算）。

方案一：n=1，F(xiàn)1至少為3 800 N。

方案二：n=2，F(xiàn)2至少為1 900 N。

方案三：n>2，即使用多塊電磁鐵對(duì)鋼瓶進(jìn)行吸取，在底面的垂線上按照相同間隔依次放置。

三種電磁鐵設(shè)置方案相比，方案一對(duì)電磁鐵的吸力要求較高，使用成本高。在變電站運(yùn)維、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中搬運(yùn)鋼瓶遇到道路顛簸、磕碰等問(wèn)題時(shí)，易造成支撐不穩(wěn)，鋼瓶搖晃，發(fā)生安全問(wèn)題。相比方案一，方案二對(duì)電磁鐵吸力的要求降低了一半。雙電磁鐵在搬運(yùn)的過(guò)程中支撐較為穩(wěn)定，鋼瓶不會(huì)搖晃。方案三可以極大地降低對(duì)每塊電磁鐵吸力大小的要求，且能更穩(wěn)定地支撐鋼瓶，但多塊電磁鐵很難擺放到同一垂線上，不能完全發(fā)揮所有電磁鐵的效能。

因此，本文選用方案二，在底面垂線上放置兩塊電磁鐵。綜合考慮使用效能、電磁鐵體積等因素，本文選擇XDA型號(hào)的電磁鐵，額定電壓為24 V，正吸力為3 000 N。

2.1.2 大容量電池

高性能的直流供電電源是電磁鐵可靠工作的前提。在總電源的選擇上主要考慮電池的能量密度和安全性兩方面。

（1）能量密度。磷酸鐵鋰電池單體能量密度為120 Wh/kg，成組后能量密度為80 Wh/kg。三元鋰電池單體能量密度為180 Wh/kg，

成組后為110 Wh/kg。因此，在能量密度方面三元鋰電池優(yōu)于磷酸鐵鋰電池。

（2）安全性。從安全性方面考慮，三元鋰電池在電池組內(nèi)增加了防短路、防過(guò)載等保護(hù)措施。

2.2 機(jī)械部分

機(jī)械部分的作用是升降鋼瓶并加以穩(wěn)固，亦可對(duì)鋼瓶進(jìn)行水平稱重，包括升降機(jī)構(gòu)、稱重模塊與遙控模塊。

2.2.1 升降機(jī)構(gòu)

鋼瓶的提升依靠直流電機(jī)和減速器驅(qū)動(dòng)螺桿滑塊做直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在滿足上升速率的同時(shí)，提供了強(qiáng)大的扭矩。

2.2.2 稱重模塊

稱重模塊可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、平衡和稱重的功能，包括稱重傳感器、自動(dòng)水平單元和機(jī)械護(hù)臂。

（1）稱重傳感器。稱重傳感器選用懸臂梁稱重傳感器，記錄稱重結(jié)果并上傳。

（2）自動(dòng)水平單元。為保證稱重的準(zhǔn)確性，稱重裝置必須始終處于水平位置。因此，在稱重過(guò)程中，自動(dòng)水平單元通過(guò)傾角傳感器獲得鋼瓶的角度數(shù)據(jù)，并自動(dòng)調(diào)整以使鋼瓶處在水平位置。

（3）機(jī)械護(hù)臂。為了增加鋼瓶搬運(yùn)的安全性，在搬運(yùn)鋼瓶時(shí)，機(jī)械臂一直處于抱緊鋼瓶的狀態(tài)，防止當(dāng)電池缺電導(dǎo)致電磁鐵磁力失效時(shí)，鋼瓶發(fā)生墜落與傾覆。機(jī)械護(hù)臂的開(kāi)合通過(guò)水平電動(dòng)推桿的伸縮來(lái)控制。

2.2.3 遙控模塊

SF6鋼瓶自動(dòng)搬運(yùn)車前輪采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，配合搖桿實(shí)現(xiàn)自行走及轉(zhuǎn)向功能，并且搖桿控制靈敏度高，能夠適應(yīng)變電站運(yùn)維和實(shí)驗(yàn)室作業(yè)的不同環(huán)境。

2.3 控制單元

2.3.1 硬件設(shè)計(jì)

鋼瓶搬運(yùn)車硬件部分硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

單片機(jī)作為整個(gè)裝置的控制中心，通過(guò)串口與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳單元通信;通過(guò)I/O口控制MOS場(chǎng)效應(yīng)管控制中間繼電器的開(kāi)關(guān)，以此控制機(jī)械護(hù)臂、升降機(jī)構(gòu)、鋼瓶吸取單元的啟閉;通過(guò)串口轉(zhuǎn)RS485總線獲取稱重傳感器、自動(dòng)水平單元數(shù)據(jù);電池負(fù)責(zé)對(duì)各單元供電。

2.3.2 軟件控制

（1）主程序設(shè)計(jì)。采用自頂向下的方式，包括鋼瓶吸取、升降子程序、角度獲取子程序、重量獲取子程序、數(shù)據(jù)上傳子程序。

（2）鋼瓶吸取、升降子程序。通過(guò)控制不同的繼電器，使電磁鐵吸合，升降機(jī)構(gòu)啟動(dòng)。在升降機(jī)構(gòu)上升與下降時(shí)均裝有行程開(kāi)關(guān)作為保護(hù)，限制其行程范圍。

（3）角度獲取子程序。傾角傳感器采用485通信接口。通電后，主控制程序主動(dòng)發(fā)送讀取角度的命令，可同時(shí)獲取X軸和Y軸方向上的角度數(shù)據(jù)，讀取完畢后將角度數(shù)據(jù)傳送回主控程序中，調(diào)整鋼瓶處于水平位置。

（4）重量獲取子程序。主控制程序向稱重傳感器發(fā)送讀取鋼瓶重量的命令，稱重完畢后將稱重結(jié)果傳送回主控程序中。

（5）數(shù)據(jù)上傳子程序。數(shù)據(jù)上傳子程序?qū)@取的稱重結(jié)果發(fā)送至數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳單元的無(wú)線傳輸模塊。

3 SF6鋼瓶自動(dòng)搬運(yùn)車整機(jī)試驗(yàn)

3.1 SF6鋼瓶搬運(yùn)車電池電量試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)方法

（1）操控滿電狀態(tài)的SF6鋼瓶自動(dòng)搬運(yùn)車，吸取并提升40 L滿瓶的SF6鋼瓶后在工作速度下運(yùn)行。

（2）等待SF6鋼瓶自動(dòng)搬運(yùn)車電量剩余25%時(shí)，記錄好上述步驟（1）的運(yùn)行時(shí)間。

（3）重復(fù)上述試驗(yàn)步驟3次。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表1。結(jié)果表明，SF6鋼瓶自動(dòng)搬運(yùn)車在SF6滿瓶（40 L）狀態(tài)下可連續(xù)工作近5 h，能夠滿足變電站現(xiàn)場(chǎng)的鋼瓶搬運(yùn)需求。

3.2 測(cè)試稱重傳感器誤差試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)方法

（1）用量程200 kg，精度50 g的電子秤分別測(cè)量含有10 kg、30 kg、50 kg左右SF6氣體的SF6鋼瓶重量。

（2）通過(guò)SF6鋼瓶自動(dòng)搬運(yùn)車，測(cè)量步驟（1）中的SF6鋼瓶重量。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表2。試驗(yàn)結(jié)果顯示，SF6鋼瓶自動(dòng)搬運(yùn)車的稱重誤差小于0.5 %。

4 結(jié)論

（1）SF6鋼瓶自動(dòng)搬運(yùn)車采用磁吸技術(shù)，自動(dòng)完成對(duì)鋼瓶的自動(dòng)吸取、提升、落放等系列動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)人體與鋼瓶免接觸，避免因人工操作不當(dāng)造成的工傷事故，在SF6滿瓶（40 L）狀態(tài)下可連續(xù)工作近5 h，能夠滿足變電站現(xiàn)場(chǎng)的鋼瓶搬運(yùn)需求。

（2）SF6鋼瓶自動(dòng)搬運(yùn)車在運(yùn)載過(guò)程中可以自動(dòng)測(cè)量鋼瓶重量，稱重誤差小于0.5 %，并自動(dòng)計(jì)算鋼瓶中SF6余量，將計(jì)算結(jié)果通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)遠(yuǎn)傳至數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)SF6余量自動(dòng)化管理。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭翔，殷建軍，杜奇?zhèn)?，?變電站自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)維管控系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].浙江電力，2021，40（3）：42-50.