第一章 绪 论
1.1 研究背景及意义
随着智能电网系统中电压等级和电网容量的不断提升，对用于智能电网系统中开关设备的性能提出了严苛的要求。智能电网系统的安全稳定运行依托于开关设备优良的控制功能和对电路可靠的保护功能。灭弧室是一种应用比较广泛的开关设备，按照灭弧室灭弧的介质来区分，灭弧室可分为六氟化硫灭弧室、真空灭弧室以及油灭弧室[1]。在上述三种灭弧室中，油灭弧室的工作介质是断路器油，触头在这种介质中开断，存在爆炸甚至发生火灾的安全隐患，且维修费用昂贵。我国配电系统近年来推行无油化改造，使得油灭弧室逐渐被真空灭弧室取代，特别是在 10kV 的电压等级中，真空开关已经占据过半的市场，其需求量还在逐年攀升。六氟化硫灭弧室的触头开断在气体中进行，主要应用在 110kV 及更高高压领域中，但因为其价格昂贵，且六氟化硫气体在应用和管理方面比较严格，限制了其在其它领域的应用。在 35kV 等的中压范围内，按照使用场景的差异，真空灭弧室和六氟化硫灭弧室各占据了一定份额的市场。真空灭弧室实物见图 1-1，对比而言，它凭借真空介质的优良绝缘性能，以开断迅速、动作行程短、可靠性高、维护费用低、寿命长等优势正在被广泛使用[2]。近年来，随着工业技术和电力系统迅猛发展,真空灭弧室作为输配电设备中的重要部件得到了广泛的应用，其需求量日益增加且竞争也越来越激烈，并保持高速增长的趋势，给高压领域的真空开关增加了巨大的发展机会。真空高压开关设备的广泛应用提升了电力系统开关的运行水平和安全系数，但最近几年由于真空灭弧室质量水平恶化等诸多原因导致的开关设备安全事件的数量不断攀升，如：真空灭弧室真空度参数的不达标致使管内的绝缘性能下降，使其在电路的电源切断后无法有效的灭弧甚至引发爆炸等危险事件，严重影响了系统的安全和可靠运行。另外，随着企业的快速发展和真空灭弧室市场需求的不断扩大，真空灭弧室产量呈持续快速增长趋势，对其性能指标就提出了苛刻的要求，但不管是国内生产的还是国外生产的真空灭弧室，都会由于各种原因导致生产的产品质量不达标，主要原因包括：灭弧室制造过程中，由于制造工艺的缺陷，使得波纹管和绝缘外壳等密封性不良，导致慢性漏气，无法通过仪器在制造工艺过程中消除；氢、氮等外部气体对裸露在空气中的灭弧室材料有一定的扩散渗透作用；外力原因可能会损坏灭弧室构造；内部零件进行高温除气处理不完全，导致零件的含气量不达标，对外放气[5]。因此在真空灭弧室出厂投入市场前对产品的外观、自闭力、反力、内阻和真空度等做全方位的质量检测是生产到应用过程中的重要环节，同时也确保了出厂产品的质量稳定与可靠，淘汰不合格的产品。
........
1.2 相关技术的研究现状及发展趋势
真空灭弧室在德国、日本早已形成一系列完整的产品。在世界市场上，真空灭弧室的销售额飙升，已占高压电器的 80%，需求量很大，供需矛盾逐年加大。各国的真空灭弧室制造商为适应市场变化，相继进行技术升级，淘汰旧的生产线，扩大生产能力，甚至进行跨国合作。在真空灭弧室发展过程中，遇到很多制造和质量检测的难题，这些问题随着电子工业新技术的出现逐一得到解决。与此同时，对真空灭弧室的质量检测也提出了更高的要求[6]，它的几种重要质量参数是真空度、回路电阻、外观尺寸和自闭力反力等。真空灭弧室检测在国外的发展较国内略快，各项参数的检测技术不断完善，并逐步向全自动化检测方向发展。自动检测技术是随着电子工业的发展而形成的一种综合性技术，其应用传感器对生产过程进行实时监测，使得生产过程最大可能的减少人工的干预，提升自动化水平和运行结果的可靠性。真空灭弧室在 1978 年开始应用于我国的供电系统，因其重量轻、寿命长等诸多优点很快得到市场的认可。早期国内生产的真空灭弧室稳定性不好，80 年代后，通过改进灭弧室的材料，逐渐解决了灭弧室稳定性差的问题。此后，国内向国外不断学习新兴技术进行技术更新，使真空灭弧室的质量参数达到国际标准，同时也在这段时间内制定了关于高压真空断路器的相关规定和一系列标准。到 1992 年举行真空开关相关应用的普及大会时，国内的真空灭弧室生产水平已在世界产品中名列前茅，成为国内真空灭弧室技术发展的转折点。另外，真空灭弧室技术近年来发展迅猛，国内外的生产厂家也越来越多，国外真空灭弧室制造商也通过在中国市场投资来抢占市场份额，市场竞争非常激烈。
.........
第二章 真空灭弧室自动检测系统总体方案设计
2.1 检测工艺及需求分析
真空灭弧室全自动检测线智控系统是用于解决其自动化检测设备的自动控制需要。它能够根据产品的检测需求，在人工扫描灭弧室上线后，自动完成灭弧室的搬运、检测、分拣和输入输出数据处理的功能，要求系统每个班次生产能力达到 800 只，适用于目前小中大型灭弧室产品的有关参数检测，产品测量范围能够覆盖导杆直径 20-45 mm，外壳直径 80-140 mm，测试瓷壳高度大于 110 mm 的基本技术要求。检测线使用上位主控机来协调所有工位的运动，整体采用半对称布局，采用平行双综合检测台以提高整体检测效率，并将其放置于中间位置，两边分别放置上料流水线与上料机械手和分拣机械手与分拣流水线，系统中还包括电气控制柜、真空度测试仪、打印机、扫描枪及外观检测计算机，系统的总体结构示意图如图 2-1 所示。如上所示的电气控制柜主要用于完成整个系统的供电保护工作以及相关控制器、伺服驱动器、继电器、接触器等的安装，同时方便管理系统的布局布线。综合检测台控制器用于控制系统相关设备并结合真空度测试仪与外观检测计算机完成产品的质量检测工作，在上图中将产品的质量检测设备进行三位一体的表示。真空灭弧室的质量性能指标众多，主要包括垂直度、平行度、同轴度、动端直径、外壳直径、总长、安装长度、回路电阻、自闭力、反力、真空度等，产品性能的检测工艺流程如下：工步 1：人工将灭弧室产品放置到上料流水线上在扫描区等待的工件托盘上，并用扫描枪扫描产品的序列号，完毕后若下一工步无产品时自动流入下一工步，若下工步有产品可积放在流水线上等待。工步 2：产品经上料流水线到达预先设定的位置，主控系统根据感知系统的输入信息计算抓取坐标，同时根据上料机械手的状态控制其从流水线搬运区抓取产品，并根据产品智能调度策略将产品搬运至两个综合检测台中的一个或者运动至等待区等待综合检测台就绪。工步 3：产品搬运至综合检测台上，主控机根据各个工位的实时状态，控制相应从设备开始动作，并配合外观检测计算机和真空度测试仪等完成产品的各项参数检测工作。工步 4：产品按设置的要求完成参数检测后，主控机协调各工位运动，根据分拣机械手的实时状态控制其从检测完毕的综合检测台上将产品搬走。
.........
2.2 检测系统组成要素
针对真空灭弧室检测参数和数据较多，难以有效管理的问题，系统采用打印机和摩托罗拉 Symbol 扫描枪完成条码的打印和识别，为每个待测的真空灭弧室生成唯一的条码，用于建立产品质量信息档案。系统通过流水线和机械手分别完成灭弧室的输送和搬运，使用多功能集成的综合检测台完成产品性能检测。所有设备均通过不同方式与主控机连接。同时主控机还连接有合格证打印机用于按设定格式完成合格证的打印，作为灭弧室出厂的重要凭证。系统分为如下几部分：上位监控系统、条码打印与输入系统、合格证打印与数据处理部分、电气控制柜、生产制造管理系统及 Android 移动端调试部分等，而按照使用需求整个系统的软件分为上位监控软件、条码与合格证处理软件、数据库服务器、Android 移动端调试软件、新品添加软件、生产制造管理系统软件和嵌入式控制软件，各个软件的协作关系如图 2-2 所示。
........
第三章 产品调度策略及相关算法研究....17
3.1 调度问题简介 ..... 17
3.2 产品检测调度问题分析与求解模型建立 ...... 17
3.3 带装载和卸载的平行综合检测台调度的分析 ....... 19
3.4 基于改进的遗传退火智能优化算法的平行综合检测台的调度 ...... 19
3.5 改进遗传退火算法在平行综合检测台调度问题的仿真及应用 ...... 29
第四章 真空灭弧室自动检测系统通信设计.....34
4.1 报文帧格式设计 .......... 34
4.3 上位机与下位控制器的通信协议 ......... 42
4.4 移动端与服务器的通信协议 ........ 46
4.5 本章小结 .... 47
第五章 真空灭弧室自动检测系统软件的设计与实现.......48
5.1 引言 ............ 48
5.2 上位监控系统的软件设计 ............ 48
5.3 条码与合格证处理软件的开发 .... 66
5.4 Android 移动端调控软件的设计 ............ 70
5.5 多线程及关键设计模式的分析 .... 72
5.6 软件测试 .... 87
5.7 本章小结 .... 90
第五章 真空灭弧室自动检测系统软件的设计与实现
5.1 引言真空灭弧室自动检测线智控系统的正常运行需要依托于上位监控软件的协调控制，以及配合良好的数据输入输出管理系统等，同时可靠方便的调试软件系统也是系统不可或缺的部分。本章将详细介绍真空灭弧室自动检测线智控系统软件的设计与实现过程，其中包含了上位监控系统软件、条码与合格证处理软件、移动端调控软件的设计与实现以及软件设计中采用的关键技术等内容。
5.2 上位监控系统的软件设计
5.2.1 开发环境介绍
上位监控软件、条码与合格证处理软件使用的开发环境为 Visual Studio 2013，该工具具有强大的代码提示及补全功能，能够在编程过程中及时地检测代码错误，并且在软件开发的后期能够协助完成代码重构，极大地提高了软件的开发效率和质量。软件实现所采用的编程语言为 C#，它是一种运行于.NET 框架[33]上的面向对象的高级程序设计语言，只要运行环境安装了.NET 框架即可运行程序，它继承了 C 和 C++的诸多优点，同时去除了一些复杂特性，增加了自动垃圾收集等，降低了软件开发难度，使得开发人员可以较快开发出各领域的应用程序。另外，在开发过程中使用 SVN（Subversion）进行软件项目的版本管理和控制。上位监控系统软件用于系统的监测和控制，其被控对象包括多个从设备、外观检测计算机及扫描枪等，目标是完成输入预处理、搬运、调度、分拣等系列操作，合理调度控制设备，完成真空灭弧室质量的自动检测，同时形成其信息档案。真空灭弧室自动检测监控软件的功能主要包括以下几大模块：设备控制、实时数据、系统设置、数据库管理、通信处理、调试、故障处理及日志模块，系统的功能结构如图 5-1 所示。
......
总结
本文根据实际项目需求，针对真空灭弧室产品检测参数多、检测效率低及数据难以处理的问题，完成了真空灭弧室全自动检测线智控系统的方案设计、平行综合检测台的智能产品调度算法研究及软件的设计与实现。本系统软件设计要求高，工作量大，目前已调试完毕并在贵州贵阳某公司真空灭弧室的出厂检测中投入使用，且运行正常。本文完成的主要工作如下：（1）设计灭弧室检测线控制系统的总体方案，根据自动检测的需求分析，绘制总体组成结构图，划分了各部分应完成的功能，并设计了以 485 总线为主的通信网络拓扑结构，确定了系统的通信方式。（2）对平行综合检测台的产品调度策略进行了研究，根据系统实际问题的特点，对传统遗传算法的编码方法、初始种群以及交叉和变异算子进行了针对性的改进设计，同时采取精英保存策略控制寻优的方向，并混合了模拟退火算法优势产生了面向带装载和卸载的平行综合检测台产品调度的遗传退火智能优化算法，并通过数值实验验证了算法的可行性，实现了灭弧室检测效率的提升。（3）设计了系统设备间信息交互所使用的通信协议，阐述了系统采用的通信方式及报文帧的格式，并详细设计了涉及到的功能码、参数格式和错误码。（4）根据真空灭弧室全自动检测线智控系统的总体需求，完成了上位监控软件、条码与合格证处理软件等的设计与实现。设计了上位监控软件的整体架构，并对其进行了功能模块划分，描述了各部分的功能及其实现过程，给出了相关模块功能流程图及类族的 UML 图，同时展示了系统软件常用功能的界面设计与布局。设计了系统的数据库，画出了 E-R 图，并给出了主要数据表关系图。最后，对系统软件开发中使用的多线程和设计模式思想等进行了说明，并给出了软件类的设计结构图。
..........
参考文献（略）