智能巡航機(jī)器人系統(tǒng)在冶金行業(yè)的應(yīng)用

陳孟秋，王 競(jìng)，胡盛煒

(武漢長(zhǎng)海電氣科技開發(fā)有限公司，武漢 430064)

0 引言

中國(guó)冶金行業(yè)正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)。目前國(guó)內(nèi)冶煉行業(yè)銅電解過(guò)程中，由于極板間距不均、表面不光滑，距離較近的極板因?yàn)殡妷捍蠖捷^多電解銅離子，陰極板面出現(xiàn)粗糖結(jié)晶和結(jié)粒，造成極板間接觸，甚至發(fā)生短路。導(dǎo)致陰極銅板質(zhì)量惡化和降低生產(chǎn)效益。通常，采取電解槽故障極板的人工識(shí)別，即檢測(cè)人員連續(xù)使用高斯計(jì)進(jìn)行著枯燥重復(fù)檢測(cè)過(guò)國(guó)內(nèi)外調(diào)研，本項(xiàng)目采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)等，通過(guò)軌道式智能巡航機(jī)器人完成重復(fù)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別短路極板。本項(xiàng)目難度較大，是國(guó)內(nèi)電解車間首次工程化應(yīng)用紅外巡航，在調(diào)試期間先后克服了智能巡航機(jī)器人行走卡滯、無(wú)線通訊不穩(wěn)定、圖像識(shí)別效果不穩(wěn)定、環(huán)境溫度導(dǎo)致溫升特性變化等一系列問(wèn)題，建立了一套包含后臺(tái)軟件系統(tǒng)、千兆無(wú)線通訊、機(jī)器人在內(nèi)的智能巡航機(jī)器人系統(tǒng)，高效而穩(wěn)定，力爭(zhēng)達(dá)到國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平。

1 工業(yè)環(huán)境下自動(dòng)巡航軌道方案

本項(xiàng)目計(jì)劃研制出一套具有集成短路和槽溫在線監(jiān)測(cè)兩大功能的智能巡航機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由行走軌道、巡航機(jī)器人、無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)、后臺(tái)系統(tǒng)、前端現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元等共五個(gè)部分組成。如圖1所示。

本項(xiàng)目的實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)大約是車間電解槽的 1/4區(qū)域，包含16組槽，每組槽含16個(gè)電解槽，一共巡航256個(gè)電解槽，巡航空間約為120 m長(zhǎng)，30 m寬。按照最大視野空間計(jì)算，巡航機(jī)器人所搭載的紅外熱像儀分辨率設(shè)定為640×480。

1.1 廠房與軌道布局建模

項(xiàng)目軌道工程實(shí)施區(qū)域?yàn)閺S房頂部區(qū)域，鋪設(shè)全程近 350 m的“S”型軌道用于搭載智能巡航機(jī)器人行走，起點(diǎn)設(shè)立充電樁，智能巡航機(jī)器人沿固定軌道進(jìn)行紅外圖像連續(xù)掃描，通過(guò)高速無(wú)線通訊傳輸數(shù)據(jù)至后臺(tái)，預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)選定廠房區(qū)域范圍內(nèi)的多個(gè)電解槽進(jìn)行實(shí)時(shí)智能監(jiān)控。

圖1 智能巡航機(jī)器人系統(tǒng)圖

通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)廠房結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，廠房坡屋面坡度較大，高度分布不均勻。車間頂部區(qū)域可用于固定軌道的管徑橫梁直徑長(zhǎng)度不等，管徑橫梁有連接中斷區(qū)域，且重點(diǎn)和難點(diǎn)還在于電解車間現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，長(zhǎng)期處于高腐蝕性高溫度的狀態(tài)，所選材料必須能長(zhǎng)期適用于該環(huán)境。

經(jīng)多次分析比較決定采用懸掛式不銹鋼吊架固定軌道。吊架為可伸縮式結(jié)構(gòu)，上端使用U型螺絲與廠房管徑連接，下端使用雙夾板連接軌道。

在安裝過(guò)程中通過(guò)上下腰孔調(diào)節(jié)管徑與軌道之間的距離，盡可能的讓軌道水平控制在誤差范圍內(nèi)，保證智能巡航機(jī)器人的穩(wěn)定行走。所有吊架和螺絲使用材料均采用不銹鋼，頂掛板U型螺絲裝配了橡膠包邊條以減少與橫梁管徑間的摩擦，最大限度地保護(hù)材料不受損，同時(shí)滿足了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、高溫高腐蝕性的需求，吊架結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

圖2 吊架結(jié)構(gòu)圖

由于車間頂部區(qū)域可用于固定軌道的管徑橫梁直徑不同，并且管徑橫梁之間交替銜接，現(xiàn)場(chǎng)使用不同管徑的吊架分別對(duì)應(yīng)與之匹配的廠房管徑橫梁。

直軌全長(zhǎng)實(shí)際為324 m，直軌共使用108根玻璃鋼軌道，每根長(zhǎng)度為3 m，分三條軌道通過(guò)吊架懸掛在對(duì)應(yīng)的三條廠房管徑上，每條軌道使共36根，布局如圖3所示：

圖3 吊架與軌道分布圖

全程共安裝4處彎軌，為提升穩(wěn)定性，在彎軌始末兩端固定吊架，通過(guò)六角頭螺栓和套管固定上、下金屬夾板，夾板與吊架連接牢靠，使彎軌與直軌接縫處嚴(yán)密。端面貼合，減小誤差。

1.2 工業(yè)智能巡航機(jī)器人研究

智能巡航機(jī)器人需要運(yùn)行在電解車間 10 m高空軌道。電解車間在生產(chǎn)過(guò)程中，電解銅排所產(chǎn)生的大量酸霧充斥著整個(gè)車間，且車間長(zhǎng)期處于強(qiáng)磁場(chǎng)狀態(tài)。在這種腐化性環(huán)境中，容易造成機(jī)器人所搭載的紅外測(cè)溫儀殼體破壞，導(dǎo)致內(nèi)里彈性體受損造成短路。因此該機(jī)器人必須具有良好的抗電磁干擾能力，且重量和體積都不能太大。

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)試，本項(xiàng)目使用的智能巡航機(jī)器人根據(jù)電解車間的工作特性定制。機(jī)器人內(nèi)部包括電機(jī)、電池、無(wú)線通訊模塊、控制板、動(dòng)力輪、轉(zhuǎn)向輪等，在軌道起點(diǎn)配備有對(duì)應(yīng)的充電裝置，具備防塵、防水、防震，支持全天候長(zhǎng)期運(yùn)行的能力。能長(zhǎng)期適應(yīng)于惡劣環(huán)境，工作人員只需在監(jiān)控中心遠(yuǎn)程操控機(jī)器人即可代替人工，機(jī)器人根據(jù)指令進(jìn)行自動(dòng)巡航，并將視頻影像及相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至后臺(tái)顯示端。工作人員不僅能看到運(yùn)行情況，還能掌握溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)。

智能巡航機(jī)器人目前搭載的紅外熱像儀配備有不銹鋼外罩，密封處理，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著距離按照平方的關(guān)系迅速減小。且智能巡航機(jī)器人，位于車間10 m高處，受到的磁場(chǎng)影響較小，配合多層金屬屏蔽措施可安全運(yùn)行。

1.3 工業(yè)環(huán)境下的軌道選型

電解車間現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，長(zhǎng)期處于高溫、高腐蝕、高濕度，放置在該環(huán)境下必須保證軌道不會(huì)受熱受潮發(fā)生形變。機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中，必須最大限度的減少軌道晃動(dòng)，防止結(jié)構(gòu)件在工作狀態(tài)下共振引起的早期破壞，保證可以穩(wěn)定的進(jìn)行圖像采集與視屏拍攝，想要長(zhǎng)期保持在軌道上運(yùn)行必須經(jīng)受的住一系列大的應(yīng)變。

玻璃鋼，即纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料，質(zhì)輕而硬，性能穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，韌性材料，在工業(yè)使用上可以代替鋼材制造機(jī)器零件和汽車、船舶外殼等。其主要優(yōu)勢(shì)在于以下幾點(diǎn)：

1）耐腐蝕

玻璃鋼是優(yōu)良的耐腐蝕材料，對(duì)酸、堿、鹽及大部分有機(jī)物，海水以及潮濕都有較好的抵抗能力，對(duì)微生物的作用也有抵抗性能。其具有的這種特性尤其適合使用于多雨、潮濕和沿海地區(qū)，以及有腐蝕性介質(zhì)的場(chǎng)所。

2）尺寸穩(wěn)定性好

玻璃鋼型材的線膨脹系數(shù)為 7.3×10-6/℃，低于鋼和鋁合金，是塑料的1/15。因而，玻璃鋼門窗尺寸穩(wěn)定性好，溫度的變化不會(huì)影響門窗的正常開關(guān)功能。

3）耐侯性好

玻璃鋼屬熱固性塑料，樹脂交聯(lián)后即形成三維網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)，變成不溶不熔體，即使受熱也不會(huì)熔化。玻璃鋼型材熱變形溫度在200℃以上，耐高溫性能好。而耐低溫性能更佳。

4）絕緣性能好

玻璃鋼是良好的絕緣材料，它不受電磁波影響，不反射無(wú)線電波，透微波性好，能夠承受高電壓而不損壞。因此，玻璃鋼門窗對(duì)野外臨時(shí)建筑物及通訊系統(tǒng)的建筑物具有特殊的用途。

5）減震性能好

玻璃鋼型材的彈性模量為 20900，用它制成的門窗具有較高的減震頻率，玻璃鋼中樹脂與纖維界面的結(jié)合，具有吸震和抗震能力，避免了結(jié)構(gòu)件在工作狀態(tài)下共振引起的早期破壞。

1.4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用

在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為保證軌道水平與巡航機(jī)器人的正常運(yùn)行，相鄰兩根軌道水平高度差 ≤ 2 mm，但相鄰兩根導(dǎo)軌邊頭橫截面距離 ≤ 1 mm，各條軌道之間的水平使用激光水平測(cè)距儀保證軌道之間誤差控制在 ±5 mm。

為了確保巡航機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中啟停的安全性，在軌道的起始端與尾端各安裝一件停車擋板，在距離停車擋板180 mm處增設(shè)光電開關(guān)遮光片，在遮光瞬間機(jī)器人停止。由于光電開關(guān)遮擋片存在部分結(jié)構(gòu)缺陷，后續(xù)改進(jìn)為電磁限位開關(guān)，通過(guò)電磁感應(yīng)裝置控制機(jī)器人啟停。

實(shí)際應(yīng)用實(shí)例如圖4。

2 工業(yè)環(huán)境下遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸通訊網(wǎng)絡(luò)

作為生產(chǎn)型企業(yè)，需要能夠快速且穩(wěn)定地傳輸各種數(shù)據(jù)信息。通過(guò)建立可靠的信息化網(wǎng)絡(luò)，可以快速地提高企業(yè)的管理運(yùn)營(yíng)能力。

圖4 智能巡航機(jī)器人實(shí)例

傳統(tǒng)的架空明線在工廠車間中應(yīng)盡量避免，考慮到大型起重裝置作業(yè)及人員貨物的移動(dòng)使得架空線幾乎不可能，而相當(dāng)部分的作業(yè)具有移動(dòng)性，傳輸鏈路不方便通過(guò)布線的方式完成。此時(shí)，無(wú)線傳輸?shù)姆绞礁涌尚小?/p>

因此，本項(xiàng)目需要一套支持高移動(dòng)性、高帶寬、高穩(wěn)定性、遠(yuǎn)距離傳輸、智能無(wú)線漫游技術(shù)、和超強(qiáng)抗干擾性的無(wú)線自動(dòng)化解決方案。

2.1 無(wú)線通訊方案布局

智能巡航機(jī)器人系統(tǒng)要對(duì)電解車間全區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)巡航、視頻采集，能夠準(zhǔn)確的對(duì)電解槽內(nèi)的短路過(guò)溫極板進(jìn)行識(shí)別，及時(shí)掌握電解槽內(nèi)的實(shí)時(shí)狀況。由于機(jī)器人安裝在高空軌道，且巡查區(qū)域面積大，對(duì)通訊穩(wěn)定性有較高的要求。我們對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)地的考察，最終確定采用5.8 G頻段的1000 M無(wú)線傳輸方案，使用無(wú)縫漫游技術(shù)保證視頻高效實(shí)時(shí)傳輸。智能巡航機(jī)器人在高空軌道通過(guò)無(wú)線AP車載端，遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)到無(wú)線AP基站端，無(wú)線AP基站端通過(guò)網(wǎng)線傳輸數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)光纖轉(zhuǎn)換器，再光纖傳輸數(shù)據(jù)到本地后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能巡航機(jī)器人實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。如圖5所示。

2.2 通訊設(shè)備的選型

目前所采用的無(wú)線通訊裝置綜合現(xiàn)場(chǎng)電解車間實(shí)際狀況面臨的主要問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：

1）通訊覆蓋范圍小，一個(gè)工廠想要大范圍通訊需用多臺(tái) AP，同時(shí)增加施工布線工作、也增加成本。傳統(tǒng)工業(yè)級(jí)無(wú)線ap多采用2.4G 2312～2732 MHz頻率信道，只有1、6、11等三個(gè)不重疊信道，工廠車間若放置 3臺(tái)以上 AP、將有信道重疊，信道重疊將造成 CCQ（無(wú)線鏈路質(zhì)量）的直線下降、帶寬直線下降，干擾到一定程度即使終端連著AP也無(wú)法正常使用。且運(yùn)營(yíng)商（中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通）、藍(lán)牙、微波爐等頻率范圍均在2.4 G內(nèi)，家庭、辦公樓、商場(chǎng)、廣場(chǎng)均遍布無(wú)數(shù)2.4 G路由AP信號(hào)波，干擾太大，2.4 G頻率已達(dá)到飽狀態(tài)，不利于項(xiàng)目工程的開展。

2）智能巡航機(jī)器人長(zhǎng)期處于高空作業(yè)，更容易受到例如行車等大型起重裝置作業(yè)的干擾，在通訊過(guò)程中丟包率、掉線率高，導(dǎo)致通訊不穩(wěn)定。

3）后臺(tái)客戶端一旦與AP斷開后重新連接的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，甚至達(dá)到2至3分鐘，嚴(yán)重影響正常功能的使用。

4）電解車間現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，高溫高濕，腐蝕性強(qiáng)，不利于通訊設(shè)備的長(zhǎng)期使用。

圖5 無(wú)線通訊整體布局

針對(duì)以上情況，為了保證智能巡航機(jī)器人數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性，技術(shù)要求為：

1）采用工業(yè)級(jí) AP，需要 -40～75℃寬溫及防塵防震的設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)為IP65～I(xiàn)P68，支持DC 12～24 V / 220 V POE供電，可以適用于任何惡劣環(huán)境場(chǎng)所；

2）采用5.8 G 4800～6100 MHz頻率信道，通訊范圍覆蓋面積30 m×150 m區(qū)域。3）切換不丟包，無(wú)空白區(qū)。4）千兆無(wú)線通訊速率。

5）對(duì)于移動(dòng)設(shè)備通訊穩(wěn)定。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用

實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)選擇在車間中部區(qū)域側(cè)壁安裝基站端無(wú)線 AP，通訊覆蓋范圍大，傳輸速率穩(wěn)定。在智能巡航機(jī)器人搭載車載端無(wú)線 AP，如圖 6所示。

3 結(jié)論

本文針對(duì)銅電解車間故障極板處理能力效率低、智能化不足等方面，詳細(xì)介紹了一套智能巡航機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)在銅電解行業(yè)內(nèi)首次正式工程性的采用了智能巡航、無(wú)線通訊、圖像識(shí)別等一系列新興智能技術(shù)，采用智能巡航機(jī)器人采集故障極板數(shù)據(jù)，大幅減輕人力負(fù)擔(dān)，有效提升銅電解生產(chǎn)工藝。

圖6 基站端無(wú)線AP

通過(guò)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、驗(yàn)證等一系列步驟，該系統(tǒng)設(shè)備全部功能現(xiàn)已正常使用，滿足電解車間對(duì)短路極板自動(dòng)巡航數(shù)據(jù)的要求，現(xiàn)階段能夠保持每日12個(gè)巡航時(shí)間點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)識(shí)別，平均間隔時(shí)間2小時(shí)，在高頻率的巡航檢測(cè)中，進(jìn)一步壓縮短路極板的生成時(shí)間，測(cè)試結(jié)果表明當(dāng)次所檢測(cè)出的短路極板數(shù)目隨著檢測(cè)頻率的增加而減少，人工檢測(cè)人員已經(jīng)可以完全信任巡航機(jī)器人所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行短路排查。在多次巡航作業(yè)中，對(duì)于重復(fù)出現(xiàn)的短路極板做記錄，分析形成原因，避免二次短路，大幅減輕工作量，提高工作效率，凸顯出智能巡航優(yōu)于人工檢測(cè)的時(shí)效性，做到早發(fā)現(xiàn)早處理，降低短路率，進(jìn)一步提高產(chǎn)能，為陰極銅產(chǎn)量和質(zhì)量的完成提供保障。

在系統(tǒng)長(zhǎng)期的運(yùn)行測(cè)試中，智能巡航機(jī)器人內(nèi)部行走機(jī)構(gòu)趨于完善，軌道行走順暢，車身運(yùn)行穩(wěn)定，所搭載的無(wú)線通訊端能夠長(zhǎng)期在腐蝕性高溫環(huán)境下的正常作業(yè)。玻璃鋼軌道與不銹鋼吊具性能穩(wěn)定，磨損程度小，自安裝設(shè)備至今無(wú)明顯形變，軌道銜接處間隙符合使用標(biāo)準(zhǔn)。驗(yàn)證了智能巡航機(jī)器人與軌道的穩(wěn)定性與可靠性。實(shí)現(xiàn)了電解車間智能巡航機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)用，將有效提高銅電解行業(yè)的生產(chǎn)效率和自動(dòng)化水平，對(duì)銅電解行業(yè)以及整個(gè)冶金行業(yè)都具有重大的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略意義，為我國(guó)的智能化工廠進(jìn)程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。