電石爐智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)在電石行業(yè)中的應(yīng)用
——以陜西煤業(yè)化工集團(tuán)神木電化發(fā)展有限公司為例

＊孫江鵬

（陜西煤業(yè)化工集團(tuán)神木電化發(fā)展有限公司 陜西 719000）

1.當(dāng)前我國電石行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

電石行業(yè)是我國重點(diǎn)耗能產(chǎn)業(yè)之一，屬于高耗能、高污染行業(yè)。近年來，電石行業(yè)市場運(yùn)行較為穩(wěn)健，進(jìn)入2020年以來，隨著電石新建項目的陸續(xù)投產(chǎn)，環(huán)保安全政策進(jìn)一步趨緊。我國是世界第一大電石生產(chǎn)和消費(fèi)國，2020年電石產(chǎn)量2888萬噸。同比增長3.3%。近年來，各有關(guān)單位雖然加大了新設(shè)備與新工藝的研制，但作為傳統(tǒng)型的高耗能、粗放式電石生產(chǎn)企業(yè)，在出爐和料面處理等環(huán)節(jié)機(jī)械化、自動化程度低，安全生產(chǎn)風(fēng)險高。因而，各電石生產(chǎn)企業(yè)要樹立“科技強(qiáng)安”意識，加大安全生產(chǎn)投入，強(qiáng)化“智能機(jī)器人”等設(shè)備的科研開發(fā)應(yīng)用，以機(jī)械化生產(chǎn)替換人工作業(yè)、以自動化控制減少人為操作，逐步實(shí)現(xiàn)危險工序和環(huán)節(jié)的機(jī)械化、自動化操作，減少作業(yè)面的用人量，有效控制安全風(fēng)險。

2.當(dāng)前電石行業(yè)巡檢中存在的問題

陜西煤業(yè)化工集團(tuán)神木電化發(fā)展有限公司位于神木縣城北，主要從事電石、供熱、電力的生產(chǎn)與銷售，現(xiàn)有6×33000kVA密閉電石爐，年產(chǎn)電石50萬噸。但是化工產(chǎn)業(yè)屬于高危產(chǎn)業(yè)，電石爐屬于重要的生產(chǎn)設(shè)備，需要人員每天定時巡檢。

企業(yè)現(xiàn)有的巡檢狀態(tài)，基本靠人力以及固定攝像頭完成。在電石爐工作期間僅能靠固定攝像頭進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控，難以做到動態(tài)監(jiān)控，尤其是對設(shè)備工作期間電石爐的溫度和異常、其他設(shè)備異常、水管跑冒滴漏等進(jìn)行全方位監(jiān)控的措施嚴(yán)重不足。然而，電石爐巡檢屬于高危工作，易造成灼燒和氣體中毒等事故，現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，如漏水、漏氣等等，一旦發(fā)生事故會給企業(yè)的財產(chǎn)造成不可估量的損失。

電石爐智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)采集和分析結(jié)果為依據(jù)，制定了一整套適用于電石爐生產(chǎn)工藝的架構(gòu)，形成了電石爐智能巡檢機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)規(guī)范，對機(jī)器人周邊設(shè)備進(jìn)行適應(yīng)性改造和整合，建立了可推廣的電石爐智能機(jī)器人巡檢示范車間，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的系統(tǒng)示范應(yīng)用。

3.電石爐智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)在電石行業(yè)中的應(yīng)用

(1)電石爐智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的引進(jìn)

陜西煤業(yè)化工集團(tuán)神木電化發(fā)展有限公司基于提升生產(chǎn)管理自動化水平以及降低人身事故的考慮，于2020年初，立項上馬了一套軌道式機(jī)器人巡檢系統(tǒng)，安裝在電石分廠二車間，對3、4號電石爐進(jìn)行自動化巡檢；該巡檢系統(tǒng)軌道長380m，巡檢點(diǎn)位30個，機(jī)器人搭載了高清攝像機(jī)、熱成像儀和各種傳感器等設(shè)備，并配置了無火花充電和無線通信系統(tǒng)，機(jī)器人可對巡檢區(qū)域內(nèi)的“三角區(qū)”、分水器等多個區(qū)域進(jìn)行定時自動或手動巡檢，設(shè)置巡檢周期間隔2h。

該電石爐智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)結(jié)合無線通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遙控、自動巡視和環(huán)境監(jiān)控等功能?；緦?shí)現(xiàn)了在復(fù)雜工況環(huán)境下對各種電石爐及其附屬設(shè)備進(jìn)行有效巡檢。軌道智能巡檢系統(tǒng)以全自主的檢測運(yùn)行模式逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡檢，減少了運(yùn)行人員的工作量。該系統(tǒng)不但可以自動出具巡檢報告，及時掌握設(shè)備健康狀況，促進(jìn)設(shè)備的維修從預(yù)防性檢修向預(yù)知性狀態(tài)檢修發(fā)展，更為電石爐生產(chǎn)設(shè)施的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

(2)電石爐智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的優(yōu)勢

電石爐生產(chǎn)車間環(huán)境較為惡劣，空氣粉塵濃度很高，且還有大量的一氧化碳可燃?xì)怏w，現(xiàn)場施工人員必須佩戴防塵口罩等防護(hù)設(shè)施。在設(shè)備運(yùn)行期間會陣發(fā)性噴發(fā)高溫火焰，火焰最高溫度大約1000℃。環(huán)境長時間保持在40～60℃之間，靠近爐膛溫度會逐漸上升。

電石爐智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)以其特有的優(yōu)勢解決了很多實(shí)際安全問題。首先，它技術(shù)先進(jìn)，設(shè)計思路新穎，多項功能切合實(shí)際。采用軌道運(yùn)行方式比較適合電石車間環(huán)境，如架構(gòu)復(fù)雜、地面積灰嚴(yán)重、障礙物多等特征。能夠采集現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)信息，如環(huán)境（溫濕度、粉塵、氣體等）、分水器實(shí)時流量和水溫，還可沿巡檢路線上傳實(shí)時可見光圖片和熱成像圖片以及視頻。其次，采集到的信息，可在后臺清晰顯示，如（各種圖表曲線顯示、越限值設(shè)定、巡檢計劃制定等SCADA功能）。新增加的SCADA功能可為生產(chǎn)管理和運(yùn)檢人員提供檢測參考依據(jù)，提高了生產(chǎn)管理效率。隨著SCADA功能的完善，機(jī)器人會提供更多更詳盡的信息，進(jìn)一步完善現(xiàn)代化工業(yè)管理體系，縮短決策時間，提升決策效率，減少人身及設(shè)備事故，為企業(yè)安全生產(chǎn)提供保障。第三，此系統(tǒng)符合國家大力發(fā)展人工智能的戰(zhàn)略。它的投入使用，明顯減少了運(yùn)檢人員進(jìn)入爐區(qū)的次數(shù)和必要性，大幅度提高了人身安全系數(shù)。未來增加的高級圖像識別功能可逐步代替人工監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無人值班，達(dá)到減人增效的目的。

(3)電石爐智能機(jī)器人巡檢解決方案

①電石爐智能機(jī)器人巡檢規(guī)劃。為適應(yīng)電石車間的結(jié)構(gòu)及空間，需要選擇合適的機(jī)器人行進(jìn)機(jī)構(gòu)及導(dǎo)航、定位方案。綜合考慮電石車間內(nèi)部特點(diǎn)，結(jié)合本項目欲達(dá)到的目的，考慮電石車間的非標(biāo)空間，選擇具有停止變軌技術(shù)和伸縮云臺的軌道式機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)。利用工作點(diǎn)位標(biāo)記法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的準(zhǔn)確定位。為了能實(shí)現(xiàn)單臺軌道式巡檢機(jī)器人巡檢兩個電石爐，在走廊T字連接處，增加一套機(jī)器人靜止變軌裝置，使機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)在兩條軌道上分別運(yùn)行，巡檢完成后機(jī)器人自主回到充電點(diǎn)進(jìn)行充電。智能巡檢機(jī)器人可以沿軌道往復(fù)運(yùn)行，機(jī)器人帶有升降臂，升降臂長度可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境定制，升降臂底端安裝巡檢專用云臺，巡檢專用云臺，內(nèi)置磁角度編碼器，具有0.02°的重復(fù)精度，確保每次巡檢位置準(zhǔn)確；云臺內(nèi)配置熱像儀，可前后多角度拍攝，監(jiān)控范圍無死角，可實(shí)現(xiàn)全方位、多角度監(jiān)控。

接觸式充電的金屬觸頭很容易產(chǎn)生火花，無法應(yīng)用在充滿粉塵或可燃?xì)怏w的環(huán)境，因而本系統(tǒng)采用無線充電樁，利用電磁感應(yīng)原理，智能巡檢機(jī)器人與充電樁無需接觸即可實(shí)現(xiàn)真正的無火花充電。

②電石爐智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)總體架構(gòu)。根據(jù)用戶需求和站區(qū)巡檢工作實(shí)際，采用模塊化設(shè)計，包括移動機(jī)器人、機(jī)器人視覺以及移動機(jī)器人要求建立的一套巡檢智能機(jī)器人巡檢通訊系統(tǒng)。系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：第一，集中監(jiān)控。系統(tǒng)對單個機(jī)房內(nèi)各種動力設(shè)備，環(huán)境設(shè)備及系統(tǒng)狀態(tài)信息，報警信息等進(jìn)行完整集中監(jiān)控，并有良好的擴(kuò)充性，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域集中監(jiān)控管理。第二，來電自啟動功能。服務(wù)器采用低功耗ARM芯片和嵌入式操作系統(tǒng)，內(nèi)置硬件看門狗，具有故障自動恢復(fù)功能，當(dāng)主機(jī)重新啟動后，整個監(jiān)控系統(tǒng)也隨著在運(yùn)行。第三，日志管理功能。整套機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)對各種報警信息、設(shè)備參數(shù)等進(jìn)行詳細(xì)的記錄，能夠以報表形式進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出、備份。第四，完善報警機(jī)制。服務(wù)器主機(jī)支持多種報警方式，現(xiàn)場聲光報警、電話撥號報警、郵件報警等多種報警方式。第五，用戶權(quán)限功能。系統(tǒng)具有多級用戶管理，可設(shè)定用戶管理權(quán)限，普通用戶只能對系統(tǒng)進(jìn)行瀏覽，管理人員除了對系統(tǒng)具有瀏覽權(quán)，還可以配置、管理整個系統(tǒng)。本軌道巡檢的智能巡檢系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、優(yōu)化運(yùn)行人員配置、提高運(yùn)行工作效率，并可與巡檢機(jī)器人共同構(gòu)成綜合智能巡檢系統(tǒng)。

③機(jī)器人本體巡檢功能。軌道機(jī)器人部署在現(xiàn)場，通過機(jī)器人端的WiFi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行橋接，從而接入后臺。通過RPC框架與應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通信。監(jiān)控客戶端通過RPC框架與應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通信，對外提供機(jī)器人運(yùn)管功能。

機(jī)器人本體巡檢可滿足如下需求：視覺巡檢（紅外巡檢）；機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)紅外熱成像判斷有無異常溫度點(diǎn)、溫度測量；使用紅外成像攝像頭，可以實(shí)現(xiàn)紅外圖像定性分析，識別溫度異常點(diǎn)、最高點(diǎn)，并顯示最高點(diǎn)溫度?？梢詫?shí)現(xiàn)爐體外觀，跑冒滴漏檢測，儀表工作狀態(tài)檢測，水流情況檢測。

利用紅外和可見光攝像頭可實(shí)現(xiàn)下列巡檢：進(jìn)料口堵料：使用紅外測溫，可見光遠(yuǎn)程監(jiān)控是否發(fā)紅；爐體水管漏水：使用可見光拍照；水循環(huán)系統(tǒng)：使用可見光攝像頭進(jìn)行儀表工作狀態(tài)檢測，使用紅外攝像頭進(jìn)行溫度檢測；循環(huán)水流狀態(tài)檢測：使用可見光攝像頭進(jìn)行循環(huán)水流狀態(tài)檢測。

4.結(jié)語

目前我國電石行業(yè)生產(chǎn)環(huán)境危險惡劣、勞動強(qiáng)度大，作業(yè)環(huán)節(jié)基本采用人工或半自動作業(yè)方式，存在重大問題隱患，嚴(yán)重威脅了作業(yè)工人的生命安全，亟需能夠替代一線作業(yè)工人的智能化機(jī)器人，以降低作業(yè)工人的勞動強(qiáng)度和風(fēng)險。智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)在電石行業(yè)中的應(yīng)用，將操作人員從爐前操作溫度高、體力消耗大、風(fēng)險高的作業(yè)現(xiàn)狀中解放出來，大大降低了風(fēng)險。因而，智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)在電石行業(yè)的投入使用，對帶動傳統(tǒng)電石行業(yè)技術(shù)革命意義深遠(yuǎn)。