智能測(cè)溫取樣多功能機(jī)器人系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

顏 偉

（山信軟件萊蕪自動(dòng)化分公司，山東 濟(jì)南 271104）

精煉冶煉是對(duì)上游轉(zhuǎn)爐（電爐）生產(chǎn)的初煉鋼水進(jìn)行精煉，以滿足下游產(chǎn)線對(duì)鋼水溫度、成分要求。在生產(chǎn)過程中，會(huì)根據(jù)終點(diǎn)成分和溫度的需要對(duì)鋼水進(jìn)行多次測(cè)溫、取樣。測(cè)溫的準(zhǔn)確性以及取樣樣塊的完整，將影響冶煉生產(chǎn)過程產(chǎn)生，甚至影響下游的生產(chǎn)工藝。在沒有采用機(jī)器人測(cè)溫取樣之前，現(xiàn)場(chǎng)操作人員采取人工測(cè)溫、取樣、以及氬氣攪拌情況觀測(cè)。整個(gè)生產(chǎn)過程，工人暴漏在高溫，高粉塵，高噪音的環(huán)境中，會(huì)對(duì)個(gè)人的健康造成危害。另外每個(gè)人的操作習(xí)慣不同，使用手動(dòng)測(cè)溫槍插入爐內(nèi)的測(cè)溫點(diǎn)也不一樣，得到的溫度將會(huì)有一定的偏差，樣塊的完整性也無法保證。人工測(cè)溫，操作人員要從操作室走到爐前，裝探頭，開爐蓋，將測(cè)溫槍深入爐內(nèi)，拔出測(cè)溫槍，拆除廢舊探頭，整個(gè)過程需要三分鐘以上，對(duì)生產(chǎn)節(jié)奏有一定的制約。因此，為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，提高測(cè)溫、取樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人員作業(yè)危險(xiǎn)性，提出了智能測(cè)溫取樣多功能機(jī)器人系統(tǒng)的課題，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精煉爐的自動(dòng)測(cè)溫、取樣、定氧、測(cè)渣厚、取渣樣、視覺氬氣攪拌指導(dǎo)、等功能。做到精煉爐鋼水溫度、成分精確采集，機(jī)器人可根據(jù)鋼水液面的變化自動(dòng)調(diào)整最終的插入深度，保證測(cè)溫取樣點(diǎn)的準(zhǔn)確一致性。氬氣攪拌可視化，通過安裝在機(jī)器人手臂上的耐高溫?cái)z像機(jī)將爐內(nèi)氬氣攪拌情況實(shí)時(shí)傳輸?shù)讲僮魇覂?nèi)，使用視覺處理技術(shù)，以及二級(jí)模型算法指導(dǎo)精煉一級(jí)系統(tǒng)對(duì)氬氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。從而實(shí)現(xiàn)精煉平臺(tái)無人化，提升精煉爐的整體裝備的智能化程度。同時(shí)提高生產(chǎn)節(jié)奏，提高精煉爐終點(diǎn)控制水平，穩(wěn)定鋼水質(zhì)量，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)爐機(jī)匹配。

1 系統(tǒng)配置以及組成

本系統(tǒng)的硬件部分由硬件系統(tǒng)由機(jī)器人系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、探頭存儲(chǔ)安裝拆除系統(tǒng)、氬氣攪拌觀測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)、系統(tǒng)檢測(cè)元件、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等組成。

圖1 設(shè)備硬件配置圖

1.1 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)是整套系統(tǒng)的控制核心，該系統(tǒng)選用西門子1200系列。這一部分負(fù)責(zé)測(cè)溫取樣機(jī)器人系統(tǒng)所有的聯(lián)鎖邏輯控制和數(shù)據(jù)通訊傳輸，其中數(shù)據(jù)傳輸包括兩方面，一是實(shí)現(xiàn)與精煉二級(jí)PLC系統(tǒng)之間的通信，接收來自二級(jí)系統(tǒng)的發(fā)送的控制數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，并將測(cè)溫儀表測(cè)得的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，機(jī)器人的狀態(tài)等信息反饋給二級(jí)；二是與機(jī)器人控制器、伺服控制器進(jìn)行通信，將啟動(dòng)命令，7軸地軌位置信息，爐口位置信息，鋼包液面位置信息，探頭存儲(chǔ)倉探頭安裝系統(tǒng)準(zhǔn)備完成信息，探頭拆除氣缸動(dòng)作信息發(fā)送給機(jī)器人。

1.2 探頭存儲(chǔ)安裝拆除系統(tǒng)

探頭存儲(chǔ)安裝拆除系統(tǒng)是機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，包括探頭存儲(chǔ)單元格、探頭反轉(zhuǎn)下料氣缸、探頭輸送鏈、探頭定位夾持器、機(jī)器人槍桿導(dǎo)向夾持器、探頭拆除機(jī)構(gòu)， PLC控制系統(tǒng)等組成。

1.3 機(jī)器人系統(tǒng)

機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人本體、7軸地軌、控制器、示教器等組成。機(jī)器人安裝在精煉操作平臺(tái)上，用于替代人工進(jìn)行爐前操作。為了方便人工進(jìn)出，也為了機(jī)器人使用安全，在爐口處設(shè)置機(jī)器人地軌，機(jī)器人安裝至地軌上，探頭存儲(chǔ)倉位于爐口左側(cè)，操作人員可以不進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行探頭放置工作，也方便維修人員對(duì)探頭倉進(jìn)行維護(hù)。機(jī)器人測(cè)溫槍安裝在機(jī)器人6軸法蘭盤上，槍桿頂部裝有高溫?cái)z像機(jī)支架，槍體內(nèi)部有耐高溫鎧裝線，前端裝有測(cè)溫槍前槍桿，槍體有冷卻氣源接口和測(cè)溫補(bǔ)償電纜接口。機(jī)器人地軌是機(jī)器人位置擴(kuò)展的機(jī)構(gòu)，機(jī)器人在不工作的時(shí)候移動(dòng)至安全區(qū)域，遠(yuǎn)離爐口高溫區(qū)域。地軌是由機(jī)器人安裝平臺(tái)、伺服電機(jī)、伺服減速機(jī)、運(yùn)行齒輪齒條、底座固定滑塊、地軌框架等組成。

1.4 系統(tǒng)檢測(cè)元件

系統(tǒng)檢測(cè)元件包括爐口高度檢測(cè)拉繩編碼器、進(jìn)站鋼水液面檢測(cè)激光測(cè)距儀、鋼水測(cè)溫定氧儀。拉繩編碼器安裝于精煉爐電極更換平臺(tái)檢測(cè)爐蓋升降從而獲得爐門高度變化數(shù)據(jù)。激光測(cè)距儀，安裝在精煉平臺(tái)南北兩側(cè)，當(dāng)鋼水進(jìn)站后鋼包車往處理位開，激光測(cè)得到實(shí)際液面高度。鋼水測(cè)溫定氧儀放置在主控操作室內(nèi)，與機(jī)器人測(cè)溫槍通過補(bǔ)償導(dǎo)線連接，機(jī)器人探頭連接信號(hào)，機(jī)器人測(cè)溫完成信號(hào)，溫度數(shù)據(jù)，氧含量數(shù)據(jù)，通過電纜傳輸至PLC系統(tǒng)。

1.5 氬氣攪拌觀測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)

氬氣攪拌視覺指導(dǎo)系統(tǒng)是由耐高溫?cái)z像機(jī)，針孔鏡頭，攝像機(jī)高溫防護(hù)罩，渦流冷卻器，圖像采集處理上位機(jī)組成。

1.6 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

機(jī)器人控制1級(jí)網(wǎng)絡(luò)、氬氣攪拌圖像視頻流網(wǎng)絡(luò)，以及網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)等硬件設(shè)備組成。

2 系統(tǒng)工作模式以及流程

2.1 測(cè)溫/定氧模式

①操作人員在操作界面選擇測(cè)溫或定氧模式，選擇完成后點(diǎn)擊準(zhǔn)備。②機(jī)器人運(yùn)行至自動(dòng)換槍位，安裝測(cè)溫裝置，同時(shí)探頭倉準(zhǔn)備相應(yīng)的探頭，機(jī)器人測(cè)溫裝置進(jìn)入探頭倉并套入測(cè)溫或定氧探頭。③機(jī)器人運(yùn)行至等待位置，等待操作人員啟動(dòng)命令。④操作人員在操作界面發(fā)出啟動(dòng)命令，機(jī)器人根據(jù)預(yù)設(shè)的軌跡將測(cè)溫槍探頭伸入爐內(nèi)。⑤探頭浸入鋼水，（深度根據(jù)激光測(cè)距儀發(fā)出的液面位置進(jìn)行調(diào)整）直至液面一下400mm深處。⑥PLC檢測(cè)儀表發(fā)出的測(cè)溫（定氧）完成信號(hào)，并將溫度數(shù)據(jù)顯示在操作界面上，機(jī)器人按原路徑退出，并在自動(dòng)拆除裝置退下舊的探頭。⑦拆除當(dāng)前測(cè)溫裝置，并對(duì)當(dāng)前測(cè)溫裝置狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)結(jié)果將顯示在操作畫面上提醒操作人員。機(jī)器人回到安全待機(jī)位等待。

2.2 取樣模式

①操作人員在操作界面選擇取樣模式，選擇完成后點(diǎn)擊準(zhǔn)備。②機(jī)器人運(yùn)行至自動(dòng)換槍位，安裝取樣裝置，料倉準(zhǔn)備好取樣探頭，機(jī)器人取樣裝置進(jìn)入探頭倉并套入取樣探頭。③機(jī)器人運(yùn)行至等待位置進(jìn)行等待操作人員啟動(dòng)命令。④操作人員在操作界面發(fā)出啟動(dòng)命令，機(jī)器人將根據(jù)預(yù)設(shè)的軌跡將取樣探頭伸入爐內(nèi)。⑤探頭浸入鋼水，（深度根據(jù)激光測(cè)距儀發(fā)出的液面位置進(jìn)行調(diào)整）直至液面一下200mm深處，等待設(shè)定時(shí)間。⑥機(jī)器人按原路徑退出，并在自動(dòng)拆除裝置退下舊的取樣探頭。⑦對(duì)當(dāng)前取樣裝置狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果將顯示在操作畫面上提醒操作人員。⑧機(jī)器人重復(fù)第2步工作，將取樣探頭安裝至取樣裝置上。⑨拆除取樣裝置，下次啟動(dòng)時(shí)候只需要將取樣裝置安裝到位后進(jìn)行取樣節(jié)省時(shí)間。

2.3 測(cè)渣厚模式

①操作人員在操作界面選擇測(cè)渣厚模式，選擇完成后點(diǎn)擊準(zhǔn)備。②機(jī)器人運(yùn)行至自動(dòng)換槍位，安裝測(cè)量裝置，料倉準(zhǔn)備好渣厚探頭，機(jī)器人測(cè)量裝置進(jìn)入探頭倉并套入測(cè)量探頭。③機(jī)器人運(yùn)行至等待位置進(jìn)行等待操作人員啟動(dòng)命令。④操作人員在操作界面發(fā)出啟動(dòng)命令，機(jī)器人將根據(jù)預(yù)設(shè)的軌跡將取樣探頭伸入爐內(nèi)。⑤探頭浸入液面以下，等待設(shè)定時(shí)間，PLC讀取探頭信號(hào)并將凈空、渣面厚度、鋼水液面高度反饋給三級(jí)。⑥機(jī)器人按原路徑退出，并在自動(dòng)拆除裝置退下舊的測(cè)量探頭。⑦對(duì)當(dāng)前測(cè)量裝置狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果將顯示在操作畫面上提醒操作人員。⑧拆除測(cè)量裝置，機(jī)器人回到等待位置。

2.3 氬氣觀測(cè)模式

①操作人員選擇氬氣觀測(cè)點(diǎn)1或者氬氣觀測(cè)點(diǎn)2（氬氣觀測(cè)點(diǎn)位置按照鋼包透氣磚位置進(jìn)行調(diào)整）按下氬氣觀測(cè)啟動(dòng)按鈕。②機(jī)器人將攝像機(jī)移動(dòng)至加料口位置。③爐內(nèi)翻騰情況反饋至爐內(nèi)監(jiān)控界面上。

3 搭建仿真平臺(tái)

（1）軟件仿真。Robotstudio軟件具有CAD模型導(dǎo)入、路徑自動(dòng)規(guī)劃、離線編程、仿真調(diào)試、到達(dá)性檢測(cè)、碰撞檢測(cè)、程序的直接下載和載入、二次開發(fā)等功能。其仿真示教器、控制器、機(jī)器人本體與實(shí)際機(jī)器人一樣，仿真信號(hào)、程序等與實(shí)際機(jī)器人生產(chǎn)線運(yùn)行過程中的信號(hào)及程序也是一致的，還可以進(jìn)行干涉檢查以及運(yùn)行情況的報(bào)警。仿真系統(tǒng)創(chuàng)建步驟：利用軟件設(shè)計(jì)繪畫機(jī)器人末端執(zhí)行器、輥道、鑄坯等工作站的三維仿真模型，導(dǎo)入該文件完成建模布局工作；打開軟件模型庫，導(dǎo)入機(jī)器人調(diào)整Robotstudio的可視化系統(tǒng)，將工作站調(diào)節(jié)在機(jī)器人的工作空間。

仿真運(yùn)行I/O信號(hào)，仿真標(biāo)準(zhǔn)IO板提供的常用信號(hào)處理有數(shù)字輸入DI、數(shù)字輸出、模擬輸入、模擬輸出AO和液面高度跟蹤。I/O板是下掛在DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線下的設(shè)備，將smart組件的I/O信號(hào)與機(jī)器人的I/O信號(hào)關(guān)聯(lián)，即smart組件的輸出信號(hào)作為機(jī)器人端的輸入信號(hào)，機(jī)器人端的輸出信號(hào)作為smart組件的輸入信號(hào)，此時(shí)smart組件可以看成一個(gè)與機(jī)器人進(jìn)行I/O通信的模擬PLC，離線編寫程序，就可以實(shí)現(xiàn)整體仿真。

圖2 仿真工作站圖

（2）Smart組件設(shè)計(jì)。在Robotstudio中創(chuàng)建機(jī)器人的動(dòng)態(tài)效果對(duì)仿真起了極其重要的作用，其軟件中的smart組件能實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果，以smart組件為例，首先添加子組件，如本體子組件、動(dòng)作子組件，設(shè)定的運(yùn)動(dòng)屬性， smart組件的動(dòng)態(tài)仿真模擬了真實(shí)的機(jī)器人動(dòng)作及爐門高度變化時(shí)機(jī)器人的工作過程。

（3）系統(tǒng)編程與仿真。仿真模型建立的前提下，Robotstudio軟件可進(jìn)行離線編程。根據(jù)測(cè)溫取樣流程、I/O信號(hào)設(shè)計(jì)的smart組件，可在RAPID離線開發(fā)程序，示教目標(biāo)點(diǎn)。機(jī)器人程序中需要定位目標(biāo)點(diǎn)。起始點(diǎn)由固定位置決定，測(cè)溫取樣點(diǎn)主要跟設(shè)置的坐標(biāo)系與位置計(jì)算有關(guān)。這些點(diǎn)之間以外的路徑由程序指令控制，需配置合理的姿態(tài)移動(dòng)。將編輯好的程序保存在pc機(jī)上，并傳送給機(jī)器人控制器。

圖3 測(cè)溫槍入爐觀測(cè)圖

通過仿真直觀地檢查編程結(jié)果，并進(jìn)行人工修正。機(jī)器人軌跡數(shù)據(jù)、虛擬仿真生成的程序可以通過數(shù)據(jù)傳輸給機(jī)器人，可以很容易得到機(jī)器人最終插入點(diǎn)在鋼液下的狀態(tài)，并且在路徑規(guī)劃過程中避免碰撞發(fā)生，測(cè)溫槍桿進(jìn)入鋼水液面效果，可根據(jù)液面高度調(diào)整機(jī)器人進(jìn)入爐內(nèi)的角度和位置。

4 結(jié)語

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)由機(jī)器人系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、探頭存儲(chǔ)安裝拆除系統(tǒng)、氬氣攪拌觀測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)、二級(jí)數(shù)據(jù)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等組成。軟件系統(tǒng)包括氬氣攪拌指導(dǎo)模型、PLC程序、機(jī)器人程序、人機(jī)交互程序。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)溫、取樣功能、氬氣攪拌觀測(cè)功能、氬氣攪拌自動(dòng)調(diào)節(jié)指導(dǎo)功能、人機(jī)交互功能與PLC控制功能。消除人工測(cè)溫、取樣操作的誤差，提高測(cè)溫取樣成功率及準(zhǔn)確程度，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了精煉爐的整體裝備的智能化程度。同時(shí)提高生產(chǎn)節(jié)奏，提高精煉爐終點(diǎn)控制水平，穩(wěn)定鋼水質(zhì)量，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)爐機(jī)匹配。本系統(tǒng)將進(jìn)一步跟蹤完善，當(dāng)前取樣完成后仍需要人工對(duì)樣棒進(jìn)行破除，冷卻等工作，后續(xù)的研發(fā)方向?qū)⑦M(jìn)一步完善樣塊的自動(dòng)拆除功能，實(shí)現(xiàn)真正意義上的平臺(tái)無人化，進(jìn)一步降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低環(huán)境造成的傷害。