智能巡航機器人系統在冶金行業的應用

陳孟秋，王 競，胡盛煒

(武漢長海電氣科技開發有限公司，武漢 430064)

0 引言

中國冶金行業正在進行產業升級。目前國內冶煉行業銅電解過程中，由于極板間距不均、表面不光滑，距離較近的極板因為電壓大而吸附較多電解銅離子，陰極板面出現粗糖結晶和結粒，造成極板間接觸，甚至發生短路。導致陰極銅板質量惡化和降低生產效益。通常，采取電解槽故障極板的人工識別，即檢測人員連續使用高斯計進行著枯燥重復檢測過國內外調研，本項目采用機器視覺技術、圖像識別技術等，通過軌道式智能巡航機器人完成重復檢測實現自動識別短路極板。本項目難度較大，是國內電解車間首次工程化應用紅外巡航，在調試期間先后克服了智能巡航機器人行走卡滯、無線通訊不穩定、圖像識別效果不穩定、環境溫度導致溫升特性變化等一系列問題，建立了一套包含后臺軟件系統、千兆無線通訊、機器人在內的智能巡航機器人系統，高效而穩定，力爭達到國內外領先水平。

1 工業環境下自動巡航軌道方案

本項目計劃研制出一套具有集成短路和槽溫在線監測兩大功能的智能巡航機器人系統，該系統由行走軌道、巡航機器人、無線通訊網絡、后臺系統、前端現場檢測單元等共五個部分組成。如圖1所示。

本項目的實施現場大約是車間電解槽的 1/4區域，包含16組槽，每組槽含16個電解槽，一共巡航256個電解槽，巡航空間約為120 m長，30 m寬。按照最大視野空間計算，巡航機器人所搭載的紅外熱像儀分辨率設定為640×480。

1.1 廠房與軌道布局建模

項目軌道工程實施區域為廠房頂部區域，鋪設全程近 350 m的“S”型軌道用于搭載智能巡航機器人行走，起點設立充電樁，智能巡航機器人沿固定軌道進行紅外圖像連續掃描，通過高速無線通訊傳輸數據至后臺，預計實現對選定廠房區域范圍內的多個電解槽進行實時智能監控。

圖1 智能巡航機器人系統圖

通過測量發現廠房結構錯綜復雜，廠房坡屋面坡度較大，高度分布不均勻。車間頂部區域可用于固定軌道的管徑橫梁直徑長度不等，管徑橫梁有連接中斷區域，且重點和難點還在于電解車間現場環境惡劣，長期處于高腐蝕性高溫度的狀態，所選材料必須能長期適用于該環境。

經多次分析比較決定采用懸掛式不銹鋼吊架固定軌道。吊架為可伸縮式結構，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。

在安裝過程中通過上下腰孔調節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，保證智能巡航機器人的穩定行走。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，最大限度地保護材料不受損，同時滿足了現場環境惡劣、高溫高腐蝕性的需求，吊架結構如圖 2所示。

圖2 吊架結構圖

由于車間頂部區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，現場使用不同管徑的吊架分別對應與之匹配的廠房管徑橫梁。

直軌全長實際為324 m，直軌共使用108根玻璃鋼軌道，每根長度為3 m，分三條軌道通過吊架懸掛在對應的三條廠房管徑上，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，為提升穩定性，在彎軌始末兩端固定吊架，通過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密。端面貼合，減小誤差。

1.2 工業智能巡航機器人研究

智能巡航機器人需要運行在電解車間 10 m高空軌道。電解車間在生產過程中，電解銅排所產生的大量酸霧充斥著整個車間，且車間長期處于強磁場狀態。在這種腐化性環境中，容易造成機器人所搭載的紅外測溫儀殼體破壞，導致內里彈性體受損造成短路。因此該機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。

經過多次試驗測試，本項目使用的智能巡航機器人根據電解車間的工作特性定制。機器人內部包括電機、電池、無線通訊模塊、控制板、動力輪、轉向輪等，在軌道起點配備有對應的充電裝置，具備防塵、防水、防震，支持全天候長期運行的能力。能長期適應于惡劣環境，工作人員只需在監控中心遠程操控機器人即可代替人工，機器人根據指令進行自動巡航，并將視頻影像及相關數據實時傳輸至后臺顯示端。工作人員不僅能看到運行情況，還能掌握溫度等相關數據。

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

1.3 工業環境下的軌道選型

電解車間現場環境惡劣，長期處于高溫、高腐蝕、高濕度，放置在該環境下必須保證軌道不會受熱受潮發生形變。機器人在運行過程中，必須最大限度的減少軌道晃動，防止結構件在工作狀態下共振引起的早期破壞，保證可以穩定的進行圖像采集與視屏拍攝，想要長期保持在軌道上運行必須經受的住一系列大的應變。

玻璃鋼，即纖維增強復合塑料，質輕而硬，性能穩定，機械強度高，韌性材料，在工業使用上可以代替鋼材制造機器零件和汽車、船舶外殼等。其主要優勢在于以下幾點：

1）耐腐蝕

玻璃鋼是優良的耐腐蝕材料，對酸、堿、鹽及大部分有機物，海水以及潮濕都有較好的抵抗能力，對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，以及有腐蝕性介質的場所。

2）尺寸穩定性好

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

3）耐侯性好

玻璃鋼屬熱固性塑料，樹脂交聯后即形成三維網狀分子結構，變成不溶不熔體，即使受熱也不會熔化。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，玻璃鋼門窗對野外臨時建筑物及通訊系統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合，具有吸震和抗震能力，避免了結構件在工作狀態下共振引起的早期破壞。

1.4 現場實際應用

在項目現場實際應用過程中，為保證軌道水平與巡航機器人的正常運行，相鄰兩根軌道水平高度差 ≤ 2 mm，但相鄰兩根導軌邊頭橫截面距離 ≤ 1 mm，各條軌道之間的水平使用激光水平測距儀保證軌道之間誤差控制在 ±5 mm。

為了確保巡航機器人在運行過程中啟停的安全性，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處增設光電開關遮光片，在遮光瞬間機器人停止。由于光電開關遮擋片存在部分結構缺陷，后續改進為電磁限位開關，通過電磁感應裝置控制機器人啟停。

實際應用實例如圖4。

2 工業環境下遠程數據傳輸通訊網絡

作為生產型企業，需要能夠快速且穩定地傳輸各種數據信息。通過建立可靠的信息化網絡，可以快速地提高企業的管理運營能力。

圖4 智能巡航機器人實例

傳統的架空明線在工廠車間中應盡量避免，考慮到大型起重裝置作業及人員貨物的移動使得架空線幾乎不可能，而相當部分的作業具有移動性，傳輸鏈路不方便通過布線的方式完成。此時，無線傳輸的方式更加可行。

因此，本項目需要一套支持高移動性、高帶寬、高穩定性、遠距離傳輸、智能無線漫游技術、和超強抗干擾性的無線自動化解決方案。

2.1 無線通訊方案布局

智能巡航機器人系統要對電解車間全區域進行實時自動巡航、視頻采集，能夠準確的對電解槽內的短路過溫極板進行識別，及時掌握電解槽內的實時狀況。由于機器人安裝在高空軌道，且巡查區域面積大，對通訊穩定性有較高的要求。我們對現場進行了實地的考察，最終確定采用5.8 G頻段的1000 M無線傳輸方案，使用無縫漫游技術保證視頻高效實時傳輸。智能巡航機器人在高空軌道通過無線AP車載端，遠程傳輸數據到無線AP基站端，無線AP基站端通過網線傳輸數據到以太網光纖轉換器，再光纖傳輸數據到本地后臺，實現智能巡航機器人實時數據的穩定傳輸。如圖5所示。

2.2 通訊設備的選型

目前所采用的無線通訊裝置綜合現場電解車間實際狀況面臨的主要問題有以下幾點：

1）通訊覆蓋范圍小，一個工廠想要大范圍通訊需用多臺 AP，同時增加施工布線工作、也增加成本。傳統工業級無線ap多采用2.4G 2312～2732 MHz頻率信道，只有1、6、11等三個不重疊信道，工廠車間若放置 3臺以上 AP、將有信道重疊，信道重疊將造成 CCQ（無線鏈路質量）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也無法正常使用。且運營商（中國電信、中國移動、中國聯通）、藍牙、微波爐等頻率范圍均在2.4 G內，家庭、辦公樓、商場、廣場均遍布無數2.4 G路由AP信號波，干擾太大，2.4 G頻率已達到飽狀態，不利于項目工程的開展。

2）智能巡航機器人長期處于高空作業，更容易受到例如行車等大型起重裝置作業的干擾，在通訊過程中丟包率、掉線率高，導致通訊不穩定。

3）后臺客戶端一旦與AP斷開后重新連接的時間過長，甚至達到2至3分鐘，嚴重影響正常功能的使用。

4）電解車間現場環境惡劣，高溫高濕，腐蝕性強，不利于通訊設備的長期使用。

圖5 無線通訊整體布局

針對以上情況，為了保證智能巡航機器人數據傳輸的穩定性與可靠性，技術要求為：

1）采用工業級 AP，需要 -40～75℃寬溫及防塵防震的設計，防護等級為IP65～IP68，支持DC 12～24 V / 220 V POE供電，可以適用于任何惡劣環境場所；

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區域。3）切換不丟包，無空白區。4）千兆無線通訊速率。

5）對于移動設備通訊穩定。

2.3 現場實際應用

實施現場選擇在車間中部區域側壁安裝基站端無線 AP，通訊覆蓋范圍大，傳輸速率穩定。在智能巡航機器人搭載車載端無線 AP，如圖 6所示。

3 結論

本文針對銅電解車間故障極板處理能力效率低、智能化不足等方面，詳細介紹了一套智能巡航機器人系統，該系統在銅電解行業內首次正式工程性的采用了智能巡航、無線通訊、圖像識別等一系列新興智能技術，采用智能巡航機器人采集故障極板數據，大幅減輕人力負擔，有效提升銅電解生產工藝。

圖6 基站端無線AP

通過設計、安裝、調試、驗證等一系列步驟，該系統設備全部功能現已正常使用，滿足電解車間對短路極板自動巡航數據的要求，現階段能夠保持每日12個巡航時間點在線監測識別，平均間隔時間2小時，在高頻率的巡航檢測中，進一步壓縮短路極板的生成時間，測試結果表明當次所檢測出的短路極板數目隨著檢測頻率的增加而減少，人工檢測人員已經可以完全信任巡航機器人所采集的數據進行短路排查。在多次巡航作業中，對于重復出現的短路極板做記錄，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，凸顯出智能巡航優于人工檢測的時效性，做到早發現早處理，降低短路率，進一步提高產能，為陰極銅產量和質量的完成提供保障。

在系統長期的運行測試中，智能巡航機器人內部行走機構趨于完善，軌道行走順暢，車身運行穩定，所搭載的無線通訊端能夠長期在腐蝕性高溫環境下的正常作業。玻璃鋼軌道與不銹鋼吊具性能穩定，磨損程度小，自安裝設備至今無明顯形變，軌道銜接處間隙符合使用標準。驗證了智能巡航機器人與軌道的穩定性與可靠性。實現了電解車間智能巡航機器人的研發應用，將有效提高銅電解行業的生產效率和自動化水平，對銅電解行業以及整個冶金行業都具有重大的經濟和戰略意義，為我國的智能化工廠進程打下堅實的基礎。