智能巡航機器人系統(tǒng)在冶金行業(yè)的應(yīng)用

陳孟秋，王 競，胡盛煒

(武漢長海電氣科技開發(fā)有限公司，武漢 430064)

0 引言

中國冶金行業(yè)正在進行產(chǎn)業(yè)升級。目前國內(nèi)冶煉行業(yè)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(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別，即檢測人員連續(xù)使用高斯計進行著枯燥重復檢測過國內(nèi)外調(diào)研，本項目采用機器視覺技術(shù)、圖像識別技術(shù)等，通過軌道式智能巡航機器人完成重復檢測實現(xiàn)自動識別短路極板。本項目難度較大，是國內(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器人行走卡滯、無線通訊不穩(wěn)定、圖像識別效果不穩(wěn)定、環(huán)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(tǒng)、千兆無線通訊、機器人在內(nèi)的智能巡航機器人系統(tǒng)，高效而穩(wěn)定，力爭達到國內(nèi)外領(lǐng)先水平。

1 工業(yè)環(huán)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(jiān)測兩大功能的智能巡航機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由行走軌道、巡航機器人、無線通訊網(wǎng)絡(luò)、后臺系統(tǒng)、前端現(xiàn)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(xiàn)場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(shè)定為640×480。

1.1 廠房與軌道布局建模

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

圖1 智能巡航機器人系統(tǒng)圖

通過測量發(fā)現(xiàn)廠房結(jié)構(gòu)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(qū)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(qū)域，且重點和難點還在于電解車間現(xiàn)場環(huán)境惡劣，長期處于高腐蝕性高溫度的狀態(tài)，所選材料必須能長期適用于該環(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。

在安裝過程中通過上下腰孔調(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，最大限度地保護材料不受損，同時滿足了現(xiàn)場環(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)場使用不同管徑的吊架分別對應(yīng)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(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(yè)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(chǎn)過程中，電解銅排所產(chǎn)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(tài)。在這種腐化性環(huán)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(nèi)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(jīng)過多次試驗測試，本項目使用的智能巡航機器人根據(jù)電解車間的工作特性定制。機器人內(nèi)部包括電機、電池、無線通訊模塊、控制板、動力輪、轉(zhuǎn)向輪等，在軌道起點配備有對應(yīng)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(yīng)于惡劣環(huán)境，工作人員只需在監(jiān)控中心遠程操控機器人即可代替人工，機器人根據(jù)指令進行自動巡航，并將視頻影像及相關(guān)數(shù)據(jù)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(guān)數(shù)據(jù)。

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(guān)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(yè)環(huán)境下的軌道選型

電解車間現(xiàn)場環(huán)境惡劣，長期處于高溫、高腐蝕、高濕度，放置在該環(huán)境下必須保證軌道不會受熱受潮發(fā)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(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(jīng)受的住一系列大的應(yīng)變。

玻璃鋼，即纖維增強復合塑料，質(zhì)輕而硬，性能穩(wěn)定，機械強度高，韌性材料，在工業(yè)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(yōu)勢在于以下幾點：

1）耐腐蝕

玻璃鋼是優(yōu)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(qū)，以及有腐蝕性介質(zhì)的場所。

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(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)場實際應(yīng)用

在項目現(xiàn)場實際應(yīng)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(shè)光電開關(guān)遮光片，在遮光瞬間機器人停止。由于光電開關(guān)遮擋片存在部分結(jié)構(gòu)缺陷，后續(xù)改進為電磁限位開關(guān)，通過電磁感應(yīng)裝置控制機器人啟停。

實際應(yīng)用實例如圖4。

2 工業(yè)環(huán)境下遠程數(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)的管理運營能力。

圖4 智能巡航機器人實例

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)及人員貨物的移動使得架空線幾乎不可能，而相當部分的作業(yè)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?shù)姆绞礁涌尚小?/p>

因此，本項目需要一套支持高移動性、高帶寬、高穩(wěn)定性、遠距離傳輸、智能無線漫游技術(shù)、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(tǒng)要對電解車間全區(qū)域進行實時自動巡航、視頻采集，能夠準確的對電解槽內(nèi)的短路過溫極板進行識別，及時掌握電解槽內(nèi)的實時狀況。由于機器人安裝在高空軌道，且巡查區(qū)域面積大，對通訊穩(wěn)定性有較高的要求。我們對現(xiàn)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(shù)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(shù)據(jù)到無線AP基站端，無線AP基站端通過網(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，實現(xiàn)智能巡航機器人實時數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。如圖5所示。

2.2 通訊設(shè)備的選型

目前所采用的無線通訊裝置綜合現(xiàn)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(tǒng)工業(yè)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(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也無法正常使用。且運營商（中國電信、中國移動、中國聯(lián)通）、藍牙、微波爐等頻率范圍均在2.4 G內(nèi)，家庭、辦公樓、商場、廣場均遍布無數(shù)2.4 G路由AP信號波，干擾太大，2.4 G頻率已達到飽狀態(tài)，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(yè)，更容易受到例如行車等大型起重裝置作業(yè)的干擾，在通訊過程中丟包率、掉線率高，導致通訊不穩(wěn)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(xiàn)場環(huán)境惡劣，高溫高濕，腐蝕性強，不利于通訊設(shè)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(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 AP，需要 -40～75℃寬溫及防塵防震的設(shè)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(huán)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(qū)域。3）切換不丟包，無空白區(qū)。4）千兆無線通訊速率。

5）對于移動設(shè)備通訊穩(wěn)定。

2.3 現(xiàn)場實際應(yīng)用

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

3 結(jié)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(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、無線通訊、圖像識別等一系列新興智能技術(shù)，采用智能巡航機器人采集故障極板數(shù)據(jù)，大幅減輕人力負擔，有效提升銅電解生產(chǎn)工藝。

圖6 基站端無線AP

通過設(shè)計、安裝、調(diào)試、驗證等一系列步驟，該系統(tǒng)設(shè)備全部功能現(xiàn)已正常使用，滿足電解車間對短路極板自動巡航數(shù)據(jù)的要求，現(xiàn)階段能夠保持每日12個巡航時間點在線監(jiān)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(jié)果表明當次所檢測出的短路極板數(shù)目隨著檢測頻率的增加而減少，人工檢測人員已經(jīng)可以完全信任巡航機器人所采集的數(shù)據(jù)進行短路排查。在多次巡航作業(yè)中，對于重復出現(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)于人工檢測的時效性，做到早發(fā)現(xiàn)早處理，降低短路率，進一步提高產(chǎn)能，為陰極銅產(chǎn)量和質(zhì)量的完成提供保障。

在系統(tǒng)長期的運行測試中，智能巡航機器人內(nèi)部行走機構(gòu)趨于完善，軌道行走順暢，車身運行穩(wěn)定，所搭載的無線通訊端能夠長期在腐蝕性高溫環(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(wěn)定性與可靠性。實現(xiàn)了電解車間智能巡航機器人的研發(fā)應(yīng)用，將有效提高銅電解行業(yè)的生產(chǎn)效率和自動化水平，對銅電解行業(yè)以及整個冶金行業(yè)都具有重大的經(jīng)濟和戰(zhàn)略意義，為我國的智能化工廠進程打下堅實的基礎(chǔ)。