工業煉焦爐測溫AI機器人控制系統研究

李友子，張偉崗

(西安明德理工學院 信息工程學院，陜西 西安 710124)

隨著我國經濟的飛速發展，人們的整體生活水平呈現遞增的變化趨勢，該現象使勞動力的成本大幅度提升。焦爐生產領域為實現生產效率的整體提高，不斷引進對當前技術和設備進行創新與升級，使焦爐生產領域可向著自動化、智能化發展。但焦爐生產領域過于依賴人工方式實現溫度的測量，該方式存在較大局限性，無法精準測量煉焦爐的溫度。為此，本研究設計出一種基于測溫AI機器人的控制系統，該系統可有效提高溫度測量的精度，為工業煉焦爐的后續發展奠定有力基礎。

1 工業煉焦爐測溫AI機器人控制系統架構設計

本研究對工業煉焦爐測溫AI機器人控制系統進行設計時，采用模塊化的方式設計出工業煉焦爐測溫AI機器人控制系統的整體結構。為實現工業煉焦爐溫度的精準控制，在系統內部添加多個控制單元，測溫機器人在若干個控制單元的控制下，可提高該機器人的控制精度，有利于提高工業煉焦爐的穩定性與安全性。通過對系統內不同的模塊進行設計與調試，可最大限度地提高系統工作效率，為工業煉焦爐測溫AI機器人控制系統的后期維護、檢修等工作奠定有力基礎。工業煉焦爐測溫AI機器人控制系統整體結構如圖1所示[1]。

圖1 工業煉焦爐測溫AI機器人控制系統整體結構圖

工業煉焦爐測溫AI機器人控制系統的核心模塊為PLC控制模塊，該模塊可對系統其他功能單元進行協調與控制。在PLC控制模塊的支持下，可提高機器人對工業煉焦爐溫度控制的精度。測溫AI機器人在工業煉焦爐內部可測量溫度、電池電量等數據，為實現測量數據的實時上傳，可建立無線通信模塊與上位機之間的連接，在無線通信模塊與上位機的通信下，即可實現數據的回傳。

2 工業煉焦爐測溫AI機器人控制系統總體設計

2.1 爐蓋提升單元

本研究對系統的爐蓋提升單元進行設計時，為保證測溫AI機器人的精準度，在測溫AI機器人前后均布置一個爐蓋提升單元，通過各設備之間的相互作用，可有效控制工業煉焦爐的溫度變化趨勢。爐蓋提升單元的核心設備為提升機，提升機可實現步進電機和電磁鐵的精準控制。PLC主機在爐蓋提升單元內部主要負責控制提升機，在PLC主機的控制下，可實現步進電機的正反轉控制以及電磁鐵的升降控制，同時PLC主機可控制爐蓋提升單元內部繼電器的斷開與閉合。當繼電器處于斷開狀態時，則電磁鐵線圈處于失電狀態；當繼電器處于閉合狀態時，則電磁鐵線圈處于得電狀態。通過對電磁線圈進行控制，即可實現工業煉焦爐爐蓋的抓取與釋放操作。為實現設備的提升，將接近開關安裝至每個提升機的底部，并利用提升機對電磁鐵進行控制，電磁鐵的位置信號可實時上傳至PLC，等待電磁鐵處于特定位置后，停止提升機的控制操作，直至測溫AI機器人完成測溫操作[2]。

通過提升機對爐蓋進行吸起操作時，應等待測溫AI機器人在測溫點停靠后，啟動冷卻風道風機，使其處于正常運轉狀態。為實現爐蓋的吸起操作，可利用提升機對電磁鐵進行控制，使電磁鐵下降至爐蓋處，即可吸起工業煉焦爐的爐蓋。若電磁鐵在上升時達到位置的極限，應立即停止上升操作。提升機的提蓋測溫流程為：首先，啟動測溫AI機器人，使其處于移動狀態，位置移動的終點為工業煉焦爐爐口正對面；其次，等待測溫AI機器人到達終點后，即可對工業煉焦爐的溫度進行測量；最后，工業煉焦爐數據測量完畢后，由工作人員對測溫AI機器人進行復位操作，并蓋回工業煉焦爐的爐蓋。工業煉焦爐測溫AI機器人控制系統提蓋測溫流程如圖2所示[3]。

圖2 工業煉焦爐測溫AI機器人控制系統提蓋測溫流程

控制系統的放蓋過程與提蓋過程之間處于完全相反的狀態，工業煉焦爐測溫AI機器人控制系統的放蓋過程為：首先，利用提升機控制電磁鐵，使電磁鐵下降至工業煉焦爐的爐口處；其次，對電磁鐵進行斷電操作，并不斷降低冷卻風道風機的下降速度，以此達到放下爐蓋的目的；最后，使電磁鐵處于上升狀態，直至電磁鐵接近開關響應。工業煉焦爐測溫AI機器人控制系統放蓋流程如圖3所示[4]。

圖3 工業煉焦爐測溫AI機器人控制系統放蓋流程

2.2 溫控保護單元

在對工業煉焦爐進行提蓋操作時，爐蓋開啟的瞬間可噴射出高速氣流，該氣流的相對壓強為80 Pa、溫度為200 ℃，若測溫過程中出現操作不當的現象，使高溫氣流與明火之間產生反應，可直接損害電磁鐵導線以及柔性提升帶，在一定程度上可降低測溫AI機器人的使用壽命。本研究為提高測溫AI機器人的使用壽命，設計出溫控保護單元，該單元可有效避免高溫氣流與明火之間直接接觸。將一對強制對流風道設計在測溫AI機器人的外部，等待提升機處于工作狀態時，隔離高速氣流和測溫AI機器人，最大限度地避免測溫AI機器人外部受高溫氣流的影響，從而降低測溫AI機器人的老化速度[5]。

2.3 測溫云臺單元

為與測溫AI機器人建立對應關系，在機器人的測溫云臺前后各搭建一個提升機模塊。通過一個獨立的副PLC模塊對測溫云臺進行控制，并建立測溫云臺與PLC主機之間的通信，該單元可通過無線數傳電臺將測量的數據上傳至上位機，有利于提高溫度控制的精準度。為實現測溫云臺角度的調節，可利用PLC主機對步進電機進行控制，測溫平臺的偏轉角度信息可通過陀螺儀上傳至PLC內部，該數據可作為系統控制步進電機角度的主要依據。

2.4 走行定位單元與保護避讓單元

為對測溫AI機器人的走行進行精準定位，本研究設計了走行定位單元。走行定位單元的工作過程為：首先，啟動測溫AI機器人，對測溫AI機器人的實際位置進行記錄；其次，判斷測溫AI機器人是否到達工業煉焦爐的測溫處，若機器人的光電開關檢測到測溫點的擋片，并且編碼器的碼數可控制在測溫點的范圍之內，即可判斷機器人到達實際測溫位置；最后，開始測量工業煉焦爐的溫度。測溫AI機器人完成工業煉焦爐的正向測溫后，即可開始反向運動，其中正向運動主要針對工業煉焦爐的偶數孔，反向運動的測量對象為工業煉焦爐的奇數爐孔。工業煉焦爐內部爐口的測溫工作均完成后，測溫AI機器人可自動返回充電站。測溫AI機器人在實際測溫過程中，可通過保護避讓單元對前方路況進行檢測，若檢測到前方存在障礙物，可立即采取報警模式，直至測溫AI機器人前方障礙物消除后，方可恢復測溫AI機器人的正常工作[6]。

3 工業煉焦爐測溫AI機器人控制系統拓展功能設計

3.1 無線通信單元

本研究為保證測溫AI機器人控制系統可與工業煉焦爐之間建立無線通信功能，在控制系統內部搭建了無線通信單元。該單元可實現測溫數據的實時上傳，最終數據的上傳位置為上位機。操作人員可利用該單元對工業煉焦爐的溫度進行手動調節，同時可將煉焦爐工藝要求作為主要依據，以此實現測溫程序的遠程修改。為持續向測溫AI機器人供給充足的電量，可采用手動控制的方式為其充電，并將該機器人采集的影像信息以及掃描路徑實時上傳至上位機。通過該單元將機器人內部傳感器中的關鍵數據上傳至系統上位機，有利于保證系統的安全性，實現工業煉焦爐溫度的精準測量。

3.2 充電保護單元

本研究為提高測溫AI機器人的自主工作能力，對測溫AI機器人進行設計時，在其內部安裝了具有自動充電功能的充電觸頭，同時在測溫AI機器人的停靠站安裝充電站，該充電站可支持測溫AI機器人充電和檢修。等待測溫AI機器人完成一個周期的測溫工作時，測溫AI機器人可自動回歸充電站。測溫AI機器人的充電過程為：由測溫AI機器人的機體的充電觸頭建立與充電站觸頭之間的連接，即可實現測溫AI機器人的充電，該過程為保證兩個觸頭之間的量良好接觸，可在機體的充電觸頭中增加電磁鐵。測溫AI機器人充電完畢后，應立即使電磁鐵處于斷電狀態，并釋放兩個觸頭，為測溫AI機器人的下次充電做準備[7]。

4 工業煉焦爐測溫AI機器人控制系統試驗研究

4.1 實驗室測試

為驗證測溫AI機器人控制系統的有效性，本研究加工出一種可用于現場的實物樣機，并模擬現場的場景，以此完成測溫AI機器人控制系統的調試。系統的運行與通信采用PLC DVP-12SA11T作為核心控制器，系統的動力驅動部分可采用86步進電機，而提升機與測溫云臺單元的電機均為40步進電機。為保證開關的安全性，采用PNP常開規格的開關。本次測試的地點為實驗室，有利于保證后期焦爐頂面測試的順利進行。測試方法為：其一，通過對測溫AI機器人的光電擋片進行定位，即可實現測溫AI機器人的精準定位；其二，在測溫AI機器人提蓋與測溫動作之間的相互配合下，可實現焦爐頂提起與放下的模擬；其三，等待機器人與充電站的觸頭建立連接后，即可實現測溫AI機器人的自動充電。通過對測試結果進行分析可知，該機器人在實驗室內可完成既定動作[8]。

4.2 焦爐頂面測試

在上述測試的基礎上，將測試地點轉移至焦爐頂面，對測溫AI機器人進行實際的動作測試。焦爐頂面的測試環境與實驗室之間具有較大差異性，由于焦爐頂面存在環境、溫度等影響因素，可直接造成測試結果與實際存在偏差，該測試更能體現出測溫AI機器人的精準度。測試開始之前，將設計要求作為主要依據，以此完成測溫AI機器人軌道以及光電擋片的安裝，軌道鋪設完畢后，對測溫AI機器人進行吊裝操作。測試環境安裝完畢后，即可對測溫AI機器人的有效性進行測試，測試過程中可將焦爐頂面的起伏忽略不計。為避免測溫AI機器人出現故障現象，可事先在工業煉焦爐的一側平臺完成測試。通過對測試結果進行分析可知，測溫AI機器人的各項動作均符合預期要求。

為進一步驗證測溫AI機器人的有效性，在工業煉焦爐的頂面完成測溫AI機器人的實地測試。測溫AI機器人可在起伏程度較高的工業煉焦爐頂面完成系統布置的任務，并且測溫AI機器人可實時上傳焦爐的溫度數據，該測試結果表明，測溫AI機器人的測溫工作與裝煤車之間互不干涉。

5 結 語

本研究為對工業煉焦爐的溫度進行精準控制，設計了測溫AI機器人控制系統，介紹了測溫AI機器人控制系統的整體結構以及功能，最后對測溫AI機器人控制系統進行測試研究，以此驗證測溫AI機器人控制系統的有效性。通過對測試結果進行分析可知，測溫AI機器人控制系統符合預期要求，測溫AI機器人的各部分功能均正常，同時可精準測量工業煉焦爐的溫度，有利于工作人員及時解決工業煉焦爐存在的安全隱患。將該系統應用于工業領域中，可為工業領域提供一定參考價值。