火電廠灰?guī)彀踩謇頇C器人控制系統(tǒng)設計

董飛英

(上海上電漕涇發(fā)電有限公司，上海 201507)

灰?guī)熳鳛殄仩t的重要配套設施，在摻燒經(jīng)濟煤種的行業(yè)背景下，灰?guī)彀l(fā)生黏壁、板結、搭橋等問題的頻次明顯增加，嚴重影響機組的安全及經(jīng)濟運行。

人工清理灰?guī)斓奈ｋU系數(shù)極高[1]，為此開發(fā)一套火電廠灰?guī)彀踩謇頇C器人，替代人工進入灰?guī)爝M行清理作業(yè)，從而減少意外傷亡事故的發(fā)生，保障“零死亡、零事故”安全目標的實現(xiàn)[2-3]。

1 火電廠灰?guī)旄攀?/h2>

某電廠2臺鍋爐設原灰?guī)臁⒋只規(guī)臁⒓毣規(guī)?座灰?guī)欤規(guī)鞛樗嘟Y構，用于收集并短期儲存除塵器和第二煙道來的飛灰。3座灰?guī)烊萘肯嗟龋偢叨?0 m，直徑15 m，有效高度16 m，有效容積2 720 m3，人孔門高度13.1 m，人孔門直徑Φ600 mm×800 mm,頂部釋放孔Φ530 mm×14 mm)，能滿足鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(MCR)負荷45 h灰量的儲灰要求。

灰?guī)炝⒚鎴D如圖1所示。灰?guī)靸覍影宓兹鐖D2所示。

圖1 灰?guī)炝⒚鎴D

圖2 灰?guī)靸覍影宓?/p>

2 安全清理機器人結構設計

安全清理機器人本體結構主要由釋放孔輔助吊裝裝置、高剛度伸縮機械臂、水平旋轉(zhuǎn)關節(jié)、豎直旋轉(zhuǎn)關節(jié)、清灰機器人、輔助照明與監(jiān)測單元等構成，如圖3所示。

圖3 清灰機器人整體架構

安全清理機器人采用庫頂釋放方式，利用釋放孔輔助吊裝裝置的快裝機構實現(xiàn)機器人與庫頂釋放孔的剛性連接，配合輔助支撐裝置實現(xiàn)機器人在灰?guī)斓姆€(wěn)固安裝，通過豎管快速地連接下放整機。通過水平旋轉(zhuǎn)關節(jié)、豎直旋轉(zhuǎn)關節(jié)實現(xiàn)清掃伸縮臂的水平往復旋轉(zhuǎn)，利用設置于機械臂兩端的滾筒狀旋轉(zhuǎn)毛刷完成壁面除灰作業(yè)。灰?guī)扈得媲謇砟Ｊ饺鐖D4所示。

圖4 灰?guī)扈得媲謇砟Ｊ?/p>

高剛度伸縮機械臂上端與吊裝裝置剛性連接，連接后具備水平回轉(zhuǎn)、豎直回轉(zhuǎn)、水平伸縮三自由度可控運動性能。用于提供清理機器人及專用清理裝置的可靠支點，主要由水平回轉(zhuǎn)結構、豎直回轉(zhuǎn)機構、水平伸縮機構、自適應柔性末端、輔助牽拉結構、環(huán)境感知單元、綜合防塵結構等部件構成。

3 安全清理機器人控制系統(tǒng)總體設計

安全清理機器人控制系統(tǒng)總體框架以施耐德M241PLC作為主控模塊，傳感器系統(tǒng)有激光測距、激光雷達模塊和深度相機模組。運動控制系統(tǒng)是通過驅(qū)動電路與電機實現(xiàn)清掃以及機械臂的回轉(zhuǎn)。

3.1 系統(tǒng)硬件部分設計

控制硬件方面主要是針對應用場景、功能需求及電路設計的合理性進行設計，根據(jù)整體硬件設計框架、各硬件模塊的選型及總體硬件原理圖等，可得出一個相對可行的低成本硬件設計方案。

3.1.1 主控模塊

在設計中機器人以施耐德M241 PLC作為主控模塊。主控模塊使用24 V直流電源，包括一個實時時鐘系統(tǒng)，隨機存取存儲器 (RAM)容量64 Mbit，其中8 Mbit可用于執(zhí)行應用程序，閃存128 Mbit用于斷電時保存程序與數(shù)據(jù)，內(nèi)置I/O口 。主控模塊可使用以下幾種通信端口：CANopen Master、以太網(wǎng)、USBMini-B、串行通信端口1和串行通信端口2。

3.1.2 激光測距模塊

激光測距模塊使用深達威SW-LDS50B，可提供0.05～50.00 m的非接觸式距離感測功能。

激光測距儀一般采用脈沖法和相位法2種方式來測量距離。該傳感器采用相位法測距原理，通過測量回波信號的相位并與發(fā)射信號的相位進行比較實現(xiàn)測距。在戶外或者條件惡劣的測量環(huán)境下也能保證較高的測量精度。

PLC、電腦和激光測距聯(lián)合調(diào)試接線圖如圖5所示。

圖5 PLC、電腦和激光測距聯(lián)合調(diào)試接線圖

3.1.3 深度相機模塊

深度相機模塊使用Smart ToF TC_E2模組，該模組是基于飛行時間(Time of Flight，簡稱TOF)技術的小型深度CCD相機模組產(chǎn)品[4-9]，可通過Micro USB 2.0 接口以 60 fps的速度輸出QVGA(320 mm×240 mm)尺寸的深度圖、灰度圖及點云圖。產(chǎn)品采用850 nm LED光源，配合獨特的光學、電子、結構設計而成，支持外部供電。測距范圍可達6 m，精度可達毫米級。

該深度相機可用于識別灰?guī)焐系酿そY物，通過通用串行總線的形式傳輸數(shù)據(jù)。

3.1.4 電機驅(qū)動電路

主控模塊M241 PLC支持CAN通信，通過CAN總線發(fā)送控制信號給電機驅(qū)動器，然后驅(qū)動器控制電機的運動。清灰機器人電機驅(qū)動部分原理如圖6所示。

圖6 電機驅(qū)動電路部分原理示意圖

3.2 系統(tǒng)軟件部分設計

系統(tǒng)軟件設計主要包含路徑規(guī)劃算法和電機驅(qū)動控制方案。

3.2.1 路徑規(guī)劃算法

路徑規(guī)劃算法的主要目的是研究人工智能技術在各種環(huán)境下某系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制的能力。考慮到清掃任務的需要, 為提高機器人的工作效率，有必要為機器人進行合理的路徑規(guī)劃。首先通過深度相機、激光雷達等傳感器識別出灰?guī)毂谏系酿そY物，然后規(guī)劃出一條速度最快的路徑使清理機器人迅速移動至黏結物處。采用點到點的路徑規(guī)劃方式，移動機器人根據(jù)自身的傳感信息自行規(guī)劃出一條從起始點到目標點的安全可行路線，路徑規(guī)劃算法采用遺傳算法[10-11]。路徑規(guī)劃算法原理如圖7所示。

圖7 遺傳算法流程圖

3.2.2 運動控制方案

通過CAN總線的方式控制驅(qū)動器從而控制電機，主控模塊通過CAN總線給每一臺驅(qū)動器發(fā)送控制指令，由驅(qū)動器控制電機運動，搭載在機器人上的傳感器系統(tǒng)將機器人的運動狀態(tài)以及灰?guī)斓膸毂谇闆r反饋給上位機，電機運動狀態(tài)通過讀取電機編碼器上的參數(shù)來確定。

上位計算機位于灰?guī)焐?可完成人機界面交互、環(huán)境初始值的輸入、作業(yè)任務的安排、機器人路徑的規(guī)劃和機器人的狀態(tài)顯示等。下位計算機位于機器人的機械本體上，接受來自上位計算機的命令,傳送機器人的信息,檢測和控制機器人運動機構和清掃作業(yè)裝置的工作等。臍帶多股電纜線用來傳遞信息和輸送動力。

激光測距和激光雷達模塊用來檢測機器人的位置和姿態(tài)。安全清理機器人上的激光測距儀用來檢測清掃刷與壁面之間的距離信息。深度相機既可以顯示機器人周圍的狀況，又可以檢測清掃情況。

4 結語

本文對火電廠灰?guī)彀踩謇頇C器人的控制系統(tǒng)進行深入分析，主要完成了以下幾方面的工作：介紹了清理機器人的結構；在硬件設計方面，分別從主控系統(tǒng)、傳感器部分、驅(qū)動電機部分等功能模塊闡明了設計思想、方案論證和具體電路的實現(xiàn)，為后續(xù)軟件設計工作提供硬件開發(fā)平臺；在軟件設計方面，從機器人路徑規(guī)劃以及運動控制方面闡明了設計要點，以及方案實現(xiàn)方法，通過計算機與主控模塊以及主控模塊與各大功能模塊的互連，實現(xiàn)在線調(diào)試，進一步驗證了硬件電路設計的合理性。