基于S7-200 SMART 的熱力管道在線堵漏機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焦建俊，李 通，武文斌，劉曉貌，李 冰

（1.大唐保定供熱有限責(zé)任公司，河北 保定 071000；2.華北電力大學(xué) 自動(dòng)化系，河北 保定 071000）

受國家環(huán)保、民生等宏觀政策的影響，近年來集中供熱行業(yè)快速發(fā)展，熱力企業(yè)供熱規(guī)模不斷擴(kuò)大，整體供熱負(fù)荷持續(xù)增加，供熱管網(wǎng)愈加復(fù)雜，大型供熱管網(wǎng)或超大型供熱管網(wǎng)正在日趨形成[1]。隨著管網(wǎng)運(yùn)行年限的增加，管網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，各種管網(wǎng)泄漏事故日益增多，如焊縫開裂、管道腐蝕泄漏及閥門破損等。在造成經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，更是對民生供熱穩(wěn)定構(gòu)成較大威脅，管網(wǎng)尤其是一次主管網(wǎng)的安全可靠成為不容忽視的問題[2-4]。在熱力管道運(yùn)維過程中，熱力管道的泄漏點(diǎn)封堵是熱力管道維護(hù)中非常關(guān)鍵的問題，目前全部采用人工加裝密封夾具方式進(jìn)行堵漏處理，工作環(huán)境惡劣，人身危害較大[5]。熱力管道的人工堵漏作業(yè)方式如圖1 所示。

圖1 熱力管道的人工堵漏作業(yè)

為了提升搶險(xiǎn)效率、減少現(xiàn)場泄漏造成的人身傷害，設(shè)計(jì)了專門用于夾具安裝的在線堵漏機(jī)器人代替人工完成堵漏工作。通過利用可編程邏輯控制器（PLC）作為主控制器，以在線堵漏機(jī)器人控制過程為研究對象，設(shè)計(jì)了在線堵漏機(jī)器人的控制系統(tǒng)，作業(yè)技術(shù)人員通過遙控裝置控制履帶式底盤將機(jī)器人移動(dòng)到待維修漏點(diǎn)附近，將夾具固定在機(jī)械臂末端，通過遙控裝置將夾具安裝在漏點(diǎn)管道上，抑制漏點(diǎn)高壓高溫?zé)崴畤娚洌罄m(xù)人工進(jìn)行緊固，實(shí)現(xiàn)對漏點(diǎn)的維修。

1 在線堵漏機(jī)器人總體分析

1.1 在線堵漏機(jī)器人整體框架

以在線堵漏機(jī)器人為研究對象，其整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。通過對一臺小型挖掘機(jī)進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)了專門用于夾具夾緊的機(jī)械臂末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對夾具的夾緊操作。在線堵漏檢修機(jī)器人的底盤采用履帶式結(jié)構(gòu)，將堵漏夾緊末端通過機(jī)械臂安裝在底盤上。在線堵漏機(jī)器人控制主要包括行走控制、回轉(zhuǎn)控制、機(jī)械臂操控、夾緊末端控制和電氣控制系統(tǒng)等。其中機(jī)械臂控制主要包括大臂控制、小臂控制、末端垂直偏轉(zhuǎn)控制、末端水平偏轉(zhuǎn)控制及夾具夾緊控制，采用液壓方式實(shí)現(xiàn)上述控制的動(dòng)作[6-7]。大臂控制和小臂控制主要用于對夾緊末端位置進(jìn)行粗調(diào)，末端垂直偏轉(zhuǎn)與水平偏轉(zhuǎn)用于對夾緊末端位置進(jìn)行細(xì)調(diào)。夾緊裝置一端夾具固定，另一端夾具采用液壓推桿方式實(shí)現(xiàn)夾具在堵漏過程中的夾緊操作。

圖2 在線堵漏機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

1.2 在線堵漏機(jī)器人功能需求與指標(biāo)

在線堵漏機(jī)器人主要用于熱力管道在發(fā)生泄漏時(shí)通過技術(shù)人員遠(yuǎn)程操控，實(shí)現(xiàn)帶壓堵漏，其主要功能需求為：①能夠適應(yīng)現(xiàn)場惡劣環(huán)境；②能夠?qū)崿F(xiàn)對管徑100～400 mm 的管道進(jìn)行堵漏；③能夠?qū)艿缐毫?0 MPa 時(shí)進(jìn)行堵漏；④末端可以在水平180°范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)，在垂直180°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；⑤爬坡角度最大為35°。除以上功能需求外，在線堵漏機(jī)器人還具備液壓系統(tǒng)監(jiān)控、實(shí)時(shí)在線視頻監(jiān)控當(dāng)前漏點(diǎn)狀況等功能。

1.3 在線堵漏機(jī)器人控制系統(tǒng)整體方案

在線堵漏機(jī)器人主要包括機(jī)械控制、液壓控制和電氣控制等系統(tǒng)組成，在堵漏過程中需要三部分協(xié)作完成。本文主要針對在線堵漏機(jī)器人的電氣控制部分進(jìn)行分析研究和設(shè)計(jì)，根據(jù)在線堵漏機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特性和作業(yè)要求，電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示[8]。

圖3 在線堵漏機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

進(jìn)行熱力管道在線堵漏維修時(shí)，在線堵漏機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)的工作流程如下：

1）首先將堵漏夾具安裝在夾緊末端，并通過夾緊末端控制夾具，使其處于張開狀態(tài)。

2）作業(yè)人員通過底盤遙控裝置控制履帶式底盤將機(jī)器人移動(dòng)到待維修漏點(diǎn)附近。

3）通過機(jī)械臂遙控裝置調(diào)整大臂、小臂、末端垂直及水平偏轉(zhuǎn)位置，調(diào)整固定在機(jī)械臂夾緊末端的位姿。

4）在夾緊裝置位姿調(diào)整到位后，控制夾緊裝置將夾具夾在管道漏點(diǎn)位置，抑制漏點(diǎn)高溫高壓熱水的無序噴射。

5）夾具在漏點(diǎn)位置夾緊后，由作業(yè)人員通過螺栓對夾具進(jìn)行緊固并注入耐高溫專用密封劑，實(shí)現(xiàn)對管道漏點(diǎn)的在線堵漏維修。

2 在線堵漏機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在線堵漏機(jī)器人控制系統(tǒng)采用PLC 作為核心控制部件，為了降低人員操作可能存在的人身傷害，采用遙控方式實(shí)現(xiàn)在線堵漏操作。技術(shù)人員通過遠(yuǎn)程遙控實(shí)現(xiàn)對在線堵漏機(jī)器人的控制操作，其控制主要包括大臂升降、小臂升降、末端垂直收放、末端水平擺偏和夾具夾緊松開控制等，控制信號通過遙控接收器接收遙控信號，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人堵漏時(shí)的實(shí)時(shí)控制。根據(jù)控制要求，PLC 控制系統(tǒng)需要14 個(gè)輸入點(diǎn)和12 個(gè)輸出點(diǎn)。本文采用西門子公司的S7-200 SMART ST60 作為控制器，ST60 具有36 個(gè)輸入點(diǎn)和24 個(gè)輸出點(diǎn)[8-9]，能夠滿足系統(tǒng)控制需要，輸入/輸出點(diǎn)配置見表1。

表1 PLC 控制模塊輸入輸出配置表

數(shù)字量輸入接口主要用于接收遙控器端發(fā)來的機(jī)械臂位姿調(diào)整及夾緊末端實(shí)現(xiàn)夾緊操作等開關(guān)控制信號的輸入及液壓系統(tǒng)過載保護(hù)輸入；數(shù)字量輸出用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂各部件液壓比例閥、換向閥控制信號的輸出。

人工操作遙控端采用歐姆（重慶）電子技術(shù)有限公司TCS-32-L 型發(fā)射器，該遙控發(fā)射器采用雙搖桿設(shè)計(jì)，使用壽命可達(dá)100 萬次；實(shí)時(shí)主動(dòng)控制符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)；高達(dá)64 組數(shù)字IO 輸入及10 組比例量輸入；自動(dòng)頻率控制，開機(jī)時(shí)自動(dòng)選擇適當(dāng)信道。接收器數(shù)字輸出端與相應(yīng)控制功能的PLC 數(shù)字輸入端連接，實(shí)現(xiàn)對在線堵漏時(shí)的實(shí)時(shí)控制操作。

3 在線堵漏機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在線堵漏機(jī)器人在進(jìn)行堵漏時(shí)位置調(diào)整、末端夾具姿態(tài)調(diào)整及夾具的夾緊等控制均由PLC 控制程序?qū)崿F(xiàn)，控制程序采用IEC 1131-3 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編制。

3.1 堵漏機(jī)器人控制流程設(shè)計(jì)

由于熱力管道大部分埋在地下，當(dāng)熱力管道出現(xiàn)泄漏時(shí)，在漏點(diǎn)附近開挖出作業(yè)面，漏點(diǎn)位置所處環(huán)境一般都比較復(fù)雜，且作業(yè)人員采用遠(yuǎn)程遙控方式對機(jī)器人進(jìn)行操控。為了保證堵漏機(jī)器人在進(jìn)行堵漏作業(yè)時(shí)的安全性，需要對堵漏機(jī)器人的動(dòng)作流程進(jìn)行限定。

1）堵漏機(jī)器人履帶底盤在移動(dòng)過程中，機(jī)械臂不得進(jìn)行動(dòng)作操作，以免與周圍圍擋等發(fā)生碰撞（底盤操控與機(jī)械臂操控分別采用不同遙控器，此處由作業(yè)人員人工協(xié)調(diào)）。

2）堵漏機(jī)器人底盤移動(dòng)到位后，可以對機(jī)械臂操作，進(jìn)行末端夾緊裝置的位姿調(diào)整。

3）在機(jī)械臂位姿調(diào)整時(shí)，大臂、小臂的動(dòng)作可以同時(shí)進(jìn)行，但此時(shí)夾緊末端垂直偏轉(zhuǎn)、水平偏轉(zhuǎn)動(dòng)作不能進(jìn)行。

4）在大臂和小臂控制到位后，通過調(diào)整夾緊末端垂直偏轉(zhuǎn)及水平偏轉(zhuǎn)對夾具末端位姿進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)整，大臂、小臂控制不能有動(dòng)作。

5）夾具位姿調(diào)整到位后，控制夾緊裝置將夾具夾在管道漏點(diǎn)處。夾具夾緊及松開操作時(shí)，大臂、小臂、垂直偏轉(zhuǎn)、水平偏轉(zhuǎn)均不能有動(dòng)作。

6）當(dāng)出現(xiàn)過載時(shí)，所有動(dòng)作立即停止，待過載問題排除后，方可繼續(xù)進(jìn)行操作。

3.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)堵漏機(jī)器人控制流程，采用梯形圖方式對控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。部分控制功能梯形圖如圖4 所示。

圖4 堵漏機(jī)器人PLC 梯形圖程序

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證在線堵漏機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)的可行性和適用性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后在河北聯(lián)潤在線工程技術(shù)有限公司搭建了實(shí)驗(yàn)平臺，并進(jìn)行了實(shí)際的堵漏作業(yè)操作。在線堵漏實(shí)驗(yàn)的過程及結(jié)果如圖5 所示。

圖5 在線堵漏實(shí)驗(yàn)

首先將根據(jù)待堵漏管道粗細(xì)預(yù)先制作對應(yīng)尺寸大小夾具，夾具分為上下兩部分，分別安裝在夾緊前端的上下固定位置，圖5 中機(jī)械臂前端弧形裝置即為夾具。實(shí)驗(yàn)過程中，通過遙控器將夾具分開，分開距離大于待維修管道外徑，以保證夾具能夠在管道安裝?，F(xiàn)場工作人員通過遙控器將機(jī)器人履帶底盤移動(dòng)至合適位置，通過控制機(jī)械臂大臂、小臂將夾緊末端夾具調(diào)整到管道外圍，并調(diào)整水平偏轉(zhuǎn)及垂直偏轉(zhuǎn)控制實(shí)現(xiàn)夾具位置細(xì)調(diào)，保證夾具與管道平行。操作夾具夾緊末端推動(dòng)夾具閉合，將上下兩部分夾具緊緊夾在管道外壁，由人工進(jìn)行螺栓緊固，實(shí)現(xiàn)在線堵漏操作。

通過對在線堵漏機(jī)器人現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的堵漏機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械臂、夾緊末端進(jìn)行堵漏作業(yè)的遠(yuǎn)程遙控控制，操作方便、易用性強(qiáng)，在線堵漏實(shí)驗(yàn)效果良好。

5 結(jié)束語

針對熱力管道發(fā)生泄漏故障，設(shè)計(jì)了在線堵漏機(jī)器人及基于PLC 的機(jī)械臂電氣控制系統(tǒng)。系統(tǒng)對堵漏機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在線堵漏機(jī)器人能夠有效進(jìn)行熱力管道堵漏作業(yè)，大大降低了熱力管道出現(xiàn)泄漏時(shí)人工堵漏作業(yè)隱含人身傷害風(fēng)險(xiǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和推廣價(jià)值，對供水管道泄漏、電廠蒸汽管道泄漏等也具有一定的借鑒意義和應(yīng)用價(jià)值。