基于S7-200 SMART 的熱力管道在線堵漏機器人控制系統設計

焦建俊，李 通，武文斌，劉曉貌，李 冰

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

受國家環保、民生等宏觀政策的影響，近年來集中供熱行業快速發展，熱力企業供熱規模不斷擴大，整體供熱負荷持續增加，供熱管網愈加復雜，大型供熱管網或超大型供熱管網正在日趨形成[1]。隨著管網運行年限的增加，管網運行環境復雜多變，各種管網泄漏事故日益增多，如焊縫開裂、管道腐蝕泄漏及閥門破損等。在造成經濟損失的同時，更是對民生供熱穩定構成較大威脅，管網尤其是一次主管網的安全可靠成為不容忽視的問題[2-4]。在熱力管道運維過程中，熱力管道的泄漏點封堵是熱力管道維護中非常關鍵的問題，目前全部采用人工加裝密封夾具方式進行堵漏處理，工作環境惡劣，人身危害較大[5]。熱力管道的人工堵漏作業方式如圖1 所示。

圖1 熱力管道的人工堵漏作業

為了提升搶險效率、減少現場泄漏造成的人身傷害，設計了專門用于夾具安裝的在線堵漏機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，以在線堵漏機器人控制過程為研究對象，設計了在線堵漏機器人的控制系統，作業技術人員通過遙控裝置控制履帶式底盤將機器人移動到待維修漏點附近，將夾具固定在機械臂末端，通過遙控裝置將夾具安裝在漏點管道上，抑制漏點高壓高溫熱水噴射，后續人工進行緊固，實現對漏點的維修。

1 在線堵漏機器人總體分析

1.1 在線堵漏機器人整體框架

以在線堵漏機器人為研究對象，其整體結構如圖2 所示。通過對一臺小型挖掘機進行改造，設計了專門用于夾具夾緊的機械臂末端執行機構，實現對夾具的夾緊操作。在線堵漏檢修機器人的底盤采用履帶式結構，將堵漏夾緊末端通過機械臂安裝在底盤上。在線堵漏機器人控制主要包括行走控制、回轉控制、機械臂操控、夾緊末端控制和電氣控制系統等。其中機械臂控制主要包括大臂控制、小臂控制、末端垂直偏轉控制、末端水平偏轉控制及夾具夾緊控制，采用液壓方式實現上述控制的動作[6-7]。大臂控制和小臂控制主要用于對夾緊末端位置進行粗調，末端垂直偏轉與水平偏轉用于對夾緊末端位置進行細調。夾緊裝置一端夾具固定，另一端夾具采用液壓推桿方式實現夾具在堵漏過程中的夾緊操作。

圖2 在線堵漏機器人整體結構

1.2 在線堵漏機器人功能需求與指標

在線堵漏機器人主要用于熱力管道在發生泄漏時通過技術人員遠程操控，實現帶壓堵漏，其主要功能需求為：①能夠適應現場惡劣環境；②能夠實現對管徑100～400 mm 的管道進行堵漏；③能夠對管道壓力為10 MPa 時進行堵漏；④末端可以在水平180°范圍內回轉，在垂直180°范圍內轉動；⑤爬坡角度最大為35°。除以上功能需求外，在線堵漏機器人還具備液壓系統監控、實時在線視頻監控當前漏點狀況等功能。

1.3 在線堵漏機器人控制系統整體方案

在線堵漏機器人主要包括機械控制、液壓控制和電氣控制等系統組成，在堵漏過程中需要三部分協作完成。本文主要針對在線堵漏機器人的電氣控制部分進行分析研究和設計，根據在線堵漏機器人的結構特性和作業要求，電氣控制系統的結構如圖3 所示[8]。

圖3 在線堵漏機器人電氣控制系統結構

進行熱力管道在線堵漏維修時，在線堵漏機器人進行作業的工作流程如下：

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。

2）作業人員通過底盤遙控裝置控制履帶式底盤將機器人移動到待維修漏點附近。

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

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

5）夾具在漏點位置夾緊后，由作業人員通過螺栓對夾具進行緊固并注入耐高溫專用密封劑，實現對管道漏點的在線堵漏維修。

2 在線堵漏機器人電氣控制系統硬件設計

在線堵漏機器人控制系統采用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，采用遙控方式實現在線堵漏操作。技術人員通過遠程遙控實現對在線堵漏機器人的控制操作，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，實現對機器人堵漏時的實時控制。根據控制要求，PLC 控制系統需要14 個輸入點和12 個輸出點。本文采用西門子公司的S7-200 SMART ST60 作為控制器，ST60 具有36 個輸入點和24 個輸出點[8-9]，能夠滿足系統控制需要，輸入/輸出點配置見表1。

表1 PLC 控制模塊輸入輸出配置表

數字量輸入接口主要用于接收遙控器端發來的機械臂位姿調整及夾緊末端實現夾緊操作等開關控制信號的輸入及液壓系統過載保護輸入；數字量輸出用于實現機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）電子技術有限公司TCS-32-L 型發射器，該遙控發射器采用雙搖桿設計，使用壽命可達100 萬次；實時主動控制符合歐盟標準；高達64 組數字IO 輸入及10 組比例量輸入；自動頻率控制，開機時自動選擇適當信道。接收器數字輸出端與相應控制功能的PLC 數字輸入端連接，實現對在線堵漏時的實時控制操作。

3 在線堵漏機器人電氣控制系統軟件設計

在線堵漏機器人在進行堵漏時位置調整、末端夾具姿態調整及夾具的夾緊等控制均由PLC 控制程序實現，控制程序采用IEC 1131-3 標準進行編制。

3.1 堵漏機器人控制流程設計

由于熱力管道大部分埋在地下，當熱力管道出現泄漏時，在漏點附近開挖出作業面，漏點位置所處環境一般都比較復雜，且作業人員采用遠程遙控方式對機器人進行操控。為了保證堵漏機器人在進行堵漏作業時的安全性，需要對堵漏機器人的動作流程進行限定。

1）堵漏機器人履帶底盤在移動過程中，機械臂不得進行動作操作，以免與周圍圍擋等發生碰撞（底盤操控與機械臂操控分別采用不同遙控器，此處由作業人員人工協調）。

2）堵漏機器人底盤移動到位后，可以對機械臂操作，進行末端夾緊裝置的位姿調整。

3）在機械臂位姿調整時，大臂、小臂的動作可以同時進行，但此時夾緊末端垂直偏轉、水平偏轉動作不能進行。

4）在大臂和小臂控制到位后，通過調整夾緊末端垂直偏轉及水平偏轉對夾具末端位姿進行精準調整，大臂、小臂控制不能有動作。

5）夾具位姿調整到位后，控制夾緊裝置將夾具夾在管道漏點處。夾具夾緊及松開操作時，大臂、小臂、垂直偏轉、水平偏轉均不能有動作。

6）當出現過載時，所有動作立即停止，待過載問題排除后，方可繼續進行操作。

3.2 控制系統程序設計

根據堵漏機器人控制流程，采用梯形圖方式對控制程序進行設計。部分控制功能梯形圖如圖4 所示。

圖4 堵漏機器人PLC 梯形圖程序

4 實驗結果與分析

為了驗證在線堵漏機器人電氣控制系統的可行性和適用性，系統設計完成后在河北聯潤在線工程技術有限公司搭建了實驗平臺，并進行了實際的堵漏作業操作。在線堵漏實驗的過程及結果如圖5 所示。

圖5 在線堵漏實驗

首先將根據待堵漏管道粗細預先制作對應尺寸大小夾具，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 中機械臂前端弧形裝置即為夾具。實驗過程中，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。現場工作人員通過遙控器將機器人履帶底盤移動至合適位置，通過控制機械臂大臂、小臂將夾緊末端夾具調整到管道外圍，并調整水平偏轉及垂直偏轉控制實現夾具位置細調，保證夾具與管道平行。操作夾具夾緊末端推動夾具閉合，將上下兩部分夾具緊緊夾在管道外壁，由人工進行螺栓緊固，實現在線堵漏操作。

通過對在線堵漏機器人現場實驗測試，結果表明，所設計的堵漏機器人控制系統能夠實現機械臂、夾緊末端進行堵漏作業的遠程遙控控制，操作方便、易用性強，在線堵漏實驗效果良好。

5 結束語

針對熱力管道發生泄漏故障，設計了在線堵漏機器人及基于PLC 的機械臂電氣控制系統。系統對堵漏機器人的總體結構進行了分析，并進行了控制系統的軟硬件設計。實驗結果表明，在線堵漏機器人能夠有效進行熱力管道堵漏作業，大大降低了熱力管道出現泄漏時人工堵漏作業隱含人身傷害風險，具有較強的實用性和推廣價值，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用價值。