高爐風口巡檢機器人智能化改造

劉 嘉

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司 安徽馬鞍山 243000）

鋼鐵冶金是國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展關系著中國經(jīng)濟命脈，受到社會層面專家學者的高度重視。 企業(yè)通過轉(zhuǎn)變觀念，借助大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)機器人等新興智能制造技術(shù)，對現(xiàn)有信息自動化系統(tǒng)進行智能改造和升級，來適應發(fā)展的要求［1］。目前集中管控、遠程運維、專家系統(tǒng)、機器人及視覺識別、北斗導航、5G 技術(shù)等是我國高爐煉鐵智能制造的發(fā)展方向［2］。 沙鋼集團有限公司煉鐵廠通過管控中心集中管控操作，實現(xiàn)了煉鐵資源整合，全力實現(xiàn)煉鐵“低成本、高效率、全智能、更安全”的目標［3］。

某鋼廠高爐風口區(qū)設備作為高爐系統(tǒng)中的重要部位，尤其是直吹管和風口小套設備，承擔著向高爐輸送高壓熱風、噴吹煤粉的重任，處于高爐安全生產(chǎn)的關鍵部位，是高爐安全生產(chǎn)的重要保證。及時掌握風口平臺直吹管溫度變化趨勢、檢測煤氣泄漏及直吹管燒穿產(chǎn)生的巨大噪音，避免重大惡性事故的發(fā)生，是保證生產(chǎn)安全進行的重要前提條件。 針對某煉鐵廠現(xiàn)場環(huán)境和工藝要求，高爐風口平臺智能巡檢機器人系統(tǒng)是直吹管溫度自動檢測設備的理想解決方案。

1 現(xiàn)狀

目前，某煉鐵廠針對高爐風口平臺的各種設備檢測采用人工手持點溫儀巡檢方式。 針對直吹管與噴煤槍焊接處長期依賴工人目視檢測是否存在燒損（焊接處發(fā)紅），往往發(fā)現(xiàn)問題的時候情況已經(jīng)非常緊急，燒損情況而無法做到有效長期的追蹤管理。

由于長期承受高溫、腐蝕、熱疲勞、煤粉顆粒沖擊和高溫渣鐵的侵蝕，因而很容易導致直吹管燒紅、風口破損等事故，如未及時發(fā)現(xiàn)，風口漏水輕者造成爐溫降低嚴重時還可能導致爐涼、爐缸凍結(jié)等惡性事故。 直吹管燒穿更是會導致爐內(nèi)大量的熾熱焦炭堆滿爐臺、燒壞爐前設備，高爐被迫無計劃休風，對高爐生產(chǎn)造成重大損失。

2 改造方案

通過在輪式巡檢機器人上搭載的紅外熱成像儀、煤氣檢測設備及異音檢測設備，可按預設軌跡對風口進行自動巡檢，及時掌握風口平臺直吹管溫度變化趨勢、檢測煤氣泄漏及直吹管燒穿產(chǎn)生的異常噪音，并利用計算機數(shù)據(jù)處理技術(shù)和專用分析軟件，對數(shù)據(jù)信息進行實時分析和處理，以便及時了解和掌握設備使用過程的狀態(tài)。 這對避免重大惡性事故的發(fā)生，合理安排設備大修，保證高爐生產(chǎn)安全進行，延長設備使用壽命具有重要意義。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)主要由由四舵輪驅(qū)動機器人本體、中繼站、數(shù)據(jù)通訊設備、數(shù)據(jù)處理主機、顯示器、交換機、控制主機柜及配套附件等組成。 其中智能機器人包含紅外熱成像儀、圖像采集模塊、光源模塊、煤氣檢測模塊、聲音采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、自動充電裝置和位置傳感器（定位導航模塊）等；中繼站包含數(shù)據(jù)存儲設備、自動充電設備、配電單元和數(shù)據(jù)通訊設備等。 高爐直吹管溫度自動檢測系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 高爐直吹管溫度自動檢測系統(tǒng)示意圖

通過智能機器人巡檢系統(tǒng)，可定期或按需對直吹管、風口、槍包及相關位置的高溫區(qū)域進行自動巡檢。 智能機器人除了具有紅外熱成像測溫功能外、還需具有CO 濃度、異音檢測等功能。 采集的數(shù)據(jù)通過光纜輸送至高爐的電氣室處理主機，通過自主開發(fā)的數(shù)據(jù)處理和分析軟件對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析和智能判斷，實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)存儲、分析及異常情況報警功能，避免重大惡性事故的發(fā)生，保證高爐生產(chǎn)順利進行，為合理安排設備修理提供科技支撐。 同時，系統(tǒng)預留數(shù)據(jù)接口，可以將處理后的數(shù)據(jù)和圖像信息（包括報警截屏）輸送到煉鐵智能工廠平臺。

2.2 技術(shù)原理

高爐風口智能巡檢機器人采用四舵輪驅(qū)動底盤，機器人是據(jù)定位導航，沿預定的軌跡行走（環(huán)繞高爐風口平臺四周），小車行走軌跡如示意圖見圖2。 機器人按照預設軌跡對風口進行自動巡檢，及時掌握風口平臺直吹管溫度變化趨勢、檢測煤氣泄漏及直吹管燒穿產(chǎn)生的巨大噪音，避免重大惡性事故的發(fā)生。 巡檢機器人采用SLAM 算法滿足建圖、定位、導航規(guī)劃、策略等功能需求，正確率不低于99.9%。 為保證巡檢機器人自動充電需求，在現(xiàn)場設置自動充電設備。

圖2 小車行走軌跡示意圖

系統(tǒng)基于紅外熱成像技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)和計算機數(shù)據(jù)處理技術(shù)，利用設備外表溫度變化與設備內(nèi)部狀況的相關性，設備表面溫度越高，設備內(nèi)部發(fā)生故障或損壞越嚴重的原理，通過智能分析軟件對設備表面溫度數(shù)據(jù)、煤氣濃度以及噪聲異常數(shù)據(jù)進行實時分析和處理。 并能及時掌握風口平臺直吹管溫度變化趨勢、檢測煤氣泄漏及直吹管燒穿產(chǎn)生的巨大噪音，快速確定設備故障部位，防止發(fā)生重大的生產(chǎn)安全事故，延長設備使用壽命，保證高爐生產(chǎn)順利進行。

2.3 功能實現(xiàn)

巡檢機器人通過采用四舵輪驅(qū)動底盤系統(tǒng)，可以前進、后退、平移、原地轉(zhuǎn)向。 為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)使用機器視覺形式的導航方式，根據(jù)地圖確定檢測點位，在高爐現(xiàn)場實現(xiàn)自主導航。

圖3 現(xiàn)場送風系統(tǒng)圖

2.3.1 對溫度的檢測和存儲

1）對直吹管溫度的檢測和存儲。

通過擴大機器人巡檢時的轉(zhuǎn)向角度，極大的縮短了送風支管系統(tǒng)的測溫死角，自動檢測、存儲直吹管及底部的最高溫度與平均溫度。 根據(jù)以往經(jīng)驗，考慮到耐材的受熱能力，設置溫度閾值為300℃，報警溫度為305℃，當超過設定溫度閾值后，系統(tǒng)自動語音報警。 報警后，工人立即到現(xiàn)場通過手工持槍測溫復查，進行消缺。

圖4 直吹管可見光照片和紅外照片

2）對波紋管溫度的檢測和存儲。

對波紋管的正面及側(cè)面進行溫度檢測，根據(jù)以往經(jīng)驗，考慮到耐材的受熱能力，設置溫度閾值為300℃，報警溫度為305℃，當系統(tǒng)識別到風口平臺溫度超閾值時，系統(tǒng)自動語音報警，并能自動保存溫度異常圖像。 報警后，工人立即到現(xiàn)場通過手工持槍測溫復查，進行消缺。

3）對槍道相關位置溫度的檢測和存儲。

由于噴煤支管及槍道耐材的特殊性，壁厚較薄，設置溫度閾值為280℃，當超過設定溫度閾值后，系統(tǒng)自動語音報警。 報警后，工人立即到現(xiàn)場通過手工持槍測溫復查，進行消缺。

圖5 槍道可見光照片和紅外照片

2.3.2 對CO 濃度的檢測和存儲

能自動檢測和存儲風口平臺煤氣檢測數(shù)據(jù)。當超過煤氣濃度設定閾值24 ppm，系統(tǒng)可自動報警。

2.3.3 對聲音的檢測和存儲

自動檢測和存儲風口平臺聲音檢測數(shù)據(jù)。 當設備出現(xiàn)跑風的情況下，現(xiàn)場就會發(fā)出異響，聲音的檢測數(shù)據(jù)同步傳送到智能平臺上。

通過歷史數(shù)據(jù)查詢功能，能查詢?nèi)我鈺r間段內(nèi)溫度、聲音、煤氣濃度以及溫度異常直吹管及風口底部的狀態(tài)圖片，具有導出全部數(shù)據(jù)或者分別導出某單一數(shù)據(jù)等功能。 相關音、視頻和數(shù)據(jù)信息可在煉鐵智能化系統(tǒng)中顯示。 顯示歷史趨勢圖，可根據(jù)大數(shù)據(jù)，得到不同時間的溫度、聲音、煤氣濃度變化趨勢。

為了保證巡檢機器人在復雜工況下工作的穩(wěn)定性，避免單詞巡檢時間過長，確定了4 小時巡檢兩次的頻次。 一次巡檢完成后，機器人自動回到充電房進行充電，充電房配置空調(diào)設備，充電同時達到冷卻效果。

3 應用效果

通過智能巡檢機器人系統(tǒng)，可定期或按需對直吹管、風口、槍道等位置的高溫區(qū)域進行自動巡檢，實現(xiàn)了無死角測溫，消除了人力點式測溫的盲區(qū)。

該鐵總廠對每一座高爐配置一臺風口智能巡檢機器人，此次共改造三臺智能巡檢機器人，投用后可以消除高爐爐體現(xiàn)場作業(yè)點3 個，改造前無人化指數(shù)為29.78%，改造后無人化指數(shù)為30.43%，提升無人化指數(shù)0.65%。

可以讓職工遠離危險區(qū)域，真正做到了源頭上的本質(zhì)安全。

可通過有效的數(shù)據(jù)采集和分析，有效量化檢測結(jié)果，對設備狀況提供有指導性的數(shù)據(jù)依據(jù)。 當發(fā)現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)立即自動報警，防止事故的發(fā)生，為高爐長周期穩(wěn)定高效生產(chǎn)提供了有力保障。

圖6 效果圖

4 結(jié)語

高爐風口智能巡檢機器人，是基于紅外熱成像技術(shù)、機器視覺技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)研發(fā)的人工智能產(chǎn)品。 隨著技術(shù)的進步，采用信息化手段、智能化裝備來代替人工作業(yè)是未來趨勢，滿足了工廠信息化和智慧制造的要求。