電廠鍋爐水冷壁檢測機器人系統設計

李志鵬,邊澤楠,雷蘇雨

(國能神華九江發電有限責任公司,江西 九江 332504)

隨著我國經濟逐漸步入穩步發展階段,城市化水平逐漸提高,社會發展對于電力供應要求逐漸提高。雖然綠色、低碳發展的背景下,風力以及太陽能等發電方式不斷興起,在電力行業所占比重有所提升,但火力以及水力發電仍然是電力生產的主要方式。鍋爐作為發電廠的關鍵設備,在電力供應過程中容易因為高溫環境出現磨損,甚至出現爆炸等事故,加強對發電廠鍋爐設備的檢修是保證電力供應以及發電安全的重要舉措。鍋爐水冷壁是鍋爐的主要受熱面之一,檢測水冷壁的壁厚以及磨損情況是為鍋爐安全運行的重要舉措。人工檢測方式需要巡視人員利用厚度傳感器,在鍋爐冷卻后進行手動測量,這方式存在明顯的安全隱患,因此本文提出一種發電廠鍋爐水冷壁檢測機器人的設計方案,希望能夠為發電廠鍋爐的安全平穩運行提供借鑒意義。

1 電廠鍋爐水冷壁檢測機器人設計要求

以600 MW等級的火力發電廠為例,其進行鍋爐水冷壁檢測需要經由人口進入,移動機器人作為檢測主體進入后在水冷壁的鋼管外表進行移動檢測,因此需要具備如下幾點要求[1]。

1.1 吸附移動要求

檢測機器人在檢測的過程中需要附著于水冷壁面,因此機器人需要具有一定的荷載能力,能夠承受本體重量外,免受高壓水沖擊的作用力,降低其掉落的可能性[2]。同時由于檢測機器人需要對水冷壁進行多點檢測,因此需要具備行走機構,機器人具有足夠的自由度適應水冷壁粗糙管壁條件,多點位自由移動,自主跨越水冷壁附著物。

1.2 配套設施要求

機器人在水冷壁檢測的過程中需要實時向操作人員傳遞監測信息,因此必須具備機器人主體以及遠程平臺。除此之外,為了提高對于機器人本體的安全保障,需要吊放保險繩具有較高強度,同時不能給機器人造成過多負荷[3]。在檢測機器人工作前,為了提升機器人工作的精度,需要配備高壓供水裝置對水冷壁面進行清潔。為了確定檢測機器人在水冷壁面的位置,需要采用多分散裝置對其進行定位,實時監測其運動軌跡[4]。

1.3 操縱控制要求

為了實現對檢測主體以及遠程平臺實時交互的控制需求,需要建立完善的通信系統,提供鍋爐外監測能力。方便操作人員遠程確定待監測位置并實現對于機器人的精準化操作。操縱控制要求機器人監測系統設計具有可視化,能夠實現遠程視頻以及機器人狀態監測功能,操作界面簡單明了,操作方式可靠性較高[5]。

2 水冷壁檢測機器人主體設計

電廠鍋爐水冷壁檢測機器人需要滿足其預定要求。綜合考慮其工作環境,本文設計的水冷壁檢測機器人包含磁吸附、直流電機以及遠程控制等方式[6]。整體結構設計如圖1所示。

圖1 鍋爐水冷壁檢測機器人結構示意

如圖1所示,本次設計的鍋爐水冷壁檢測機器人整體采用模塊化的思想,主要包含五部分:相機、測厚探頭、磁吸輪胎、電控柜以及機械臂。機械臂搭載測厚探頭,能夠實現對水冷壁厚度的測量[7]。同時選用直流無刷電機驅動機器人磁吸輪胎進行工作,機器人主體的運動由平移自由度以及轉向自由度舵機完成。同時為了避免機器人在工作過程中因為附著不穩而跌落,在鍋爐內部設置檢測機器人配套安全支架以及繩索。

3 水冷壁檢測機器人控制系統設計

3.1 控制系統總體設計

對檢測機器人控制系統進行設計的目的在于對機器人主體行動實現準確控制,確保機器人在進行水冷壁檢測過程中能夠適應環境特點,完成檢測目的[8]。因此綜合考慮到檢測機器人控制系統的通信等功能,本文設計了一種機器人主控制器為核心的系統,結構如圖2所示。

圖2 水冷壁檢測機器人控制系統結果示意

如圖2所示,水冷壁檢測機器人控制系統包含PC上位機、傳感器網絡、總線陣列、主控制器、功率器件以及電源系統。其核心為主控制器,負責對機器人運動發出指令,同時其需要將機器人傳回的水冷壁數據借助通信模塊傳遞給PC上位機,便于操作人員進行查看以及分析[9-10]。檢測機器人運行至水冷壁邊界時會通過傳感器網絡進行反饋,方便操作人員發出下一步運動指令。舵機驅動板負責驅動機器人機械臂運動,電機驅動器負責對機器人主體進行供電。

3.2 控制系統元件選擇

3.2.1 傳感器選擇

機器人在進行冷水壁檢測時需要深入鍋爐的內部,這一空間具有復雜性和封閉性,對于基礎信號具有屏蔽性。因此為了實現對于機器人的精準定位需要選用更為先進的定位方式。隨著無線電以及局域網的迅速發展,無載波通信技術顯現出高分辨率以及強穿透力的特性[11]。因此本文選用無載波通信技術定位產品LTP,其定位原理與GPS具有類似性,在使用前需要在鍋爐內部進行基站部署,然后將定位裝置裝于機器人本體,通過球面方程的建立,使用數學方法求解出機器人所在位置。

3.2.2 相機選擇

相機是水冷壁檢測機器人獲取信息的主要工具。因此圖像采集所需要設備必須具有高分辨率,能夠在鍋爐光線較差環境下實現對環境的觀測[12]。本文圖像檢測選擇兩部德國Basler生產的高速面陣3D相機,這一相機不僅具有較高的圖像分辨率,還具有較為優質的性價比。將相機分裝于檢測機器人的云臺以及前端,并通過IP協議實現相機與主機的聯通,方便圖像信息的實時傳輸。

3.2.3 主控制器選型

作為機器人的核心部件,主控制器需要具有較為強大的數據處理以及快速輸出控制信號能力。因此本文選擇STM32493SFT6型號芯片作為水冷壁檢測機器人的主控制器,其負責對機器人的電機、舵機以及傳感器等裝置進行綜合控制。作為意法半導體公司推出的產品,這一芯片內核為Cortex M4,能夠進行高頻率的浮點運算以及DSP處理[13]。芯片附帶的FPU至零七七擁有高速處理OTG以及OTP儲存器,能夠進行快速的模數轉換。同時因為其采用64位多重總線矩陣,訪問速度更快。

3.2.4 電機與驅動設備選型

機器人需要附著于水冷壁工作,因此其必須克服重力作用,實現在豎直墻面上運動。這要求機器人的電機以及驅動器具有較高的輸出功率以及較小的重量。在確保動力充足的情況下選用較輕的驅動電力裝置[14]。基于此,本系統選用直流無刷電機負責對機器人進行驅動,這一電機的體積較小,在結構上類似于同步交流電機,通過變頻器實現交流信號的傳輸,從而完成對機器人運動的控制,驅動器選擇配套的BLD400型號驅動器,如圖3所示。

圖3 電機、驅動器選擇

3.2.5 人機互動模塊選型

人際互動模塊選擇由美國國家儀器公司所開發的圖形化編譯平臺。這一平臺采用圖形化的編譯思想,一方面操作人員可以在構思時通過程序流程圖的設計實現程序的完整編寫,具有極高的效率[15]。另一方面,這一圖形化編譯人際互動平臺引入虛擬儀表的概念,方便用戶對人機界面進行直接控制。由于其包含有圖形處理、數據存儲等標準庫,且平臺支持的端口較多,具有開發便捷的特點。

3.2.6 電源模塊選型

電源模塊是整體控制系統的動力供應核心,需要保證多模塊的平穩運行。本次同采用長距離有線電纜的方式進行電力輸送,避免因為電池增加使得機器人的負擔過重,將24 V直流電作為控制系統的整體電源供直流無刷電機進行設備土洞。同時選擇德州儀器的XTR111AIDGQR型號電流轉換器,借助其將220 V交流電轉換為直流電。

4 結 語

對電廠鍋爐水冷壁健康情況進行檢測是保證鍋爐正常運行,避免其發生安全隱患的重要舉措。正常來看,一次水冷壁的檢測需要分散性選擇超過7 000多個監測點,每點需要記錄當期的壁厚值,工作量大且工作環境復雜,對于檢測人員來說是極大的挑戰。水冷壁檢測機器人的設計能夠起到代替人工檢測的作用,提升水冷壁檢測的效率,對于電廠經營效益的提升具有重要作用。