用電子陀螺精密云臺對準立火道測溫區(qū)的方法

孫園露，韓念琛，簡 熙，潘國強

(1.太原理工大學化學化工學院，山西太原 030024;2.太原理工大學機械工程學院，山西太原 030024)

0 引言

近年來，研究紅外比色測溫儀在焦爐測溫中的應用較多[1-5]。有研究焦爐數學模型的，通過其他部分的溫度推算立火道溫度，優(yōu)點是經濟，能利用現有測點的數據無需增加硬件成本，缺點是準確性較差。也有研究多點固定式測量立火道溫度的，方法是在被測爐蓋上打孔安裝紅外測溫儀，用壓縮空氣進行冷卻，優(yōu)點是實時性好，缺點是測點較少，投資成本過高[6-12]。研究爐頂軌道測溫機器人的不多，更少見如何將自動測溫儀對準測立火道溫點的方法研究。新型軌道測溫機器人測溫方法是其自動運動到被測立火道并精確定位，揭開爐蓋，固定在安裝了電子陀螺儀的精密云臺上的測溫儀自動對準立火道底部測溫區(qū)進行測溫，測溫完畢，合蓋，運動到下一個被測立火道重復上述過程。

1 云臺的結構及測溫位置

1.1 測溫云臺結構

圖1為機器人的3D建模的圖形。測溫機器人高度低，行駛在角鐵鋪設的軌道上，專門用來測量位于裝煤車控制室底部的立火道溫度。

圖1 測溫機器人三維模型

測溫機器人共分3個艙室，而測溫機器人的前后2個艙室都包含了圖2所示的測溫云臺，且2個測溫云臺以機器人中心為原點，呈中心對稱分布，目的是可以分別測量機器人所橫跨的機側和焦側2列火道的直行溫度 。

圖2 云臺三維模型

云臺如圖2所示，其由2個帶諧波減速器的42步進電機、帶轉角鏡的紅外比色測溫儀、帶485通訊功能的6軸陀螺儀以及攝像頭組成。轉角鏡可以讓水平放置的測溫儀觀測到豎直向下的立火道底部測溫區(qū)間，再由2個步進電機調整測溫儀物鏡的焦點位置，其中諧波減速器的使用顯著降低了使用普通減速器的齒輪間隙所造成誤差，提高了定位精度。

由圖2可以看到2個步進電機的軸互相垂直，調整兩電機使經轉角鏡折射的測溫光路沿著圖中的坐標系運動，即可將測溫范圍覆蓋到位于轉角鏡正下方的立火道底部的任一位置。

1.2 測量位置的選擇

如圖3所示，圖中上部較亮環(huán)形區(qū)間為燒嘴，這一區(qū)間的溫度過高，不適合作為測量區(qū)間，圖中左右兩側的高亮區(qū)亦不適合。最暗的2個矩形區(qū)間為斜道口，溫度最低。

圖3 焦爐燃燒室底部俯視圖

對于復熱式煉焦爐，最佳的測溫區(qū)間是圖中亮度介于燒嘴和斜道口兩者之間的空曠區(qū)間[13]，從圖中可見的工字型區(qū)間均可以作為測量點，故統一將測溫區(qū)間選在圖中下虛線圓所標識出來的位置。

2 測溫算法

圖4為云臺的實物圖，此時的轉角鏡是朝上的，轉角鏡中部有可以透過光線的小塊玻璃片，測溫時轉角鏡是朝下的，接收從正下方車體嵌入的防塵玻璃蓋板透過的紅外光線和立火道底部圖像信號。測溫分為2個步驟，即先標定，再測溫。

圖4 云臺實物

2.1 標定算法

圖5為標定算法流程圖。在正式進入自動溫度采集前，需要進入標定模式，在這一模式下，會按照標定算法將所有的待測看火孔的測溫點的坐標以陀螺儀姿態(tài)角的形式依次存儲下來。首先是測溫軌道機器人依次到達各個看火孔上方，在揭蓋完成后，操作人員手持圖像接收設備一邊觀察，一邊通過操縱鍵盤調整云臺兩軸的轉動，使測溫光路中心對準最佳的測溫點，再令PLC將從陀螺儀讀取的云臺的姿態(tài)角數值記錄，作為該看火孔的最佳測溫點的坐標。用這種方式將所有待測看火孔的測溫點坐標全部標定完成后可供之后的自動測溫調用。

圖5 標定流程圖

2.2 自動測溫算法

圖6為自動測溫的算法流程圖。在標定算法的基礎之上，自動測溫時，會比較算出當前陀螺儀的姿態(tài)角數值和標定值的差值，若某一角度方向上兩者之間存在偏差，就會使該方向上的步進電機轉動一個角度，從而消除該方向上的角度偏差，不同方向上的調整都是基于此原理實現的。這樣就完成了云臺對當前看火孔測溫點的自動定位。之后，再令測溫儀掃描測溫區(qū)域并讀取溫度，確?？梢宰x到多組溫度數值，保證在測溫儀與最佳測溫點即使有一定偏差的情況下依然能讀到準確的溫度值，最后加權平均值作為當前看火孔所采集到的溫度，上傳給上位機。

圖6 自動測溫流程圖

3 程序實現

3.1 陀螺儀和測溫儀的通訊

PLC與陀螺儀和測溫儀是通過RS485的串口通訊方式進行數據傳輸的。由于陀螺儀與紅外比色測溫儀的通訊波特率不同，數據、命令格式也不同，同一串口進行通訊時需不斷切換波特率，通訊數據略有延遲。解決方法是先讀陀螺儀數據，比對標定值，計算輸出脈沖，實時讀取運動數據，到測量區(qū)域后，不再讀陀螺儀數據，只讀紅外比色測溫儀數據。區(qū)域掃描測溫時，不讀陀螺儀數據，只讀測溫儀數據，這樣處理一次定位測量只需切換一次通訊波特率，提高了不同設備的使用效率。

3.2 步進電機的控制

根據太鋼7.63 m焦爐的結構，從焦爐頂面到立火道底部的距離約為9.29 m，燃燒室內部寬度約為0.55 m，根據測算，使物鏡中心對準立火道底部的邊緣時，云臺電機的擺幅最大不超過3.39°，如圖7所示。

圖7 測溫示意圖

這要求步進電機的控制應十分精確，因此為步進電機配裝了減速比為50∶1的減速器，同時步進電機驅動器采用最大的32細分、6 400 Pulse/rev，即PLC每輸出6 400個脈沖，步進電機轉1圈，再考慮減速器的作用，每脈沖的對應的偏轉角度可達到0.01°。

步進電機的運轉可以由操作人員在標定時手持按鍵鍵盤來調整測溫儀對準立火道測溫區(qū)。自動測溫時，為保證測溫儀物鏡中心即使遇到外部干擾依然能保持在最佳的測溫區(qū)間，要求根據陀螺儀當前回傳的姿態(tài)角數值與標定值的偏差及時調整步進電機。主站傳來移動到看火孔正上方的信號后，根據當前傳送來的看火孔序號調用對應的標定坐標值，計算繞X和Y兩電機軸轉動的角度，各自當前值與標定值的差值分別按照式(1)計算，就可以得到各電機需要調整的脈沖數，結果的正負符號表示調整方向。

(1)

式中：θ標為姿態(tài)角標定存儲的值；θ現為姿態(tài)角當前讀取的值；j為步進驅動器分辨率，Pulse/rev；i為諧波減速器減速比。

調整完成后測溫儀物鏡中心已落在了上文提及的測溫點，再讓測溫儀掃描一個約1°的軌跡后即可完成測溫。

4 實驗測試

前期由于模擬焦爐頂部的情況非常困難，在實驗室階段驗證了云臺對測溫點定位的精度符合要求后，隨即前往太鋼9號焦爐現場對測溫機器人設備進行了安裝和實地測試。如下圖8所示。由于爐面灰塵較大，此時的機器人是有防塵蓋的，并且在上面臨時放著按鍵鍵盤，方便調試。

圖8 機器人調試圖

最終的調試階段完成之后，按照焦爐的測溫工藝對測溫的準確度進行了測試，以驗證測溫云臺所測得溫度的準確性和可靠性，并得到了焦側的曲線圖，如圖9所示。

圖9 焦側直行溫度曲線圖

從圖9可以看出，所測溫度大致在上限1 390 ℃和下限1 260 ℃之間波動，計算該時段的溫度平均值約為1 318 ℃，根據9號爐當月標準溫度為1 309 ℃，焦側溫度理論上也應偏高，所測焦側溫度的平均值符合標準溫度±10 ℃范圍內，可以判斷所測焦側溫度合理。

實驗證明，測溫云臺定位精確可靠，測得的直行溫度數據基本符合標準溫度，測溫云臺可以作為人工測量方式的替代，但仍需改進。

5 結論

測溫機器人通過搭載安裝了電子陀螺儀的精密云臺，結合陀螺儀標定數據與當前數據的比較，計算出精密云臺的控制脈沖的方法，實現了測溫儀自動對準立火道測溫區(qū)，較好地解決了由于焦爐爐頂在高溫下的變形，使在不同的立火道上方測溫機器人的傾角不同，并且不同立火道的變形量也不同，導致固定在測溫機器人的測溫儀很難對準測溫點的難題。驗證了利用陀螺儀定位的新型測溫云臺系統的可行性，推動了用軌道測溫機器人替代人工測量立火道溫度的技術發(fā)展。