工業(yè)煉焦?fàn)t測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)研究

李友子，張偉崗

(西安明德理工學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710124)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們的整體生活水平呈現(xiàn)遞增的變化趨勢(shì)，該現(xiàn)象使勞動(dòng)力的成本大幅度提升。焦?fàn)t生產(chǎn)領(lǐng)域?yàn)閷?shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的整體提高，不斷引進(jìn)對(duì)當(dāng)前技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行創(chuàng)新與升級(jí)，使焦?fàn)t生產(chǎn)領(lǐng)域可向著自動(dòng)化、智能化發(fā)展。但焦?fàn)t生產(chǎn)領(lǐng)域過于依賴人工方式實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，該方式存在較大局限性，無法精準(zhǔn)測(cè)量煉焦?fàn)t的溫度。為此，本研究設(shè)計(jì)出一種基于測(cè)溫AI機(jī)器人的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可有效提高溫度測(cè)量的精度，為工業(yè)煉焦?fàn)t的后續(xù)發(fā)展奠定有力基礎(chǔ)。

1 工業(yè)煉焦?fàn)t測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究對(duì)工業(yè)煉焦?fàn)t測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用模塊化的方式設(shè)計(jì)出工業(yè)煉焦?fàn)t測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)工業(yè)煉焦?fàn)t溫度的精準(zhǔn)控制，在系統(tǒng)內(nèi)部添加多個(gè)控制單元，測(cè)溫機(jī)器人在若干個(gè)控制單元的控制下，可提高該機(jī)器人的控制精度，有利于提高工業(yè)煉焦?fàn)t的穩(wěn)定性與安全性。通過對(duì)系統(tǒng)內(nèi)不同的模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)試，可最大限度地提高系統(tǒng)工作效率，為工業(yè)煉焦?fàn)t測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)的后期維護(hù)、檢修等工作奠定有力基礎(chǔ)。工業(yè)煉焦?fàn)t測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 工業(yè)煉焦?fàn)t測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

工業(yè)煉焦?fàn)t測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心模塊為PLC控制模塊，該模塊可對(duì)系統(tǒng)其他功能單元進(jìn)行協(xié)調(diào)與控制。在PLC控制模塊的支持下，可提高機(jī)器人對(duì)工業(yè)煉焦?fàn)t溫度控制的精度。測(cè)溫AI機(jī)器人在工業(yè)煉焦?fàn)t內(nèi)部可測(cè)量溫度、電池電量等數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳，可建立無線通信模塊與上位機(jī)之間的連接，在無線通信模塊與上位機(jī)的通信下，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的回傳。

2 工業(yè)煉焦?fàn)t測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 爐蓋提升單元

本研究對(duì)系統(tǒng)的爐蓋提升單元進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為保證測(cè)溫AI機(jī)器人的精準(zhǔn)度，在測(cè)溫AI機(jī)器人前后均布置一個(gè)爐蓋提升單元，通過各設(shè)備之間的相互作用，可有效控制工業(yè)煉焦?fàn)t的溫度變化趨勢(shì)。爐蓋提升單元的核心設(shè)備為提升機(jī)，提升機(jī)可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)和電磁鐵的精準(zhǔn)控制。PLC主機(jī)在爐蓋提升單元內(nèi)部主要負(fù)責(zé)控制提升機(jī)，在PLC主機(jī)的控制下，可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制以及電磁鐵的升降控制，同時(shí)PLC主機(jī)可控制爐蓋提升單元內(nèi)部繼電器的斷開與閉合。當(dāng)繼電器處于斷開狀態(tài)時(shí)，則電磁鐵線圈處于失電狀態(tài)；當(dāng)繼電器處于閉合狀態(tài)時(shí)，則電磁鐵線圈處于得電狀態(tài)。通過對(duì)電磁線圈進(jìn)行控制，即可實(shí)現(xiàn)工業(yè)煉焦?fàn)t爐蓋的抓取與釋放操作。為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的提升，將接近開關(guān)安裝至每個(gè)提升機(jī)的底部，并利用提升機(jī)對(duì)電磁鐵進(jìn)行控制，電磁鐵的位置信號(hào)可實(shí)時(shí)上傳至PLC，等待電磁鐵處于特定位置后，停止提升機(jī)的控制操作，直至測(cè)溫AI機(jī)器人完成測(cè)溫操作[2]。

通過提升機(jī)對(duì)爐蓋進(jìn)行吸起操作時(shí)，應(yīng)等待測(cè)溫AI機(jī)器人在測(cè)溫點(diǎn)停靠后，啟動(dòng)冷卻風(fēng)道風(fēng)機(jī)，使其處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)爐蓋的吸起操作，可利用提升機(jī)對(duì)電磁鐵進(jìn)行控制，使電磁鐵下降至爐蓋處，即可吸起工業(yè)煉焦?fàn)t的爐蓋。若電磁鐵在上升時(shí)達(dá)到位置的極限，應(yīng)立即停止上升操作。提升機(jī)的提蓋測(cè)溫流程為：首先，啟動(dòng)測(cè)溫AI機(jī)器人，使其處于移動(dòng)狀態(tài)，位置移動(dòng)的終點(diǎn)為工業(yè)煉焦?fàn)t爐口正對(duì)面；其次，等待測(cè)溫AI機(jī)器人到達(dá)終點(diǎn)后，即可對(duì)工業(yè)煉焦?fàn)t的溫度進(jìn)行測(cè)量；最后，工業(yè)煉焦?fàn)t數(shù)據(jù)測(cè)量完畢后，由工作人員對(duì)測(cè)溫AI機(jī)器人進(jìn)行復(fù)位操作，并蓋回工業(yè)煉焦?fàn)t的爐蓋。工業(yè)煉焦?fàn)t測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)提蓋測(cè)溫流程如圖2所示[3]。

圖2 工業(yè)煉焦?fàn)t測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)提蓋測(cè)溫流程

控制系統(tǒng)的放蓋過程與提蓋過程之間處于完全相反的狀態(tài)，工業(yè)煉焦?fàn)t測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)的放蓋過程為：首先，利用提升機(jī)控制電磁鐵，使電磁鐵下降至工業(yè)煉焦?fàn)t的爐口處；其次，對(duì)電磁鐵進(jìn)行斷電操作，并不斷降低冷卻風(fēng)道風(fēng)機(jī)的下降速度，以此達(dá)到放下爐蓋的目的；最后，使電磁鐵處于上升狀態(tài)，直至電磁鐵接近開關(guān)響應(yīng)。工業(yè)煉焦?fàn)t測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)放蓋流程如圖3所示[4]。

圖3 工業(yè)煉焦?fàn)t測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)放蓋流程

2.2 溫控保護(hù)單元

在對(duì)工業(yè)煉焦?fàn)t進(jìn)行提蓋操作時(shí)，爐蓋開啟的瞬間可噴射出高速氣流，該氣流的相對(duì)壓強(qiáng)為80 Pa、溫度為200 ℃，若測(cè)溫過程中出現(xiàn)操作不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象，使高溫氣流與明火之間產(chǎn)生反應(yīng)，可直接損害電磁鐵導(dǎo)線以及柔性提升帶，在一定程度上可降低測(cè)溫AI機(jī)器人的使用壽命。本研究為提高測(cè)溫AI機(jī)器人的使用壽命，設(shè)計(jì)出溫控保護(hù)單元，該單元可有效避免高溫氣流與明火之間直接接觸。將一對(duì)強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)道設(shè)計(jì)在測(cè)溫AI機(jī)器人的外部，等待提升機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，隔離高速氣流和測(cè)溫AI機(jī)器人，最大限度地避免測(cè)溫AI機(jī)器人外部受高溫氣流的影響，從而降低測(cè)溫AI機(jī)器人的老化速度[5]。

2.3 測(cè)溫云臺(tái)單元

為與測(cè)溫AI機(jī)器人建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，在機(jī)器人的測(cè)溫云臺(tái)前后各搭建一個(gè)提升機(jī)模塊。通過一個(gè)獨(dú)立的副PLC模塊對(duì)測(cè)溫云臺(tái)進(jìn)行控制，并建立測(cè)溫云臺(tái)與PLC主機(jī)之間的通信，該單元可通過無線數(shù)傳電臺(tái)將測(cè)量的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，有利于提高溫度控制的精準(zhǔn)度。為實(shí)現(xiàn)測(cè)溫云臺(tái)角度的調(diào)節(jié)，可利用PLC主機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，測(cè)溫平臺(tái)的偏轉(zhuǎn)角度信息可通過陀螺儀上傳至PLC內(nèi)部，該數(shù)據(jù)可作為系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)角度的主要依據(jù)。

2.4 走行定位單元與保護(hù)避讓單元

為對(duì)測(cè)溫AI機(jī)器人的走行進(jìn)行精準(zhǔn)定位，本研究設(shè)計(jì)了走行定位單元。走行定位單元的工作過程為：首先，啟動(dòng)測(cè)溫AI機(jī)器人，對(duì)測(cè)溫AI機(jī)器人的實(shí)際位置進(jìn)行記錄；其次，判斷測(cè)溫AI機(jī)器人是否到達(dá)工業(yè)煉焦?fàn)t的測(cè)溫處，若機(jī)器人的光電開關(guān)檢測(cè)到測(cè)溫點(diǎn)的擋片，并且編碼器的碼數(shù)可控制在測(cè)溫點(diǎn)的范圍之內(nèi)，即可判斷機(jī)器人到達(dá)實(shí)際測(cè)溫位置；最后，開始測(cè)量工業(yè)煉焦?fàn)t的溫度。測(cè)溫AI機(jī)器人完成工業(yè)煉焦?fàn)t的正向測(cè)溫后，即可開始反向運(yùn)動(dòng)，其中正向運(yùn)動(dòng)主要針對(duì)工業(yè)煉焦?fàn)t的偶數(shù)孔，反向運(yùn)動(dòng)的測(cè)量對(duì)象為工業(yè)煉焦?fàn)t的奇數(shù)爐孔。工業(yè)煉焦?fàn)t內(nèi)部爐口的測(cè)溫工作均完成后，測(cè)溫AI機(jī)器人可自動(dòng)返回充電站。測(cè)溫AI機(jī)器人在實(shí)際測(cè)溫過程中，可通過保護(hù)避讓單元對(duì)前方路況進(jìn)行檢測(cè)，若檢測(cè)到前方存在障礙物，可立即采取報(bào)警模式，直至測(cè)溫AI機(jī)器人前方障礙物消除后，方可恢復(fù)測(cè)溫AI機(jī)器人的正常工作[6]。

3 工業(yè)煉焦?fàn)t測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)拓展功能設(shè)計(jì)

3.1 無線通信單元

本研究為保證測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)可與工業(yè)煉焦?fàn)t之間建立無線通信功能，在控制系統(tǒng)內(nèi)部搭建了無線通信單元。該單元可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳，最終數(shù)據(jù)的上傳位置為上位機(jī)。操作人員可利用該單元對(duì)工業(yè)煉焦?fàn)t的溫度進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)可將煉焦?fàn)t工藝要求作為主要依據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)測(cè)溫程序的遠(yuǎn)程修改。為持續(xù)向測(cè)溫AI機(jī)器人供給充足的電量，可采用手動(dòng)控制的方式為其充電，并將該機(jī)器人采集的影像信息以及掃描路徑實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)。通過該單元將機(jī)器人內(nèi)部傳感器中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)上位機(jī)，有利于保證系統(tǒng)的安全性，實(shí)現(xiàn)工業(yè)煉焦?fàn)t溫度的精準(zhǔn)測(cè)量。

3.2 充電保護(hù)單元

本研究為提高測(cè)溫AI機(jī)器人的自主工作能力，對(duì)測(cè)溫AI機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在其內(nèi)部安裝了具有自動(dòng)充電功能的充電觸頭，同時(shí)在測(cè)溫AI機(jī)器人的停靠站安裝充電站，該充電站可支持測(cè)溫AI機(jī)器人充電和檢修。等待測(cè)溫AI機(jī)器人完成一個(gè)周期的測(cè)溫工作時(shí)，測(cè)溫AI機(jī)器人可自動(dòng)回歸充電站。測(cè)溫AI機(jī)器人的充電過程為：由測(cè)溫AI機(jī)器人的機(jī)體的充電觸頭建立與充電站觸頭之間的連接，即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫AI機(jī)器人的充電，該過程為保證兩個(gè)觸頭之間的量良好接觸，可在機(jī)體的充電觸頭中增加電磁鐵。測(cè)溫AI機(jī)器人充電完畢后，應(yīng)立即使電磁鐵處于斷電狀態(tài)，并釋放兩個(gè)觸頭，為測(cè)溫AI機(jī)器人的下次充電做準(zhǔn)備[7]。

4 工業(yè)煉焦?fàn)t測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)試驗(yàn)研究

4.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

為驗(yàn)證測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)的有效性，本研究加工出一種可用于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)物樣機(jī)，并模擬現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)景，以此完成測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)的調(diào)試。系統(tǒng)的運(yùn)行與通信采用PLC DVP-12SA11T作為核心控制器，系統(tǒng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分可采用86步進(jìn)電機(jī)，而提升機(jī)與測(cè)溫云臺(tái)單元的電機(jī)均為40步進(jìn)電機(jī)。為保證開關(guān)的安全性，采用PNP常開規(guī)格的開關(guān)。本次測(cè)試的地點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)室，有利于保證后期焦?fàn)t頂面測(cè)試的順利進(jìn)行。測(cè)試方法為：其一，通過對(duì)測(cè)溫AI機(jī)器人的光電擋片進(jìn)行定位，即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫AI機(jī)器人的精準(zhǔn)定位；其二，在測(cè)溫AI機(jī)器人提蓋與測(cè)溫動(dòng)作之間的相互配合下，可實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t頂提起與放下的模擬；其三，等待機(jī)器人與充電站的觸頭建立連接后，即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫AI機(jī)器人的自動(dòng)充電。通過對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析可知，該機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可完成既定動(dòng)作[8]。

4.2 焦?fàn)t頂面測(cè)試

在上述測(cè)試的基礎(chǔ)上，將測(cè)試地點(diǎn)轉(zhuǎn)移至焦?fàn)t頂面，對(duì)測(cè)溫AI機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際的動(dòng)作測(cè)試。焦?fàn)t頂面的測(cè)試環(huán)境與實(shí)驗(yàn)室之間具有較大差異性，由于焦?fàn)t頂面存在環(huán)境、溫度等影響因素，可直接造成測(cè)試結(jié)果與實(shí)際存在偏差，該測(cè)試更能體現(xiàn)出測(cè)溫AI機(jī)器人的精準(zhǔn)度。測(cè)試開始之前，將設(shè)計(jì)要求作為主要依據(jù)，以此完成測(cè)溫AI機(jī)器人軌道以及光電擋片的安裝，軌道鋪設(shè)完畢后，對(duì)測(cè)溫AI機(jī)器人進(jìn)行吊裝操作。測(cè)試環(huán)境安裝完畢后，即可對(duì)測(cè)溫AI機(jī)器人的有效性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過程中可將焦?fàn)t頂面的起伏忽略不計(jì)。為避免測(cè)溫AI機(jī)器人出現(xiàn)故障現(xiàn)象，可事先在工業(yè)煉焦?fàn)t的一側(cè)平臺(tái)完成測(cè)試。通過對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析可知，測(cè)溫AI機(jī)器人的各項(xiàng)動(dòng)作均符合預(yù)期要求。

為進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)溫AI機(jī)器人的有效性，在工業(yè)煉焦?fàn)t的頂面完成測(cè)溫AI機(jī)器人的實(shí)地測(cè)試。測(cè)溫AI機(jī)器人可在起伏程度較高的工業(yè)煉焦?fàn)t頂面完成系統(tǒng)布置的任務(wù)，并且測(cè)溫AI機(jī)器人可實(shí)時(shí)上傳焦?fàn)t的溫度數(shù)據(jù)，該測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)溫AI機(jī)器人的測(cè)溫工作與裝煤車之間互不干涉。

5 結(jié) 語

本研究為對(duì)工業(yè)煉焦?fàn)t的溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，設(shè)計(jì)了測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)，介紹了測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及功能，最后對(duì)測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試研究，以此驗(yàn)證測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)的有效性。通過對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析可知，測(cè)溫AI機(jī)器人控制系統(tǒng)符合預(yù)期要求，測(cè)溫AI機(jī)器人的各部分功能均正常，同時(shí)可精準(zhǔn)測(cè)量工業(yè)煉焦?fàn)t的溫度，有利于工作人員及時(shí)解決工業(yè)煉焦?fàn)t存在的安全隱患。將該系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中，可為工業(yè)領(lǐng)域提供一定參考價(jià)值。