一種機(jī)器人電爐測(cè)溫取樣作業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

萬(wàn)小麗，吳曼玲，龔貴波，陳 波，劉景亞，劉向東

(中冶賽迪技術(shù)研究中心有限公司，重慶 401122)

電爐測(cè)溫取樣作為影響出鋼質(zhì)量至關(guān)重要的一個(gè)工藝環(huán)節(jié)，目前仍多以人工操作為主，該種作業(yè)模式不僅面臨高溫、高飛濺、高粉塵等危險(xiǎn)惡劣環(huán)境，同時(shí)難以避免人工操作水平不一帶來(lái)的作業(yè)穩(wěn)定性不高、測(cè)量精度不一致等系列問(wèn)題，存在較大的安全隱患與時(shí)間浪費(fèi)，嚴(yán)重制約電爐的生產(chǎn)效率與穩(wěn)定性?；跈C(jī)器人的冶金作業(yè)系統(tǒng)是一種危險(xiǎn)性低且作業(yè)能力穩(wěn)定的機(jī)器代人作業(yè)模式，已經(jīng)得到初步的應(yīng)用與廣泛的關(guān)注[1-3]，其成功將操作人員的作業(yè)環(huán)境從惡劣的高溫現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)為更為安全的中控室。但目前基于機(jī)器人的測(cè)溫取樣系統(tǒng)還多集中應(yīng)用于精煉爐、轉(zhuǎn)爐工藝環(huán)節(jié)，針對(duì)電爐的機(jī)器人測(cè)溫取樣系統(tǒng)仍處于早期探索階段[4]。

針對(duì)精煉爐、轉(zhuǎn)爐的機(jī)器人測(cè)溫取樣作業(yè)系統(tǒng)中，由于精煉爐、轉(zhuǎn)爐的測(cè)溫取樣口位置固定，目前主要針對(duì)系統(tǒng)的執(zhí)行裝置、防護(hù)方式、測(cè)槍變形檢測(cè)及鋼液高度檢測(cè)進(jìn)行研究?jī)?yōu)化，且多采用機(jī)器人進(jìn)行測(cè)槍裝置上探頭的拆裝而非直接測(cè)溫取樣[5-7]，系統(tǒng)對(duì)多變的工序和環(huán)境異常情況缺乏靈活處理能力。而電爐冶煉過(guò)程中，爐門(mén)位置因振動(dòng)難以固定，且爐門(mén)處存在動(dòng)態(tài)變化的爐渣噴濺堆積，作業(yè)系統(tǒng)對(duì)爐門(mén)惡劣環(huán)境的感知能力和對(duì)機(jī)器人路徑的靈活控制能力成為自動(dòng)測(cè)溫取樣成功與否的關(guān)鍵，致使已有測(cè)溫取樣系統(tǒng)難以應(yīng)用于電爐。

1 作業(yè)控制策略

針對(duì)以上電爐測(cè)溫取樣復(fù)雜的工藝特點(diǎn)，為保證機(jī)器人電爐測(cè)溫取樣系統(tǒng)控制的靈活性與對(duì)爐門(mén)狀態(tài)的自適應(yīng)性，本文提出基于工藝點(diǎn)劃分的路徑規(guī)劃策略、基于機(jī)器視覺(jué)的爐門(mén)狀態(tài)識(shí)別策略、基于多模式融合的靈活控制策略，并結(jié)合PLC、工業(yè)機(jī)器人、視覺(jué)系統(tǒng)搭建機(jī)器人電爐測(cè)溫取樣作業(yè)系統(tǒng)。

1.1 基于工藝點(diǎn)劃分的路徑規(guī)劃策略

基于電爐測(cè)溫取樣一般工藝，本策略在機(jī)器人整套測(cè)溫取樣路徑上設(shè)置探頭接插點(diǎn)、停機(jī)點(diǎn)、待機(jī)點(diǎn)、測(cè)溫取樣懸停點(diǎn)1、測(cè)溫取樣點(diǎn)、測(cè)溫取樣懸停點(diǎn)2、檢修點(diǎn)、避障點(diǎn)，各點(diǎn)間可達(dá)關(guān)系如圖1所示。其中停機(jī)點(diǎn)與待機(jī)點(diǎn)分別作為長(zhǎng)期?？课缓团R時(shí)?？课?，檢修點(diǎn)和避障點(diǎn)分別作為機(jī)器人設(shè)備檢修?？课慌c其他設(shè)備運(yùn)輸時(shí)的機(jī)器人臨時(shí)避讓位，多數(shù)場(chǎng)景下，停機(jī)點(diǎn)、待機(jī)點(diǎn)、檢修點(diǎn)及避讓點(diǎn)中的部分或全部可設(shè)置相同。

圖1 工藝點(diǎn)間可達(dá)關(guān)系示意圖

基于已確定的工藝點(diǎn)劃分整個(gè)測(cè)溫取樣路徑，得到多個(gè)子路徑，例如：探頭接插點(diǎn)至待機(jī)點(diǎn)路徑、探頭接插點(diǎn)至測(cè)溫取樣懸停點(diǎn)1路徑、測(cè)溫取樣懸停點(diǎn)1至測(cè)溫取樣點(diǎn)路徑等，并將完整測(cè)溫取樣路徑與其他子路徑編號(hào)保存于機(jī)器人控制器中。控制機(jī)器人作業(yè)時(shí)，上位控制系統(tǒng)可根據(jù)用戶(hù)輸入的目標(biāo)工藝點(diǎn)及正/反向前進(jìn)選項(xiàng)進(jìn)行邏輯處理生成子路徑序列號(hào)，并依次發(fā)送至機(jī)器人控制器調(diào)用執(zhí)行相關(guān)路徑令其到達(dá)所選目標(biāo)工藝點(diǎn)。通過(guò)該種策略，基于中控室的操作界面可控制機(jī)器人從當(dāng)前工藝點(diǎn)正反向到達(dá)任意目標(biāo)工藝點(diǎn)，并遠(yuǎn)程微調(diào)各工藝點(diǎn)位置數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更靈活的路徑規(guī)劃，提高可操控性。

1.2 基于機(jī)器視覺(jué)的爐門(mén)狀態(tài)識(shí)別策略

在實(shí)際冶煉過(guò)程中，電爐的振動(dòng)導(dǎo)致?tīng)t門(mén)位置存在小幅偏移，同時(shí)大量爐渣飛濺并堆積至爐門(mén)使?fàn)t門(mén)狀態(tài)發(fā)生改變，僅依靠預(yù)示教固定路徑的機(jī)器人控制策略無(wú)法滿(mǎn)足電爐測(cè)溫取樣的生產(chǎn)要求。

本策略采用視覺(jué)技術(shù)對(duì)爐口亮度特征及爐口形狀特征進(jìn)行圖像分析，可在爐口積渣的狀態(tài)下準(zhǔn)確定位爐口位置，進(jìn)一步計(jì)算爐口與基準(zhǔn)位置的偏差數(shù)據(jù)，并根據(jù)爐渣堆積程度判斷是否滿(mǎn)足測(cè)溫取樣槍進(jìn)爐作業(yè)[8]。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到探頭接插點(diǎn)時(shí)，上位控制器向視覺(jué)系統(tǒng)請(qǐng)求是否可下槍數(shù)據(jù)與爐門(mén)位置糾偏數(shù)據(jù)，并將糾偏數(shù)據(jù)發(fā)送到機(jī)器人中，對(duì)路徑后面的測(cè)溫取樣懸停點(diǎn)1、測(cè)溫點(diǎn)、測(cè)溫取樣懸停點(diǎn)2的位置值進(jìn)行統(tǒng)一糾偏，從而提高機(jī)器人測(cè)溫取樣系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。如圖2所示，右側(cè)靶點(diǎn)表示機(jī)器人示教的插槍點(diǎn)位置，左側(cè)靶點(diǎn)為通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)時(shí)識(shí)別的插槍點(diǎn)位，兩點(diǎn)間橫縱向差值通過(guò)標(biāo)定換算即可獲取爐門(mén)xy向的實(shí)時(shí)偏移值。

圖2 基于視覺(jué)的爐門(mén)狀態(tài)識(shí)別

1.3 基于多模式融合的靈活控制策略

本策略在上位系統(tǒng)控制器主控制程序中設(shè)置多種控制模式，包含手動(dòng)模式/自動(dòng)模式、測(cè)溫模式/取樣模式、本地模/遠(yuǎn)程模式，以應(yīng)對(duì)多樣化操作需求?？刂颇Ｊ娇稍诒镜匕粹o或遠(yuǎn)程操作界面進(jìn)行切換。自動(dòng)模式用于實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)系統(tǒng)內(nèi)各種裝置設(shè)備的動(dòng)作連鎖控制，啟停測(cè)溫/取樣全套動(dòng)作，且可在任意狀態(tài)下切換至手動(dòng)控制模式。手動(dòng)模式用于對(duì)各種裝置設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)控制，如獨(dú)立控制機(jī)器人在各工藝點(diǎn)間的往返、控制與視覺(jué)系統(tǒng)的連接通斷及信息交互。本地/遠(yuǎn)程模式用于選擇獲取本地操作指令或遠(yuǎn)程操作界面的操作指令，實(shí)現(xiàn)在多個(gè)地點(diǎn)對(duì)作業(yè)系統(tǒng)的控制。此外，任意模式下上位控制器和遠(yuǎn)程操作界面都可實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人的當(dāng)前坐標(biāo)值，手動(dòng)模式中還支持微調(diào)各工藝點(diǎn)坐標(biāo)值及復(fù)位至原始示教值。

2 作業(yè)系統(tǒng)的搭建與實(shí)現(xiàn)

機(jī)器人電爐測(cè)溫取樣作業(yè)系統(tǒng)具體由PLC控制器、爐前操作臺(tái)、HMI操作界面、KUKA工業(yè)機(jī)器人、視覺(jué)系統(tǒng)、溫度傳感系統(tǒng)組成，各組成單元間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 機(jī)器人電爐測(cè)溫取樣作業(yè)系統(tǒng)組成架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)控制端組件及功能

作業(yè)系統(tǒng)控制端組件主要包括PLC控制柜、爐前操作臺(tái)、遠(yuǎn)程操作界面。其中PLC控制柜內(nèi)含西門(mén)子S7-1500系列PLC、I/O模塊，負(fù)責(zé)整個(gè)作業(yè)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度。通過(guò)運(yùn)行作業(yè)系統(tǒng)主控制程序，接收爐前操作臺(tái)、遠(yuǎn)程操作界面的輸入指令及工業(yè)機(jī)器人、視覺(jué)系統(tǒng)等各受控單元的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行邏輯處理，并向各受控單元發(fā)送具有時(shí)序特征的連鎖指令及信號(hào)。爐前操作臺(tái)主要用于作業(yè)系統(tǒng)的本地控制，其主要由爐前操作臺(tái)體、柜上模式選擇按鈕、控制按鈕、狀態(tài)信號(hào)燈、動(dòng)作警報(bào)器、急停開(kāi)關(guān)等組成，爐前操作臺(tái)的電子器件通過(guò)硬接線(xiàn)與PLC控制柜內(nèi)的I/O模塊連接，傳輸觸發(fā)信號(hào)。遠(yuǎn)程操作界面置于中控室內(nèi)，主要包括工控機(jī)、顯示屏，其中工控機(jī)運(yùn)行WinCC人機(jī)交互界面，并通過(guò)Profinet現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議與PLC進(jìn)行交互，顯示屏顯示系統(tǒng)主操作界面、狀態(tài)顯示界面、報(bào)警界面、運(yùn)行記錄界面等，其中狀態(tài)顯示界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)狀態(tài)顯示界面

2.2 系統(tǒng)受控端組件及功能

系統(tǒng)受控端組件主要包括KUKA工業(yè)機(jī)器人、視覺(jué)系統(tǒng)、測(cè)溫傳感系統(tǒng)。其中機(jī)器人由重載機(jī)器人本體、機(jī)器人控制柜、末端測(cè)槍裝置及防護(hù)設(shè)施組成。機(jī)器人控制柜基于Profinet現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與PLC 進(jìn)行信息交互。為防止噴濺及熱輻射，機(jī)器人本體采用防護(hù)服加機(jī)械擋板的雙防護(hù)模式[9]。為防止測(cè)溫取樣過(guò)程中測(cè)槍末端及傳感器燒壞，測(cè)槍內(nèi)部還設(shè)置氣冷通道[10]。視覺(jué)系統(tǒng)主要包括工控機(jī)、單目相機(jī)、相機(jī)防護(hù)裝置[11]。其中相機(jī)與相機(jī)防護(hù)裝置安裝在爐門(mén)前一定距離處，通過(guò)以太網(wǎng)將獲取的圖像傳輸至控制室工控機(jī)中。通過(guò)工控機(jī)運(yùn)行圖像處理程序得出爐門(mén)狀態(tài)變化后的下槍許可標(biāo)志和位置偏移數(shù)據(jù)，并反饋傳輸至PLC中。測(cè)溫傳感系統(tǒng)主要包括熱電偶與測(cè)溫儀表，熱電偶安裝于測(cè)槍末端，通過(guò)信號(hào)線(xiàn)將采集到的溫度信息傳輸至中控室的測(cè)溫儀表。測(cè)溫儀表顯示溫度值并將溫度值通過(guò)RS485通信協(xié)議傳輸至PLC中，用于PLC判斷測(cè)溫成功與否及進(jìn)行溫度記錄。

機(jī)器人電爐測(cè)溫取樣作業(yè)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖5所示。

圖5 機(jī)器人電爐測(cè)溫取樣作業(yè)系統(tǒng)總體架構(gòu)

3 作業(yè)系統(tǒng)測(cè)試

基于以上多種控制策略的設(shè)計(jì)與測(cè)溫取樣作業(yè)系統(tǒng)的搭建，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際作業(yè)測(cè)試，以測(cè)溫測(cè)試為例(見(jiàn)圖6)：

圖6 機(jī)器人執(zhí)行電爐測(cè)溫取樣

(1)于遠(yuǎn)程操作界面選擇手動(dòng)模式、測(cè)溫模式、遠(yuǎn)程模式，點(diǎn)擊“至待機(jī)點(diǎn)”按鈕，并根據(jù)當(dāng)前位置與待機(jī)點(diǎn)距離，選擇正向或反向運(yùn)行，PLC自動(dòng)生成子路徑編號(hào)序列并顯示于操作界面。

(2)PLC依次將路徑序號(hào)發(fā)送至機(jī)器人控制器，機(jī)器人按序運(yùn)行選定的子路徑后到達(dá)待機(jī)點(diǎn)。

(3)切換至自動(dòng)模式，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行至探頭接插點(diǎn)，人工安裝測(cè)溫探頭至測(cè)溫槍上，界面顯示探頭接插成功。

(4)點(diǎn)擊二次確認(rèn)按鈕，PLC自動(dòng)向視覺(jué)單元請(qǐng)求插槍許可標(biāo)志與爐門(mén)偏移數(shù)據(jù)。插槍許可情況下偏移數(shù)據(jù)經(jīng)PLC發(fā)送到機(jī)器人控制柜并疊加到測(cè)溫懸停點(diǎn)1、測(cè)溫點(diǎn)、測(cè)溫懸停點(diǎn)2的坐標(biāo)值上，同時(shí)機(jī)器人自動(dòng)依次運(yùn)行至糾偏后的測(cè)溫懸停點(diǎn)1、測(cè)溫點(diǎn)、測(cè)溫懸停點(diǎn)2，其中機(jī)器人于測(cè)溫點(diǎn)處停留3 s，獲取溫度信號(hào)，并反饋于測(cè)溫儀表及操作界面。

(5)機(jī)器人完成測(cè)溫作業(yè)自動(dòng)停至探頭接插點(diǎn)，人工取下測(cè)溫探頭后點(diǎn)擊確認(rèn)，機(jī)器人自動(dòng)回到待機(jī)位，等待下一次啟動(dòng)指令。

經(jīng)在國(guó)內(nèi)某煉鋼廠(chǎng)電爐平臺(tái)進(jìn)行多次測(cè)試，該作業(yè)系統(tǒng)均能穩(wěn)定正常執(zhí)行整套測(cè)溫動(dòng)作，反饋合理的鋼水溫度信號(hào)，系統(tǒng)執(zhí)行穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

本文開(kāi)發(fā)的機(jī)器人電爐測(cè)溫取樣作業(yè)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)及意義：

通過(guò)劃分多工藝點(diǎn)的路徑規(guī)劃策略，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在任意工藝點(diǎn)間正反向到達(dá)的靈活規(guī)劃；通過(guò)視覺(jué)識(shí)別策略，實(shí)時(shí)獲取爐門(mén)積渣狀態(tài)及偏移數(shù)據(jù)，指導(dǎo)機(jī)器人正確下槍執(zhí)行作業(yè)，使系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化具有自適應(yīng)能力；通過(guò)配置多種控制選項(xiàng)及模式，使系統(tǒng)可滿(mǎn)足多樣化的控制需求。

該系統(tǒng)不僅令操作工遠(yuǎn)離惡劣現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)提高了作業(yè)可靠性穩(wěn)定性，成功實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在電爐領(lǐng)域的應(yīng)用拓展。但目前該系統(tǒng)還未實(shí)現(xiàn)全無(wú)人化作業(yè)，后續(xù)還將在探頭的自動(dòng)插接、與生產(chǎn)系統(tǒng)測(cè)溫需求的自動(dòng)連鎖上優(yōu)化系統(tǒng)，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)全無(wú)人化的作業(yè)。