特種高壓清洗機(jī)器人集群監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)研究

張培銘，汪子睿

（1.廣西機(jī)械工業(yè)研究院有限責(zé)任公司，廣西南寧 530007；2.廣西交通投資集團(tuán)南寧高速公路運(yùn)營(yíng)有限公司，廣西南寧 530007）

高壓清洗技術(shù)作為環(huán)保的新興技術(shù)已經(jīng)逐漸替代會(huì)污染環(huán)境的化學(xué)清洗，在制糖、酒精、氧化鋁等行業(yè)開(kāi)始廣泛應(yīng)用。特種高壓清洗機(jī)器人的成功研發(fā)解決了高壓清洗領(lǐng)域機(jī)器換人的問(wèn)題，并在制糖、氧化鋁等行業(yè)逐漸推廣應(yīng)用。在設(shè)備的推廣過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)特種高壓清洗機(jī)器人的設(shè)備操作人員和維護(hù)人員文化水平不高，且年齡普遍偏大，現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)需要投入大量的人力物力，且只能達(dá)到簡(jiǎn)單的應(yīng)用效果，有些流程性工廠還遇到崗位經(jīng)常變動(dòng)的情況，這些問(wèn)題的存在制約了設(shè)備性能的發(fā)揮和推廣，更嚴(yán)重者由于操作者對(duì)設(shè)備的不熟悉，在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)不能夠快速排查故障并解決問(wèn)題，容易影響生產(chǎn)效率。

因此，需要結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)，開(kāi)發(fā)易操作，具備故障自診斷、遠(yuǎn)程運(yùn)維、智能分析、能夠集群監(jiān)控等功能的特種高壓清洗機(jī)器人系統(tǒng)，降低使用者的運(yùn)維難度，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程指導(dǎo)和快速排除故障，并對(duì)機(jī)器人進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)研究，提高設(shè)備的穩(wěn)定性。

文章介紹特種高壓清洗機(jī)器人集群監(jiān)控系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)研究，為高壓水射流清洗機(jī)器智能化系統(tǒng)研究提供參考。

1 特種高壓清洗機(jī)器人組成和原理

特種高壓清洗機(jī)器人為XY平臺(tái)式或關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，其中XY平臺(tái)式特種高壓清洗機(jī)器人由XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、換區(qū)頂桿、高壓水槍輸送裝置組成，如圖1和圖2所示。采用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行列管坐標(biāo)數(shù)據(jù)的采集，采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)記錄和優(yōu)化清洗路徑，通過(guò)上位機(jī)下達(dá)指令控制四軸數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)清洗設(shè)備的XY軸運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、換區(qū)和定位，以帶動(dòng)高壓水槍至所需清洗列管，并準(zhǔn)確帶動(dòng)高壓水槍往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)列管的清洗除垢作業(yè)。

圖1 XY平臺(tái)式特種高壓清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)

圖2 XY平臺(tái)式特種高壓清洗機(jī)器人的應(yīng)用

2 特種高壓清洗機(jī)器人集群監(jiān)控系統(tǒng)

特種高壓清洗機(jī)器人集群監(jiān)控系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)、通訊模塊組成。系統(tǒng)上位機(jī)采用.net4.6設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需重點(diǎn)研究機(jī)器人之間的干涉、最優(yōu)路徑規(guī)劃，沖突規(guī)劃等內(nèi)容，同時(shí)開(kāi)發(fā)具備一鍵啟動(dòng)，一鍵復(fù)位等智能化功能簡(jiǎn)易版操作系統(tǒng)。

同時(shí)，酒精、氧化鋁行業(yè)因?yàn)闆](méi)有進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，對(duì)高壓清洗作業(yè)的時(shí)效性要求很高，往往需要控制多臺(tái)機(jī)器人設(shè)備同時(shí)作業(yè)，因此集群監(jiān)控系統(tǒng)還需具備自動(dòng)選擇清洗模式和根據(jù)情況進(jìn)行清洗路徑優(yōu)化，能夠避免多機(jī)器人相互干涉的功能。

3 基于多傳感器融合的特種高壓清洗機(jī)器人智能化控制研究

特種高壓清洗機(jī)器人是多傳感器融合的智能化設(shè)備，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)客戶的清洗時(shí)間速度來(lái)配置多臺(tái)清洗機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，同時(shí)通過(guò)傳感器來(lái)檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和對(duì)故障進(jìn)行智能診斷，并設(shè)計(jì)設(shè)備生命周期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高設(shè)備的使用壽命。

3.1 參數(shù)的智能化設(shè)置和記錄

特種高壓清洗機(jī)器人應(yīng)用在制糖、酒精、冶金等行業(yè)，根據(jù)生產(chǎn)工藝不同，積垢的硬度、物質(zhì)、厚度以及加熱管的孔徑和長(zhǎng)度也不同，系統(tǒng)在不同的工況中運(yùn)行，需要調(diào)節(jié)和固化不同的運(yùn)行參數(shù)。機(jī)器人在實(shí)際使用中需要設(shè)置和調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)：調(diào)節(jié)清洗長(zhǎng)度、清洗速度、雙系統(tǒng)作業(yè)的安全距離、檢測(cè)清洗長(zhǎng)度脈沖信號(hào)等。在對(duì)一個(gè)罐體進(jìn)行清洗時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，使系統(tǒng)在最優(yōu)的狀態(tài)下運(yùn)行，以優(yōu)化清洗時(shí)間，提高清洗效率，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)記錄其罐體的最優(yōu)清洗參數(shù)并進(jìn)行固化，實(shí)現(xiàn)“一鍵開(kāi)機(jī)”，減少人為干擾。

3.2 實(shí)現(xiàn)對(duì)特種高壓清洗機(jī)器人傳感器和電機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控

特種高壓清洗機(jī)器人有壓力、電磁、溫度等傳感器和伺服電機(jī)等執(zhí)行元件，監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)采集各傳感器的運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)用數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)，來(lái)監(jiān)控特種高壓清洗機(jī)器人是否正常工作，一旦發(fā)生故障提示，系統(tǒng)根據(jù)傳感器的故障類別和故障組合指導(dǎo)操作人員進(jìn)行故障排除。

如系統(tǒng)可通過(guò)采集伺服電機(jī)的主電機(jī)電流、過(guò)載率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)溫度、清洗速度等關(guān)鍵參數(shù)，并結(jié)合清洗工藝，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化運(yùn)行分析，如圖3所示，可根據(jù)電機(jī)的電流變化等參數(shù)，來(lái)判斷設(shè)備是否存在機(jī)械故障隱患，電機(jī)電流在綠色區(qū)域表示設(shè)備運(yùn)行正常，在黃色區(qū)域狀態(tài)下表示存在機(jī)械隱患，紅色區(qū)域狀態(tài)下表示機(jī)器人運(yùn)行異常，應(yīng)強(qiáng)制停機(jī)。

圖3 用戶設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與主電機(jī)電流監(jiān)控

3.3 基于多傳感器融合技術(shù)的智能診斷技術(shù)研究

總結(jié)特種高壓清洗機(jī)器人的不同狀況，并跟相關(guān)狀況對(duì)應(yīng)傳感器的狀態(tài)聯(lián)系起來(lái)，將清洗狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字化，并結(jié)合對(duì)應(yīng)的處理工藝，構(gòu)建特種高壓清洗機(jī)器人智能診斷系統(tǒng)。

以“行程檢測(cè)開(kāi)關(guān)+編碼器+合理清洗周期”檢測(cè)加熱管是否堵塞為例。在實(shí)際使用過(guò)程中，由于生產(chǎn)工藝的波動(dòng)或清洗不及時(shí)，會(huì)造成加熱管積垢積累較多，形成堵塞，在面對(duì)半堵塞孔時(shí)，若特種高壓清洗機(jī)器人不設(shè)置感知程序，其往往會(huì)造成高壓噴嘴卡在半堵塞的加熱管里，更嚴(yán)重時(shí)需要停機(jī)處理，每次處理時(shí)間在0.5h 以上，嚴(yán)重影響清洗效率。本文將“主電機(jī)速度（編碼器）+行程檢測(cè)開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)頻率+單管清洗時(shí)間”三者融合用于判斷加熱管是否堵塞。例如設(shè)定清洗速度80后，主電機(jī)轉(zhuǎn)速（編碼器）應(yīng)該是500 r/min，此時(shí)檢測(cè)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)輸出脈沖信號(hào)頻率是600 Hz，行程檢測(cè)開(kāi)關(guān)低于預(yù)測(cè)頻率的1/2即300 Hz，即可判斷加熱管堵塞。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置了兩種策略處理半堵塞孔的清洗。

（1）若清洗時(shí)間充足，檢測(cè)到堵塞后系統(tǒng)記錄該次堵塞行程，高壓噴嘴立即回收，然后繼續(xù)清洗該目標(biāo)清洗，清洗行程是上次堵塞行程2～100 cm（可調(diào)），如此反復(fù)直到該目標(biāo)被清洗完成。

（2）若清洗時(shí)間緊張，記錄該堵塞目標(biāo)，立即移動(dòng)到下一目標(biāo)。全部加熱管清洗完成后再判斷是采用人工清洗還是下次再清洗。

3.4 高壓水系統(tǒng)智能化監(jiān)管

高壓水系統(tǒng)是清洗效果的關(guān)鍵因素，其由高壓泵站、水循環(huán)處理單元、高壓連接管和噴嘴組成。糖廠、酒精廠等行業(yè)的高壓水系統(tǒng)通常由簡(jiǎn)易水箱和泵組成，需要派駐專門的人員時(shí)刻關(guān)注設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如有沒(méi)有水，泵壓力是否下降等，人工作業(yè)環(huán)境惡劣，效率低，時(shí)常出現(xiàn)因?yàn)閷?duì)高壓水系統(tǒng)監(jiān)控和處置不及時(shí)，清洗效果差等情況。為了改變這種情況，本文設(shè)計(jì)了一套智能化程度比較高的高壓水系統(tǒng)，通過(guò)PLC實(shí)時(shí)采集水量、壓力、流量等數(shù)據(jù)，并結(jié)合特種高壓清洗機(jī)器人的工作狀態(tài)，建立相關(guān)的診斷分析模型，實(shí)現(xiàn)高壓水系統(tǒng)的智能化管理。其能夠?qū)λh(huán)單元進(jìn)行水量控制，通過(guò)分析水量的變化波動(dòng)，分析水循環(huán)中的過(guò)濾系統(tǒng)或噴嘴是否堵塞等；通過(guò)檢測(cè)水系統(tǒng)的壓力和水流量變化，分析高壓連接管和噴嘴是否工作正常等。

3.5 特種高壓清洗機(jī)器人生命周期健康監(jiān)測(cè)

特種高壓清洗機(jī)器人是多傳感器融合的智能化系統(tǒng)，其常工作在高溫高濕的環(huán)境，清洗打散的積垢也會(huì)常常附在設(shè)備上，設(shè)備的高速往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)也會(huì)造成如軸承、滑塊、噴嘴、高壓管、壓輪等成為需要定期更換的易損件，如不及時(shí)監(jiān)測(cè)和更換，會(huì)造成故障并影響生產(chǎn)。因此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)了設(shè)備生命周期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)清洗機(jī)器人的工作時(shí)間、清洗速度變化情況等綜合因素，指導(dǎo)用戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)、更換易損件等，確保設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。圖4所示為關(guān)鍵部件的工作壽命分析圖。

圖4 關(guān)鍵零部件的工作壽命分析

4 應(yīng)用情況

結(jié)合磁力、光電、視覺(jué)、溫濕度、壓力等傳感器，實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)融合，自主開(kāi)發(fā)了分布式多傳感器信息融合的特種高壓清洗機(jī)器人集群監(jiān)控系統(tǒng)，具有自檢測(cè)、自診斷，及在線工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)集群監(jiān)控功能，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基本設(shè)置、全自動(dòng)找孔、全自動(dòng)清洗、高壓水系統(tǒng)監(jiān)控、智能化等功能。實(shí)現(xiàn)了對(duì)單機(jī)多機(jī)高速視覺(jué)找孔監(jiān)管、全自動(dòng)清洗，并在清洗過(guò)程中可以根據(jù)不同的狀況調(diào)整不同的清洗策略，可遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷和維護(hù)，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)一體化管控、遠(yuǎn)程管控、無(wú)線端管控、智能管控的自動(dòng)清洗提供最佳的解決方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

高壓清洗的專業(yè)性比較強(qiáng)，需要根據(jù)不同的清洗情況調(diào)整不同的策略，不少企業(yè)高壓清洗使用者文化水平低，對(duì)哪種場(chǎng)景使用何種噴嘴經(jīng)驗(yàn)總結(jié)不足，造成清洗能耗高、清洗效果不好，研究人員下一步將研究一套高壓清洗策略庫(kù)，便于提升清洗品質(zhì)。