空冷島全自動(dòng)無人值守清洗機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

獨(dú)敬東

摘要：該文對(duì)直接空冷島全自動(dòng)無人值守清洗機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，并將研究成果成功應(yīng)用于電廠2X660MW空冷機(jī)組。運(yùn)行效果證明，本文研究設(shè)計(jì)的清洗機(jī)器人系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可靠性高，消除了原有空冷島清洗系統(tǒng)的技術(shù)安全隱患，使空冷島清洗真正意義上實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化和無人化，大大減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，完全杜絕了不安全事故的發(fā)生，提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：空冷島?????智能控制????清洗機(jī)器人????全自動(dòng)無人值守

中圖分類號(hào)：TP242???????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design?and?Research?of?the?Full-Automatic?Unattended?Cleaning?Robot?System?for

the?Air-Cooling?Island

DU?Jingdong

（Jinneng?Holding?Shanxi?TongHua?Electric?Power?Co.，Ltd.，?Xinzhou，Shanxi?Province，?034100?China）

Abstract：?This?paper?designs?and?studies?the?full-automatic?unattended?cleaning?robot?system?for?the?direct?air-cooling?island，?and?research?results?are?successfully?applied?to?the?2X660MW?air-cooling?unit?of?the?power?plant.?The?operation?effect?proves?that?the?cleaning?robot?system?studied?and?designed?in?this?paper?has?stable?performance?and?high?reliability，?eliminates?the?technical?hidden?safety?hazards?of?the?original?cleaning?system?for?the?air-cooled?island，?makes?the?cleaning?of?the?air-cooling?island?realize?the?automatic?and?unmanned?operation?of?the?equipment?in?the?true?sense，?greatly?reduces?the?labor?intensity?of?workers，?completely?eliminates?the?occurrence?of?unsafe?accidents，?and?improves?production?efficiency.

Key?Words：?Air-cooling?island;?Intelligent?control;?Cleaning?robot;?Full-automatic?unattended

直接空冷島在運(yùn)行過程中，由于自身原因會(huì)引發(fā)各種問題，其中空氣中漂浮的灰塵、柳絮等附著在空冷島的散熱器翅片上，阻礙其散熱及排氣、降低熱交換效率、影響發(fā)電效率就是最嚴(yán)重的問題之一，所以需要定期對(duì)散熱器翅片進(jìn)行清潔處理。常規(guī)的空冷島清洗系統(tǒng)為半自動(dòng)清洗設(shè)備，需要人工干預(yù)作業(yè)，靠人工拉動(dòng)高壓水管和電纜，使其達(dá)到清洗的目的。這種人工控制的方式不利于整個(gè)清洗工作，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力、清洗質(zhì)量差，而且高壓水管和電纜在拉動(dòng)的過程中易被磨損，甚至被拉斷而造成人身傷亡事故發(fā)生。直接空冷島全自動(dòng)無人化清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究成功真正意義上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和無人化值守，大大減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，完全杜絕了不安全事故的發(fā)生，提高了生產(chǎn)效率[1]。

1方案概述

該文通過對(duì)機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)及智能控制技術(shù)的設(shè)計(jì)研究，采用齒輪齒條傳動(dòng)增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)能力；靈活應(yīng)用柔性拖鏈隨動(dòng)裝置，避免了膠管和電纜在地面拖拽和人工拖動(dòng)；增加視頻監(jiān)控系統(tǒng)，方便集控室觀察設(shè)備運(yùn)行情況；增加遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，集控室一鍵遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)沖洗設(shè)備無人化全自動(dòng)運(yùn)行，徹底釋放人工，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示意圖如圖1所示。

2系統(tǒng)組成

全自動(dòng)無人化清洗機(jī)器人系統(tǒng)主要由以下七個(gè)部分組成：高壓水泵站、管路及閥門、清洗機(jī)器人桁架平臺(tái)、清洗機(jī)器人桁架平臺(tái)X軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、清洗機(jī)器人（清洗小車）、智能控制系統(tǒng)。

2.1高壓水泵站

高壓水泵站提供空冷島清洗機(jī)器人的高壓清洗水。高壓往復(fù)泵進(jìn)水口接自工廠除鹽水（除鹽水壓力要求0.2～0.4MPa）管路。由于高壓往復(fù)泵產(chǎn)生的是脈沖水流，如果不經(jīng)處理直接用于清洗，會(huì)對(duì)管路產(chǎn)生極大沖擊，所以在高壓往復(fù)泵出口安裝一臺(tái)緩沖器，使得出口高壓水能較平穩(wěn)地流動(dòng)。

2.2管路及閥門

管路包括母管系統(tǒng)、支管系統(tǒng)、膠管系統(tǒng)組成，管道的材質(zhì)一律為304不銹鋼，耐壓為15MPa。

2.3清洗機(jī)器人桁架平臺(tái)

清洗機(jī)器人桁架平臺(tái)主要由高強(qiáng)度鋁鎂合金桁架、支撐輪、傳感器、行程開關(guān)、清洗機(jī)器人Y軸驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌等組成，外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。清洗機(jī)器人桁架平臺(tái)每一面散熱器配備一臺(tái)；行程開關(guān)防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67，用于檢測(cè)桁架平臺(tái)到達(dá)兩端時(shí)自動(dòng)停止；傳感器主要用于檢測(cè)電機(jī)是否過載、桁架平臺(tái)是否卡住或形變，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)檢測(cè)并給遠(yuǎn)程及現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出報(bào)警；位置編碼器主要來檢測(cè)、記載清洗機(jī)器人桁架平臺(tái)X軸（水平）位移[2]。

2.4清洗機(jī)器人桁架平臺(tái)X軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

清洗機(jī)器人桁架平臺(tái)X軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)模式，清洗機(jī)器人桁架平臺(tái)的另一端驅(qū)動(dòng)采用隨動(dòng)滾輪。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包含M4齒條、安裝基板、齒輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和機(jī)構(gòu)、柔性拖鏈隨動(dòng)裝置，位置編碼器、行程開關(guān)等，外形結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3清洗機(jī)器人桁架平臺(tái)X軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

清洗機(jī)器人桁架平臺(tái)X軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)每一面散熱器配備一套；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由高性能步進(jìn)電機(jī)、位置編碼器、減速器、聯(lián)軸器、驅(qū)動(dòng)齒輪、安裝基座等組成，所有部件均為耐高溫、防氧化材料加工而成，系統(tǒng)防護(hù)等級(jí)極高，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以上下調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同模式下的清洗需求；行程開關(guān)防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67，用于檢測(cè)清洗平臺(tái)到達(dá)兩端時(shí)自動(dòng)停止；傳感器主要用于檢測(cè)電機(jī)是否過載、清洗機(jī)器人桁架平臺(tái)是否卡住或形變，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)檢測(cè)并給遠(yuǎn)程及現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出報(bào)警；位置編碼器主要來檢測(cè)、記載清洗機(jī)器人桁架平臺(tái)X軸水平位移。水平高壓膠管及控制電纜安裝在拖鏈中，拖鏈與清洗機(jī)器人桁架平臺(tái)隨動(dòng)，從而使得高壓膠管及電纜與清洗機(jī)器人桁架平臺(tái)同步隨動(dòng)而互不干涉，無需人工干預(yù)[3]。

2.5清洗機(jī)器人（清洗小車）

清洗機(jī)器人由Y軸豎直驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、清洗噴嘴框組件及托架組件、柔性拖鏈隨動(dòng)裝置、行程開關(guān)、齒形同步皮帶、快換插頭等組成，每個(gè)清洗機(jī)器人桁架平臺(tái)配備一套，外形結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

Y軸豎直驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由高性能異步電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、驅(qū)動(dòng)輪組件組成，異步電機(jī)額定功率為250W，最高耐受溫升可達(dá)180℃，具備防雨、防腐、耐高溫等特點(diǎn)。其他零部件也均由耐高溫、防氧化材料加工而成，系統(tǒng)防護(hù)等級(jí)極高；托架組件是Y軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與噴嘴之間的支架平臺(tái)，主要由皮帶張緊輪、支架、軸承組成，材料為不銹鋼加工而成，清洗噴嘴框組件主要由清洗框、噴嘴組成，每個(gè)清洗框布置上下兩排噴嘴，每排有6個(gè)噴嘴，共12個(gè)，噴嘴選用的是德國(guó)萊克勒專用清洗噴嘴，材質(zhì)為316不銹鋼，清洗水暮寬度大于70cm；行程開關(guān)防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67，用于檢測(cè)噴嘴及托架到達(dá)兩端時(shí)，自動(dòng)切換噴嘴向相反方向行走；齒形皮帶，與上下行走機(jī)構(gòu)配合，驅(qū)動(dòng)噴嘴及托架上下移動(dòng)，每個(gè)清洗機(jī)器人桁架平臺(tái)配備一條。高壓膠管及控制電纜安裝在拖鏈中，豎直隨動(dòng)由清洗機(jī)器人驅(qū)動(dòng)，保護(hù)管束翅片不受高壓膠管摩擦損壞，配合清洗機(jī)器人豎直驅(qū)動(dòng)[4]。

2.6智能控制系統(tǒng)

2.6.1就地控制箱

就地控制箱由箱體、PLC、變頻器、操作面板（含按鈕）、元器件、指示燈、接插件等組成，每一面配備一臺(tái)，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：就地控制清洗機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)與停止；清洗機(jī)器人X軸水平移動(dòng)、Y軸豎直移動(dòng)控制水泵啟動(dòng)和停止遠(yuǎn)程控制；遠(yuǎn)程/就地控制切換；故障提示及消除；遠(yuǎn)程控制及驅(qū)動(dòng)接口；人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示。

2.6.2遠(yuǎn)程控制柜

遠(yuǎn)程控制柜位于空冷島平臺(tái)下方電氣室，由控制模塊、通信模塊、電源、液晶顯示器、操作面板、指示燈、接插件等組成，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：系統(tǒng)的控制邏輯中樞、系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)；連接控制操作終端、變頻控制柜、就地控制箱、高壓清洗泵變頻控制柜之間的樞紐；清洗機(jī)器人桁架平臺(tái)和清洗機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制邏輯、狀態(tài)反饋的控制中心；高壓清洗水泵控制邏輯及狀態(tài)反饋控制中心；電動(dòng)閥門控制邏輯輸出及狀態(tài)反饋中心；清洗機(jī)器人桁架平臺(tái)和清洗機(jī)器人的移動(dòng)位置檢測(cè)；行程開關(guān)、壓力傳感器、流量傳感器、溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集中心；系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示；實(shí)現(xiàn)就地/遠(yuǎn)方控制的中樞；配合就地控制箱，系統(tǒng)所有控制信號(hào)經(jīng)就地控制箱接，通過集中DCS可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程所有啟動(dòng)、停止控制[5]。

2.6.3遠(yuǎn)程控制操作終端

遠(yuǎn)程控制操作終端位于中控室，獨(dú)立于電廠原有DCS系統(tǒng)，由工控機(jī)、自動(dòng)清洗控制組態(tài)軟件、通信系統(tǒng)、電源組成，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：設(shè)置系統(tǒng)控制方式和各種參數(shù)，如工作模式設(shè)置、清洗機(jī)器人桁架平臺(tái)及清洗機(jī)器人移動(dòng)速度及方向設(shè)置、清洗順序設(shè)置、清洗模式設(shè)置（精細(xì)或粗細(xì)）等，自定義清洗模式、局部精確定位清洗；遠(yuǎn)程控制高壓清洗水泵，設(shè)置水泵工作參數(shù)如壓力流量等；遠(yuǎn)程集中控制清洗機(jī)器人運(yùn)行，系統(tǒng)工作狀態(tài)反饋顯示；采集接收各種傳感器參數(shù)及各種工作狀態(tài)報(bào)警信息，以提示工作人員進(jìn)行相應(yīng)操作；接收溫度場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、機(jī)組運(yùn)行背壓數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)這些參數(shù)制定系統(tǒng)清洗策略，實(shí)現(xiàn)專家級(jí)精確定位清洗；接收視覺系統(tǒng)的圖像視頻，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；可實(shí)現(xiàn)設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，包括設(shè)備當(dāng)前清洗工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)動(dòng)畫顯示、清洗水壓和流量實(shí)時(shí)顯示等；可實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的遠(yuǎn)程控制，包括設(shè)備工作模式選擇、手動(dòng)定點(diǎn)/定速/定壓清洗等；可實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行的遠(yuǎn)程設(shè)置，包括清洗軌跡任意設(shè)定、清洗水壓力、清洗設(shè)備水平移動(dòng)速度、清洗設(shè)備垂直移動(dòng)速度等；可實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的智能化輔助功能，包括本周期清洗時(shí)長(zhǎng)計(jì)算、下次清洗周期時(shí)間預(yù)估、清洗水壓力&清洗速度的最優(yōu)計(jì)算、設(shè)備運(yùn)行故障分析等；可實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及統(tǒng)計(jì)分析，歷史數(shù)據(jù)包括設(shè)備運(yùn)行時(shí)間節(jié)點(diǎn)、清洗水壓、機(jī)組背壓、手動(dòng)操作動(dòng)作等，統(tǒng)計(jì)分析包括設(shè)備運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)、用水量計(jì)算等，還提供歷史曲線顯示和打印報(bào)表功能；可實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限及操作日志管理，包括指紋用戶登錄驗(yàn)證、用戶增刪改查、用戶登錄日志[6]。

3應(yīng)用案例

2022年初，我廠進(jìn)行了該清洗機(jī)器人的安裝，并測(cè)試運(yùn)行和清洗效果，測(cè)試效果對(duì)比如下。

3.1提高了工作效率，改善了工作條件

通過表1對(duì)比可知，設(shè)備安裝后大大提高了工作效率，大大減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，完全時(shí)間無人化自動(dòng)化值守，改善了沖洗工作人員的工作條件。

3.2經(jīng)濟(jì)效益明顯提高

通過表2對(duì)比可知，2022年5～9月份機(jī)組真空比2021年同期相比平均提高了1.980kPa，按照每KPa影響煤耗1.85g/kWh，每月單臺(tái)機(jī)組發(fā)電量2億kWh電量，每噸標(biāo)準(zhǔn)煤600元計(jì)算，共節(jié)約燃煤費(fèi)用約為1.85g/kWh×2億kWh×5個(gè)月×600元/噸=111萬元。

3.3機(jī)組運(yùn)行更加安全穩(wěn)定

本設(shè)備的安裝運(yùn)行，保證了整個(gè)夏季空冷島的沖洗效果，做到了空冷島散熱器翅片表面清潔，保證了潔凈度。在連續(xù)高溫天氣下，使機(jī)組穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、滿負(fù)荷運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期的目的。

4結(jié)語

空冷島全自動(dòng)無人值守清洗機(jī)器人系統(tǒng)采用齒輪齒條傳動(dòng)增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)能力；靈活應(yīng)用柔性拖鏈隨動(dòng)裝置，避免了膠管和電纜在地面拖拽和人工拖動(dòng)；增加視頻監(jiān)控系統(tǒng)，方便集控室觀察設(shè)備運(yùn)行情況；增加遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，集控室一鍵遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)沖洗設(shè)備無人化全自動(dòng)運(yùn)行，徹底釋放人工，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化。運(yùn)行效果證明，本清洗機(jī)器人系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可靠性高，消除了原有空冷島清洗系統(tǒng)的技術(shù)安全隱患，使空冷島清洗真正意義上實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化和無人化，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性對(duì)空冷技術(shù)的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

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