高爐風(fēng)口巡檢機(jī)器人智能化改造

劉 嘉

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司 安徽馬鞍山 243000）

鋼鐵冶金是國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展關(guān)系著中國經(jīng)濟(jì)命脈，受到社會層面專家學(xué)者的高度重視。 企業(yè)通過轉(zhuǎn)變觀念，借助大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)機(jī)器人等新興智能制造技術(shù)，對現(xiàn)有信息自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行智能改造和升級，來適應(yīng)發(fā)展的要求［1］。目前集中管控、遠(yuǎn)程運(yùn)維、專家系統(tǒng)、機(jī)器人及視覺識別、北斗導(dǎo)航、5G 技術(shù)等是我國高爐煉鐵智能制造的發(fā)展方向［2］。 沙鋼集團(tuán)有限公司煉鐵廠通過管控中心集中管控操作，實(shí)現(xiàn)了煉鐵資源整合，全力實(shí)現(xiàn)煉鐵“低成本、高效率、全智能、更安全”的目標(biāo)［3］。

某鋼廠高爐風(fēng)口區(qū)設(shè)備作為高爐系統(tǒng)中的重要部位，尤其是直吹管和風(fēng)口小套設(shè)備，承擔(dān)著向高爐輸送高壓熱風(fēng)、噴吹煤粉的重任，處于高爐安全生產(chǎn)的關(guān)鍵部位，是高爐安全生產(chǎn)的重要保證。及時(shí)掌握風(fēng)口平臺直吹管溫度變化趨勢、檢測煤氣泄漏及直吹管燒穿產(chǎn)生的巨大噪音，避免重大惡性事故的發(fā)生，是保證生產(chǎn)安全進(jìn)行的重要前提條件。 針對某煉鐵廠現(xiàn)場環(huán)境和工藝要求，高爐風(fēng)口平臺智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)是直吹管溫度自動(dòng)檢測設(shè)備的理想解決方案。

1 現(xiàn)狀

目前，某煉鐵廠針對高爐風(fēng)口平臺的各種設(shè)備檢測采用人工手持點(diǎn)溫儀巡檢方式。 針對直吹管與噴煤槍焊接處長期依賴工人目視檢測是否存在燒損（焊接處發(fā)紅），往往發(fā)現(xiàn)問題的時(shí)候情況已經(jīng)非常緊急，燒損情況而無法做到有效長期的追蹤管理。

由于長期承受高溫、腐蝕、熱疲勞、煤粉顆粒沖擊和高溫渣鐵的侵蝕，因而很容易導(dǎo)致直吹管燒紅、風(fēng)口破損等事故，如未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)口漏水輕者造成爐溫降低嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致爐涼、爐缸凍結(jié)等惡性事故。 直吹管燒穿更是會導(dǎo)致爐內(nèi)大量的熾熱焦炭堆滿爐臺、燒壞爐前設(shè)備，高爐被迫無計(jì)劃休風(fēng)，對高爐生產(chǎn)造成重大損失。

2 改造方案

通過在輪式巡檢機(jī)器人上搭載的紅外熱成像儀、煤氣檢測設(shè)備及異音檢測設(shè)備，可按預(yù)設(shè)軌跡對風(fēng)口進(jìn)行自動(dòng)巡檢，及時(shí)掌握風(fēng)口平臺直吹管溫度變化趨勢、檢測煤氣泄漏及直吹管燒穿產(chǎn)生的異常噪音，并利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)和專用分析軟件，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，以便及時(shí)了解和掌握設(shè)備使用過程的狀態(tài)。 這對避免重大惡性事故的發(fā)生，合理安排設(shè)備大修，保證高爐生產(chǎn)安全進(jìn)行，延長設(shè)備使用壽命具有重要意義。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)主要由由四舵輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體、中繼站、數(shù)據(jù)通訊設(shè)備、數(shù)據(jù)處理主機(jī)、顯示器、交換機(jī)、控制主機(jī)柜及配套附件等組成。 其中智能機(jī)器人包含紅外熱成像儀、圖像采集模塊、光源模塊、煤氣檢測模塊、聲音采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、自動(dòng)充電裝置和位置傳感器（定位導(dǎo)航模塊）等；中繼站包含數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、自動(dòng)充電設(shè)備、配電單元和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備等。 高爐直吹管溫度自動(dòng)檢測系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 高爐直吹管溫度自動(dòng)檢測系統(tǒng)示意圖

通過智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)，可定期或按需對直吹管、風(fēng)口、槍包及相關(guān)位置的高溫區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)巡檢。 智能機(jī)器人除了具有紅外熱成像測溫功能外、還需具有CO 濃度、異音檢測等功能。 采集的數(shù)據(jù)通過光纜輸送至高爐的電氣室處理主機(jī)，通過自主開發(fā)的數(shù)據(jù)處理和分析軟件對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和智能判斷，實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)存儲、分析及異常情況報(bào)警功能，避免重大惡性事故的發(fā)生，保證高爐生產(chǎn)順利進(jìn)行，為合理安排設(shè)備修理提供科技支撐。 同時(shí)，系統(tǒng)預(yù)留數(shù)據(jù)接口，可以將處理后的數(shù)據(jù)和圖像信息（包括報(bào)警截屏）輸送到煉鐵智能工廠平臺。

2.2 技術(shù)原理

高爐風(fēng)口智能巡檢機(jī)器人采用四舵輪驅(qū)動(dòng)底盤，機(jī)器人是據(jù)定位導(dǎo)航，沿預(yù)定的軌跡行走（環(huán)繞高爐風(fēng)口平臺四周），小車行走軌跡如示意圖見圖2。 機(jī)器人按照預(yù)設(shè)軌跡對風(fēng)口進(jìn)行自動(dòng)巡檢，及時(shí)掌握風(fēng)口平臺直吹管溫度變化趨勢、檢測煤氣泄漏及直吹管燒穿產(chǎn)生的巨大噪音，避免重大惡性事故的發(fā)生。 巡檢機(jī)器人采用SLAM 算法滿足建圖、定位、導(dǎo)航規(guī)劃、策略等功能需求，正確率不低于99.9%。 為保證巡檢機(jī)器人自動(dòng)充電需求，在現(xiàn)場設(shè)置自動(dòng)充電設(shè)備。

圖2 小車行走軌跡示意圖

系統(tǒng)基于紅外熱成像技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，利用設(shè)備外表溫度變化與設(shè)備內(nèi)部狀況的相關(guān)性，設(shè)備表面溫度越高，設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障或損壞越嚴(yán)重的原理，通過智能分析軟件對設(shè)備表面溫度數(shù)據(jù)、煤氣濃度以及噪聲異常數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理。 并能及時(shí)掌握風(fēng)口平臺直吹管溫度變化趨勢、檢測煤氣泄漏及直吹管燒穿產(chǎn)生的巨大噪音，快速確定設(shè)備故障部位，防止發(fā)生重大的生產(chǎn)安全事故，延長設(shè)備使用壽命，保證高爐生產(chǎn)順利進(jìn)行。

2.3 功能實(shí)現(xiàn)

巡檢機(jī)器人通過采用四舵輪驅(qū)動(dòng)底盤系統(tǒng)，可以前進(jìn)、后退、平移、原地轉(zhuǎn)向。 為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)使用機(jī)器視覺形式的導(dǎo)航方式，根據(jù)地圖確定檢測點(diǎn)位，在高爐現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。

圖3 現(xiàn)場送風(fēng)系統(tǒng)圖

2.3.1 對溫度的檢測和存儲

1）對直吹管溫度的檢測和存儲。

通過擴(kuò)大機(jī)器人巡檢時(shí)的轉(zhuǎn)向角度，極大的縮短了送風(fēng)支管系統(tǒng)的測溫死角，自動(dòng)檢測、存儲直吹管及底部的最高溫度與平均溫度。 根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，考慮到耐材的受熱能力，設(shè)置溫度閾值為300℃，報(bào)警溫度為305℃，當(dāng)超過設(shè)定溫度閾值后，系統(tǒng)自動(dòng)語音報(bào)警。 報(bào)警后，工人立即到現(xiàn)場通過手工持槍測溫復(fù)查，進(jìn)行消缺。

圖4 直吹管可見光照片和紅外照片

2）對波紋管溫度的檢測和存儲。

對波紋管的正面及側(cè)面進(jìn)行溫度檢測，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，考慮到耐材的受熱能力，設(shè)置溫度閾值為300℃，報(bào)警溫度為305℃，當(dāng)系統(tǒng)識別到風(fēng)口平臺溫度超閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)語音報(bào)警，并能自動(dòng)保存溫度異常圖像。 報(bào)警后，工人立即到現(xiàn)場通過手工持槍測溫復(fù)查，進(jìn)行消缺。

3）對槍道相關(guān)位置溫度的檢測和存儲。

由于噴煤支管及槍道耐材的特殊性，壁厚較薄，設(shè)置溫度閾值為280℃，當(dāng)超過設(shè)定溫度閾值后，系統(tǒng)自動(dòng)語音報(bào)警。 報(bào)警后，工人立即到現(xiàn)場通過手工持槍測溫復(fù)查，進(jìn)行消缺。

圖5 槍道可見光照片和紅外照片

2.3.2 對CO 濃度的檢測和存儲

能自動(dòng)檢測和存儲風(fēng)口平臺煤氣檢測數(shù)據(jù)。當(dāng)超過煤氣濃度設(shè)定閾值24 ppm，系統(tǒng)可自動(dòng)報(bào)警。

2.3.3 對聲音的檢測和存儲

自動(dòng)檢測和存儲風(fēng)口平臺聲音檢測數(shù)據(jù)。 當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)跑風(fēng)的情況下，現(xiàn)場就會發(fā)出異響，聲音的檢測數(shù)據(jù)同步傳送到智能平臺上。

通過歷史數(shù)據(jù)查詢功能，能查詢?nèi)我鈺r(shí)間段內(nèi)溫度、聲音、煤氣濃度以及溫度異常直吹管及風(fēng)口底部的狀態(tài)圖片，具有導(dǎo)出全部數(shù)據(jù)或者分別導(dǎo)出某單一數(shù)據(jù)等功能。 相關(guān)音、視頻和數(shù)據(jù)信息可在煉鐵智能化系統(tǒng)中顯示。 顯示歷史趨勢圖，可根據(jù)大數(shù)據(jù)，得到不同時(shí)間的溫度、聲音、煤氣濃度變化趨勢。

為了保證巡檢機(jī)器人在復(fù)雜工況下工作的穩(wěn)定性，避免單詞巡檢時(shí)間過長，確定了4 小時(shí)巡檢兩次的頻次。 一次巡檢完成后，機(jī)器人自動(dòng)回到充電房進(jìn)行充電，充電房配置空調(diào)設(shè)備，充電同時(shí)達(dá)到冷卻效果。

3 應(yīng)用效果

通過智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，可定期或按需對直吹管、風(fēng)口、槍道等位置的高溫區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)巡檢，實(shí)現(xiàn)了無死角測溫，消除了人力點(diǎn)式測溫的盲區(qū)。

該鐵總廠對每一座高爐配置一臺風(fēng)口智能巡檢機(jī)器人，此次共改造三臺智能巡檢機(jī)器人，投用后可以消除高爐爐體現(xiàn)場作業(yè)點(diǎn)3 個(gè)，改造前無人化指數(shù)為29.78%，改造后無人化指數(shù)為30.43%，提升無人化指數(shù)0.65%。

可以讓職工遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，真正做到了源頭上的本質(zhì)安全。

可通過有效的數(shù)據(jù)采集和分析，有效量化檢測結(jié)果，對設(shè)備狀況提供有指導(dǎo)性的數(shù)據(jù)依據(jù)。 當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)立即自動(dòng)報(bào)警，防止事故的發(fā)生，為高爐長周期穩(wěn)定高效生產(chǎn)提供了有力保障。

圖6 效果圖

4 結(jié)語

高爐風(fēng)口智能巡檢機(jī)器人，是基于紅外熱成像技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)研發(fā)的人工智能產(chǎn)品。 隨著技術(shù)的進(jìn)步，采用信息化手段、智能化裝備來代替人工作業(yè)是未來趨勢，滿足了工廠信息化和智慧制造的要求。