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)逐漸替代會污染環(huán)境的化學(xué)清洗，在制糖、酒精、氧化鋁等行業(yè)開始廣泛應(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)場培訓(xùn)需要投入大量的人力物力，且只能達(dá)到簡單的應(yīng)用效果，有些流程性工廠還遇到崗位經(jīng)常變動的情況，這些問題的存在制約了設(shè)備性能的發(fā)揮和推廣，更嚴(yán)重者由于操作者對設(shè)備的不熟悉，在設(shè)備發(fā)生故障時不能夠快速排查故障并解決問題，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，并對機(jī)器人進(jìn)行健康監(jiān)測研究，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平臺式或關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，其中XY平臺式特種高壓清洗機(jī)器人由XY運(yùn)動平臺、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)庫技術(shù)記錄和優(yōu)化清洗路徑，通過上位機(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、旋轉(zhuǎn)、換區(qū)和定位，以帶動高壓水槍至所需清洗列管，并準(zhǔn)確帶動高壓水槍往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對列管的清洗除垢作業(yè)。

圖1 XY平臺式特種高壓清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)

圖2 XY平臺式特種高壓清洗機(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。系統(tǒng)設(shè)計需重點(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，同時開發(fā)具備一鍵啟動，一鍵復(fù)位等智能化功能簡易版操作系統(tǒng)。

同時，酒精、氧化鋁行業(yè)因?yàn)闆]有進(jìn)行冗余設(shè)計，對高壓清洗作業(yè)的時效性要求很高，往往需要控制多臺機(jī)器人設(shè)備同時作業(yè)，因此集群監(jiān)控系統(tǒng)還需具備自動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)計時，需根據(jù)客戶的清洗時間速度來配置多臺清洗機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，同時通過傳感器來檢測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和對故障進(jìn)行智能診斷，并設(shè)計設(shè)備生命周期監(jiān)測系統(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)清洗長度、清洗速度、雙系統(tǒng)作業(yè)的安全距離、檢測清洗長度脈沖信號等。在對一個罐體進(jìn)行清洗時，通過調(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)化清洗時間，提高清洗效率，同時系統(tǒng)自動記錄其罐體的最優(yōu)清洗參數(shù)并進(jìn)行固化，實(shí)現(xiàn)“一鍵開機(jī)”，減少人為干擾。

3.2 實(shí)現(xiàn)對特種高壓清洗機(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)可通過采集伺服電機(jī)的主電機(jī)電流、過載率、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)狀況對應(yīng)傳感器的狀態(tài)聯(lián)系起來，將清洗狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字化，并結(jié)合對應(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“行程檢測開關(guān)+編碼器+合理清洗周期”檢測加熱管是否堵塞為例。在實(shí)際使用過程中，由于生產(chǎn)工藝的波動或清洗不及時，會造成加熱管積垢積累較多，形成堵塞，在面對半堵塞孔時，若特種高壓清洗機(jī)器人不設(shè)置感知程序，其往往會造成高壓噴嘴卡在半堵塞的加熱管里，更嚴(yán)重時需要停機(jī)處理，每次處理時間在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）+行程檢測開關(guān)輸出信號頻率+單管清洗時間”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，此時檢測開關(guān)對應(yīng)輸出脈沖信號頻率是600 Hz，行程檢測開關(guān)低于預(yù)測頻率的1/2即300 Hz，即可判斷加熱管堵塞。同時系統(tǒng)設(shè)置了兩種策略處理半堵塞孔的清洗。

（1）若清洗時間充足，檢測到堵塞后系統(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）若清洗時間緊張，記錄該堵塞目標(biāo)，立即移動到下一目標(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)通常由簡易水箱和泵組成，需要派駐專門的人員時刻關(guān)注設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如有沒有水，泵壓力是否下降等，人工作業(yè)環(huán)境惡劣，效率低，時常出現(xiàn)因?yàn)閷Ω邏核到y(tǒng)監(jiān)控和處置不及時，清洗效果差等情況。為了改變這種情況，本文設(shè)計了一套智能化程度比較高的高壓水系統(tǒng)，通過PLC實(shí)時采集水量、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，通過分析水量的變化波動，分析水循環(huán)中的過濾系統(tǒng)或噴嘴是否堵塞等；通過檢測水系統(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

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常常附在設(shè)備上，設(shè)備的高速往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)也會造成如軸承、滑塊、噴嘴、高壓管、壓輪等成為需要定期更換的易損件，如不及時監(jiān)測和更換，會造成故障并影響生產(chǎn)。因此，項(xiàng)目團(tuán)隊研發(fā)了設(shè)備生命周期健康監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)清洗機(jī)器人的工作時間、清洗速度變化情況等綜合因素，指導(dǎo)用戶對設(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、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、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、全自動找孔、全自動清洗、高壓水系統(tǒng)監(jiān)控、智能化等功能。實(shí)現(xiàn)了對單機(jī)多機(jī)高速視覺找孔監(jiān)管、全自動清洗，并在清洗過程中可以根據(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、無線端管控、智能管控的自動清洗提供最佳的解決方案。

5 結(jié)束語

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，對哪種場景使用何種噴嘴經(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，便于提升清洗品質(zhì)。