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        掛軌巡檢機(jī)器人在風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)的應(yīng)用

        2022-11-10 00:18:20陳珍CHENZhen劉積喜LIUJixi冼小強(qiáng)XIANXiaoqiang甘楊成GANYangcheng徐光平XUGuangping馮冰FENGBing楊文明YANGWenming
        價(jià)值工程 2022年30期
        關(guān)鍵詞:設(shè)備檢測系統(tǒng)

        陳珍CHEN Zhen;劉積喜LIU Ji-xi;冼小強(qiáng)XIAN Xiao-qiang;甘楊成GAN Yang-cheng;徐光平XU Guang-ping;馮冰FENG Bing;楊文明YANG Wen-ming

        (①廣東粵電陽江海上風(fēng)電有限公司,陽江 529800;②北京中安吉泰科技有限公司,北京 100000)

        0 引言

        風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源,對緩解能源危機(jī)和減少碳排放總量有著重要作用,是清潔能源體系的核心組成部分,是我國實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)的重要能源形式,近年來受到越來越多的重視。風(fēng)電機(jī)組作為將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的核心裝備,其安全高效的運(yùn)行是風(fēng)電能源供應(yīng)的有力保障。而風(fēng)電機(jī)艙作為承載風(fēng)電機(jī)組的核心關(guān)鍵部件的地方,其內(nèi)部設(shè)備、參數(shù)是否正常運(yùn)行,對風(fēng)電機(jī)組的可靠穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

        目前,針對風(fēng)電機(jī)艙內(nèi)巡檢作業(yè)只有采用人工方式,即按照既定的巡檢計(jì)劃,檢修人員定期爬到機(jī)艙內(nèi)部,對機(jī)艙的內(nèi)部情況、各項(xiàng)參數(shù)等做檢查。由于風(fēng)電場建設(shè)的位置多在偏遠(yuǎn)山區(qū)、海上等交通不便的地方,尤其是海上風(fēng)場,做一次巡檢成本較高,當(dāng)風(fēng)機(jī)在保修期內(nèi)時(shí),其巡檢工作是由設(shè)備廠商承擔(dān),但是當(dāng)設(shè)備出保,巡檢工作將交給風(fēng)場自己完成,將面臨成本高、頻次低、實(shí)時(shí)性差、工人安全保障等問題,因此亟需采用新型的自動化、智能化的方式,在提高巡檢實(shí)時(shí)性的同時(shí),實(shí)現(xiàn)低成本、安全、高效、可靠的機(jī)艙巡檢。

        機(jī)艙內(nèi)巡檢內(nèi)容內(nèi)容包括發(fā)電機(jī)、主軸、齒輪箱等設(shè)備是否正常運(yùn)轉(zhuǎn),檢查儀表讀數(shù),設(shè)備是否報(bào)警,是否有異響、高溫、跑冒滴漏等現(xiàn)象,并對設(shè)備的關(guān)鍵部位進(jìn)行檢查。針對前述巡檢工作存在的問題,經(jīng)我方充分調(diào)研論證,研制適合在風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)運(yùn)行,搭載攝像頭、云臺、升降桿、傳感器等設(shè)備的掛軌巡檢機(jī)器人,結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù),滿足關(guān)鍵巡檢要求。

        1 機(jī)器人介紹

        風(fēng)電機(jī)艙巡檢機(jī)器人系統(tǒng)是在風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)部懸掛軌道,機(jī)器人運(yùn)行在軌道之上,自動完成指定巡檢任務(wù),對檢查點(diǎn)按照預(yù)設(shè)的檢查方式獲取檢查數(shù)據(jù),并將結(jié)果存入軟件系統(tǒng),通過軟件系統(tǒng)的可視化模塊展示。該系統(tǒng)包含機(jī)器人本體和軟件系統(tǒng)兩部分,具備核心能力如下:

        ①全方位多通道聯(lián)合檢測:除傳統(tǒng)的紅外測溫、可見光檢測外,有害氣體泄漏成像檢測、紅外成像檢測、振動檢測、異響分析等全方位多通道聯(lián)合檢測方式,將狀態(tài)檢(監(jiān))測的技術(shù)水平提高到了一個新的高度。

        ②全方位運(yùn)動系統(tǒng):機(jī)器人可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件,采用激光導(dǎo)航或其他導(dǎo)航方式,可以沿既有路徑前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向,具備超聲避障功能,也可以根據(jù)設(shè)備檢測角度自助升降云臺,使檢測更加靈活、更加方便、更加準(zhǔn)確。

        ③全實(shí)時(shí)通信傳輸系統(tǒng):機(jī)器人采用了MESH無縫漫游通信系統(tǒng),將機(jī)器人檢測的各類數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回基站,并實(shí)時(shí)交由大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。作為該系統(tǒng)的通訊備份,裝換車載工控可在無縫漫游通訊系統(tǒng)的情況下確保機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行。

        ④可視化實(shí)時(shí)監(jiān)測:基于數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)及三維模型等技術(shù)構(gòu)建的實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測系統(tǒng),能夠在三維模型中看到機(jī)器人當(dāng)前的位置,檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)等信息。

        ⑤智能識別:通過搭載的可見光攝像頭,結(jié)合智能識別模型,機(jī)器人具備多種識別分析能力,包括表計(jì)識別、跑冒滴漏識別、異響分析等。

        ⑥大數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng):巡檢機(jī)器人有強(qiáng)大的后臺大數(shù)據(jù)平臺支持?;敬髷?shù)據(jù)平臺將獲取的經(jīng)模式識別后的數(shù)據(jù)及其它設(shè)備的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析后,生成實(shí)時(shí)檢測分析報(bào)告,同時(shí)發(fā)至上級大數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行進(jìn)一步綜合分析。

        ⑦全系統(tǒng)靈活配置:由于采用了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸及定位技術(shù),云臺可以不受預(yù)置位數(shù)量限制,達(dá)到一機(jī)多點(diǎn)檢測,一次巡檢完成對多個檢測點(diǎn)的檢查。

        ⑧多維感知識別系統(tǒng):無論是SF6氣體泄漏成像檢測、紫外成像檢測、紅外成像檢測還是可見光檢測,其視頻數(shù)據(jù)模式識別后,均可穩(wěn)定地獲得相應(yīng)的故障告警值和視頻以及所測設(shè)備的對應(yīng)信息。

        2 機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        掛軌式智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人本體,軌道系統(tǒng),供電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)溝通。

        2.1 機(jī)器人本體

        根據(jù)掛軌式智能巡檢機(jī)器人的主要功能,把硬件結(jié)構(gòu)劃分為如下幾部分:運(yùn)動模塊、控制模塊、視頻監(jiān)控模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊(如圖1、圖2所示)。

        2.1.1 運(yùn)動模塊

        機(jī)器人安裝有滑輪,嵌入工字型軌道兩側(cè),滑輪分為驅(qū)動輪和導(dǎo)向輪,前者與電機(jī)連接具有一定的摩擦力,在電機(jī)驅(qū)動下帶動機(jī)器人在軌道上運(yùn)動,后者則起到轉(zhuǎn)向作用,在遇到彎軌時(shí)帶動機(jī)器人轉(zhuǎn)向。

        2.1.2 控制模塊

        機(jī)器人內(nèi)置芯片,具有內(nèi)存、cpu和磁盤等子部件以及各種接口,安裝操作系統(tǒng)以及下位機(jī)控制平臺程序,與機(jī)器人上的傳感器、運(yùn)動系統(tǒng)、云臺、攝像頭等設(shè)備通信,獲取、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),接收并下發(fā)機(jī)器人控制指令。

        2.1.3 視頻監(jiān)控模塊

        視頻監(jiān)控模塊由四部分組成,包括高清可見光相機(jī)、紅外相機(jī)、云臺和升降桿??梢姽庀鄼C(jī)、紅外相機(jī)安裝在云臺上,與升降桿連接,在升降桿電機(jī)的帶動下上下移動,便于監(jiān)控人員查看機(jī)艙內(nèi)較低位置的情況,云臺則提供攝像頭水平和垂直方向轉(zhuǎn)動的能力,從各個角度觀察機(jī)艙內(nèi)。

        ①高清可見光相機(jī)。

        用于在巡檢過程中拍攝實(shí)時(shí)視頻和巡檢點(diǎn)照片。高清攝像機(jī)結(jié)構(gòu)大致可分為三部分:光學(xué)系統(tǒng)(鏡頭)、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(CCD或者CMOS)以及電路系統(tǒng)(視頻處理電路)。攝像機(jī)的工作原理是“光→電→磁→電→光”的轉(zhuǎn)換過程。另外,高清攝像機(jī)帶補(bǔ)光燈,用于光線不足環(huán)境下補(bǔ)光,拍攝清晰視頻圖像。補(bǔ)光燈是由紅外發(fā)光二極管矩陣組成。它的工作原理是通過外加正向偏壓向PN結(jié)注入電流激發(fā)紅外光。

        ②紅外熱像儀。

        用于在巡檢過程中,檢測被巡檢設(shè)備的溫度。它的原理是通過紅外探測器、光學(xué)成像物鏡來接受被測物體的紅外輻射能量。由探測器將紅外輻射能量轉(zhuǎn)換成電信號,成像裝置的輸出電信號,經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換得到與被測物體表面熱分布相應(yīng)的熱像圖。

        ③云臺。

        安裝、固定攝像機(jī)的支撐設(shè)備,可以進(jìn)行水平和垂直兩個方向轉(zhuǎn)動。它的工作原理是云臺內(nèi)部裝載了兩個電動機(jī),一個負(fù)責(zé)水平方向的轉(zhuǎn)動,另一個負(fù)責(zé)垂直方向的轉(zhuǎn)動。該云臺垂直旋轉(zhuǎn)角度為±90°,水平旋轉(zhuǎn)角度為0~360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

        ④升降桿。

        一端伸出機(jī)器人外殼與連接云臺,一端在機(jī)器人外殼內(nèi)與電機(jī)相連,帶有限位開關(guān),在升降桿運(yùn)動到某個特定位置時(shí)會停止運(yùn)動,防止升降桿滑落,超出運(yùn)動范圍。

        2.1.4 實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊

        機(jī)器人內(nèi)部具備擴(kuò)展能力,為適應(yīng)實(shí)際場景可搭載各種傳感器或者設(shè)備,目前搭載可見光相機(jī)、紅外相機(jī)、溫濕度傳感器、氣體等傳感器、拾音器等設(shè)備,實(shí)時(shí)感知機(jī)艙內(nèi)的情況,并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳至后臺服務(wù)器。

        掛軌機(jī)器人本身是一個以掛軌方式運(yùn)行的基礎(chǔ)平臺,內(nèi)部具備眾多擴(kuò)展接口,可以根據(jù)實(shí)際場景的需要增加擴(kuò)展監(jiān)測模塊,常見擴(kuò)展模塊如表1所示。

        表1 檢測模塊及說明

        2.2 軌道系統(tǒng)

        軌道雖然不是機(jī)器人本體的一部分,但是與運(yùn)動系統(tǒng)緊密相關(guān),為適應(yīng)運(yùn)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場景而設(shè)計(jì)。采用添加了特殊金屬的鋁合金材質(zhì),質(zhì)量輕,強(qiáng)度高,制作成工字型結(jié)構(gòu),兩側(cè)內(nèi)凹的設(shè)計(jì)便于掛載機(jī)器人,供機(jī)器人滑輪行走,軌道的四個角采用凹槽結(jié)構(gòu),可將高強(qiáng)度的滑塊放入其中,用于拼接軌道和懸掛。軌道的掛載采用L型連接板連接軌道和掛載點(diǎn),在凹槽內(nèi)放置帶孔的滑塊,連接板短的部分用螺絲與軌道內(nèi)的滑塊連接,長的部分使用長螺栓固定在風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)部加強(qiáng)筋或者吊點(diǎn)位置。示意圖如圖3所示。

        軌道拼接時(shí),將滑塊從軌道一端塞入,移動至連接部位,使用一字型連接板與滑塊孔位置一一對應(yīng),再用螺絲擰緊,完成拼接。如圖4所示。

        2.3 供電系統(tǒng)

        機(jī)器人的電力來自機(jī)艙電控柜的電源。考慮到機(jī)艙內(nèi)空間狹窄,運(yùn)行距離很短,機(jī)器人采用滑觸線方式供電,可以減輕機(jī)器人的重量,無需安裝充電裝置。整個供電模塊分為三部分,配電箱、滑觸線和機(jī)器人本體的接電裝置。

        ①配電箱。配電箱安裝在機(jī)艙電控柜旁邊,從電控柜空開處接電源線,與內(nèi)置220V電源連接。

        ②滑觸線。使用納米膠貼在軌道內(nèi)側(cè),使用耐高溫的材料制作,帶正負(fù)極兩個槽,配電箱接出來的電源線與正負(fù)極相連,實(shí)現(xiàn)供電。

        ③接電裝置。接電裝置安裝在在機(jī)器人頂部,有兩個電刷卡在滑觸線正負(fù)極上,保證機(jī)器人在各種姿態(tài)下都可以與滑觸線接觸,電刷與控制模塊相連,為其他設(shè)備供電。

        2.4 通信系統(tǒng)

        通信模塊由交換機(jī)、滑觸線及載波通信板組成,通過塔基柜連入風(fēng)場網(wǎng)絡(luò)。

        ①交換機(jī)。交換機(jī)安裝在配電箱內(nèi),與塔基柜的網(wǎng)線相連,接出一根網(wǎng)線連接到載波通信板上。

        ②滑觸線?;|線除了為機(jī)器人供電外,還是通信信號傳輸?shù)闹饕ǖ馈?/p>

        ③載波通信板。主要作用是利用電源線傳輸信號進(jìn)行通信。機(jī)器人系統(tǒng)有兩塊載波通信板,一塊安裝在配電箱里,使用電源線與滑觸線連接,做電信號、通信信號互相轉(zhuǎn)換;另一塊安裝在機(jī)器人里。

        3 機(jī)器人軟件系統(tǒng)

        除了機(jī)器人相關(guān)硬件系統(tǒng)外,加入人工智能、大數(shù)據(jù)據(jù)技術(shù)。

        3.1 軟件架構(gòu)

        機(jī)器人軟件系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖5所示。

        ①設(shè)備端。由機(jī)器人系統(tǒng)和智能設(shè)備組成。在機(jī)器人系統(tǒng)中掛載視頻傳感器、紅外傳感器、超聲監(jiān)測傳感器等智能設(shè)備。

        ②邊緣端??膳渲貌煌瑓f(xié)議和通訊接口連接巡檢機(jī)器人。除實(shí)現(xiàn)檢修機(jī)器人的任務(wù)下達(dá)及業(yè)務(wù)監(jiān)控以外,還將巡檢數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)同步到云端應(yīng)用中。提供強(qiáng)大的應(yīng)用集成、測試、管理、控制和分發(fā)的能力。邊緣服務(wù)器通過與機(jī)器人接口進(jìn)行連接,可在前端顯示機(jī)器人控制的環(huán)境,檢測信息等。并把機(jī)器人的測試數(shù)據(jù)、機(jī)器人環(huán)境數(shù)據(jù)、指標(biāo)告警數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、日志數(shù)據(jù)等上報(bào)給云監(jiān)管應(yīng)用中。

        ③云端。機(jī)器人云應(yīng)用層又分為五層,分別為數(shù)據(jù)接入層、大數(shù)據(jù)存儲層、大數(shù)據(jù)計(jì)算層、服務(wù)層和應(yīng)用功能層。

        1)數(shù)據(jù)接入層:解決數(shù)據(jù)接入的問題,接收從邊緣端傳輸上來的數(shù)據(jù),然后將數(shù)據(jù)存儲在存儲層。

        2)大數(shù)據(jù)存儲層,從邊緣節(jié)點(diǎn)上傳上來的數(shù)據(jù)分為四種形態(tài),分別為傳感時(shí)序數(shù)據(jù)(例如:檢測環(huán)境信息,溫濕度數(shù)據(jù)等),關(guān)系型數(shù)據(jù)(例如:設(shè)備臺賬信息),分布式文件存儲數(shù)據(jù)庫(存儲視頻、圖片等信息)。

        3)數(shù)據(jù)計(jì)算層:核心層提供了離線和實(shí)時(shí)指標(biāo)計(jì)算平臺,支持通過配置化方式實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的定義和配置,實(shí)現(xiàn)零代碼方式進(jìn)行規(guī)則指標(biāo)計(jì)算,同時(shí)支持人工智能分析平臺,提供分類、回歸、聚合、圖像識別等人工智能算法,可以為大數(shù)據(jù)的深入分析提供基礎(chǔ)。

        4)服務(wù)層提供了大數(shù)據(jù)查詢服務(wù)、可視化分析服務(wù)等能力,為業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)提供核心能力。

        5)應(yīng)用功能層:提供對巡檢機(jī)器人本體的控制及傳感器的監(jiān)測功能,機(jī)器人的配置管理、故障預(yù)警、監(jiān)控看板、管理駕駛艙等功能模塊。

        3.2 軟件功能

        風(fēng)電機(jī)艙巡檢系統(tǒng)機(jī)器人軟件系統(tǒng)功能模塊具體包括如下內(nèi)容:

        ①巡檢任務(wù)管理:支持手動、自動巡檢任務(wù)模式,通過編排檢查點(diǎn)以及檢查點(diǎn)執(zhí)行的操作,定制、管理自動任務(wù),同時(shí)具備對巡檢結(jié)果的多維度查詢統(tǒng)計(jì)分析功能;

        ②實(shí)時(shí)監(jiān)控:基于數(shù)字孿生、三維模型、大數(shù)據(jù)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人、機(jī)艙狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控,幫助用戶清晰、直觀展示風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況;

        ③智能模型:內(nèi)置表計(jì)識別、跑冒滴漏檢測等滿足機(jī)艙內(nèi)部巡檢要求的人工智能模型,實(shí)現(xiàn)對機(jī)艙內(nèi)部情況實(shí)時(shí)監(jiān)控,實(shí)時(shí)報(bào)警;

        ④遠(yuǎn)程遙控功能:通過系統(tǒng)提供的web操控界面,實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制,包括機(jī)器人啟停、云臺位置控制等;

        ⑤管理駕駛艙:通過風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)采集到的巡檢結(jié)果數(shù)據(jù)及風(fēng)機(jī)自身的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù),經(jīng)匯總加工,以可視化方式動態(tài)展示,便于用戶實(shí)時(shí)掌握風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況。

        4 結(jié)語

        通過對基于數(shù)字孿生的風(fēng)機(jī)可視化智能巡檢系統(tǒng)的研究,搭建了風(fēng)機(jī)三維模型,利用數(shù)字孿生技術(shù),將風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)的傳感數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到模型中,實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)巡檢的自動化、數(shù)字化、可視化;利用機(jī)器人搭載環(huán)境監(jiān)測、振動、溫度、聲音、氣體等各類傳感器、可見光及紅外相機(jī)等設(shè)備,實(shí)時(shí)獲取機(jī)艙內(nèi)的設(shè)備、環(huán)境、音視頻等數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控;結(jié)合人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基于視頻的智能模型,配合機(jī)器人的可見光相機(jī),使得機(jī)器人具備了進(jìn)行表計(jì)識別、人員行為分析等高級巡檢任務(wù)的能力。綜上所述,該系統(tǒng)能夠?yàn)轱L(fēng)機(jī)巡檢工作提供新的思路,使得風(fēng)機(jī)運(yùn)維向無人化、智能化邁進(jìn)了一大步。

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