焦建俊，李 通，武文斌，劉曉貌，李 冰

（1.大唐保定供熱有限責任公司，河北 保定 071000；2.華北電力大學(xué) 自動化系，河北 保定 071000）

受國家環(huán)保、民生等宏觀政策的影響，近年來集中供熱行業(yè)快速發(fā)展，熱力企業(yè)供熱規(guī)模不斷擴大，整體供熱負荷持續(xù)增加，供熱管網(wǎng)愈加復(fù)雜，大型供熱管網(wǎng)或超大型供熱管網(wǎng)正在日趨形成[1]。隨著管網(wǎng)運行年限的增加，管網(wǎng)運行環(huán)境復(fù)雜多變，各種管網(wǎng)泄漏事故日益增多，如焊縫開裂、管道腐蝕泄漏及閥門破損等。在造成經(jīng)濟損失的同時，更是對民生供熱穩(wěn)定構(gòu)成較大威脅，管網(wǎng)尤其是一次主管網(wǎng)的安全可靠成為不容忽視的問題[2-4]。在熱力管道運維過程中，熱力管道的泄漏點封堵是熱力管道維護中非常關(guān)鍵的問題，目前全部采用人工加裝密封夾具方式進行堵漏處理，工作環(huán)境惡劣，人身危害較大[5]。熱力管道的人工堵漏作業(yè)方式如圖1 所示。

圖1 熱力管道的人工堵漏作業(yè)

為了提升搶險效率、減少現(xiàn)場泄漏造成的人身傷害，設(shè)計了專門用于夾具安裝的在線堵漏機器人代替人工完成堵漏工作。通過利用可編程邏輯控制器（PLC）作為主控制器，以在線堵漏機器人控制過程為研究對象，設(shè)計了在線堵漏機器人的控制系統(tǒng)，作業(yè)技術(shù)人員通過遙控裝置控制履帶式底盤將機器人移動到待維修漏點附近，將夾具固定在機械臂末端，通過遙控裝置將夾具安裝在漏點管道上，抑制漏點高壓高溫熱水噴射，后續(xù)人工進行緊固，實現(xiàn)對漏點的維修。

1 在線堵漏機器人總體分析

1.1 在線堵漏機器人整體框架

以在線堵漏機器人為研究對象，其整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。通過對一臺小型挖掘機進行改造，設(shè)計了專門用于夾具夾緊的機械臂末端執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)對夾具的夾緊操作。在線堵漏檢修機器人的底盤采用履帶式結(jié)構(gòu)，將堵漏夾緊末端通過機械臂安裝在底盤上。在線堵漏機器人控制主要包括行走控制、回轉(zhuǎn)控制、機械臂操控、夾緊末端控制和電氣控制系統(tǒng)等。其中機械臂控制主要包括大臂控制、小臂控制、末端垂直偏轉(zhuǎn)控制、末端水平偏轉(zhuǎn)控制及夾具夾緊控制，采用液壓方式實現(xiàn)上述控制的動作[6-7]。大臂控制和小臂控制主要用于對夾緊末端位置進行粗調(diào)，末端垂直偏轉(zhuǎn)與水平偏轉(zhuǎn)用于對夾緊末端位置進行細調(diào)。夾緊裝置一端夾具固定，另一端夾具采用液壓推桿方式實現(xiàn)夾具在堵漏過程中的夾緊操作。

圖2 在線堵漏機器人整體結(jié)構(gòu)

1.2 在線堵漏機器人功能需求與指標

在線堵漏機器人主要用于熱力管道在發(fā)生泄漏時通過技術(shù)人員遠程操控，實現(xiàn)帶壓堵漏，其主要功能需求為：①能夠適應(yīng)現(xiàn)場惡劣環(huán)境；②能夠?qū)崿F(xiàn)對管徑100～400 mm 的管道進行堵漏；③能夠?qū)艿缐毫?0 MPa 時進行堵漏；④末端可以在水平180°范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)，在垂直180°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動；⑤爬坡角度最大為35°。除以上功能需求外，在線堵漏機器人還具備液壓系統(tǒng)監(jiān)控、實時在線視頻監(jiān)控當前漏點狀況等功能。

1.3 在線堵漏機器人控制系統(tǒng)整體方案

在線堵漏機器人主要包括機械控制、液壓控制和電氣控制等系統(tǒng)組成，在堵漏過程中需要三部分協(xié)作完成。本文主要針對在線堵漏機器人的電氣控制部分進行分析研究和設(shè)計，根據(jù)在線堵漏機器人的結(jié)構(gòu)特性和作業(yè)要求，電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示[8]。

圖3 在線堵漏機器人電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

進行熱力管道在線堵漏維修時，在線堵漏機器人進行作業(yè)的工作流程如下：

1）首先將堵漏夾具安裝在夾緊末端，并通過夾緊末端控制夾具，使其處于張開狀態(tài)。

2）作業(yè)人員通過底盤遙控裝置控制履帶式底盤將機器人移動到待維修漏點附近。

3）通過機械臂遙控裝置調(diào)整大臂、小臂、末端垂直及水平偏轉(zhuǎn)位置，調(diào)整固定在機械臂夾緊末端的位姿。

4）在夾緊裝置位姿調(diào)整到位后，控制夾緊裝置將夾具夾在管道漏點位置，抑制漏點高溫高壓熱水的無序噴射。

5）夾具在漏點位置夾緊后，由作業(yè)人員通過螺栓對夾具進行緊固并注入耐高溫專用密封劑，實現(xiàn)對管道漏點的在線堵漏維修。

2 在線堵漏機器人電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

在線堵漏機器人控制系統(tǒng)采用PLC 作為核心控制部件，為了降低人員操作可能存在的人身傷害，采用遙控方式實現(xiàn)在線堵漏操作。技術(shù)人員通過遠程遙控實現(xiàn)對在線堵漏機器人的控制操作，其控制主要包括大臂升降、小臂升降、末端垂直收放、末端水平擺偏和夾具夾緊松開控制等，控制信號通過遙控接收器接收遙控信號，實現(xiàn)對機器人堵漏時的實時控制。根據(jù)控制要求，PLC 控制系統(tǒng)需要14 個輸入點和12 個輸出點。本文采用西門子公司的S7-200 SMART ST60 作為控制器，ST60 具有36 個輸入點和24 個輸出點[8-9]，能夠滿足系統(tǒng)控制需要，輸入/輸出點配置見表1。

表1 PLC 控制模塊輸入輸出配置表

數(shù)字量輸入接口主要用于接收遙控器端發(fā)來的機械臂位姿調(diào)整及夾緊末端實現(xiàn)夾緊操作等開關(guān)控制信號的輸入及液壓系統(tǒng)過載保護輸入；數(shù)字量輸出用于實現(xiàn)機械臂各部件液壓比例閥、換向閥控制信號的輸出。

人工操作遙控端采用歐姆（重慶）電子技術(shù)有限公司TCS-32-L 型發(fā)射器，該遙控發(fā)射器采用雙搖桿設(shè)計，使用壽命可達100 萬次；實時主動控制符合歐盟標準；高達64 組數(shù)字IO 輸入及10 組比例量輸入；自動頻率控制，開機時自動選擇適當信道。接收器數(shù)字輸出端與相應(yīng)控制功能的PLC 數(shù)字輸入端連接，實現(xiàn)對在線堵漏時的實時控制操作。

3 在線堵漏機器人電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在線堵漏機器人在進行堵漏時位置調(diào)整、末端夾具姿態(tài)調(diào)整及夾具的夾緊等控制均由PLC 控制程序?qū)崿F(xiàn)，控制程序采用IEC 1131-3 標準進行編制。

3.1 堵漏機器人控制流程設(shè)計

由于熱力管道大部分埋在地下，當熱力管道出現(xiàn)泄漏時，在漏點附近開挖出作業(yè)面，漏點位置所處環(huán)境一般都比較復(fù)雜，且作業(yè)人員采用遠程遙控方式對機器人進行操控。為了保證堵漏機器人在進行堵漏作業(yè)時的安全性，需要對堵漏機器人的動作流程進行限定。

1）堵漏機器人履帶底盤在移動過程中，機械臂不得進行動作操作，以免與周圍圍擋等發(fā)生碰撞（底盤操控與機械臂操控分別采用不同遙控器，此處由作業(yè)人員人工協(xié)調(diào)）。

2）堵漏機器人底盤移動到位后，可以對機械臂操作，進行末端夾緊裝置的位姿調(diào)整。

3）在機械臂位姿調(diào)整時，大臂、小臂的動作可以同時進行，但此時夾緊末端垂直偏轉(zhuǎn)、水平偏轉(zhuǎn)動作不能進行。

4）在大臂和小臂控制到位后，通過調(diào)整夾緊末端垂直偏轉(zhuǎn)及水平偏轉(zhuǎn)對夾具末端位姿進行精準調(diào)整，大臂、小臂控制不能有動作。

5）夾具位姿調(diào)整到位后，控制夾緊裝置將夾具夾在管道漏點處。夾具夾緊及松開操作時，大臂、小臂、垂直偏轉(zhuǎn)、水平偏轉(zhuǎn)均不能有動作。

6）當出現(xiàn)過載時，所有動作立即停止，待過載問題排除后，方可繼續(xù)進行操作。

3.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

根據(jù)堵漏機器人控制流程，采用梯形圖方式對控制程序進行設(shè)計。部分控制功能梯形圖如圖4 所示。

圖4 堵漏機器人PLC 梯形圖程序

4 實驗結(jié)果與分析

為了驗證在線堵漏機器人電氣控制系統(tǒng)的可行性和適用性，系統(tǒng)設(shè)計完成后在河北聯(lián)潤在線工程技術(shù)有限公司搭建了實驗平臺，并進行了實際的堵漏作業(yè)操作。在線堵漏實驗的過程及結(jié)果如圖5 所示。

圖5 在線堵漏實驗

首先將根據(jù)待堵漏管道粗細預(yù)先制作對應(yīng)尺寸大小夾具，夾具分為上下兩部分，分別安裝在夾緊前端的上下固定位置，圖5 中機械臂前端弧形裝置即為夾具。實驗過程中，通過遙控器將夾具分開，分開距離大于待維修管道外徑，以保證夾具能夠在管道安裝。現(xiàn)場工作人員通過遙控器將機器人履帶底盤移動至合適位置，通過控制機械臂大臂、小臂將夾緊末端夾具調(diào)整到管道外圍，并調(diào)整水平偏轉(zhuǎn)及垂直偏轉(zhuǎn)控制實現(xiàn)夾具位置細調(diào)，保證夾具與管道平行。操作夾具夾緊末端推動夾具閉合，將上下兩部分夾具緊緊夾在管道外壁，由人工進行螺栓緊固，實現(xiàn)在線堵漏操作。

通過對在線堵漏機器人現(xiàn)場實驗測試，結(jié)果表明，所設(shè)計的堵漏機器人控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機械臂、夾緊末端進行堵漏作業(yè)的遠程遙控控制，操作方便、易用性強，在線堵漏實驗效果良好。

5 結(jié)束語

針對熱力管道發(fā)生泄漏故障，設(shè)計了在線堵漏機器人及基于PLC 的機械臂電氣控制系統(tǒng)。系統(tǒng)對堵漏機器人的總體結(jié)構(gòu)進行了分析，并進行了控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。實驗結(jié)果表明，在線堵漏機器人能夠有效進行熱力管道堵漏作業(yè)，大大降低了熱力管道出現(xiàn)泄漏時人工堵漏作業(yè)隱含人身傷害風險，具有較強的實用性和推廣價值，對供水管道泄漏、電廠蒸汽管道泄漏等也具有一定的借鑒意義和應(yīng)用價值。