關(guān)路遠(yuǎn),祝元兵,張川登

(1.沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110001;2.內(nèi)蒙古電投能源股份有限公司,內(nèi)蒙古 通遼 028000;3.云南文山鋁業(yè)有限公司,云南 文山 663000)

電解鋁生產(chǎn)用的整流器是為電解槽提供直流能源的重要設(shè)備,也是整個(gè)電解供電系統(tǒng)的“咽喉”,因?yàn)檎髌饕欢?交流測(cè))連接整流變壓器,一端(直流側(cè))連接電解槽。整流柜一旦出現(xiàn)故障,既影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性,又導(dǎo)致電解生產(chǎn)系列停電[1]。因此,為保障整流器的穩(wěn)定運(yùn)行,需要工人每隔一段時(shí)間沿檢修通道對(duì)整流器室內(nèi)的整流器和控制柜進(jìn)行巡檢,查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并記錄關(guān)鍵數(shù)據(jù),形成點(diǎn)巡檢記錄。該巡檢結(jié)果是對(duì)整流器運(yùn)行狀態(tài)的一種反饋。因此,整流器室巡檢是電解鋁企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的重要維護(hù)操作內(nèi)容之一,也是保障整流所整流器長(zhǎng)期穩(wěn)定正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)之一[2]。

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種電解鋁廠整流器室智能巡檢系統(tǒng),以代替人工進(jìn)行整流器室的巡檢。該系統(tǒng)應(yīng)用于電解鋁廠整流所的整流器室內(nèi),既減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,又極大提高了電解鋁企業(yè)整流器室巡檢的工作效率和質(zhì)量。

1 總體解決方案

為降低整流器室巡檢工作的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高巡檢質(zhì)量,本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種電解鋁廠整流器室智能巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)由機(jī)器人軌道、軌道式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)四部分組成。機(jī)器人通過(guò)自身攜帶的包括智能攝像頭在內(nèi)的各類傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)信息,并通過(guò)系統(tǒng)后臺(tái)內(nèi)置的智能算法對(duì)信息進(jìn)行自動(dòng)處理,最后形成報(bào)表和檢測(cè)結(jié)論。最終實(shí)現(xiàn)由機(jī)器代替人工對(duì)整流器室進(jìn)行日常巡檢。電解鋁廠整流器室智能巡檢系統(tǒng)的總體架構(gòu),參見(jiàn)圖1。

圖1 總體架構(gòu)圖

圖2 智能巡檢系統(tǒng)示意圖

1.1 機(jī)器人軌道

機(jī)器人軌道采用高分子工程塑料和鋁合金材料,強(qiáng)度高、承載力強(qiáng)、耐腐蝕[3]。機(jī)器人軌道固定于整流器室屋面,安裝傾角≯5°。軌道式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)沿著軌道在整流室內(nèi)運(yùn)行。巡檢機(jī)器人采用導(dǎo)軌滑觸式供電方式實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷供電。

1.2 軌道式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

軌道式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由兩臺(tái)巡檢機(jī)器人組成。兩臺(tái)巡檢機(jī)器人均通過(guò)內(nèi)置的編碼器進(jìn)行定位,通過(guò)后臺(tái)軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)防碰撞。巡檢機(jī)器人設(shè)置有高清攝像頭、全向云臺(tái)、噪聲采集器、紅外成像儀等,用于對(duì)二極管、電容器、互感器、水母排、水壓表、水溫表等設(shè)備進(jìn)行紅外溫度采集識(shí)別和高清表計(jì)識(shí)別,并將數(shù)據(jù)傳送到后臺(tái)系統(tǒng),當(dāng)設(shè)備溫度超過(guò)設(shè)定的報(bào)警值時(shí),后臺(tái)將產(chǎn)生報(bào)警信息并通知檢修人員處理故障。機(jī)器人上安裝煙霧傳感器和有害氣體檢測(cè)傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火警及有害氣體濃度,并將數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)處理。當(dāng)有害氣體濃度超過(guò)報(bào)警時(shí),后臺(tái)發(fā)出報(bào)警信息并及時(shí)通知運(yùn)行人員,做出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。巡檢機(jī)器人可以采集現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字儀表圖像,段位式LED數(shù)碼管顯示儀表圖像,傳輸至后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行智能識(shí)別。

1.3 人機(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)置在控制室內(nèi),采用觸摸屏或工控機(jī)作為操作員站,軌道式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)電纜溝用光纖同控制室連接,集控室內(nèi)放置操作員站、機(jī)柜、服務(wù)器、交換機(jī)等。人機(jī)交互系統(tǒng)與軌道式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)有線以太網(wǎng)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交互,人機(jī)交互系統(tǒng)將分析并存儲(chǔ)整流器室內(nèi)的所有巡檢數(shù)據(jù),具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、巡檢計(jì)劃編制、遙控功能、巡檢報(bào)表自動(dòng)生成、故障分析告警、歷史數(shù)據(jù)查詢、雙向語(yǔ)音交互等功能[4]。

2 功能設(shè)計(jì)

2.1 自我檢測(cè)

軌道式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備自檢功能,兩臺(tái)機(jī)器人在巡檢工作任務(wù)執(zhí)行前會(huì)進(jìn)行自檢,包括通信、供電、機(jī)械運(yùn)動(dòng)等功能,以及可見(jiàn)光高清攝像頭、紅外成像儀、噪聲檢測(cè)儀等檢測(cè)部件,確保機(jī)器人各項(xiàng)檢測(cè)功能正常。如果自檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)異常,機(jī)器人通過(guò)本體指示燈就地指示,并向后臺(tái)系統(tǒng)反饋各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 巡檢模式選擇

采用兩臺(tái)巡檢機(jī)器人,按照預(yù)設(shè)的巡檢路線和巡檢點(diǎn),對(duì)整流器室區(qū)域內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行全面巡檢。操作人員可以事先在操作站上給兩臺(tái)機(jī)器人劃分工作區(qū)域巡檢,讓機(jī)器人在各自的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行巡檢作業(yè)。也可以設(shè)置兩臺(tái)機(jī)器人輪流排班巡檢,讓機(jī)器人根據(jù)排班需求,在排班時(shí)間內(nèi)對(duì)全區(qū)域進(jìn)行巡檢作業(yè)。兩臺(tái)機(jī)器人也可以互為備用巡檢,當(dāng)一臺(tái)機(jī)器人故障或檢修時(shí),另一臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行巡檢作業(yè)。

該智能巡檢系統(tǒng)的巡檢模式分為全自動(dòng)模式、半自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。

2.2.1 全自動(dòng)模式

全自動(dòng)巡檢模式下的操作人員需填寫(xiě)好巡檢計(jì)劃名稱,選擇巡檢計(jì)劃執(zhí)行的機(jī)器人。每個(gè)機(jī)器人設(shè)有自己的歸屬區(qū)域。切換機(jī)器人時(shí),巡檢計(jì)劃可以選擇的采集點(diǎn)列表也會(huì)變更為相應(yīng)機(jī)器人歸屬區(qū)域下的巡檢點(diǎn)列表。設(shè)置任務(wù)重復(fù)周期即可。機(jī)器人根據(jù)任務(wù)預(yù)先設(shè)置的參數(shù),按指定需求執(zhí)行全自動(dòng)巡檢。

2.2.2 半自動(dòng)模式

半自動(dòng)巡檢由操作人員在例行巡檢計(jì)劃以外額外設(shè)定巡檢內(nèi)容,機(jī)器人接到指令后,優(yōu)先執(zhí)行額外設(shè)定的巡視任務(wù),執(zhí)行過(guò)后再執(zhí)行例行巡檢任務(wù)。

2.2.3 手動(dòng)模式

只要機(jī)器人處于基站信號(hào)覆蓋范圍內(nèi),操作人員就可通過(guò)操作站上的后臺(tái)系統(tǒng)軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行手動(dòng)遙控,完成機(jī)器人前行、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)指令。該手動(dòng)模式下,機(jī)器人可在操作人員遙控下,完成巡檢工作。

2.3 數(shù)據(jù)采集

為保障整流器室內(nèi)的設(shè)備正常運(yùn)行,該整流器室智能巡檢系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下巡檢內(nèi)容的數(shù)據(jù)采集。

(1)設(shè)備外觀采集,通過(guò)機(jī)器人自帶的高清攝像頭發(fā)現(xiàn)設(shè)備表觀缺陷;

(2)設(shè)備溫度采集,通過(guò)機(jī)器人自帶的紅外成像儀及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備溫度超標(biāo)情況;

(3)狀態(tài)燈狀態(tài)指示,通過(guò)攝像頭查看儀表盤上各個(gè)指示燈是否指示正常;

(4)屏顯示數(shù)讀取,通過(guò)高清攝像頭讀取表盤數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)系統(tǒng);

(5)整流器室中的煙霧、溫濕度、氣體含量檢測(cè),一旦發(fā)現(xiàn)超標(biāo)即刻報(bào)警給操作人員;

(6)設(shè)備運(yùn)行噪音檢測(cè),通過(guò)噪聲檢測(cè)儀獲取噪聲信號(hào),發(fā)現(xiàn)超標(biāo)及時(shí)報(bào)警;

(7)柜體局部放電檢測(cè),通過(guò)高清攝像頭發(fā)現(xiàn)柜內(nèi)的放電現(xiàn)象,一旦發(fā)現(xiàn)立刻報(bào)警。

2.4 異常報(bào)警

兩臺(tái)巡檢機(jī)器人將獲取的圖像、溫度、噪聲、煙氣含量、濕度等設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺(tái)系統(tǒng),后臺(tái)系統(tǒng)以歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),按照相關(guān)規(guī)范要求,通過(guò)預(yù)設(shè)的人工智能算法實(shí)現(xiàn)智能告警。當(dāng)后臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí),機(jī)器人發(fā)出告警信息給操作人員。系統(tǒng)支持二級(jí)告警:機(jī)器人本體級(jí)告警、后臺(tái)系統(tǒng)告警。機(jī)器人本體檢測(cè)到設(shè)備異常時(shí),會(huì)進(jìn)行聲、光報(bào)警,并將報(bào)警信息上報(bào)到后臺(tái)系統(tǒng),聯(lián)動(dòng)后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行聲、光報(bào)警。

2.5 巡檢報(bào)告

巡檢機(jī)器人在執(zhí)行完每一次任務(wù)后,會(huì)根據(jù)任務(wù)屬性的不同而相應(yīng)的自動(dòng)生成不同的巡檢報(bào)表。巡檢報(bào)表格式可人工定制,根據(jù)習(xí)慣定制符合使用者閱讀習(xí)慣的報(bào)表格式,可按需求匯總、分析生成日?qǐng)?bào)、月報(bào)、季報(bào)、年報(bào)等。報(bào)表支持在線預(yù)覽與下載,滿足使用者不同的審閱情況。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)是本智能巡檢系統(tǒng)的大腦,內(nèi)置人工智能算法程序,該系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)巡檢機(jī)器人通過(guò)工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交互,服務(wù)器內(nèi)置的軟件系統(tǒng)將分析并存儲(chǔ)整流器室內(nèi)的所有巡檢數(shù)據(jù),除具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、巡檢計(jì)劃編制、機(jī)器人控制、巡檢報(bào)表生成、故障分析、歷史數(shù)據(jù)查詢、語(yǔ)音報(bào)警等平臺(tái)軟件的基本功能外,還可以實(shí)現(xiàn)儀表數(shù)值智能讀取、開(kāi)關(guān)狀態(tài)智能識(shí)別、致熱缺陷或故障智能判斷、噪聲異常定位等。

本系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)共分四層,分別為數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、服務(wù)層、表示層[5]。系統(tǒng)軟件部分同現(xiàn)場(chǎng)巡檢機(jī)器人通過(guò)以太網(wǎng)通訊。軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示,系統(tǒng)架構(gòu)清晰,對(duì)外擴(kuò)展方便。

圖3 軟件體系結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)將巡檢機(jī)器人、供電系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)集成為一體。融合了惡劣環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)可靠性技術(shù)、圖片智能分析技術(shù)、熱成像智能分析技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、故障大數(shù)據(jù)診斷、多傳感器信息融合技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)。本系統(tǒng)的應(yīng)用成功實(shí)現(xiàn)了由機(jī)器人代替人工對(duì)電解鋁廠整流器室內(nèi)設(shè)備進(jìn)行巡檢,降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了巡檢的效率和質(zhì)量。