李志鵬,邊澤楠,雷蘇雨

(國能神華九江發(fā)電有限責任公司,江西 九江 332504)

隨著我國經(jīng)濟逐漸步入穩(wěn)步發(fā)展階段,城市化水平逐漸提高,社會發(fā)展對于電力供應(yīng)要求逐漸提高。雖然綠色、低碳發(fā)展的背景下,風力以及太陽能等發(fā)電方式不斷興起,在電力行業(yè)所占比重有所提升,但火力以及水力發(fā)電仍然是電力生產(chǎn)的主要方式。鍋爐作為發(fā)電廠的關(guān)鍵設(shè)備,在電力供應(yīng)過程中容易因為高溫環(huán)境出現(xiàn)磨損,甚至出現(xiàn)爆炸等事故,加強對發(fā)電廠鍋爐設(shè)備的檢修是保證電力供應(yīng)以及發(fā)電安全的重要舉措。鍋爐水冷壁是鍋爐的主要受熱面之一,檢測水冷壁的壁厚以及磨損情況是為鍋爐安全運行的重要舉措。人工檢測方式需要巡視人員利用厚度傳感器,在鍋爐冷卻后進行手動測量,這方式存在明顯的安全隱患,因此本文提出一種發(fā)電廠鍋爐水冷壁檢測機器人的設(shè)計方案,希望能夠為發(fā)電廠鍋爐的安全平穩(wěn)運行提供借鑒意義。

1 電廠鍋爐水冷壁檢測機器人設(shè)計要求

以600 MW等級的火力發(fā)電廠為例,其進行鍋爐水冷壁檢測需要經(jīng)由人口進入,移動機器人作為檢測主體進入后在水冷壁的鋼管外表進行移動檢測,因此需要具備如下幾點要求[1]。

1.1 吸附移動要求

檢測機器人在檢測的過程中需要附著于水冷壁面,因此機器人需要具有一定的荷載能力,能夠承受本體重量外,免受高壓水沖擊的作用力,降低其掉落的可能性[2]。同時由于檢測機器人需要對水冷壁進行多點檢測,因此需要具備行走機構(gòu),機器人具有足夠的自由度適應(yīng)水冷壁粗糙管壁條件,多點位自由移動,自主跨越水冷壁附著物。

1.2 配套設(shè)施要求

機器人在水冷壁檢測的過程中需要實時向操作人員傳遞監(jiān)測信息,因此必須具備機器人主體以及遠程平臺。除此之外,為了提高對于機器人本體的安全保障,需要吊放保險繩具有較高強度,同時不能給機器人造成過多負荷[3]。在檢測機器人工作前,為了提升機器人工作的精度,需要配備高壓供水裝置對水冷壁面進行清潔。為了確定檢測機器人在水冷壁面的位置,需要采用多分散裝置對其進行定位,實時監(jiān)測其運動軌跡[4]。

1.3 操縱控制要求

為了實現(xiàn)對檢測主體以及遠程平臺實時交互的控制需求,需要建立完善的通信系統(tǒng),提供鍋爐外監(jiān)測能力。方便操作人員遠程確定待監(jiān)測位置并實現(xiàn)對于機器人的精準化操作。操縱控制要求機器人監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計具有可視化,能夠?qū)崿F(xiàn)遠程視頻以及機器人狀態(tài)監(jiān)測功能,操作界面簡單明了,操作方式可靠性較高[5]。

2 水冷壁檢測機器人主體設(shè)計

電廠鍋爐水冷壁檢測機器人需要滿足其預(yù)定要求。綜合考慮其工作環(huán)境,本文設(shè)計的水冷壁檢測機器人包含磁吸附、直流電機以及遠程控制等方式[6]。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 鍋爐水冷壁檢測機器人結(jié)構(gòu)示意

如圖1所示,本次設(shè)計的鍋爐水冷壁檢測機器人整體采用模塊化的思想,主要包含五部分:相機、測厚探頭、磁吸輪胎、電控柜以及機械臂。機械臂搭載測厚探頭,能夠?qū)崿F(xiàn)對水冷壁厚度的測量[7]。同時選用直流無刷電機驅(qū)動機器人磁吸輪胎進行工作,機器人主體的運動由平移自由度以及轉(zhuǎn)向自由度舵機完成。同時為了避免機器人在工作過程中因為附著不穩(wěn)而跌落,在鍋爐內(nèi)部設(shè)置檢測機器人配套安全支架以及繩索。

3 水冷壁檢測機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

對檢測機器人控制系統(tǒng)進行設(shè)計的目的在于對機器人主體行動實現(xiàn)準確控制,確保機器人在進行水冷壁檢測過程中能夠適應(yīng)環(huán)境特點,完成檢測目的[8]。因此綜合考慮到檢測機器人控制系統(tǒng)的通信等功能,本文設(shè)計了一種機器人主控制器為核心的系統(tǒng),結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 水冷壁檢測機器人控制系統(tǒng)結(jié)果示意

如圖2所示,水冷壁檢測機器人控制系統(tǒng)包含PC上位機、傳感器網(wǎng)絡(luò)、總線陣列、主控制器、功率器件以及電源系統(tǒng)。其核心為主控制器,負責對機器人運動發(fā)出指令,同時其需要將機器人傳回的水冷壁數(shù)據(jù)借助通信模塊傳遞給PC上位機,便于操作人員進行查看以及分析[9-10]。檢測機器人運行至水冷壁邊界時會通過傳感器網(wǎng)絡(luò)進行反饋,方便操作人員發(fā)出下一步運動指令。舵機驅(qū)動板負責驅(qū)動機器人機械臂運動,電機驅(qū)動器負責對機器人主體進行供電。

3.2 控制系統(tǒng)元件選擇

3.2.1 傳感器選擇

機器人在進行冷水壁檢測時需要深入鍋爐的內(nèi)部,這一空間具有復(fù)雜性和封閉性,對于基礎(chǔ)信號具有屏蔽性。因此為了實現(xiàn)對于機器人的精準定位需要選用更為先進的定位方式。隨著無線電以及局域網(wǎng)的迅速發(fā)展,無載波通信技術(shù)顯現(xiàn)出高分辨率以及強穿透力的特性[11]。因此本文選用無載波通信技術(shù)定位產(chǎn)品LTP,其定位原理與GPS具有類似性,在使用前需要在鍋爐內(nèi)部進行基站部署,然后將定位裝置裝于機器人本體,通過球面方程的建立,使用數(shù)學(xué)方法求解出機器人所在位置。

3.2.2 相機選擇

相機是水冷壁檢測機器人獲取信息的主要工具。因此圖像采集所需要設(shè)備必須具有高分辨率,能夠在鍋爐光線較差環(huán)境下實現(xiàn)對環(huán)境的觀測[12]。本文圖像檢測選擇兩部德國Basler生產(chǎn)的高速面陣3D相機,這一相機不僅具有較高的圖像分辨率,還具有較為優(yōu)質(zhì)的性價比。將相機分裝于檢測機器人的云臺以及前端,并通過IP協(xié)議實現(xiàn)相機與主機的聯(lián)通,方便圖像信息的實時傳輸。

3.2.3 主控制器選型

作為機器人的核心部件,主控制器需要具有較為強大的數(shù)據(jù)處理以及快速輸出控制信號能力。因此本文選擇STM32493SFT6型號芯片作為水冷壁檢測機器人的主控制器,其負責對機器人的電機、舵機以及傳感器等裝置進行綜合控制。作為意法半導(dǎo)體公司推出的產(chǎn)品,這一芯片內(nèi)核為Cortex M4,能夠進行高頻率的浮點運算以及DSP處理[13]。芯片附帶的FPU至零七七擁有高速處理OTG以及OTP儲存器,能夠進行快速的模數(shù)轉(zhuǎn)換。同時因為其采用64位多重總線矩陣,訪問速度更快。

3.2.4 電機與驅(qū)動設(shè)備選型

機器人需要附著于水冷壁工作,因此其必須克服重力作用,實現(xiàn)在豎直墻面上運動。這要求機器人的電機以及驅(qū)動器具有較高的輸出功率以及較小的重量。在確保動力充足的情況下選用較輕的驅(qū)動電力裝置[14]?；诖?本系統(tǒng)選用直流無刷電機負責對機器人進行驅(qū)動,這一電機的體積較小,在結(jié)構(gòu)上類似于同步交流電機,通過變頻器實現(xiàn)交流信號的傳輸,從而完成對機器人運動的控制,驅(qū)動器選擇配套的BLD400型號驅(qū)動器,如圖3所示。

圖3 電機、驅(qū)動器選擇

3.2.5 人機互動模塊選型

人際互動模塊選擇由美國國家儀器公司所開發(fā)的圖形化編譯平臺。這一平臺采用圖形化的編譯思想,一方面操作人員可以在構(gòu)思時通過程序流程圖的設(shè)計實現(xiàn)程序的完整編寫,具有極高的效率[15]。另一方面,這一圖形化編譯人際互動平臺引入虛擬儀表的概念,方便用戶對人機界面進行直接控制。由于其包含有圖形處理、數(shù)據(jù)存儲等標準庫,且平臺支持的端口較多,具有開發(fā)便捷的特點。

3.2.6 電源模塊選型

電源模塊是整體控制系統(tǒng)的動力供應(yīng)核心,需要保證多模塊的平穩(wěn)運行。本次同采用長距離有線電纜的方式進行電力輸送,避免因為電池增加使得機器人的負擔過重,將24 V直流電作為控制系統(tǒng)的整體電源供直流無刷電機進行設(shè)備土洞。同時選擇德州儀器的XTR111AIDGQR型號電流轉(zhuǎn)換器,借助其將220 V交流電轉(zhuǎn)換為直流電。

4 結(jié) 語

對電廠鍋爐水冷壁健康情況進行檢測是保證鍋爐正常運行,避免其發(fā)生安全隱患的重要舉措。正常來看,一次水冷壁的檢測需要分散性選擇超過7 000多個監(jiān)測點,每點需要記錄當期的壁厚值,工作量大且工作環(huán)境復(fù)雜,對于檢測人員來說是極大的挑戰(zhàn)。水冷壁檢測機器人的設(shè)計能夠起到代替人工檢測的作用,提升水冷壁檢測的效率,對于電廠經(jīng)營效益的提升具有重要作用。