李志鵬,邊澤楠,雷蘇雨

(國(guó)能神華九江發(fā)電有限責(zé)任公司,江西 九江 332504)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)逐漸步入穩(wěn)步發(fā)展階段,城市化水平逐漸提高,社會(huì)發(fā)展對(duì)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(fēng)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?yàn)楦邷丨h(huán)境出現(xiàn)磨損,甚至出現(xiàn)爆炸等事故,加強(qiáng)對(duì)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(cè)水冷壁的壁厚以及磨損情況是為鍋爐安全運(yùn)行的重要舉措。人工檢測(cè)方式需要巡視人員利用厚度傳感器,在鍋爐冷卻后進(jìn)行手動(dòng)測(cè)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(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案,希望能夠?yàn)榘l(fā)電廠鍋爐的安全平穩(wěn)運(yùn)行提供借鑒意義。

1 電廠鍋爐水冷壁檢測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)要求

以600 MW等級(jí)的火力發(fā)電廠為例,其進(jìn)行鍋爐水冷壁檢測(cè)需要經(jīng)由人口進(jìn)入,移動(dòng)機(jī)器人作為檢測(cè)主體進(jìn)入后在水冷壁的鋼管外表進(jìn)行移動(dòng)檢測(cè),因此需要具備如下幾點(diǎn)要求[1]。

1.1 吸附移動(dòng)要求

檢測(cè)機(jī)器人在檢測(cè)的過程中需要附著于水冷壁面,因此機(jī)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(shí)由于檢測(cè)機(jī)器人需要對(duì)水冷壁進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè),因此需要具備行走機(jī)構(gòu),機(jī)器人具有足夠的自由度適應(yīng)水冷壁粗糙管壁條件,多點(diǎn)位自由移動(dòng),自主跨越水冷壁附著物。

1.2 配套設(shè)施要求

機(jī)器人在水冷壁檢測(cè)的過程中需要實(shí)時(shí)向操作人員傳遞監(jiān)測(cè)信息,因此必須具備機(jī)器人主體以及遠(yuǎn)程平臺(tái)。除此之外,為了提高對(duì)于機(jī)器人本體的安全保障,需要吊放保險(xiǎn)繩具有較高強(qiáng)度,同時(shí)不能給機(jī)器人造成過多負(fù)荷[3]。在檢測(cè)機(jī)器人工作前,為了提升機(jī)器人工作的精度,需要配備高壓供水裝置對(duì)水冷壁面進(jìn)行清潔。為了確定檢測(cè)機(jī)器人在水冷壁面的位置,需要采用多分散裝置對(duì)其進(jìn)行定位,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)動(dòng)軌跡[4]。

1.3 操縱控制要求

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)主體以及遠(yuǎn)程平臺(tái)實(shí)時(shí)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(cè)能力。方便操作人員遠(yuǎn)程確定待監(jiān)測(cè)位置并實(shí)現(xiàn)對(duì)于機(jī)器人的精準(zhǔn)化操作。操縱控制要求機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有可視化,能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程視頻以及機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能,操作界面簡(jiǎn)單明了,操作方式可靠性較高[5]。

2 水冷壁檢測(cè)機(jī)器人主體設(shè)計(jì)

電廠鍋爐水冷壁檢測(cè)機(jī)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(jì)的水冷壁檢測(cè)機(jī)器人包含磁吸附、直流電機(jī)以及遠(yuǎn)程控制等方式[6]。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 鍋爐水冷壁檢測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意

如圖1所示,本次設(shè)計(jì)的鍋爐水冷壁檢測(cè)機(jī)器人整體采用模塊化的思想,主要包含五部分:相機(jī)、測(cè)厚探頭、磁吸輪胎、電控柜以及機(jī)械臂。機(jī)械臂搭載測(cè)厚探頭,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水冷壁厚度的測(cè)量[7]。同時(shí)選用直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人磁吸輪胎進(jìn)行工作,機(jī)器人主體的運(yùn)動(dòng)由平移自由度以及轉(zhuǎn)向自由度舵機(jī)完成。同時(shí)為了避免機(jī)器人在工作過程中因?yàn)楦街环€(wěn)而跌落,在鍋爐內(nèi)部設(shè)置檢測(cè)機(jī)器人配套安全支架以及繩索。

3 水冷壁檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

對(duì)檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的目的在于對(duì)機(jī)器人主體行動(dòng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制,確保機(jī)器人在進(jìn)行水冷壁檢測(cè)過程中能夠適應(yīng)環(huán)境特點(diǎn),完成檢測(cè)目的[8]。因此綜合考慮到檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的通信等功能,本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)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(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)果示意

如圖2所示,水冷壁檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)包含PC上位機(jī)、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(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)發(fā)出指令,同時(shí)其需要將機(jī)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(jī),便于操作人員進(jìn)行查看以及分析[9-10]。檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)行至水冷壁邊界時(shí)會(huì)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反饋,方便操作人員發(fā)出下一步運(yùn)動(dòng)指令。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng),電機(jī)驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人主體進(jìn)行供電。

3.2 控制系統(tǒng)元件選擇

3.2.1 傳感器選擇

機(jī)器人在進(jìn)行冷水壁檢測(cè)時(shí)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(duì)于基礎(chǔ)信號(hào)具有屏蔽性。因此為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于機(jī)器人的精準(zhǔn)定位需要選用更為先進(jìn)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(qiáng)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(jìn)行基站部署,然后將定位裝置裝于機(jī)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(jī)器人所在位置。

3.2.2 相機(jī)選擇

相機(jī)是水冷壁檢測(cè)機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的觀測(cè)[12]。本文圖像檢測(cè)選擇兩部德國(guó)Basler生產(chǎn)的高速面陣3D相機(jī),這一相機(jī)不僅具有較高的圖像分辨率,還具有較為優(yōu)質(zhì)的性價(jià)比。將相機(jī)分裝于檢測(cè)機(jī)器人的云臺(tái)以及前端,并通過IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)相機(jī)與主機(jī)的聯(lián)通,方便圖像信息的實(shí)時(shí)傳輸。

3.2.3 主控制器選型

作為機(jī)器人的核心部件,主控制器需要具有較為強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理以及快速輸出控制信號(hào)能力。因此本文選擇STM32493SFT6型號(hào)芯片作為水冷壁檢測(cè)機(jī)器人的主控制器,其負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人的電機(jī)、舵機(jī)以及傳感器等裝置進(jìn)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(jìn)行高頻率的浮點(diǎn)運(yùn)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(chǔ)存器,能夠進(jìn)行快速的模數(shù)轉(zhuǎn)換。同時(shí)因?yàn)槠洳捎?4位多重總線矩陣,訪問速度更快。

3.2.4 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)設(shè)備選型

機(jī)器人需要附著于水冷壁工作,因此其必須克服重力作用,實(shí)現(xiàn)在豎直墻面上運(yùn)動(dòng)。這要求機(jī)器人的電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)器具有較高的輸出功率以及較小的重量。在確保動(dòng)力充足的情況下選用較輕的驅(qū)動(dòng)電力裝置[14]。基于此,本系統(tǒng)選用直流無刷電機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng),這一電機(jī)的體積較小,在結(jié)構(gòu)上類似于同步交流電機(jī),通過變頻器實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)的傳輸,從而完成對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制,驅(qū)動(dòng)器選擇配套的BLD400型號(hào)驅(qū)動(dòng)器,如圖3所示。

圖3 電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器選擇

3.2.5 人機(jī)互動(dòng)模塊選型

人際互動(dòng)模塊選擇由美國(guó)國(guó)家儀器公司所開發(fā)的圖形化編譯平臺(tái)。這一平臺(tái)采用圖形化的編譯思想,一方面操作人員可以在構(gòu)思時(shí)通過程序流程圖的設(shè)計(jì)實(shí)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(dòng)平臺(tái)引入虛擬儀表的概念,方便用戶對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行直接控制。由于其包含有圖形處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等標(biāo)準(zhǔn)庫,且平臺(tái)支持的端口較多,具有開發(fā)便捷的特點(diǎn)。

3.2.6 電源模塊選型

電源模塊是整體控制系統(tǒng)的動(dòng)力供應(yīng)核心,需要保證多模塊的平穩(wěn)運(yùn)行。本次同采用長(zhǎng)距離有線電纜的方式進(jìn)行電力輸送,避免因?yàn)殡姵卦黾邮沟脵C(jī)器人的負(fù)擔(dān)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(jī)進(jìn)行設(shè)備土洞。同時(shí)選擇德州儀器的XTR111AIDGQR型號(hào)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(duì)電廠鍋爐水冷壁健康情況進(jìn)行檢測(cè)是保證鍋爐正常運(yùn)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(cè)需要分散性選擇超過7 000多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),每點(diǎn)需要記錄當(dāng)期的壁厚值,工作量大且工作環(huán)境復(fù)雜,對(duì)于檢測(cè)人員來說是極大的挑戰(zhàn)。水冷壁檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)能夠起到代替人工檢測(cè)的作用,提升水冷壁檢測(cè)的效率,對(duì)于電廠經(jīng)營(yíng)效益的提升具有重要作用。