大型冷凝设备水下智能清洗机器人的研制

朱 江 王耀南 余洪山 许海霞 刘 理

湖南大学,长沙,410082

0 引言

大型冷凝设备是电力、化工、制药等行业的关键设备[1]。冷凝设备内部主要由数以万计的冷凝管、前后水室及管板组成。由于冷却水质的不洁净、热交换时发生化学反应等原因,在冷凝设备工作过程中,换热管内壁容易出现结垢现象,引起冷凝设备的传热性能恶化,增加循环水泵的能耗,导致冷凝管堵塞甚至造成管壁腐蚀穿孔等事故[2]。

目前多采用胶球清洗或人工清洗方法清洗大型冷凝设备的污垢[3-5]。胶球清洗存在胶球回收率低、易堵塞冷凝管等缺点,至今不能达到理想效果;人工清洗在停机条件下,采用人工敲打、捅刷除垢的方式,容易损坏机组,另外工作环境恶劣,工人的劳动强度大。随着国内外工业机器人共性技术的飞速发展,将机器人技术融合到现有清洗技术中,冷凝设备在线清洗机器人也应运而生。

2000年,日立造船株式会社开发的冷凝器清扫检查机器人[6]在柳井发电厂的冷凝器上实施试验。国内在该领域的研究始于20世纪90年代末,樊绍胜等[7]研制出固定在水室壁前的二自由度关节型机器人,通过机械臂两个关节内装的伺服电机转动相应的角度来改变机械臂手部的坐标,但是机械臂覆盖面积有限。在此基础上,将该固定式清洗机器人的底座安装于导轨上,利用引导链及导轨装置实现与管板面平行移动[8],有效扩大了清洗范围。然而,导轨上容易结垢和堆积泥沙,严重影响机器人的移动。彭伟等[9]设计了一种由水平伸缩机械臂和回转机械臂组成的固定式电厂冷凝器清洗机器人,在无滑道的情况下,机械臂清洗范围也增大。笔者所在课题组还曾探讨了一种移动式冷凝器清洗机器人设计方案[10],但并没有付诸于实现。国内现有相关机器人存在机动性差、清洗区域有限等缺陷,而且该机器人要密封在水下长期工作,所用的天然水中含有大量泥沙和草等,容易引起机械、线路等问题,一旦发生故障,这些机器人都无法移出水室维修,难以实用化。

本文结合国家安全高效生产、节能降耗的要求,针对大型冷凝设备(大于120MW装机容量)在线清洗的具体需求,集光机电液一体化,自主研制开发了一种面向大型冷凝设备的水下作业智能清洗机器人。机器人采用履带式移动机构,根据冷凝管的坐标,在冷凝器水室中自主移动到清洗区域,两关节清洗机械臂配合运动实现精确定位(定位于冷凝管管口),通过检测冷凝器污脏程度,自动确定最优清洗压力,实现冷凝器在线清洗。

1 清洗机器人的结构

合理的机械结构能够使机器人更有效、迅速、便捷地完成清洗任务,还能在一定程度上简化机器人控制系统的复杂程度。本文采用了模块化的思想将清洗机器人分为行走机构与清洗机构两个部分,其总体设计如图1所示。冷凝设备水室的地面因水中带有的大量泥沙长期淤积而湿滑,采用履带行走机构与地面接触面积大,与地面的附着力也大。机械臂安装在行走机构的回转支承上,回转支承能在水平方向360°旋转。旋转臂绕支撑臂的旋转关节在垂直地面方向360°旋转,运动轨迹如图1b中圆形虚线1所示;喷枪在旋转臂的上半部分来回滑动,运动轨迹如图1b中虚直线2所示。产生高压水的高压水清洗装置和添加化学药剂的化学清洗装置、监测冷凝设备污脏程度的装置均安装在冷凝水室之外。

1.1 履带式行走机构

如图1所示,清洗机器人的底座主要由回转支承、履带、驱动轮组、张紧机构、托带轮及承重轮组等组成。清洗机器人在执行清洗任务时需要保持清洗臂与冷凝管固定板面基本平行,通过液压马达B驱动回转支承调整清洗臂与冷凝管口壁平面的关系。驱动轮后置可避免在履带的前下部处形成所谓的“履带腹部”。张紧机构与张紧轮相连,调节履带张紧力使得履带处于合适的松紧度以利于减振。为了避免上履带的中间部分下垂,由托带轮将上履带托起。承重轮将整个机器人的重量均匀地传递给履带,使得机器人在移动过程中平稳、可靠。左右履带由一对液压马达A驱动,当两个液压马达的转速不同时,实现移动机器人的转向。

1.2 机械臂清洗机构

清洗机器人的机械臂清洗机构主要由支撑臂、旋转关节、旋转臂、喷枪、传动机构、供水管道和走线管路组成。为了避免在清洗冷凝管时,因为旋转臂的旋转和喷枪的滑动导致供水管、线在与清洗机器人本体缠绕、绞线等现象,特别设计了供水管道、传动机构和走线管路。

1.2.1 供水管道

机械臂内部布置管道给喷枪提供高压水,其关键机构是具备走水功能的旋转关节和供水管收放机构。如图2所示,铜管的左端与进水管连接,铜管的右端嵌套于铜套内,压盖的一端为管状,通过密封带与铜管套接;出水管的一端为外扩结构与压盖套接,另一端接入旋转臂的下半部分臂内与软管相连。高压水送入固定在支撑臂上的进水管1,流经旋转关节内的铜管2、旋转臂下半部分臂内的出水管和软管3、旋转臂上半部分的硬水管4,最后到达喷枪,水流方向如图2中箭头方向所示。因为传动管分别与齿轮、压盖相连,当齿轮转动时将带动传动管转动,压盖也随之转动,从而实现关节的转动功能。

由于喷枪沿旋转臂做往返滑动,必然有一段供水管路是能够活动的,因此在旋转臂的下半部分内采用一段软管连接出水管和硬水管,由导轮组引导软管随着喷枪的滑动也能相应地在旋转臂下半部分内移动。导轮组由导轮A和导轮B组成,A、B两个导轮由连接板连接,它们之间留有比充满水的软管稍大的导孔。软管的一端接旋转关节处的出水管,沿着旋转机械臂下半部分的内壁往机械臂的末端方向布置,在旋转机械臂下半部分长度一半的位置穿过导轮组间的导孔,然后沿着旋转机械臂下半部分的内壁往旋转关节方向折回,最后其末端与硬水管相连。

1.2.2 机械臂的传动机构

驱动旋转关节的液压马达置于旋转臂的下方(图1的液压马达C)。通过马达的正转与反转,推拉旋转关节处的齿条上下移动,再由齿条带动与它咬合的从动齿轮(即图2中的齿轮)转动实现旋转臂在垂直地面方向360°的旋转。驱动过程可表示为:旋转运动→直线运动→旋转运动。

喷枪的行程限于旋转臂的上半部分内滑动。采用两根平行的导向杆作为喷枪滑座的运动轨道,另有一根与导向杆平行的丝杆位于两根导向杆的正中间,丝杆的末端与液压马达D连接。当液压马达旋转时,通过丝杆带动喷枪滑座内的移动螺母实现喷枪沿导向杆的直线运动。驱动过程可表示为:旋转运动→直线运动。

1.2.3 防绞线机构

旋转臂上安装有带线设备,如位置固定的液压马达、声纳传感器等,其运动方式是随旋转臂转动,在此过程中它们与旋转臂的相对位置固定。但是线可能会略有拉长或收缩的趋势,线路的长时间张紧容易造成线崩断,而松弛外露的线路在旋转臂的旋转过程中极易与清洗机器人本体缠绕。为此采用如下走线方式:旋转臂上半部分的导向杆中空用于走线,线从导向杆的靠近液压马达D的一端进入,从导向杆的靠近旋转关节端穿出,然后接入旋转关节上的防绞线机构。如图3所示,线进入防绞线机构后经导线槽轮穿过导线管A,经定滑轮和动滑轮,最后从导线管B穿出。动滑轮的上下运动实现线的收放。

2 清洗机器人的工作流程

清洗机器人的控制系统中采用西门子S7—300的PLC对所有驱动液压马达、产生高压水的高压泵、化学清洗中加药计量泵、排污阀、清水泵等部件进行实时控制。现场监控工作站承担污垢程度、清洗水力等参数的显示、存储和记录工作,PLC与工作站之间采用PROFIBUS通信方式连接。机器人清洗冷凝设备的步骤为:

(1)污垢测量。采用课题组前期研制的冷凝器污脏测量仪[11]实时监测蒸汽流量、蒸汽温度等冷凝设备的工况参数,得到用于描述冷凝器结垢程度的污垢热阻或污垢系数[12],以利于预测污垢的变化趋势[13]。当污垢系数大于阈值时,启动机器人的驱动系统。

(2)高压水射流清洗。将清洗机器人移动到待清洗区域,调整喷枪位置对准冷凝管口;根据当前污垢系数推导污垢的耐压强度极限应力,得到喷枪出水的压力和流量[14],启动高压泵对冷凝管喷射高压水射流。

(3)机器人复位。清洗完成后,机器人回到初始位置,清洗臂回到初始状态。

(4)化学清洗。高压水射流清洗能够有效清除管内松散性污垢,但对管内析晶污垢作用有限。因此,在高压水射流清洗之后若污垢系数仍未达到要求,则选取化学配剂通入水室,实施化学清洗。

3 基于视觉伺服的冷凝管空间定位

清洗机器人初始时平行位于冷凝管壁的前方,它所在的位置和每一根冷凝管的安装位置在世界坐标系下的三维坐标数据均为已知,且按坐标将冷凝管壁划分为若干个区域。清洗机器人首先运动到待清洗冷凝管所属区域,它在世界坐标系下固定沿墙直线移动,本文采用基于神经网络的鲁棒跟踪控制策略[15]实现对移动机器人的平移轨迹跟踪。然后机械臂各关节配合运动,使得喷枪对准待清洗的冷凝管口。如图4a所示,冷凝管口的中心位于B点,受机械加工精度等因素的影响,喷枪实际对准的位置却在A点,因此,根据由视觉获取的冷凝管口中心与喷枪中心的偏差来补偿校正喷枪的移动位置,图4b所示为基于位置的视觉伺服控制原理。

首先在图像上寻找冷凝管口的圆心。特征提取的关键步骤为:采用Canny算子对冷凝管口图像边缘检测,在光照条件变差等情况下,检测得到的边缘可能不完整,这样会给后面的管口定位带来困难,因此需要对其进行曲线拟合。曲线拟合本质上是寻求一个函数,使该函数在某种准则下与所有数据点最为接近,本文采用最小二乘法进行曲线拟合。最后由Hough变换检测边缘图像中圆(即冷凝管口)的圆心。

图5所示为用Canny算子提取边缘、最小二乘法和Hough变换检测冷凝管口中心的结果。对于不完整的边缘,第二行的左右两端的管口尽管只拍到一半的图像,但还是很好地拟合出了管口的边缘和定位了圆心。

目标的图像位置与期望位置的误差定义在图像2D空间,而机器人各关节的控制量输入通常在3D工作空间中表示,所以必须完成2D/3D的坐标变换。建立图6所示的坐标变换关系,图中,Oxyz是世界坐标系,面Oxy为冷凝管板所在平面;Orxryrzr代表机器人本体坐标系,面Orxryr平行于Oxy;Ohxhyhzh代表清洗臂末端控制点坐标系;Ocxcyczc为摄像机坐标系,这4个坐标系都是三维坐标系;Opxpyp为摄像机成像靶面的像素坐标系,其坐标原点在图像的左上角。

目标点(冷凝管口中心)的图像信息位置为(u,v),是在二维坐标系Opxpyp下表示的像素坐标。根据摄像机成像模型参数标定结果,考虑一阶径向畸变情况下,将目标点位置转换到三维摄像机坐标系Ocxcyczc下表示:

式中,k为透镜的径向畸变系数;(cx,cy)为摄像机图像平面坐标的坐标原点Oi的像素坐标;sx、sy为摄像机成像靶面上的单位距离的像素数,由摄像机参数标定获得;f为摄像机的焦距。

根据标定得到的机器人手—眼关系[16],将目标点在摄像机坐标系的表示(xc,yc,zc)变换到机器人首部末端控制点坐标系Ohxhyhzh下表示,变换过程为

式中,hcT为标定所获得的清洗机器人手—眼关系变换矩阵。

在摄像机取像时刻,从机器人控制器实时读取机器人手部末端控制点坐标系的位置和姿态数据,然后将其变换到机器人本体坐标系下:

式中,rhR、rhT分别为机器人手部末端控制点坐标系相对于机器人本体坐标系的旋转矩阵和平移矩阵,是从机器人控制器读取的数据。

同理,将机器人本体坐标系变换到世界坐标系:

式中,R、T分别为机器人本体坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵。

至此,在图像平面上某像素目标点(u,v),根据式(1)～式(4)变换到世界坐标系描述。

4 清洗机器人样机研制

以湖南某电厂300 MW机组的冷凝设备水室为原型(水室的冷却面积为15 300m2,冷凝管为21 552根,冷凝管长度为11.46m,冷凝管外径为25～36mm,管壁厚度为1.5mm)开发了图7所示的样机,其技术指标见表1,能基本满足大型冷凝设备在线清洗的要求。

该300MW机组一直采用以化学清洗为主、胶球清洗为辅的混合清洗方法,年运行费用160万元左右。该厂为本清洗机器人初始投资为80万元,平时系统运行主要为电费 (清洗一根冷凝器管需消耗1kW˙h电能)和化学药剂,运行和维护费用15万元。实际应用表明,在不影响生产的情况下,实现该机组冷凝设备的在线清洗,清洗效果优于之前的混合清洗方法的效果,二者的比较如表2所示。

表1 样机技术指标

表2 机器人清洗与混合清洗效果比较

5 结论

本文提出了一种面向电厂120MW以上容量机组的大型冷凝设备的水下智能清洗机器人,并设计了机械结构、工作流程和控制系统。根据冷凝水室的特点,在满足机器人所需机械动作前提下,采取多项措施使系统结构紧凑、清洗动作简练,实验测试表明样机的性能指标能基本满足大型冷凝设备在线清洗的需要。我国是能耗大国,节能降耗一直是我国发展的主题,该机器人的研制成功将为大型冷凝设备的合理、高效运行奠定基础,对促进电力、化工、制药等行业的安全生产、节能降耗,提高经济和社会效益具有重大意义。

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