智能测温取样多功能机器人系统研发与应用

颜 伟

（山信软件莱芜自动化分公司，山东 济南 271104）

精炼冶炼是对上游转炉（电炉）生产的初炼钢水进行精炼，以满足下游产线对钢水温度、成分要求。在生产过程中，会根据终点成分和温度的需要对钢水进行多次测温、取样。测温的准确性以及取样样块的完整，将影响冶炼生产过程产生，甚至影响下游的生产工艺。在没有采用机器人测温取样之前，现场操作人员采取人工测温、取样、以及氩气搅拌情况观测。整个生产过程，工人暴漏在高温，高粉尘，高噪音的环境中，会对个人的健康造成危害。另外每个人的操作习惯不同，使用手动测温枪插入炉内的测温点也不一样，得到的温度将会有一定的偏差，样块的完整性也无法保证。人工测温，操作人员要从操作室走到炉前，装探头，开炉盖，将测温枪深入炉内，拔出测温枪，拆除废旧探头，整个过程需要三分钟以上，对生产节奏有一定的制约。因此，为了提高劳动生产效率，提高测温、取样数据的准确性，降低操作人员的劳动强度，减少人员作业危险性，提出了智能测温取样多功能机器人系统的课题，该系统实现精炼炉的自动测温、取样、定氧、测渣厚、取渣样、视觉氩气搅拌指导、等功能。做到精炼炉钢水温度、成分精确采集，机器人可根据钢水液面的变化自动调整最终的插入深度，保证测温取样点的准确一致性。氩气搅拌可视化，通过安装在机器人手臂上的耐高温摄像机将炉内氩气搅拌情况实时传输到操作室内，使用视觉处理技术，以及二级模型算法指导精炼一级系统对氩气流量进行调节。从而实现精炼平台无人化，提升精炼炉的整体装备的智能化程度。同时提高生产节奏，提高精炼炉终点控制水平，稳定钢水质量，进一步实现炉机匹配。

1 系统配置以及组成

本系统的硬件部分由硬件系统由机器人系统、PLC控制系统、探头存储安装拆除系统、氩气搅拌观测平台系统、系统检测元件、网络系统等组成。

图1 设备硬件配置图

1.1 PLC控制系统

PLC控制系统是整套系统的控制核心，该系统选用西门子1200系列。这一部分负责测温取样机器人系统所有的联锁逻辑控制和数据通讯传输，其中数据传输包括两方面，一是实现与精炼二级PLC系统之间的通信，接收来自二级系统的发送的控制数据数据，并将测温仪表测得的测温数据，机器人的状态等信息反馈给二级；二是与机器人控制器、伺服控制器进行通信，将启动命令，7轴地轨位置信息，炉口位置信息，钢包液面位置信息，探头存储仓探头安装系统准备完成信息，探头拆除气缸动作信息发送给机器人。

1.2 探头存储安装拆除系统

探头存储安装拆除系统是机器人系统的关键机构，包括探头存储单元格、探头反转下料气缸、探头输送链、探头定位夹持器、机器人枪杆导向夹持器、探头拆除机构， PLC控制系统等组成。

1.3 机器人系统

机器人系统由机器人本体、7轴地轨、控制器、示教器等组成。机器人安装在精炼操作平台上，用于替代人工进行炉前操作。为了方便人工进出，也为了机器人使用安全，在炉口处设置机器人地轨，机器人安装至地轨上，探头存储仓位于炉口左侧，操作人员可以不进入危险区域进行探头放置工作，也方便维修人员对探头仓进行维护。机器人测温枪安装在机器人6轴法兰盘上，枪杆顶部装有高温摄像机支架，枪体内部有耐高温铠装线，前端装有测温枪前枪杆，枪体有冷却气源接口和测温补偿电缆接口。机器人地轨是机器人位置扩展的机构，机器人在不工作的时候移动至安全区域，远离炉口高温区域。地轨是由机器人安装平台、伺服电机、伺服减速机、运行齿轮齿条、底座固定滑块、地轨框架等组成。

1.4 系统检测元件

系统检测元件包括炉口高度检测拉绳编码器、进站钢水液面检测激光测距仪、钢水测温定氧仪。拉绳编码器安装于精炼炉电极更换平台检测炉盖升降从而获得炉门高度变化数据。激光测距仪，安装在精炼平台南北两侧，当钢水进站后钢包车往处理位开，激光测得到实际液面高度。钢水测温定氧仪放置在主控操作室内，与机器人测温枪通过补偿导线连接，机器人探头连接信号，机器人测温完成信号，温度数据，氧含量数据，通过电缆传输至PLC系统。

1.5 氩气搅拌观测平台系统

氩气搅拌视觉指导系统是由耐高温摄像机，针孔镜头，摄像机高温防护罩，涡流冷却器，图像采集处理上位机组成。

1.6 网络系统

机器人控制1级网络、氩气搅拌图像视频流网络，以及网关、交换机等硬件设备组成。

2 系统工作模式以及流程

2.1 测温/定氧模式

①操作人员在操作界面选择测温或定氧模式，选择完成后点击准备。②机器人运行至自动换枪位，安装测温装置，同时探头仓准备相应的探头，机器人测温装置进入探头仓并套入测温或定氧探头。③机器人运行至等待位置，等待操作人员启动命令。④操作人员在操作界面发出启动命令，机器人根据预设的轨迹将测温枪探头伸入炉内。⑤探头浸入钢水，（深度根据激光测距仪发出的液面位置进行调整）直至液面一下400mm深处。⑥PLC检测仪表发出的测温（定氧）完成信号，并将温度数据显示在操作界面上，机器人按原路径退出，并在自动拆除装置退下旧的探头。⑦拆除当前测温装置，并对当前测温装置状态进行检测，测结果将显示在操作画面上提醒操作人员。机器人回到安全待机位等待。

2.2 取样模式

①操作人员在操作界面选择取样模式，选择完成后点击准备。②机器人运行至自动换枪位，安装取样装置，料仓准备好取样探头，机器人取样装置进入探头仓并套入取样探头。③机器人运行至等待位置进行等待操作人员启动命令。④操作人员在操作界面发出启动命令，机器人将根据预设的轨迹将取样探头伸入炉内。⑤探头浸入钢水，（深度根据激光测距仪发出的液面位置进行调整）直至液面一下200mm深处，等待设定时间。⑥机器人按原路径退出，并在自动拆除装置退下旧的取样探头。⑦对当前取样装置状态进行检测，结果将显示在操作画面上提醒操作人员。⑧机器人重复第2步工作，将取样探头安装至取样装置上。⑨拆除取样装置，下次启动时候只需要将取样装置安装到位后进行取样节省时间。

2.3 测渣厚模式

①操作人员在操作界面选择测渣厚模式，选择完成后点击准备。②机器人运行至自动换枪位，安装测量装置，料仓准备好渣厚探头，机器人测量装置进入探头仓并套入测量探头。③机器人运行至等待位置进行等待操作人员启动命令。④操作人员在操作界面发出启动命令，机器人将根据预设的轨迹将取样探头伸入炉内。⑤探头浸入液面以下，等待设定时间，PLC读取探头信号并将净空、渣面厚度、钢水液面高度反馈给三级。⑥机器人按原路径退出，并在自动拆除装置退下旧的测量探头。⑦对当前测量装置状态进行检测，结果将显示在操作画面上提醒操作人员。⑧拆除测量装置，机器人回到等待位置。

2.3 氩气观测模式

①操作人员选择氩气观测点1或者氩气观测点2（氩气观测点位置按照钢包透气砖位置进行调整）按下氩气观测启动按钮。②机器人将摄像机移动至加料口位置。③炉内翻腾情况反馈至炉内监控界面上。

3 搭建仿真平台

（1）软件仿真。Robotstudio软件具有CAD模型导入、路径自动规划、离线编程、仿真调试、到达性检测、碰撞检测、程序的直接下载和载入、二次开发等功能。其仿真示教器、控制器、机器人本体与实际机器人一样，仿真信号、程序等与实际机器人生产线运行过程中的信号及程序也是一致的，还可以进行干涉检查以及运行情况的报警。仿真系统创建步骤：利用软件设计绘画机器人末端执行器、辊道、铸坯等工作站的三维仿真模型，导入该文件完成建模布局工作；打开软件模型库，导入机器人调整Robotstudio的可视化系统，将工作站调节在机器人的工作空间。

仿真运行I/O信号，仿真标准IO板提供的常用信号处理有数字输入DI、数字输出、模拟输入、模拟输出AO和液面高度跟踪。I/O板是下挂在DeviceNet现场总线下的设备，将smart组件的I/O信号与机器人的I/O信号关联，即smart组件的输出信号作为机器人端的输入信号，机器人端的输出信号作为smart组件的输入信号，此时smart组件可以看成一个与机器人进行I/O通信的模拟PLC，离线编写程序，就可以实现整体仿真。

图2 仿真工作站图

（2）Smart组件设计。在Robotstudio中创建机器人的动态效果对仿真起了极其重要的作用，其软件中的smart组件能实现动画效果，以smart组件为例，首先添加子组件，如本体子组件、动作子组件，设定的运动属性， smart组件的动态仿真模拟了真实的机器人动作及炉门高度变化时机器人的工作过程。

（3）系统编程与仿真。仿真模型建立的前提下，Robotstudio软件可进行离线编程。根据测温取样流程、I/O信号设计的smart组件，可在RAPID离线开发程序，示教目标点。机器人程序中需要定位目标点。起始点由固定位置决定，测温取样点主要跟设置的坐标系与位置计算有关。这些点之间以外的路径由程序指令控制，需配置合理的姿态移动。将编辑好的程序保存在pc机上，并传送给机器人控制器。

图3 测温枪入炉观测图

通过仿真直观地检查编程结果，并进行人工修正。机器人轨迹数据、虚拟仿真生成的程序可以通过数据传输给机器人，可以很容易得到机器人最终插入点在钢液下的状态，并且在路径规划过程中避免碰撞发生，测温枪杆进入钢水液面效果，可根据液面高度调整机器人进入炉内的角度和位置。

4 结语

该项目设计了硬件系统和软件系统。硬件系统由机器人系统、PLC控制系统、探头存储安装拆除系统、氩气搅拌观测平台系统、二级数据系统及网络系统等组成。软件系统包括氩气搅拌指导模型、PLC程序、机器人程序、人机交互程序。实现自动测温、取样功能、氩气搅拌观测功能、氩气搅拌自动调节指导功能、人机交互功能与PLC控制功能。消除人工测温、取样操作的误差，提高测温取样成功率及准确程度，降低工人劳动强度，提升了精炼炉的整体装备的智能化程度。同时提高生产节奏，提高精炼炉终点控制水平，稳定钢水质量，进一步实现炉机匹配。本系统将进一步跟踪完善，当前取样完成后仍需要人工对样棒进行破除，冷却等工作，后续的研发方向将进一步完善样块的自动拆除功能，实现真正意义上的平台无人化，进一步降低工人的劳动强度，降低环境造成的伤害。