吳湘檸

（廣西機(jī)械工業(yè)研究院，廣西 南寧 530007）

列管式加熱器全自動清洗系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

吳湘檸

（廣西機(jī)械工業(yè)研究院，廣西 南寧 530007）

文章闡述了列管式加熱器全自動清洗系統(tǒng)開發(fā)的背景，進(jìn)行了項目的需求分析，明晰了開發(fā)目標(biāo)，論述了列管式加熱器全自動清洗系統(tǒng)的原理、技術(shù)方案和技術(shù)特點(diǎn)，指明了列管式加熱器全自動清洗系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。

列管式加熱器；自動清洗；機(jī)器人

1 項目背景

目前國內(nèi)糖廠普遍采用人工直接操作高壓水射流沖槍的方式對蒸發(fā)罐和列管加熱器積垢進(jìn)行清洗，清洗壓力一般為60～80MPa，工人的勞動強(qiáng)度大，工作效率低，清洗質(zhì)量差，存在很大的安全隱患，常發(fā)生工傷安全事故。由于工作環(huán)境惡劣，每清洗一個列管式加熱器需用5個以上的工人輪流作業(yè)，隨著勞動力成本的上漲和人民生活水平的不斷提高，目前糖廠很難招聘到從事繁重體力勞動的沖罐工，薪酬矛盾和用工矛盾日益突出。為了解決上述問題，廣西機(jī)械工業(yè)研究院聯(lián)合廣西上上糖業(yè)有限公司合作開發(fā)列管式加熱器全自動清洗系統(tǒng)，該項目從2011年3月開始研發(fā)，2014年4月通過項目鑒定。

2 需求分析及開發(fā)目標(biāo)

該項目的難點(diǎn)在于在工作環(huán)境惡劣，邊界約束條件苛刻。首先是工作環(huán)境，要求設(shè)備能適應(yīng)40℃以上的溫度和100%的濕度，對電氣設(shè)備提出了很高的要求；其次是蒸發(fā)罐的結(jié)構(gòu)對沖罐設(shè)備的尺寸和重量的邊界約束條件苛刻。沖罐工作要求的工作尺寸為Φ（3000～6000）×3200mm，而蒸發(fā)罐的人孔尺寸被限制在500×600mm的狹小空間范圍內(nèi)，所以設(shè)備的寬度和高度尺寸不能超過500×600mm，同時因為入口尺寸小，為了入罐方便，設(shè)備的重量要求越輕越好。另外，每個蒸發(fā)罐需要進(jìn)行沖洗的列管孔數(shù)量在2000～7000個之間，這些管孔由于制造的誤差及使用過程制造的盲孔，實際上屬于無序排列，大量列管孔坐標(biāo)數(shù)據(jù)的提取成為一個難題。另外，糖廠是連續(xù)生產(chǎn)型企業(yè)，對輪罐時間有嚴(yán)格要求，要滿足糖廠的生產(chǎn)工藝要求，每個列管沖洗的時間應(yīng)控制在4s以內(nèi)。最后是壓力容器罐內(nèi)安全電壓的要求，按國家標(biāo)準(zhǔn)必須采用36V以下安全電壓的電機(jī)。驅(qū)動高壓水槍上下往復(fù)運(yùn)動的伺服電機(jī)必須滿足高頻正反轉(zhuǎn)且具有大的轉(zhuǎn)動慣量。根據(jù)上述需求分析，項目組制定了如下開發(fā)目標(biāo)。

2.1 安全性能指標(biāo)

2.1.1 電器安全

第一，選用36V安全電壓的電機(jī)和儀器儀表。

第二，電氣設(shè)備防水等級IP65。

2.1.2 機(jī)械防護(hù)

確保高壓水槍始終在清罐機(jī)中，嚴(yán)防高壓水槍傷人。

2.2 生產(chǎn)效率指標(biāo)

單槍效率：4.0s/孔，最大水壓：80MPa。

2.3 產(chǎn)品輕量化指標(biāo)

設(shè)備總重：小于120kg。

2.4 產(chǎn)品拆裝時間

2個人進(jìn)行操作，安裝時間約20分鐘，拆卸時間約10分鐘。

2.5 可靠性指標(biāo)

30萬次無重大故障。

2.6 可操作性指標(biāo)

人機(jī)界面友好，操作簡單方便。

2.7 工作環(huán)境指標(biāo)

工作環(huán)境溫度能滿足40℃要求。

3 技術(shù)原理及方案

列管式加熱器全自動清洗系統(tǒng)采用機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行列管坐標(biāo)數(shù)據(jù)的采集，采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)記錄和優(yōu)化清洗路徑，通過上位機(jī)下達(dá)指令控制四軸數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)清洗設(shè)備的XY軸運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)、換區(qū)和定位，以帶動高壓水槍至所需清洗列管，并準(zhǔn)確帶動高壓水槍往復(fù)運(yùn)動，實現(xiàn)對列管的清洗除垢作業(yè)。

列管式加熱器全自動清洗系統(tǒng)設(shè)計方案主要由高壓水槍沖洗裝置、四軸數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)器視覺系統(tǒng)三大部分組成。

當(dāng)驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動主動輪轉(zhuǎn)動時，在兩個壓輪和主動輪的摩擦力作用下高壓水槍軟管實現(xiàn)上、下往復(fù)運(yùn)動，進(jìn)行加熱器內(nèi)加熱管的自動清洗。高壓水槍沖洗裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高壓水槍輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

四軸數(shù)控系統(tǒng)由XY軸運(yùn)動平臺、蒸發(fā)罐換區(qū)裝置、高壓水槍控制系統(tǒng)和自動控制軟件組成。其構(gòu)成框架圖如圖2所示。

圖2 四軸控制系統(tǒng)框架圖

機(jī)器視覺系統(tǒng)一般采用CCD或CMOS照相機(jī)攝取檢測圖象并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，采用先進(jìn)的計算機(jī)硬件與軟件技術(shù)對圖象數(shù)字信號進(jìn)行處理，從而得到所需要的各種目標(biāo)圖象特征值。機(jī)器視覺系統(tǒng)一般包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。本機(jī)器視覺系統(tǒng)的硬件包括：主計算機(jī)、USB接口攝像頭、照明系統(tǒng)。本機(jī)器視覺系統(tǒng)的軟件包括可分為四個主要部分，圖3為圖像處理流程。

圖3 圖像處理流程

第一部分是圖像信息的獲取。就是軟件將設(shè)備攝取的圖像存入計算機(jī)中，備后續(xù)處理。

第二部分是圖像預(yù)處理。預(yù)處理的目的是去除背景噪聲干擾、圖像增強(qiáng)等，將原始圖像變成適合于計算機(jī)進(jìn)行特征提取的形式。

第三部分是圖像邊緣提取。在圖像預(yù)處理的基礎(chǔ)上，通過分析和總結(jié)，提取圖像邊緣。

第四部分是中心計算與輸出。即根據(jù)提取的圖像邊緣，采用某種方法獲取圓孔中心，并將圓孔中心邊緣值輸出。

4 產(chǎn)品性能及特點(diǎn)

經(jīng)過項目組成員三年多得努力，該項目在2014年通過了廣西科技廳組織的項目現(xiàn)場查定和鑒定。該項目經(jīng)自治區(qū)科技廳組織專家查定，清洗列管時間平均3.39秒/支管，設(shè)備總重量84.6kg，安裝時間6分35秒，拆卸時間6分10秒。鑒定結(jié)論是“項目研究成果處于國際先進(jìn)、國內(nèi)領(lǐng)先水平，市場應(yīng)用前景廣闊。”

該項目產(chǎn)品的研發(fā)成功，解決了長期困擾糖廠蒸發(fā)罐自動清洗的難題，并獲得了大量的研究成果。該項目申請國家專利30多項，目前已獲授權(quán)20余項，其中發(fā)明專利授權(quán)5項。該項目獲得了2015年廣西專利博覽會金獎，獲得了廣西工信委國內(nèi)重大設(shè)備首臺套認(rèn)定。該項目產(chǎn)品具有如下特點(diǎn)。

第一，在國內(nèi)率先成功開發(fā)列管式加熱器全自動清洗系統(tǒng)，設(shè)備無需人入罐操作避免了操作人員直接接觸高壓水槍所帶來的安全隱患。如圖4所示。設(shè)備使用時，操作人員首先利用輔助入罐設(shè)備將機(jī)架放入罐內(nèi)，將旋轉(zhuǎn)中心安裝在罐內(nèi)的中心座上，然后將高壓水管及電源連接好，就可以在罐外的操作平臺上通過鼠標(biāo)進(jìn)行設(shè)備的操作，極大地解放了工人的勞動強(qiáng)度，提高了安全生產(chǎn)率。設(shè)備的人機(jī)界面友好，操作人員只需培訓(xùn)30分鐘即可上崗操作。操作界面圖如圖5所示。操作界面上可以清晰的顯示已沖洗的孔和未清洗的孔，合計用時以及故障記錄，非常方便。

第二，通過高壓水射流噴嘴的流體力學(xué)模擬仿真，成功開發(fā)系列適應(yīng)糖廠生產(chǎn)工藝的噴嘴，在提高清洗質(zhì)量方面獲得重大突破。采用本項目開發(fā)成功的槍頭進(jìn)行清洗，解決了容易堵槍的問題，同時清洗質(zhì)量大幅提高。課題組在廣西上上糖業(yè)有限公司和南寧糖業(yè)伶俐糖廠現(xiàn)場測試對比，結(jié)果顯示清洗質(zhì)量分別提高1～2倍。未清洗、人工清洗和機(jī)器清洗的清洗效果對比圖，如圖6所示。

圖4 設(shè)備使用狀況圖

圖5 操作界面圖

圖6 清洗效果對比圖

第三，采用機(jī)械優(yōu)化設(shè)計和有限元分析技術(shù)，解決了蒸發(fā)罐入口尺寸小，對系統(tǒng)設(shè)備在體積和重量上的苛刻要求。整機(jī)的高度和長度尺寸為500×600mm，整機(jī)重量經(jīng)過多次優(yōu)化，僅為84.6kg。

第四，開發(fā)了一種能適應(yīng)高溫高濕環(huán)境的自控系統(tǒng)裝置，可直接安裝在罐內(nèi)設(shè)備上使用，有效解決了列管式加熱器罐內(nèi)設(shè)備長期適應(yīng)高溫高濕工作環(huán)境的技術(shù)難題。該裝置的研發(fā)成功，避免了電氣設(shè)備接頭經(jīng)常重復(fù)插拔所帶來的控制系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題，使整套系統(tǒng)可靠性大大提高。

第五，開發(fā)成功一種基于機(jī)器視覺系統(tǒng)的自動找孔方法和裝置，大大提高了加熱管坐標(biāo)數(shù)據(jù)提取效率以及坐標(biāo)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，有效解決了列管式加熱器成千上萬加熱管無序坐標(biāo)數(shù)據(jù)提取的難題。如果采用人工進(jìn)行加熱管坐標(biāo)數(shù)據(jù)提取，不僅效率低，同時還會產(chǎn)生漏提的問題，最終導(dǎo)致新的盲孔產(chǎn)生。課題組克服了罐內(nèi)光線強(qiáng)度變化大，管孔變形不均，背景噪聲大等眾多不利因素，成功的實現(xiàn)了加熱管坐標(biāo)數(shù)據(jù)的自動提取，提取效果圖見圖7。

圖7 自動找孔效果圖

第六，聯(lián)合開發(fā)成功符合本項目需求的36V、1kW伺服電機(jī)與驅(qū)動器，實現(xiàn)系統(tǒng)電氣設(shè)備均采用安全電壓。伺服電機(jī)性能狀態(tài)監(jiān)控圖，如圖8所示。

第七，開發(fā)了一種依靠摩擦力進(jìn)行高壓水槍驅(qū)動的輪式輸送機(jī)構(gòu)，利用1個主動輪和兩個從動輪即可對高壓水槍進(jìn)行穩(wěn)定輸送，結(jié)構(gòu)簡單可靠。

第八，系統(tǒng)模塊化設(shè)計，并開發(fā)輔助提升裝置，實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備整體出入罐體、轉(zhuǎn)移等操作，設(shè)備裝卸快捷、方便。

第九，系統(tǒng)巧妙利用定位擋塊對頂桿的阻礙，通過Y軸直線運(yùn)動即可實現(xiàn)機(jī)架的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，實現(xiàn)了3個動力即可完成設(shè)備清洗作業(yè)所需的四軸運(yùn)動。

圖8 伺服電機(jī)性能狀態(tài)監(jiān)控

第十，利用管夾將高壓水槍的尾管運(yùn)動約束在一個有限空間內(nèi)，成功開發(fā)一種高壓水槍尾管整理裝置，有效解決高壓水槍尾管整理的問題。

第十一，開發(fā)了一種高壓水槍驅(qū)動時防軟管打卷裝置，能有效防止高壓水槍軟管打卷，保證清洗設(shè)備正常作業(yè)。

第十二，成功開發(fā)智能故障報警和診斷系統(tǒng)，利于操作人員快速有效排除設(shè)備故障。

該項目成功開發(fā)的產(chǎn)品和其它類似產(chǎn)品相比具有以下優(yōu)點(diǎn)。

一是作業(yè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全覆蓋，無死角和盲區(qū)，無需人工補(bǔ)槍。

二是專門開發(fā)的噴嘴，清洗質(zhì)量更高。

三是36V安全電壓伺服電機(jī)，符合國家安全標(biāo)準(zhǔn)。

四是設(shè)備整體入罐，拆裝時間更短，同時由于減少了電氣接頭的拆裝，設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性更高。

五是加熱管坐標(biāo)數(shù)據(jù)自動提取，無漏提孔，不會產(chǎn)生新的盲孔。

5 應(yīng)用情況

該項目研發(fā)成功的產(chǎn)品目前已經(jīng)有20多臺套在廣西、云南、新疆及國外的泰國等地區(qū)的10余家糖廠成功應(yīng)用，均獲得了客戶的肯定與認(rèn)可。該產(chǎn)品的應(yīng)用不僅解決了用工難的問題，而且很好的解決了漏沖、沖洗不干凈的問題，由于沖洗質(zhì)量的提高，應(yīng)用廠家的蒸發(fā)效能均有不同程度的提高，為糖廠的節(jié)能減排做出了貢獻(xiàn)。

6 展望

該產(chǎn)品下一步的研發(fā)方向主要有以下兩方面。

第一，單機(jī)架雙槍頭全自動沖罐機(jī)器人的研發(fā)。目前使用的是雙機(jī)架單槍頭設(shè)備，拆裝時間長，設(shè)備體積大。要解決單機(jī)架雙槍頭的問題除了要解決雙槍頭的同步問題，設(shè)備的可靠性還要進(jìn)一步提高。

第二，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷。全自動沖罐機(jī)器人集成了機(jī)器人技術(shù)、自動控制技術(shù)和計算機(jī)軟件技術(shù)，對糖廠在使用和維護(hù)方面提出了較高的要求，如果能實現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷，將進(jìn)一步方便糖廠的使用，減少設(shè)備故障和維護(hù)時間，符合未來工業(yè)發(fā)展要求。

TS243.3

B

2095-820X（2016）04-07

2016-07-28

該項目獲得了自治區(qū)科技廳2012年科技開發(fā)計劃和南寧市工信委科技創(chuàng)新計劃的支持（合同號：桂科重12118002-6，市工信委2011-1-13）。