基于PLC的水泥庫筒倉清理機器人系統設計

胡志通，公續銀，趙 建

（濟南大學機械工程學院，濟南 250022）

0 引言

水泥庫筒倉因遇水凝結、長時間存儲等原因形成積料和結皮掛在筒倉內壁上，這些積料和結皮會成塊或成片落到庫底，輕者會減少有效庫容，重者則會堵死下料器，嚴重影響水泥企業正常生產。人工清理庫內積料的方式效率低下，且極易引發質量事故[1]。筒倉清理機器人取代人工清庫作業，具有自動化程度高、施工人員少的優點，提高了清潔效率，保障生產操作的安全性，滿足企業的迫切需要[2]。

水泥庫筒倉的清庫需求是伴隨倉庫、筒倉在工業內的大量應用而出現的。目前市場上面對儲煤倉、石料倉等流動條件差或者粘滯性大的物料的板結堵塞，仍然以使用空氣清堵器（空氣炮）、激振器、筒倉內壁振動器、鏟料器等為主要處理方法[3-6]。利用PLC 控制技術，設計自動化清理筒倉的功能和檢測系統實時反饋的功能，擺脫人工入庫清理的局面[7-8]。

1 系統總體設計

水泥庫庫壁清理機器人的機械結構分為：上部固定底座、豎直支撐臂、水平工作臂、末端執行機構、上部卷揚機構等。

上部固定底座安裝在水泥庫頂部，固定在庫頂中心位置。庫頂中心孔按需要可開60×60范圍孔，便于安裝。豎直支撐臂安裝在上部固定底座上，從庫頂開孔處進入庫內，末端鏈接水平工作臂。水平工作臂由多組小工作臂裝配拼接而成，能夠根據水泥庫的庫內直徑靈活配置工作臂的長度。水平工作臂末端安裝有方向導輪，引導橡膠軟管豎直向下放送。

上部卷揚機構安裝在上部固定底座上，分為兩部分：工作臂提升機構和末端執行器提升機構。工作臂提升機構由牽引電機和卷揚機組成，卷揚機輸出鋼纜與水平工作臂上固定孔相連，通過牽引電機帶動卷揚機，實現鋼纜的收放動作，完成對水平工作臂的姿態角度控制。末端執行器提升機構安裝在上部固定座前部，由卷揚機和提升電機組成，提升電機動作后帶動橡膠管卷揚機旋轉，帶動橡膠管上下運動。

末端執行機構主要由高速電機和甩動鞭鏈組成。整個末端執行機構安裝在橡膠軟管的末端并固定，能夠隨著提升機構工作而上下移動，實現庫內全面清理積料。橡膠軟管內包含電源線和信號線，高速電機連接在橡膠軟管中電源線上，實現高速旋轉，帶動外部的甩動鞭鏈猛烈碰撞庫壁積料，完成區域的清理工作。當一處積料清理完成后，整個機械結構協同工作，完成末端執行器的移動，到達下一片區域開始清理工作。

對水泥庫庫壁清理的過程進行分析，其清理庫壁掛料的過程主要包括了機器設備本體安裝、設備入庫調試、設備工作清理、設備出庫等方面的內容。在庫壁清理機器人工作過程中，需要保障上述工作自動化、高效率的完成，根據這些要求設計水泥庫庫壁清理機器人總體系統如圖1所示。圖中，上位機作為人機交互界面，連接PLC 作為控制中心，控制機器主體完成末端執行系統的動作，并處理反饋信號給上位機，構成閉環控制，組成整個控制系統。

圖1 總體系統組成圖

2 控制系統設計

采用PLC 作為總控制器，控制執行機構運行，處理傳感器信號。如圖2 所示，PLC 作為控制中心，主要分為3個部分的控制：一是機器人本體姿態的控制；二是末端執行器控制；三是控制傳感器信號接受與發送。3 個部分的數據最終由上位機控制臺處理，工作指令再次反饋到PLC 控制器，完成整個閉環控制。

圖2 控制系統總流程圖

如圖3所示，庫壁清理機器人的姿態控制主要包括主體支架水平電機的控制和工作臂提升電機的控制，兩個電機協作配合，使機器人能夠將末端執行器運送到指定位置。主體支架水平電機為步進電機，通過PLC 發送脈沖數控制其旋轉，并由光電編碼器記錄旋轉角度，旋轉指定角度后，主軸停止并抱死。工作臂提升電機為大功率三相異步電機，牽引卷揚機構轉動，由人工監控工作臂姿態，到達工作角度后保持并進入抱死狀態。

圖3 姿態控制流程圖

末端執行器的控制分為兩個方面，如圖4 所示。電纜牽引電機控制電纜的伸出長度，使末端執行器刀頭順利地下放或上升，而末端執行器旋轉電機則為刀頭提供旋轉動力。根據庫內積料和結皮的厚度，調節旋轉電機的轉速，達到最佳碰撞效果。

圖4 末端執行器控制流程圖

如圖5所示，檢測系統的控制分為多個方面：一是云臺攝像機的控制，由于工作環境惡劣且障礙物較多，要求能夠自適應調整攝像頭角度，同時防止受灰塵污染；二是照明機構的調節，照明機構須具有一定跟隨動作，跟隨攝像頭的方向，為攝像頭提供明亮的光照環境；三是工作臂末端的距離感應器控制，距離感應器能夠探測出工作臂末端與庫壁的距離，從而保持工作臂與庫內壁較小的間隙，使末端執行器刀頭在水平方向有效地碰撞水泥結皮。三維成像傳感器采用激光雷達作為主要傳感器，通過串口通信將掃描信號傳輸到控制臺，由控制臺生成庫內積料地圖。輔助控制人員分析庫內清庫進程，進一步控制末端執行器完成清庫過程。

圖5 傳感器信號接受與處理流程圖

3 檢測系統設計

庫壁清理機器人的檢測系統主要負責檢測庫內的末端執行器刀頭運轉情況，為庫頂或地面的控制臺提供清晰的清庫進展細節，使操作人員能夠順利控制清理機器人完成庫壁清理任務。為完成以上任務，庫壁清理機器人的檢測系統由以下部分組成：云臺、末端距離感應器、照明機構、終端控制臺等。

根據機械系統設計，照明機構和云臺安裝在豎直臂的下部，視頻信號線和電源線從豎直臂的內部穿入，最終連入PLC和控制臺。PLC控制照明機構的開關以及亮度調節?？刂婆_接受視頻信號，顯示在工控屏幕上，為控制人員呈現庫內清理細節。而距離感應器安裝在末端導輪的下方，用來檢測末端臂與水泥庫內壁掛料的距離，并反饋給控制臺，調整工作臂的角度和末端電動缸的工作距離。末端距離感應器采用機械式接近開關，具有良好的環境適應性，在庫內粉塵環境下能夠穩定工作。通過PLC 將末端距離感應器的信號發送到終端控制臺，控制臺對信號進行計算處理，從而不斷調整清理機器人的整體姿態，實現高效自主清理。檢測系統的安裝位置圖如圖6所示。

4 結束語

本文通過對水泥庫筒倉清理機器人控制系統進行設計，實現了對機器人姿態控制、末端執行器控制和傳感器信號處理。以PLC 為控制中心，設計機器人的姿態控制流程和檢測系統處理流程。

圖6 檢測系統設計圖

基于PLC 的水泥庫筒倉清理機器人控制系統用于取代人工清庫作業，保障清庫工人生命安全。為水泥生產企業帶來高效、易操作的清庫設備，提高水泥筒倉的有效容積。對于保障企業安全生產和持續生產具有重要利用價值和現實意義。