智能測溫取樣多功能機器人系統研發與應用

顏 偉

（山信軟件萊蕪自動化分公司，山東 濟南 271104）

精煉冶煉是對上游轉爐（電爐）生產的初煉鋼水進行精煉，以滿足下游產線對鋼水溫度、成分要求。在生產過程中，會根據終點成分和溫度的需要對鋼水進行多次測溫、取樣。測溫的準確性以及取樣樣塊的完整，將影響冶煉生產過程產生，甚至影響下游的生產工藝。在沒有采用機器人測溫取樣之前，現場操作人員采取人工測溫、取樣、以及氬氣攪拌情況觀測。整個生產過程，工人暴漏在高溫，高粉塵，高噪音的環境中，會對個人的健康造成危害。另外每個人的操作習慣不同，使用手動測溫槍插入爐內的測溫點也不一樣，得到的溫度將會有一定的偏差，樣塊的完整性也無法保證。人工測溫，操作人員要從操作室走到爐前，裝探頭，開爐蓋，將測溫槍深入爐內，拔出測溫槍，拆除廢舊探頭，整個過程需要三分鐘以上，對生產節奏有一定的制約。因此，為了提高勞動生產效率，提高測溫、取樣數據的準確性，降低操作人員的勞動強度，減少人員作業危險性，提出了智能測溫取樣多功能機器人系統的課題，該系統實現精煉爐的自動測溫、取樣、定氧、測渣厚、取渣樣、視覺氬氣攪拌指導、等功能。做到精煉爐鋼水溫度、成分精確采集，機器人可根據鋼水液面的變化自動調整最終的插入深度，保證測溫取樣點的準確一致性。氬氣攪拌可視化，通過安裝在機器人手臂上的耐高溫攝像機將爐內氬氣攪拌情況實時傳輸到操作室內，使用視覺處理技術，以及二級模型算法指導精煉一級系統對氬氣流量進行調節。從而實現精煉平臺無人化，提升精煉爐的整體裝備的智能化程度。同時提高生產節奏，提高精煉爐終點控制水平，穩定鋼水質量，進一步實現爐機匹配。

1 系統配置以及組成

本系統的硬件部分由硬件系統由機器人系統、PLC控制系統、探頭存儲安裝拆除系統、氬氣攪拌觀測平臺系統、系統檢測元件、網絡系統等組成。

圖1 設備硬件配置圖

1.1 PLC控制系統

PLC控制系統是整套系統的控制核心，該系統選用西門子1200系列。這一部分負責測溫取樣機器人系統所有的聯鎖邏輯控制和數據通訊傳輸，其中數據傳輸包括兩方面，一是實現與精煉二級PLC系統之間的通信，接收來自二級系統的發送的控制數據數據，并將測溫儀表測得的測溫數據，機器人的狀態等信息反饋給二級；二是與機器人控制器、伺服控制器進行通信，將啟動命令，7軸地軌位置信息，爐口位置信息，鋼包液面位置信息，探頭存儲倉探頭安裝系統準備完成信息，探頭拆除氣缸動作信息發送給機器人。

1.2 探頭存儲安裝拆除系統

探頭存儲安裝拆除系統是機器人系統的關鍵機構，包括探頭存儲單元格、探頭反轉下料氣缸、探頭輸送鏈、探頭定位夾持器、機器人槍桿導向夾持器、探頭拆除機構， PLC控制系統等組成。

1.3 機器人系統

機器人系統由機器人本體、7軸地軌、控制器、示教器等組成。機器人安裝在精煉操作平臺上，用于替代人工進行爐前操作。為了方便人工進出，也為了機器人使用安全，在爐口處設置機器人地軌，機器人安裝至地軌上，探頭存儲倉位于爐口左側，操作人員可以不進入危險區域進行探頭放置工作，也方便維修人員對探頭倉進行維護。機器人測溫槍安裝在機器人6軸法蘭盤上，槍桿頂部裝有高溫攝像機支架，槍體內部有耐高溫鎧裝線，前端裝有測溫槍前槍桿，槍體有冷卻氣源接口和測溫補償電纜接口。機器人地軌是機器人位置擴展的機構，機器人在不工作的時候移動至安全區域，遠離爐口高溫區域。地軌是由機器人安裝平臺、伺服電機、伺服減速機、運行齒輪齒條、底座固定滑塊、地軌框架等組成。

1.4 系統檢測元件

系統檢測元件包括爐口高度檢測拉繩編碼器、進站鋼水液面檢測激光測距儀、鋼水測溫定氧儀。拉繩編碼器安裝于精煉爐電極更換平臺檢測爐蓋升降從而獲得爐門高度變化數據。激光測距儀，安裝在精煉平臺南北兩側，當鋼水進站后鋼包車往處理位開，激光測得到實際液面高度。鋼水測溫定氧儀放置在主控操作室內，與機器人測溫槍通過補償導線連接，機器人探頭連接信號，機器人測溫完成信號，溫度數據，氧含量數據，通過電纜傳輸至PLC系統。

1.5 氬氣攪拌觀測平臺系統

氬氣攪拌視覺指導系統是由耐高溫攝像機，針孔鏡頭，攝像機高溫防護罩，渦流冷卻器，圖像采集處理上位機組成。

1.6 網絡系統

機器人控制1級網絡、氬氣攪拌圖像視頻流網絡，以及網關、交換機等硬件設備組成。

2 系統工作模式以及流程

2.1 測溫/定氧模式

①操作人員在操作界面選擇測溫或定氧模式，選擇完成后點擊準備。②機器人運行至自動換槍位，安裝測溫裝置，同時探頭倉準備相應的探頭，機器人測溫裝置進入探頭倉并套入測溫或定氧探頭。③機器人運行至等待位置，等待操作人員啟動命令。④操作人員在操作界面發出啟動命令，機器人根據預設的軌跡將測溫槍探頭伸入爐內。⑤探頭浸入鋼水，（深度根據激光測距儀發出的液面位置進行調整）直至液面一下400mm深處。⑥PLC檢測儀表發出的測溫（定氧）完成信號，并將溫度數據顯示在操作界面上，機器人按原路徑退出，并在自動拆除裝置退下舊的探頭。⑦拆除當前測溫裝置，并對當前測溫裝置狀態進行檢測，測結果將顯示在操作畫面上提醒操作人員。機器人回到安全待機位等待。

2.2 取樣模式

①操作人員在操作界面選擇取樣模式，選擇完成后點擊準備。②機器人運行至自動換槍位，安裝取樣裝置，料倉準備好取樣探頭，機器人取樣裝置進入探頭倉并套入取樣探頭。③機器人運行至等待位置進行等待操作人員啟動命令。④操作人員在操作界面發出啟動命令，機器人將根據預設的軌跡將取樣探頭伸入爐內。⑤探頭浸入鋼水，（深度根據激光測距儀發出的液面位置進行調整）直至液面一下200mm深處，等待設定時間。⑥機器人按原路徑退出，并在自動拆除裝置退下舊的取樣探頭。⑦對當前取樣裝置狀態進行檢測，結果將顯示在操作畫面上提醒操作人員。⑧機器人重復第2步工作，將取樣探頭安裝至取樣裝置上。⑨拆除取樣裝置，下次啟動時候只需要將取樣裝置安裝到位后進行取樣節省時間。

2.3 測渣厚模式

①操作人員在操作界面選擇測渣厚模式，選擇完成后點擊準備。②機器人運行至自動換槍位，安裝測量裝置，料倉準備好渣厚探頭，機器人測量裝置進入探頭倉并套入測量探頭。③機器人運行至等待位置進行等待操作人員啟動命令。④操作人員在操作界面發出啟動命令，機器人將根據預設的軌跡將取樣探頭伸入爐內。⑤探頭浸入液面以下，等待設定時間，PLC讀取探頭信號并將凈空、渣面厚度、鋼水液面高度反饋給三級。⑥機器人按原路徑退出，并在自動拆除裝置退下舊的測量探頭。⑦對當前測量裝置狀態進行檢測，結果將顯示在操作畫面上提醒操作人員。⑧拆除測量裝置，機器人回到等待位置。

2.3 氬氣觀測模式

①操作人員選擇氬氣觀測點1或者氬氣觀測點2（氬氣觀測點位置按照鋼包透氣磚位置進行調整）按下氬氣觀測啟動按鈕。②機器人將攝像機移動至加料口位置。③爐內翻騰情況反饋至爐內監控界面上。

3 搭建仿真平臺

（1）軟件仿真。Robotstudio軟件具有CAD模型導入、路徑自動規劃、離線編程、仿真調試、到達性檢測、碰撞檢測、程序的直接下載和載入、二次開發等功能。其仿真示教器、控制器、機器人本體與實際機器人一樣，仿真信號、程序等與實際機器人生產線運行過程中的信號及程序也是一致的，還可以進行干涉檢查以及運行情況的報警。仿真系統創建步驟：利用軟件設計繪畫機器人末端執行器、輥道、鑄坯等工作站的三維仿真模型，導入該文件完成建模布局工作；打開軟件模型庫，導入機器人調整Robotstudio的可視化系統，將工作站調節在機器人的工作空間。

仿真運行I/O信號，仿真標準IO板提供的常用信號處理有數字輸入DI、數字輸出、模擬輸入、模擬輸出AO和液面高度跟蹤。I/O板是下掛在DeviceNet現場總線下的設備，將smart組件的I/O信號與機器人的I/O信號關聯，即smart組件的輸出信號作為機器人端的輸入信號，機器人端的輸出信號作為smart組件的輸入信號，此時smart組件可以看成一個與機器人進行I/O通信的模擬PLC，離線編寫程序，就可以實現整體仿真。

圖2 仿真工作站圖

（2）Smart組件設計。在Robotstudio中創建機器人的動態效果對仿真起了極其重要的作用，其軟件中的smart組件能實現動畫效果，以smart組件為例，首先添加子組件，如本體子組件、動作子組件，設定的運動屬性， smart組件的動態仿真模擬了真實的機器人動作及爐門高度變化時機器人的工作過程。

（3）系統編程與仿真。仿真模型建立的前提下，Robotstudio軟件可進行離線編程。根據測溫取樣流程、I/O信號設計的smart組件，可在RAPID離線開發程序，示教目標點。機器人程序中需要定位目標點。起始點由固定位置決定，測溫取樣點主要跟設置的坐標系與位置計算有關。這些點之間以外的路徑由程序指令控制，需配置合理的姿態移動。將編輯好的程序保存在pc機上，并傳送給機器人控制器。

圖3 測溫槍入爐觀測圖

通過仿真直觀地檢查編程結果，并進行人工修正。機器人軌跡數據、虛擬仿真生成的程序可以通過數據傳輸給機器人，可以很容易得到機器人最終插入點在鋼液下的狀態，并且在路徑規劃過程中避免碰撞發生，測溫槍桿進入鋼水液面效果，可根據液面高度調整機器人進入爐內的角度和位置。

4 結語

該項目設計了硬件系統和軟件系統。硬件系統由機器人系統、PLC控制系統、探頭存儲安裝拆除系統、氬氣攪拌觀測平臺系統、二級數據系統及網絡系統等組成。軟件系統包括氬氣攪拌指導模型、PLC程序、機器人程序、人機交互程序。實現自動測溫、取樣功能、氬氣攪拌觀測功能、氬氣攪拌自動調節指導功能、人機交互功能與PLC控制功能。消除人工測溫、取樣操作的誤差，提高測溫取樣成功率及準確程度，降低工人勞動強度，提升了精煉爐的整體裝備的智能化程度。同時提高生產節奏，提高精煉爐終點控制水平，穩定鋼水質量，進一步實現爐機匹配。本系統將進一步跟蹤完善，當前取樣完成后仍需要人工對樣棒進行破除，冷卻等工作，后續的研發方向將進一步完善樣塊的自動拆除功能，實現真正意義上的平臺無人化，進一步降低工人的勞動強度，降低環境造成的傷害。