專利名稱：大型冷凝設備水下智能清洗機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及到冷凝器清洗設備領域，特指一種大型冷凝設備水下智能清洗機器人，其適用于電力、化工、制藥等行業(yè)的大型冷凝器的在線清洗。
背景技術：
目前，在工業(yè)領域中應用的冷凝器一般采用水冷和風冷等方式，其中大多采用水冷，而冷卻水多數(shù)是直接取自江、河、湖、海等自然水源，由于冷卻水不潔凈、熱交換時伴隨化學反應等原因，致使冷凝管內(nèi)壁積聚了不利于傳熱的污垢。污垢的存在會引發(fā)一系列危害1、急劇降低了冷凝器的傳熱系數(shù)，導致冷凝器真空度降低，汽輪機組的出力隨之降低，從而降低了汽輪發(fā)電機的效率；2、增加了冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的水流阻力，導致循環(huán)水泵的能耗增加；3、導致冷凝管堵塞，嚴重影響設備運行；4、冷凝器管腐蝕穿孔，容易引發(fā)事故。
在不同的應用領域中，冷凝器也具有各自的特點，但其主要的功能都是提高系統(tǒng)的工作效率。冷凝器是火力、原子能發(fā)電廠最重要的冷卻器，其交換性能的優(yōu)劣直接影響發(fā)電廠的換熱效率。由于冷凝器熱量傳導的主要限制瓶頸在管道的水側，因此對冷凝設備的及時有效的清洗，不僅能預防惡性生產(chǎn)事故發(fā)生，而且可以提高冷凝器的工作效率，可以起到巨大的節(jié)能降耗作用。
目前一般主要采用人工捅洗、膠球清洗、化學清洗和高壓水射流清洗等方法。1、停機人工、機械方式清洗。在汽輪機檢修時，舊式低壓小容量的汽輪機冷凝器管(多采取鎖母固定連接)，常采用人工敲打、捅刷除垢的方法。該方法勞動強度大，需要停機操作，容易損壞機組。2、膠球在線清洗防垢、除垢。膠球清洗裝置由收球網(wǎng)、二次濾網(wǎng)、裝球室、膠球輸送泵和電氣控制柜等部件組成。對大機組采用單元制系統(tǒng)，即冷凝器每一側使用收球網(wǎng)、裝球室、膠球輸送泵各一臺；對于小機組通常采用共用制系統(tǒng)。膠球清洗時先把比冷卻管內(nèi)徑大1～2mm的海綿膠球放入裝球室，在膠球泵的作用下膠球被送入循環(huán)水進水管，隨著循環(huán)水的流動，膠球被擠入冷凝器管中進行擦洗，膠球通過冷凝器管后與循環(huán)水一起進入收球網(wǎng)，隨后被膠球輸送泵抽出，再進入裝球室。如此循環(huán)，膠球不斷擦洗冷凝器內(nèi)壁使之保持清潔。使用膠球進行清洗存在以下缺點在冷凝器清洗過程中會存在，容易使冷凝器堵塞，膠球的回收率較低，往往比較好的系統(tǒng)，收球率也在80％以下，最差的情況根本收不到球。對于由化學反應而形成的析晶污垢則不能完全清除。3、化學清洗。根據(jù)不同材質(zhì)冷凝器需要，選用適宜的清洗介質(zhì)、緩蝕劑和活化劑，在規(guī)定的清洗范圍及系統(tǒng)內(nèi)、遵循一定的清洗質(zhì)量控制標準，采用一定的清洗工藝(包括循環(huán)水系統(tǒng)加藥)對冷凝器進行清洗。化學清洗須嚴格控制腐蝕速率(小于1g/m2·h)和總腐蝕量(小于10g/m2)腐蝕冷凝管；由于對冷凝器有腐蝕作用，化學清洗減短了冷凝管壽命；容易引起設備損壞、人身傷亡和清洗質(zhì)量事故等發(fā)生，嚴重影響預期效果，給安全生產(chǎn)和經(jīng)濟運行帶來巨大的損失；污染環(huán)境，不符合環(huán)保原則。4、高壓水射流清洗。所謂高壓水射流，是將普通自來水通過高壓泵加壓到數(shù)百乃至數(shù)千大氣壓力，然后通過特殊的噴嘴，以極高的速度噴出的一股能量高度集中的水流。它能夠除去管內(nèi)各種污垢和堵塞物。利用這股具有巨大能量的水流進行清洗即為高壓水射流清洗。高壓水射流清洗技術有以下優(yōu)點①清洗成本低；②清洗效果好清洗管道及熱交換器內(nèi)孔時，能將管內(nèi)的污垢和堵塞物全部清除干凈，可見到金屬本體，實現(xiàn)高質(zhì)量清洗；③清洗速度快；④無環(huán)境污染；⑤對金屬無任何腐蝕作用；⑥應用面廣，凡是水射流能直射到的部位，不管是管道和容器內(nèi)腔，還是設備表面，也不管是堅硬結垢物，還是結實的堵塞物，皆可使其迅速脫離母體，徹底清洗干凈，此種清洗方法對設備材質(zhì)、特性、形狀及污垢種類均無特殊要求，故其應用十分廣泛。目前，雖然高壓水射流技術有以上這些優(yōu)點，但是當清洗冷凝器時需要機組停機，若機組不停機，清洗工人需要穿上潛水服才能到水下進行工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題就在于針對現(xiàn)有技術存在的技術問題，本發(fā)明提供一種結構簡單、適用范圍廣、自動化程度高、能夠自動完成在線清洗的大型冷凝設備水下智能清洗機器人。
為解決上述技術問題，本發(fā)明提出的解決方案為一種大型冷凝設備水下智能清洗機器人，它包括控制機構和與控制機構相連的清洗機構，其特征在于所述清洗機構的底端設有行走機構，清洗機構包括噴槍體、圖像采集裝置、小臂總成、大臂總成、回轉機構總成、連通管以及清洗介質(zhì)源，所述小臂總成包括小臂、小臂驅動裝置以及小臂驅動軸，小臂的一端安裝于小臂驅動軸上，小臂的另一端上裝設有噴槍體和圖像采集裝置，噴槍體通過連通管與清洗介質(zhì)源相連，小臂驅動軸與小臂驅動裝置相連，小臂驅動裝置通過小臂光電編碼器與控制機構相連；大臂總成包括大臂、大臂驅動裝置以及大臂驅動軸，大臂的一端與小臂驅動軸相連，大臂的另一端與大臂驅動軸相連，大臂驅動軸與大臂驅動裝置相連，大臂驅動裝置通過大臂光電編碼器與控制機構相連；大臂驅動軸安裝于回轉機構總成上，回轉機構總成裝設于行走機構上。
所述行走機構包括底盤、驅動輪、從動輪、車架、行走驅動裝置以及履帶，底盤固定于車架上，驅動輪和從動輪裝設于車架上，履帶繞設于驅動輪和從動輪上，驅動輪與行走驅動裝置相連。
所述行走驅動裝置與位于水室外的液壓驅動機構相連，液壓驅動機構包括壓力泵、儲液槽、液壓伺服閥以及液壓缸進出水管，液壓缸進出水管一端與行走驅動裝置相連，另一端通過液壓伺服閥和壓力泵與儲液槽內(nèi)的介質(zhì)相連。
所述噴槍體和行走機構上裝設有一個或一個以上的聲納傳感器，聲納傳感器與控制機構相連。
所述清洗介質(zhì)源包括清水介質(zhì)源和化學藥劑介質(zhì)源，所述化學藥劑介質(zhì)源為化學藥劑儲液槽，清水介質(zhì)源為清水高壓水泵，化學藥劑儲液槽和清水高壓水泵與連通管相連。
所述小臂和大臂為中空狀，與控制機構相連的信號線路裝設于小臂和大臂內(nèi)。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點就在于1、本發(fā)明結構簡單、自動化程度高，通過行走機構的設計，清洗機器人能在冷凝器水室內(nèi)自主運動，不需要安裝固定導軌，適用性更廣，利用圖像采集裝置和聲納傳感器，就可以實現(xiàn)機器人自主運動和噴嘴的精確定位；2、本發(fā)明的機器人上設有圖像采集裝置，能夠確保機器人能在水室環(huán)境中快速、準確地定位冷凝管的位置，即對冷凝器的管孔進行自動識別、檢測和伺服對中定位，以便智能清洗機器人的噴嘴進行精確對準管孔，對冷凝管進行有效的清洗。另外，圖像采集裝置還可以對冷凝管是否堵塞進行辨識，對水室的一些狀況，例如水中有體積較大的懸浮物等進行識別；3、本發(fā)明的機器人上設有聲納傳感器，機器人車體在水室中自主移動時，可以自動測量與水室壁的距離，避免機器人車體與水室壁相撞；進一步與小臂末端的圖像采集裝置相結合，以實現(xiàn)對冷凝器孔位的精確定位，當噴嘴與管壁面不垂直時，可以通過幾何計算得到旋轉底座的旋轉參數(shù)和管孔的實際位置；4、本發(fā)明的機器人同時支持高壓水射流清洗和化學清洗兩種在線清洗方式，采用高壓水射流清洗，以清除松散性污垢；采用化學清洗，以清除析晶污垢。二者結合，可快速、有效地清除冷凝器內(nèi)的污垢，提高清洗效率；
5、本發(fā)明的機器人上大臂和小臂內(nèi)部采用中空結構，可以兼作固定信號連接線的連接通道，高壓水軟管的主要作用作高壓水管道和化學清洗劑管道。


圖1是本發(fā)明的主視結構示意圖；圖2是本發(fā)明的側視結構示意圖；圖3是本發(fā)明控制單元的結構框架原理示意圖；圖4是本發(fā)明中PLC模塊安裝順序示意圖；圖5是本發(fā)明中PLC模塊接線端子圖；圖6是本發(fā)明的工作流程示意圖。
具體實施例方式
以下將結合附圖和具體實施例做進一步詳細說明。
如圖1和圖2所示，本發(fā)明的大型冷凝設備水下智能清洗機器人，它包括控制機構和與控制機構相連的清洗機構，清洗機構的底端設有行走機構，清洗機構包括噴槍體52、圖像采集裝置20、小臂總成、大臂總成、回轉機構總成、連通管22以及清洗介質(zhì)源38，所述小臂總成包括小臂3、小臂驅動裝置5以及小臂驅動軸51，小臂3的一端安裝于小臂驅動軸5上，小臂3的另一端上裝設有噴槍體52和圖像采集裝置20，噴槍體52通過連通管22與清洗介質(zhì)源38相連，小臂驅動軸51與小臂驅動裝置5相連，小臂驅動裝置5通過小臂光電編碼器4與控制機構相連；大臂總成包括大臂6、大臂驅動裝置7以及大臂驅動軸41，大臂6的一端與小臂驅動軸51相連，大臂6的另一端與大臂驅動軸41相連，大臂驅動軸41與大臂驅動裝置7相連，大臂驅動裝置7通過大臂光電編碼器23與控制機構相連；大臂驅動軸41安裝于回轉機構總成上，回轉機構總成裝設于行走機構上。噴槍體52和行走機構上裝設有一個或一個以上的聲納傳感器15，聲納傳感器15與控制機構相連。清洗介質(zhì)源38包括清水介質(zhì)源和化學藥劑介質(zhì)源，化學藥劑介質(zhì)源為化學藥劑儲液槽26，清水介質(zhì)源為清水高壓水泵35，化學藥劑儲液槽26和清水高壓水泵35與連通管22相連。噴槍體52采用可承受140MPa的不銹鋼管，末端安裝高壓水射流清洗噴嘴61(型號Q16噴嘴)，另一端與連通管22末端的電磁閥54相接。噴嘴61可以根據(jù)不同的要求選取合適形狀的噴嘴61，以達到最佳的清洗效果。小臂3和大臂6為中空狀，與控制機構相連的信號線路21裝設于小臂3和大臂6內(nèi)。
本實施例中，小臂3由小臂法蘭固定在小臂驅動軸51上，而小臂驅動軸51經(jīng)軸承、端蓋、密封圈后安裝在三通支座47中，三通支座47由法蘭固定在大臂6的上端。小臂驅動裝置采用液壓馬達，用來驅動小臂3旋轉，使其實現(xiàn)360°轉動。小臂3旋轉過程控制機構的可編程控制器PLC(型號西門子S7-313)根據(jù)小臂光電編碼器4測量的旋轉角度參數(shù)控制小臂驅動裝置4的電液伺服閥，小臂3由小臂驅動裝置4驅動旋轉，其旋轉角度大小由與其同軸的小臂光電編碼器4信號經(jīng)整形、倍頻鑒相電路反饋到PLC，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。小臂3頂部安裝的圖像采集裝置20為一個帶光源的水下攝像機，水下攝像機與噴槍體52前端噴嘴61的相對位置固定不變，主要用于水下對冷凝管2的管孔特征和位置的識別，將管孔的圖像信息通過圖像采集卡送至控制機構的工控機，工控機將計算后的管孔中心位置坐標送至PLC；水下攝像機還可以對冷凝器是否堵塞進行辨識，以及對水室24的一些狀況(例如，水中有體積較大的懸浮物等)進行識別。小臂3頂部正對管束處安裝聲納傳感器15，當噴嘴61與管束面不垂直時，將該處的聲納傳感器15與機器人車體行走機構的側面正對管束的兩處聲納傳感器15所測距離參數(shù)送至PLC模擬量輸入模塊，PLC將計算噴嘴61末端實際的位置坐標和回轉機構總成的旋轉角度，以便確定噴嘴61移動平面。連通管22末端的電磁閥54固定在小臂3的上部，用于防止清洗機器人不工作時水中的一些雜物或浮游生物堵塞連通管22。大臂6通過大臂6下的法蘭連接于大臂驅動軸41上，大臂驅動軸41經(jīng)軸承、端蓋、密封圈后安裝在大臂支座40中，大臂支座40與大臂驅動裝置7、大臂光電編碼器23相連。大臂驅動裝置7采用液壓驅動裝置，用來驅動大臂驅動軸41，從而帶動大臂6實現(xiàn)上下左右的360°轉動。大臂6旋轉過程控制機構的PLC根據(jù)大臂光電編碼器23測量的旋轉角度參數(shù)控制大臂驅動裝置7的電液伺服閥，大臂6由大臂驅動裝置7驅動旋轉，其旋轉角度大小由與其同軸的大臂光電編碼器23信號經(jīng)整形、倍頻鑒相電路反饋到PLC，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)?；剞D機構總成包括驅動齒輪45、從動齒輪46、支撐盤44、傳動軸43以及旋轉底座液壓馬達42?；剞D機構總成旋轉由旋轉底座液壓馬達42帶動驅動齒輪45，從而使裝在從動齒輪46中的傳動軸43轉動，這樣帶動整個旋轉底盤總成的旋轉，可以實現(xiàn)一定角度范圍的正反轉，該系統(tǒng)為液壓回轉伺服系統(tǒng)，可用來對液壓回轉器進行精確反饋控制。本實施例中的履帶式行走機構由液壓驅動，通過履帶內(nèi)側的導向機構和驅動輪嚙合而傳遞動力。行走機構包括底盤10、驅動輪17、從動輪34、車架33、行走驅動裝置60以及履帶16，底盤10固定于車架33上，驅動輪17和從動輪34裝設于車架33上，履帶16繞設于驅動輪17和從動輪34上，驅動輪17與行走驅動裝置60相連，可帶動履帶16的滾動。車架33上方設有支承輪39，用來負責支撐上方的履帶16，車架33下方的負重輪19負責整個車架33的重量承托，履帶架59與車架33連接支撐安裝在底盤10上的設備。行走驅動裝置60與位于水室外的液壓驅動機構相連，液壓驅動機構包括壓力泵11、儲液槽12、液壓伺服閥13以及液壓缸進出水管14，液壓缸進出水管14一端與行走驅動裝置60相連，另一端通過液壓伺服閥13和壓力泵11與儲液槽12內(nèi)的介質(zhì)相連。由壓力泵11將自來水加壓，通過液壓伺服閥13的控制，經(jīng)液壓缸進出水管14送到驅動裝置60中，從而實現(xiàn)驅動輪17和從動輪34的運動。履帶底盤利用前驅動方式，左右兩輪分別獨立驅動，PLC根據(jù)前輪旋轉角度參數(shù)控制左右輪液壓馬達電液伺服閥，履帶16由兩輪液壓馬達驅動旋轉，其旋轉角度大小由與其同軸的光電編碼器信號經(jīng)整形、倍頻鑒相電路反饋到PLC，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。采用前驅動方式的優(yōu)點驅動輪17較后驅動的磨損較少，履帶16在從壁面到驅動輪17的過程中，履帶16上攜帶的雜物可以被較好地沖刷掉。履帶16結構的另一個優(yōu)點是高壓水射流清洗時會對機器人帶來一定的反作用力，導致機器人車體底盤10偏離預定水平軌跡，履帶16的結構由于會增大與地面的摩擦力，能夠解決好該問題。行走機構的底盤10主要作用是承載回轉機構總成和清洗機構。在底盤10的前端、后端和正對管束的一側都安裝了聲納傳感器15。前后端的聲納傳感器15(型號S18U)主要用于探測與水室24壁面的距離，避免與水室24壁面相碰撞，當機器人車體距離水室24壁面小于某一設定值(可調(diào))時，相應的聲納傳感器15向PLC發(fā)出中斷請求，PLC響應中斷后，停止向水室24壁繼續(xù)移動。機器人車體側面的聲納傳感器15與小臂3頂部的聲納傳感器15將各自所測距離參數(shù)送至PLC模擬量輸入模塊，PLC將計算噴嘴61末端實際的位置坐標和回轉機構總成的旋轉角度，以便確定噴嘴61移動平面。清水介質(zhì)源的清水高壓水泵35，主要用于連續(xù)產(chǎn)生采用高壓水射流清洗方式時所需的高壓水，水壓為60～130MPa(根據(jù)具體清洗要求而定)，通過壓力傳感器(型號PPM241Z)測量?；瘜W藥劑儲液槽26和清水高壓水泵35與連通管22相連，在化學清洗方式中，化學藥劑儲液槽26內(nèi)存儲有酸液、堿液和緩蝕劑三種化學藥劑，需要三個計量槽，每個計量槽中都安裝液位傳感器28(型號PTX1730系列投入式液位計，316不銹鋼材料)，當液位小于某一設定值(可調(diào))時，由相應的液位傳感器28向PLC發(fā)出中斷請求，PLC響應中斷后，向相應的計量泵電機(型號JW-0.85/2.5計量泵，柱塞式)發(fā)出控制信號。本實施例中，控制機構采用分布式控制方式，由一臺上位機和多臺下位機組成，每臺下位機負責控制一個水室24。下位機安放在現(xiàn)場，設置在控制柜25內(nèi)，其核心為可編程控制器PLC(參見圖3、圖4和圖5)和水下攝像機，分別控制行走機構和清洗機構的正常動作。上位機位于主控室，其核心為工業(yè)控制計算機IPC，負責冷凝器工況參數(shù)采集、污垢系數(shù)計算、高壓水壓力、流量、清洗劑濃度、清洗時間、清洗周期的確定、下位機的參數(shù)預置和狀態(tài)監(jiān)控，具有動態(tài)顯示、歷史數(shù)據(jù)存儲、報表打印等功能。上、下位機之間通過相應的接口進行通信。
控制機構中的自動清洗系統(tǒng)，在功能上包括高壓水射流清洗子系統(tǒng)和化學清洗子系統(tǒng)。該系統(tǒng)基本工作原理如下冷凝器運行時，自動清洗系統(tǒng)實時監(jiān)測冷凝器的結垢程度。當污垢系數(shù)大于某一設定值時，即啟動高壓水射流清洗。高壓水射流清洗能夠有效清除管內(nèi)松散性，但對管內(nèi)析晶污垢則不能完全清除，因此，高壓水射流清洗后若污垢系數(shù)仍未達到要求，則啟動化學清洗，直至析晶污垢完全清除。
1、高壓水射流清洗子系統(tǒng)(1).PLC系統(tǒng)PLC系統(tǒng)由西門子模塊組成，包括電源模塊(PS307)、CPU模塊(S7-313)、數(shù)字量輸入輸出模塊(SM323)、模擬量輸入模塊(SM331)、模擬量輸出模塊(SM332)。PLC系統(tǒng)用來獲取高壓水壓力值和控制各種電磁閥、電液伺服閥、變頻器(型號西門子變頻器MicroMaster430)及其高壓水泵電機；此外，為了顯示狀態(tài)信息和故障信息，設計了液晶顯示屏。
(2).光電編碼器的整形、倍頻與鑒相電路本系統(tǒng)采用增量式光電編碼器作為清洗機械臂關節(jié)角位移傳感器，它具有分辨率高、響應速度快、體積小、重量輕、耐惡劣環(huán)境等特點。光電編碼器的精度或分辨率主要決定于每轉輸出的脈沖數(shù)。
鑒于現(xiàn)場狀況，光電編碼器輸出脈沖信號一般夾雜著干擾毛刺，較長距離傳遞時，尤其明顯；而且由于清洗臂在水室中會受到冷卻水流和高壓水射流的沖擊，光電編碼器旋轉時容易受機械振動影響，還有電源沖擊，共模干擾等，這些干擾的存在都可能導致計數(shù)出現(xiàn)不穩(wěn)定，因此還設計了進入計算機計數(shù)前進行整形處理。
(3).噴嘴61的定位控制為了保證每一根冷凝管均能得到清洗，噴嘴61的精確定位是本系統(tǒng)正常工作的基礎。清洗系統(tǒng)采用水下攝像機，以液壓馬達作為關節(jié)驅動部件，并配以電液伺服閥和光電編碼器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。定位過程是將水下攝像機所拍攝的圖像經(jīng)圖像采集卡送至工控機，經(jīng)過工控機處理后將冷凝器的管束布置的位置坐標參數(shù)送至PLC，PLC根據(jù)管束位置坐標參數(shù)，完成清洗臂的路徑規(guī)劃；此外，在軟件上設置了間隙補償程序以補償由于機械傳動間隙而引起的定位誤差，為了減少了機械震動，對液壓馬達的驅動采取軟啟動、軟制動的方法，所有這些均保證了噴嘴的精確定位控制。
(4).控制根據(jù)壓力傳感器測量的清洗壓力值，啟動高壓水泵電機，并調(diào)節(jié)變頻器，使高壓水壓力達到設定值。待噴嘴定位完畢，噴嘴與冷凝管對中。之后，小臂上部的電磁閥和高壓水出水電磁閥相繼動作，開始對冷凝器進行高壓水射流清洗。清洗完畢，噴嘴行走，定位下一根冷凝管。
(5).狀態(tài)、故障信息檢測在線高壓水射流清洗時，噴嘴移動和定位均在密閉的水室中進行，因此相關狀態(tài)信息及主要部件的故障檢測不可缺少。狀態(tài)信息主要包括噴嘴在水室中的位置，定位精度、噴槍體動作情況等。故障信息主要包括編碼器故障、液壓系統(tǒng)故障、變頻器故障、電磁閥故障、高壓水壓力大(或小)、液壓水位高(或低)、電源掉電等，均以回信方式送入PLC。
(6).通信接口PLC通過PC/MPI適配器與工控機進行通信；水下攝像機通過數(shù)據(jù)采集卡與工控機通信。
2、化學清洗子系統(tǒng)主要包括加緩蝕劑、進酸、中和置換等步驟，其控制過程分別如下(1).加緩蝕劑在加酸前，先加緩蝕劑，可以降低冷凝器的腐蝕速率。緩蝕劑劑量與鹽酸濃度有關，通過緩蝕劑電磁閥(型號40型通用電磁閥)控制。
(2).進酸PLC根據(jù)設定的鹽酸濃度值參數(shù)，啟動各相關的電磁閥和加藥計量泵。加藥量的調(diào)節(jié)通過計量泵電機變頻調(diào)速來實現(xiàn)。在清洗過程中，保持冷卻水入口的pH值不變(pH值傳感器型號GW24-WQ201)，以維持酸的濃度。上位機監(jiān)視污垢系數(shù)，當污垢系數(shù)降低至某一設定值(可調(diào))且冷卻水出口濁度、硬度顯著增大時，停止加酸。
(3).中和置換將化學清洗后的酸液通過排污閥置換出系統(tǒng)，當冷卻水濁度＜20mg/L(可調(diào))，啟動堿計量泵加堿中和，并將冷卻水pH值調(diào)到7以上，運行20～30小時后，即完成化學清洗。
(4).狀態(tài)、故障信息檢測化學清洗系統(tǒng)的狀態(tài)信息包括循環(huán)水泵的工作情況，酸、堿計量箱中液位高(或低)等；故障信息包括變頻器故障，電磁閥故障。
上位機軟件結構程序設計時，根據(jù)上位機的功能進行了模塊化劃分。在上位機軟件中，動態(tài)數(shù)據(jù)庫是整個系統(tǒng)的核心，用于管理實時變量數(shù)據(jù)的輸入和輸出。其它應用程序模塊所需的各種變量均存取于動態(tài)數(shù)據(jù)庫。如通信模塊程序通過DDE(動態(tài)數(shù)據(jù)庫交換協(xié)議)與動態(tài)數(shù)據(jù)庫服務器程序實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，完成下位機的參數(shù)預置和狀態(tài)監(jiān)控。下位機軟件結構下位機軟件包括高壓水射流清洗控制軟件和化學清洗控制軟件。根據(jù)PLC編程語言STEP7的特點，將下位機程序分為多個功能模塊，并由組織模塊統(tǒng)一管理。
工作原理高壓水射流清洗子系統(tǒng)清洗過程，啟動清洗機器人，由液壓驅動履帶16使機器人車體移動到水室24左側，根據(jù)機器人車體側面的聲納傳感器15與小臂3頂部的聲納傳感器15所測距離參數(shù)，調(diào)整機器人車體使之與管壁的距離達到設定值(略大于噴槍體52長度)，并且根據(jù)PLC計算的角度參數(shù)調(diào)整回轉機構總成的角度，以保證大臂6和小臂3的旋轉在與管壁平行的面內(nèi)，也就保證了噴嘴61垂直于管壁面，從而達到最佳的清洗效果。水下攝像機首先攝取管壁現(xiàn)場圖像，接著由工控機內(nèi)圖像采集卡采集并交付系統(tǒng)核心圖像識別及處理程序，進一步完成孔徑位置的自動識別與定位，輸出孔徑中心位置及孔徑中心軸與噴嘴61中心軸的位置差，從而調(diào)整大臂6和小臂3的角度，使噴嘴61的軸心通過孔徑的中心。噴嘴61定位后，相繼打開連通管22末端電磁閥54和高壓水出水電磁閥37，由高壓水泵35提供高壓水水源，高壓水射流通過連通管22向噴嘴61供水。清洗機械臂的動作過程是液壓系統(tǒng)提供動力源，一路供給旋轉底座液壓馬達42，帶動旋轉底座9旋轉；一路供給大臂驅動裝置7，通過大臂驅動軸41，帶動大臂6轉動；一路供給小臂驅動裝置5，通過小臂驅動軸51，帶動小臂3轉動。旋轉底座9在水室24中可作一定角度范圍的正反旋轉，大臂6和小臂3均可作360度正反旋轉，旋轉角度大小由上位機給出，大臂光電編碼器23和小臂光電編碼器4測定，大臂光電編碼器23和小臂光電編碼器4將各自參數(shù)送至PLC構成反饋控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對旋轉底座9、大臂6和小臂3角度的調(diào)節(jié)，從而可使噴嘴61精確定位管壁上任意位置的冷凝管2管孔。定位調(diào)節(jié)完成后，上位機向PLC發(fā)清洗信號，PLC收到清洗信號后相繼打開高壓水軟管末端電磁閥54和高壓水出水電磁閥37，由高壓水泵35提供高壓水水源，高壓水射流通過連通管22向噴嘴61供水，進行高壓水射流清洗。清洗完畢，噴嘴61行走，定位下一根冷凝管。當完成本組(一組水下攝像機20每次所拍攝的可確定管孔中心位置的冷凝管2數(shù)目)清洗后，重新進行視覺定位和大臂6、小臂3的角度調(diào)整；當完成本部分(一部分履帶16每移動一次所能清洗到的冷凝管2)的清洗后，將機器人車體向右移動一段設定距離(可調(diào))。重復上述步驟?；瘜W清洗子系統(tǒng)清洗過程在加酸前，根據(jù)現(xiàn)場的情況加入適當?shù)木徫g劑，以降低冷凝器的腐蝕速率。緩蝕劑劑量與鹽酸濃度有關，由緩蝕劑電磁閥27控制。PLC根據(jù)設定的鹽酸濃度值參數(shù)，啟動各相關的電磁閥27和加藥計量泵。加藥量的調(diào)節(jié)通過計量泵電機變頻調(diào)速來實現(xiàn)。在清洗過程中，由pH值傳感器實時地測量冷卻水入口的pH值，將該參數(shù)反饋到加酸電磁閥27，以保持冷卻水入口的pH值不變，以維持酸的濃度。上位機監(jiān)視污垢系數(shù)，當污垢系數(shù)降低至某一設定值(可調(diào))且冷卻水出口濁度、硬度顯著增大時，停止加酸。將清洗后的酸液通過排污閥置換出系統(tǒng)，當冷卻水濁度＜20mg/L(可調(diào))時，啟動堿計量泵加堿中和，并將冷卻水pH值調(diào)到7以上，運行20～30小時后，即完成化學清洗。綜上所述，該機器人的傳動系統(tǒng)、各種傳感器以及多臺PLC和水下攝像機20必須在電氣控制系統(tǒng)的精確控制下，才能協(xié)調(diào)完成水下在線清洗任務。
參見圖6所示，具體工作過程為1、清洗準備(1).初始化包括上位機和下位機的初始化。
(2).選擇在線清洗方式智能清洗機器人能夠實現(xiàn)高壓水射流清洗和化學清洗兩種在線清洗方式。一般采用高壓水射流清洗，以清除松散性污垢；只有當析晶污垢達到某一程度(根據(jù)污垢系數(shù)的大小確定)時，才采用化學清洗，以清除析晶污垢。
2、高壓水射流清洗方式(1).選擇高壓水射流清洗方式后，由液壓驅動履帶16使機器人車體移動到水室左側(注從正對管壁的角度看)，移動過程中由機器人車體前端(注從正對管壁的角度看，以機器人車體左側為前端；右側為后端)的聲納傳感器15和側面的聲納傳感器58測量機器人車體與左側水室壁的距離和與管壁的距離，都達到各自的某一設定值(可調(diào))時停止前進(從正對管壁的角度看，以機器人車體向左側移動為前進；向右側移動為后退)。然后，按照預設參數(shù)展開大臂6和小臂3，使噴嘴61對準管壁的左上角，打開軟管末端電磁閥54。
(2).按照預設參數(shù)調(diào)整旋轉底座9，啟用機器人車體側面的聲納傳感器58與小臂頂部的聲納傳感器53，根據(jù)PLC計算的角度參數(shù)調(diào)整旋轉底座9的角度，直到大臂6、小臂3與管束面平行，以保證大臂6和小臂3的旋轉在與管壁平行的面內(nèi)，也就保證了噴嘴61垂直與管壁面。
(3).啟用水下攝像機20。首先進行圖像處理，判斷冷凝管2是否堵塞，如果堵塞，則進行堵塞處理，方法是清洗該根冷凝管時加大水壓；如果沒有堵塞，則按照正常設定水壓進行清洗。
(4).調(diào)整大臂6和小臂3。根據(jù)大臂光電編碼器23和小臂光電編碼器4的反饋參數(shù)，由大臂液壓馬達7和小臂液壓馬達5驅動軸承47旋轉，實現(xiàn)角度的調(diào)整，使噴嘴61與冷凝管2管孔精確對中。
(5).打開高壓水出水電磁閥37，進行清洗對中的冷凝管2；同時，啟動清洗定時器，以控制一根冷凝管所用時間。定時器定時時間(可調(diào))到，關閉高壓水出水電磁閥37，同時，清洗定時器清零。
(6).判斷是否完成本組清洗。如果沒有完成本組清洗，則轉至步(4)，重新調(diào)整大臂6和小臂3，使噴嘴61與管孔精確對中下一根冷凝管2，重復步(4)～(6)。
(7).如果完成本組清洗，則判斷是否需要水下攝像機20重新拍攝圖像進行視覺定位。如果需要視覺定位，則轉至步(3)，重復步(3)～(7)。
(8).如果不需要視覺定位，則判斷機器人車體是否需要向右移動。如果需要向右移動，則通過液壓系統(tǒng)驅動履帶16向右移動一段距離(可調(diào))。在移動過程中，由后端的聲納傳感器32測量機器人車體與水室右壁的距離，當該距離小于等于某一設定值(可調(diào))時，向系統(tǒng)發(fā)出中斷請求，系統(tǒng)響應中斷請求后，機器人車體停止移動。轉至步(2)，重復步(2)～(8)。
(9).如果不需要向右移動，則判斷本次高壓水射流清洗是否完成。如果沒有完成本次清洗，則重復步(2)～(9)。
(10).如果完成本次清洗，則執(zhí)行結束清洗程序。
按照預設結束指令參數(shù)，先后關閉高壓水泵35、高壓水出水電磁閥37、軟管末端電磁閥54；然后收縮大臂6和小臂3；再使機器人車體移動到水室左側的預設位置；最后，顯示“高壓水射流清洗結束”，并自動關閉電源。
3、化學清洗方式(1).選擇化學清洗方式后，由液壓驅動履帶16使機器人車體移動到水室中央，移動過程中由機器人車體前端的聲納傳感器15和側面的聲納傳感器58測量機器人車體與左側水室壁的距離和與管壁的距離，都達到各自的某一設定值(可調(diào))時停止前進。然后，按照預設參數(shù)展開大臂6和小臂3，使噴嘴61對準管壁的中部，打開軟管末端電磁閥54。
(2).啟動循環(huán)水泵，使水室中的水進入循環(huán)系統(tǒng)。
(3).加入一定量的緩蝕劑。根據(jù)現(xiàn)場的情況加入適當?shù)木徫g劑，以降低冷凝器的腐蝕速率。緩蝕劑劑量與鹽酸濃度有關，由緩蝕劑電磁閥27控制。同時，啟動加緩蝕劑定時器。
(4).加緩蝕劑定時器時間(可調(diào))到，開始加酸。
PLC根據(jù)設定的鹽酸濃度值參數(shù)，啟動各相關的電磁閥27和加藥計量泵。加藥量的調(diào)節(jié)通過計量泵電機變頻調(diào)速來實現(xiàn)。在清洗過程中，由pH值傳感器實時地測量冷卻水入口的pH值，將該參數(shù)反饋到加酸電磁閥27，以保持冷卻水入口的pH值不變，以維持酸的濃度。上位機監(jiān)視污垢系數(shù)，當污垢系數(shù)降低至某一設定值(可調(diào))且冷卻水出口濁度、硬度顯著增大時，停止加酸。
(5).將清洗后的酸液通過排污閥置換出系統(tǒng)，當冷卻水濁度＜20mg/L(可調(diào))時，啟動堿計量泵加堿中和，并將冷卻水pH值調(diào)到7以上，運行20～30小時(時間由定時器或者人工控制)后，即完成化學清洗。
(6).執(zhí)行結束清洗程序。
按照預設結束指令參數(shù)，關閉軟管末端電磁閥11；然后收縮大臂6和小臂3；再使機器人車體移動到水室左側的預設位置；最后，顯示“化學清洗結束”，并自動關閉電源。
權利要求
1.一種大型冷凝設備水下智能清洗機器人，它包括控制機構和與控制機構相連的清洗機構，其特征在于所述清洗機構的底端設有行走機構，清洗機構包括噴槍體(52)、圖像采集裝置(20)、小臂總成、大臂總成、回轉機構總成、連通管(22)以及清洗介質(zhì)源(38)，所述小臂總成包括小臂(3)、小臂驅動裝置(5)以及小臂驅動軸(51)，小臂(3)的一端安裝于小臂驅動軸(5)上，小臂(3)的另一端上裝設有噴槍體(52)和圖像采集裝置(20)，噴槍體(52)通過連通管(22)與清洗介質(zhì)源(38)相連，小臂驅動軸(51)與小臂驅動裝置(5)相連，小臂驅動裝置(5)通過小臂光電編碼器(4)與控制機構相連；大臂總成包括大臂(6)、大臂驅動裝置(7)以及大臂驅動軸(41)，大臂(6)的一端與小臂驅動軸(51)相連，大臂(6)的另一端與大臂驅動軸(41)相連，大臂驅動軸(41)與大臂驅動裝置(7)相連，大臂驅動裝置(7)通過大臂光電編碼器(23)與控制機構相連；大臂驅動軸(41)安裝于回轉機構總成上，回轉機構總成裝設于行走機構上。
2.根據(jù)權利要求1所述的大型冷凝設備水下智能清洗機器人，其特征在于所述行走機構包括底盤(10)、驅動輪(17)、從動輪(34)、車架(33)、行走驅動裝置(60)以及履帶(16)，底盤(10)固定于車架(33)上，驅動輪(17)和從動輪(34)裝設于車架(33)上，履帶(16)繞設于驅動輪(17)和從動輪(34)上，驅動輪(17)與行走驅動裝置(60)相連。
3.根據(jù)權利要求2所述的大型冷凝設備水下智能清洗機器人，其特征在于所述行走驅動裝置(60)與位于水室外的液壓驅動機構相連，液壓驅動機構包括壓力泵(11)、儲液槽(12)、液壓伺服閥(13)以及液壓缸進出水管(14)，液壓缸進出水管(14)一端與行走驅動裝置(60)相連，另一端通過液壓伺服閥(13)和壓力泵(11)與儲液槽(12)內(nèi)的介質(zhì)相連。
4.根據(jù)權利要求1或2或3所述的大型冷凝設備水下智能清洗機器人，其特征在于所述噴槍體(52)和行走機構上裝設有一個或一個以上的聲納傳感器(15)，聲納傳感器(15)與控制機構相連。
5.根據(jù)權利要求1或2或3所述的大型冷凝設備水下智能清洗機器人，其特征在于所述清洗介質(zhì)源(38)包括清水介質(zhì)源和化學藥劑介質(zhì)源，所述化學藥劑介質(zhì)源為化學藥劑儲液槽(26)，清水介質(zhì)源為清水高壓水泵(35)，化學藥劑儲液槽(26)和清水高壓水泵(35)與連通管(22)相連。
6.根據(jù)權利要求4所述的大型冷凝設備水下智能清洗機器人，其特征在于所述清洗介質(zhì)源(38)包括清水介質(zhì)源和化學藥劑介質(zhì)源，所述化學藥劑介質(zhì)源為化學藥劑儲液槽(26)，清水介質(zhì)源為清水高壓水泵(35)，化學藥劑儲液槽(26)和清水高壓水泵(35)與連通管(22)相連。
7.根據(jù)權利要求1或2或3所述的大型冷凝設備水下智能清洗機器人，其特征在于所述小臂(3)和大臂(6)為中空狀，與控制機構相連的信號線路(21)裝設于小臂(3)和大臂(6)內(nèi)。
8.根據(jù)權利要求6所述的大型冷凝設備水下智能清洗機器人，其特征在于所述小臂(3)和大臂(6)為中空狀，與控制機構相連的信號線路(21)裝設于小臂(3)和大臂(6)內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大型冷凝設備水下智能清洗機器人，它包括控制機構和與控制機構相連的清洗機構，清洗機構的底端設有行走機構，清洗機構上小臂總成的小臂的一端安裝于小臂驅動軸上，另一端上裝設有噴槍體和圖像采集裝置，噴槍體通過連通管與清洗介質(zhì)源相連，小臂驅動軸與小臂驅動裝置相連，小臂驅動裝置通過小臂光電編碼器與控制機構相連；大臂總成上大臂的一端與小臂驅動軸相連，大臂的另一端與大臂驅動軸相連，大臂驅動軸與大臂驅動裝置相連，大臂驅動裝置通過大臂光電編碼器與控制機構相連；大臂驅動軸安裝于回轉機構總成上，回轉機構總成裝設于行走機構上。本發(fā)明結構簡單、能夠在水室中自主移動完成在線清洗、其適用范圍廣、自動化程度高。
文檔編號B62D55/00GK1923467SQ200610032290
公開日2007年3月7日 申請日期2006年9月22日 優(yōu)先權日2006年9月22日
發(fā)明者王耀南, 張輝, 張志國, 蔡玉連, 劉玲, 余洪山, 彭金柱 申請人:湖南大學