特种高压清洗机器人集群监控系统技术研究

张培铭，汪子睿

（1.广西机械工业研究院有限责任公司，广西南宁 530007；2.广西交通投资集团南宁高速公路运营有限公司，广西南宁 530007）

高压清洗技术作为环保的新兴技术已经逐渐替代会污染环境的化学清洗，在制糖、酒精、氧化铝等行业开始广泛应用。特种高压清洗机器人的成功研发解决了高压清洗领域机器换人的问题，并在制糖、氧化铝等行业逐渐推广应用。在设备的推广过程中，发现特种高压清洗机器人的设备操作人员和维护人员文化水平不高，且年龄普遍偏大，现场培训需要投入大量的人力物力，且只能达到简单的应用效果，有些流程性工厂还遇到岗位经常变动的情况，这些问题的存在制约了设备性能的发挥和推广，更严重者由于操作者对设备的不熟悉，在设备发生故障时不能够快速排查故障并解决问题，容易影响生产效率。

因此，需要结合物联网、大数据分析、人工智能等技术，开发易操作，具备故障自诊断、远程运维、智能分析、能够集群监控等功能的特种高压清洗机器人系统，降低使用者的运维难度，能够实现远程指导和快速排除故障，并对机器人进行健康监测研究，提高设备的稳定性。

文章介绍特种高压清洗机器人集群监控系统的一些关键技术研究，为高压水射流清洗机器智能化系统研究提供参考。

1 特种高压清洗机器人组成和原理

特种高压清洗机器人为XY平台式或关节式结构，其中XY平台式特种高压清洗机器人由XY运动平台、换区顶杆、高压水枪输送装置组成，如图1和图2所示。采用机器视觉系统进行列管坐标数据的采集，采用数据库技术记录和优化清洗路径，通过上位机下达指令控制四轴数控系统实现清洗设备的XY轴运动、旋转、换区和定位，以带动高压水枪至所需清洗列管，并准确带动高压水枪往复运动，实现对列管的清洗除垢作业。

图1 XY平台式特种高压清洗机器人结构

图2 XY平台式特种高压清洗机器人的应用

2 特种高压清洗机器人集群监控系统

特种高压清洗机器人集群监控系统由上位机、下位机、通讯模块组成。系统上位机采用.net4.6设计。系统设计需重点研究机器人之间的干涉、最优路径规划，冲突规划等内容，同时开发具备一键启动，一键复位等智能化功能简易版操作系统。

同时，酒精、氧化铝行业因为没有进行冗余设计，对高压清洗作业的时效性要求很高，往往需要控制多台机器人设备同时作业，因此集群监控系统还需具备自动选择清洗模式和根据情况进行清洗路径优化，能够避免多机器人相互干涉的功能。

3 基于多传感器融合的特种高压清洗机器人智能化控制研究

特种高压清洗机器人是多传感器融合的智能化设备，在进行系统设计时，需根据客户的清洗时间速度来配置多台清洗机器人协同作业，同时通过传感器来检测设备的运行状态和对故障进行智能诊断，并设计设备生命周期监测系统，提高设备的使用寿命。

3.1 参数的智能化设置和记录

特种高压清洗机器人应用在制糖、酒精、冶金等行业，根据生产工艺不同，积垢的硬度、物质、厚度以及加热管的孔径和长度也不同，系统在不同的工况中运行，需要调节和固化不同的运行参数。机器人在实际使用中需要设置和调节相关参数：调节清洗长度、清洗速度、双系统作业的安全距离、检测清洗长度脉冲信号等。在对一个罐体进行清洗时，通过调节相关参数，使系统在最优的状态下运行，以优化清洗时间，提高清洗效率，同时系统自动记录其罐体的最优清洗参数并进行固化，实现“一键开机”，减少人为干扰。

3.2 实现对特种高压清洗机器人传感器和电机等设备的运行状态监控

特种高压清洗机器人有压力、电磁、温度等传感器和伺服电机等执行元件，监控系统通过采集各传感器的运行状态，运用数据分析与处理技术，来监控特种高压清洗机器人是否正常工作，一旦发生故障提示，系统根据传感器的故障类别和故障组合指导操作人员进行故障排除。

如系统可通过采集伺服电机的主电机电流、过载率、电机转速、电机温度、清洗速度等关键参数，并结合清洗工艺，实现设备的智能化运行分析，如图3所示，可根据电机的电流变化等参数，来判断设备是否存在机械故障隐患，电机电流在绿色区域表示设备运行正常，在黄色区域状态下表示存在机械隐患，红色区域状态下表示机器人运行异常，应强制停机。

图3 用户设备运行状态与主电机电流监控

3.3 基于多传感器融合技术的智能诊断技术研究

总结特种高压清洗机器人的不同状况，并跟相关状况对应传感器的状态联系起来，将清洗状态进行数字化，并结合对应的处理工艺，构建特种高压清洗机器人智能诊断系统。

以“行程检测开关+编码器+合理清洗周期”检测加热管是否堵塞为例。在实际使用过程中，由于生产工艺的波动或清洗不及时，会造成加热管积垢积累较多，形成堵塞，在面对半堵塞孔时，若特种高压清洗机器人不设置感知程序，其往往会造成高压喷嘴卡在半堵塞的加热管里，更严重时需要停机处理，每次处理时间在0.5h 以上，严重影响清洗效率。本文将“主电机速度（编码器）+行程检测开关输出信号频率+单管清洗时间”三者融合用于判断加热管是否堵塞。例如设定清洗速度80后，主电机转速（编码器）应该是500 r/min，此时检测开关对应输出脉冲信号频率是600 Hz，行程检测开关低于预测频率的1/2即300 Hz，即可判断加热管堵塞。同时系统设置了两种策略处理半堵塞孔的清洗。

（1）若清洗时间充足，检测到堵塞后系统记录该次堵塞行程，高压喷嘴立即回收，然后继续清洗该目标清洗，清洗行程是上次堵塞行程2～100 cm（可调），如此反复直到该目标被清洗完成。

（2）若清洗时间紧张，记录该堵塞目标，立即移动到下一目标。全部加热管清洗完成后再判断是采用人工清洗还是下次再清洗。

3.4 高压水系统智能化监管

高压水系统是清洗效果的关键因素，其由高压泵站、水循环处理单元、高压连接管和喷嘴组成。糖厂、酒精厂等行业的高压水系统通常由简易水箱和泵组成，需要派驻专门的人员时刻关注设备的运行状态，如有没有水，泵压力是否下降等，人工作业环境恶劣，效率低，时常出现因为对高压水系统监控和处置不及时，清洗效果差等情况。为了改变这种情况，本文设计了一套智能化程度比较高的高压水系统，通过PLC实时采集水量、压力、流量等数据，并结合特种高压清洗机器人的工作状态，建立相关的诊断分析模型，实现高压水系统的智能化管理。其能够对水循环单元进行水量控制，通过分析水量的变化波动，分析水循环中的过滤系统或喷嘴是否堵塞等；通过检测水系统的压力和水流量变化，分析高压连接管和喷嘴是否工作正常等。

3.5 特种高压清洗机器人生命周期健康监测

特种高压清洗机器人是多传感器融合的智能化系统，其常工作在高温高湿的环境，清洗打散的积垢也会常常附在设备上，设备的高速往复运转也会造成如轴承、滑块、喷嘴、高压管、压轮等成为需要定期更换的易损件，如不及时监测和更换，会造成故障并影响生产。因此，项目团队研发了设备生命周期健康监测系统，根据清洗机器人的工作时间、清洗速度变化情况等综合因素，指导用户对设备进行保养、更换易损件等，确保设备运行稳定。图4所示为关键部件的工作寿命分析图。

图4 关键零部件的工作寿命分析

4 应用情况

结合磁力、光电、视觉、温湿度、压力等传感器，实现了传感器数据采集和数据融合，自主开发了分布式多传感器信息融合的特种高压清洗机器人集群监控系统，具有自检测、自诊断，及在线工业物联网集群监控功能，该系统实现了基本设置、全自动找孔、全自动清洗、高压水系统监控、智能化等功能。实现了对单机多机高速视觉找孔监管、全自动清洗，并在清洗过程中可以根据不同的状况调整不同的清洗策略，可远程监控、故障诊断和维护，为企业实现一体化管控、远程管控、无线端管控、智能管控的自动清洗提供最佳的解决方案。

5 结束语

高压清洗的专业性比较强，需要根据不同的清洗情况调整不同的策略，不少企业高压清洗使用者文化水平低，对哪种场景使用何种喷嘴经验总结不足，造成清洗能耗高、清洗效果不好，研究人员下一步将研究一套高压清洗策略库，便于提升清洗品质。