列管式加热器全自动清洗系统的研发与应用

吴湘柠

（广西机械工业研究院，广西 南宁 530007）

列管式加热器全自动清洗系统的研发与应用

吴湘柠

（广西机械工业研究院，广西 南宁 530007）

文章阐述了列管式加热器全自动清洗系统开发的背景，进行了项目的需求分析，明晰了开发目标，论述了列管式加热器全自动清洗系统的原理、技术方案和技术特点，指明了列管式加热器全自动清洗系统未来的发展方向。

列管式加热器；自动清洗；机器人

1 项目背景

目前国内糖厂普遍采用人工直接操作高压水射流冲枪的方式对蒸发罐和列管加热器积垢进行清洗，清洗压力一般为60～80MPa，工人的劳动强度大，工作效率低，清洗质量差，存在很大的安全隐患，常发生工伤安全事故。由于工作环境恶劣，每清洗一个列管式加热器需用5个以上的工人轮流作业，随着劳动力成本的上涨和人民生活水平的不断提高，目前糖厂很难招聘到从事繁重体力劳动的冲罐工，薪酬矛盾和用工矛盾日益突出。为了解决上述问题，广西机械工业研究院联合广西上上糖业有限公司合作开发列管式加热器全自动清洗系统，该项目从2011年3月开始研发，2014年4月通过项目鉴定。

2 需求分析及开发目标

该项目的难点在于在工作环境恶劣，边界约束条件苛刻。首先是工作环境，要求设备能适应40℃以上的温度和100%的湿度，对电气设备提出了很高的要求；其次是蒸发罐的结构对冲罐设备的尺寸和重量的边界约束条件苛刻。冲罐工作要求的工作尺寸为Φ（3000～6000）×3200mm，而蒸发罐的人孔尺寸被限制在500×600mm的狭小空间范围内，所以设备的宽度和高度尺寸不能超过500×600mm，同时因为入口尺寸小，为了入罐方便，设备的重量要求越轻越好。另外，每个蒸发罐需要进行冲洗的列管孔数量在2000～7000个之间，这些管孔由于制造的误差及使用过程制造的盲孔，实际上属于无序排列，大量列管孔坐标数据的提取成为一个难题。另外，糖厂是连续生产型企业，对轮罐时间有严格要求，要满足糖厂的生产工艺要求，每个列管冲洗的时间应控制在4s以内。最后是压力容器罐内安全电压的要求，按国家标准必须采用36V以下安全电压的电机。驱动高压水枪上下往复运动的伺服电机必须满足高频正反转且具有大的转动惯量。根据上述需求分析，项目组制定了如下开发目标。

2.1 安全性能指标

2.1.1 电器安全

第一，选用36V安全电压的电机和仪器仪表。

第二，电气设备防水等级IP65。

2.1.2 机械防护

确保高压水枪始终在清罐机中，严防高压水枪伤人。

2.2 生产效率指标

单枪效率：4.0s/孔，最大水压：80MPa。

2.3 产品轻量化指标

设备总重：小于120kg。

2.4 产品拆装时间

2个人进行操作，安装时间约20分钟，拆卸时间约10分钟。

2.5 可靠性指标

30万次无重大故障。

2.6 可操作性指标

人机界面友好，操作简单方便。

2.7 工作环境指标

工作环境温度能满足40℃要求。

3 技术原理及方案

列管式加热器全自动清洗系统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。

列管式加热器全自动清洗系统设计方案主要由高压水枪冲洗装置、四轴数控系统、机器视觉系统三大部分组成。

当驱动机构带动主动轮转动时，在两个压轮和主动轮的摩擦力作用下高压水枪软管实现上、下往复运动，进行加热器内加热管的自动清洗。高压水枪冲洗装置结构如图1所示。

图1 高压水枪输送机构结构

四轴数控系统由XY轴运动平台、蒸发罐换区装置、高压水枪控制系统和自动控制软件组成。其构成框架图如图2所示。

图2 四轴控制系统框架图

机器视觉系统一般采用CCD或CMOS照相机摄取检测图象并转化为数字信号，采用先进的计算机硬件与软件技术对图象数字信号进行处理，从而得到所需要的各种目标图象特征值。机器视觉系统一般包括硬件系统和软件系统。本机器视觉系统的硬件包括：主计算机、USB接口摄像头、照明系统。本机器视觉系统的软件包括可分为四个主要部分，图3为图像处理流程。

图3 图像处理流程

第一部分是图像信息的获取。就是软件将设备摄取的图像存入计算机中，备后续处理。

第二部分是图像预处理。预处理的目的是去除背景噪声干扰、图像增强等，将原始图像变成适合于计算机进行特征提取的形式。

第三部分是图像边缘提取。在图像预处理的基础上，通过分析和总结，提取图像边缘。

第四部分是中心计算与输出。即根据提取的图像边缘，采用某种方法获取圆孔中心，并将圆孔中心边缘值输出。

4 产品性能及特点

经过项目组成员三年多得努力，该项目在2014年通过了广西科技厅组织的项目现场查定和鉴定。该项目经自治区科技厅组织专家查定，清洗列管时间平均3.39秒/支管，设备总重量84.6kg，安装时间6分35秒，拆卸时间6分10秒。鉴定结论是“项目研究成果处于国际先进、国内领先水平，市场应用前景广阔。”

该项目产品的研发成功，解决了长期困扰糖厂蒸发罐自动清洗的难题，并获得了大量的研究成果。该项目申请国家专利30多项，目前已获授权20余项，其中发明专利授权5项。该项目获得了2015年广西专利博览会金奖，获得了广西工信委国内重大设备首台套认定。该项目产品具有如下特点。

第一，在国内率先成功开发列管式加热器全自动清洗系统，设备无需人入罐操作避免了操作人员直接接触高压水枪所带来的安全隐患。如图4所示。设备使用时，操作人员首先利用辅助入罐设备将机架放入罐内，将旋转中心安装在罐内的中心座上，然后将高压水管及电源连接好，就可以在罐外的操作平台上通过鼠标进行设备的操作，极大地解放了工人的劳动强度，提高了安全生产率。设备的人机界面友好，操作人员只需培训30分钟即可上岗操作。操作界面图如图5所示。操作界面上可以清晰的显示已冲洗的孔和未清洗的孔，合计用时以及故障记录，非常方便。

第二，通过高压水射流喷嘴的流体力学模拟仿真，成功开发系列适应糖厂生产工艺的喷嘴，在提高清洗质量方面获得重大突破。采用本项目开发成功的枪头进行清洗，解决了容易堵枪的问题，同时清洗质量大幅提高。课题组在广西上上糖业有限公司和南宁糖业伶俐糖厂现场测试对比，结果显示清洗质量分别提高1～2倍。未清洗、人工清洗和机器清洗的清洗效果对比图，如图6所示。

图4 设备使用状况图

图5 操作界面图

图6 清洗效果对比图

第三，采用机械优化设计和有限元分析技术，解决了蒸发罐入口尺寸小，对系统设备在体积和重量上的苛刻要求。整机的高度和长度尺寸为500×600mm，整机重量经过多次优化，仅为84.6kg。

第四，开发了一种能适应高温高湿环境的自控系统装置，可直接安装在罐内设备上使用，有效解决了列管式加热器罐内设备长期适应高温高湿工作环境的技术难题。该装置的研发成功，避免了电气设备接头经常重复插拔所带来的控制系统不稳定的问题，使整套系统可靠性大大提高。

第五，开发成功一种基于机器视觉系统的自动找孔方法和装置，大大提高了加热管坐标数据提取效率以及坐标数据的准确性，有效解决了列管式加热器成千上万加热管无序坐标数据提取的难题。如果采用人工进行加热管坐标数据提取，不仅效率低，同时还会产生漏提的问题，最终导致新的盲孔产生。课题组克服了罐内光线强度变化大，管孔变形不均，背景噪声大等众多不利因素，成功的实现了加热管坐标数据的自动提取，提取效果图见图7。

图7 自动找孔效果图

第六，联合开发成功符合本项目需求的36V、1kW伺服电机与驱动器，实现系统电气设备均采用安全电压。伺服电机性能状态监控图，如图8所示。

第七，开发了一种依靠摩擦力进行高压水枪驱动的轮式输送机构，利用1个主动轮和两个从动轮即可对高压水枪进行稳定输送，结构简单可靠。

第八，系统模块化设计，并开发辅助提升装置，实现系统设备整体出入罐体、转移等操作，设备装卸快捷、方便。

第九，系统巧妙利用定位挡块对顶杆的阻碍，通过Y轴直线运动即可实现机架的旋转运动，实现了3个动力即可完成设备清洗作业所需的四轴运动。

图8 伺服电机性能状态监控

第十，利用管夹将高压水枪的尾管运动约束在一个有限空间内，成功开发一种高压水枪尾管整理装置，有效解决高压水枪尾管整理的问题。

第十一，开发了一种高压水枪驱动时防软管打卷装置，能有效防止高压水枪软管打卷，保证清洗设备正常作业。

第十二，成功开发智能故障报警和诊断系统，利于操作人员快速有效排除设备故障。

该项目成功开发的产品和其它类似产品相比具有以下优点。

一是作业区域实现全覆盖，无死角和盲区，无需人工补枪。

二是专门开发的喷嘴，清洗质量更高。

三是36V安全电压伺服电机，符合国家安全标准。

四是设备整体入罐，拆装时间更短，同时由于减少了电气接头的拆装，设备稳定性和可靠性更高。

五是加热管坐标数据自动提取，无漏提孔，不会产生新的盲孔。

5 应用情况

该项目研发成功的产品目前已经有20多台套在广西、云南、新疆及国外的泰国等地区的10余家糖厂成功应用，均获得了客户的肯定与认可。该产品的应用不仅解决了用工难的问题，而且很好的解决了漏冲、冲洗不干净的问题，由于冲洗质量的提高，应用厂家的蒸发效能均有不同程度的提高，为糖厂的节能减排做出了贡献。

6 展望

该产品下一步的研发方向主要有以下两方面。

第一，单机架双枪头全自动冲罐机器人的研发。目前使用的是双机架单枪头设备，拆装时间长，设备体积大。要解决单机架双枪头的问题除了要解决双枪头的同步问题，设备的可靠性还要进一步提高。

第二，设备运行状态的远程监控与故障诊断。全自动冲罐机器人集成了机器人技术、自动控制技术和计算机软件技术，对糖厂在使用和维护方面提出了较高的要求，如果能实现设备运行状态的远程监控与故障诊断，将进一步方便糖厂的使用，减少设备故障和维护时间，符合未来工业发展要求。

TS243.3

B

2095-820X（2016）04-07

2016-07-28

该项目获得了自治区科技厅2012年科技开发计划和南宁市工信委科技创新计划的支持（合同号：桂科重12118002-6，市工信委2011-1-13）。