專利名稱：基于plc的儲油罐清理機(jī)器人自動控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用來對儲油罐內(nèi)油泥和淤渣等進(jìn)行清理的機(jī)器人的自動控制系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
油罐在儲存油品特別是原油時，機(jī)械雜質(zhì)、沙礫、泥土、重金屬鹽類、石蠟和浙青等 重油性成分會因比重差而自然沉降在油罐底部，形成油罐底部積泥。這部分積泥使儲油罐 有效容量減少，嚴(yán)重影響油罐的儲運(yùn)生產(chǎn)，因此原油儲罐一般需間隔2-3年進(jìn)行定期檢查 維修和清除罐內(nèi)淤渣。目前儲油罐的清罐方法主要是采用人力手工清罐法，在這種易燃易 爆和有毒污染的惡劣危險環(huán)境中進(jìn)行清罐作業(yè)，存在著安全性差、勞動強(qiáng)度大、施工周期 長、油氣回收率低、污染環(huán)境等問題。而近幾年機(jī)器人在油罐外表和油管中的清洗、焊接和 檢測中的成功應(yīng)用，體現(xiàn)了機(jī)器人技術(shù)先進(jìn)性和實(shí)用性。基于這種現(xiàn)狀，利用移動機(jī)器人攜 帶水射流工具和推鏟來完成油罐油泥的清理工作，基于PLC研發(fā)了儲油罐清理機(jī)器人自動 控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)完全替代人工清罐，將清罐工人從高強(qiáng)度勞動和惡劣危險環(huán)境中解放出來， 縮短了施工周期和提高了清罐安全性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是提供一種對儲油罐內(nèi)油泥和淤渣等進(jìn)行清理的機(jī)器人 的自動控制系統(tǒng)，這種自動控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)油罐清理機(jī)器人的罐外遠(yuǎn)程控制，有自動清罐 和手動清罐兩種控制方式，可采集罐內(nèi)的圖像信息、可燃?xì)怏w濃度并顯示，實(shí)現(xiàn)水射流和推 鏟清理工作的控制、機(jī)器人的移動和油泥抽吸的控制。本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種基于PLC的儲油罐清理機(jī)器人自動控制系統(tǒng)，包 括PLC控制系統(tǒng)、罐內(nèi)圖像采集及顯示系統(tǒng)、可燃?xì)怏w監(jiān)測系統(tǒng)、機(jī)器人行走控制系統(tǒng)、油 泥清理及抽吸控制系統(tǒng)等幾部分。圖像采集及顯示系統(tǒng)將罐內(nèi)的情況顯示出來，依據(jù)看到 的情況手動操縱機(jī)器人行走、清理工作，或者按照設(shè)定的程序行走并進(jìn)行自動清理，打散及 沖洗下來的油泥將由抽吸泵抽至罐外進(jìn)行回收處理。上述PLC控制系統(tǒng)由CPU，存儲器，開關(guān)量輸入、輸出模塊，模擬量輸入、輸出模塊， 編程器，編程電纜等幾部分組成，是儲油罐清理機(jī)器人自動控制系統(tǒng)的核心，完成邏輯運(yùn) 算、數(shù)字運(yùn)算、A/D、D/A轉(zhuǎn)換等功能以及輸入信號、反饋信號的處理、電磁閥、電機(jī)等執(zhí)行機(jī) 構(gòu)的控制。上述圖像采集及顯示系統(tǒng)由防爆/防粉塵點(diǎn)燃型一體化攝像機(jī)、雨刷、防爆/防粉 塵點(diǎn)燃型紅外燈、防爆接線盒、視頻線、液晶顯示器、電視盒等組成。紅外燈將罐內(nèi)照亮，攝 像機(jī)采集視頻信息，經(jīng)電視盒轉(zhuǎn)換后由液晶顯示器顯示，為防止攝像機(jī)的鏡頭被油泥覆蓋 而導(dǎo)致圖像模糊，在攝像機(jī)上安裝了雨刷，可手動或自動清洗鏡頭。上述可燃?xì)怏w測試系統(tǒng)由2臺防爆型可燃?xì)怏w測試儀、線纜、PLC氣體濃度處理模 塊等組成?？蓪τ凸迌?nèi)的可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行監(jiān)測，測試數(shù)據(jù)進(jìn)入PLC進(jìn)行處理，并在顯示器上顯示可燃?xì)怏w濃度，若兩臺儀器數(shù)據(jù)相差較大時，需重新調(diào)整測試，當(dāng)油氣濃度超過該油品爆炸下限的20 %時，機(jī)器人禁止使用高壓水槍沖刷罐壁和推鏟刮碰罐底。上述機(jī)器人行走控制系統(tǒng)由雙軸霍爾型操縱桿，PLC模擬量輸入、輸出模塊，功率 放大器和比例電磁閥等組成。工人操作操縱桿，操縱桿的位移信號被PLC模擬量輸入模 塊接收，經(jīng)PLC運(yùn)算，PLC模擬量輸出模塊輸出4 20mA電流信號，經(jīng)功率放大器放大成 260mA 500mA電流信號控制比例電磁閥來調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的流量，從而控制機(jī)器人的行走 速度。也可輸入數(shù)字量直接設(shè)定行走的速度。上述油泥清理及抽吸控制系統(tǒng)由水射流清洗、推鏟清理和抽吸系統(tǒng)等組成。水射 流清洗由高壓清洗泵、防爆電磁截止閥、噴頭、俯仰和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成，俯仰和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由 蝸輪蝸桿、電機(jī)和編碼器等組成，俯仰機(jī)構(gòu)可載著噴頭、攝像機(jī)、紅外燈進(jìn)行180°的俯仰運(yùn) 動，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可載著噴頭、攝像機(jī)、紅外燈進(jìn)行360°的水平回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)在空間的清洗作業(yè)。 PLC綜合輸入指令和編碼器的反饋信號控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，水射流清洗由PLC控制防爆電磁 截止閥實(shí)現(xiàn)啟停。推鏟清理由推鏟、液壓缸、防爆電磁閥、連桿機(jī)構(gòu)等組成，PLC控制電磁閥 實(shí)現(xiàn)推鏟的清理動作。抽吸部分由抽吸泵、電磁閥、液壓油管等組成，PLC控制電磁閥實(shí)現(xiàn) 油泥的抽吸。本發(fā)明的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)由罐外的高壓液壓泵站供給高壓液壓油，在罐內(nèi)部分的儀 器和設(shè)備都需要防爆、防燃。本發(fā)明由于采用PLC來實(shí)現(xiàn)自動控制，自動化程度高，并易于系統(tǒng)的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了 油罐清理機(jī)器人的罐外遠(yuǎn)程控制，將清罐工人從高強(qiáng)度勞動和惡劣危險環(huán)境中解放出來， 使清除油泥工作實(shí)現(xiàn)了安全化、簡單化、資源化，具有顯著的社會和經(jīng)濟(jì)效益。還可以用來 清理成品油罐、高壓釜、冷卻塔、貯罐等，以及清除核反應(yīng)堆中的核廢料等惡劣危險環(huán)境下
的清理工作。


圖1為本發(fā)明的工作示意圖；圖2為本發(fā)明的機(jī)器人組成簡圖；圖3為本發(fā)明的電氣控制柜簡圖；圖4為本發(fā)明的PLC控制系統(tǒng)組成簡圖；圖5為本發(fā)明的視頻連接簡圖。圖2中1-液壓缸2-機(jī)器人行走驅(qū)動液壓馬達(dá)3-比例電磁閥組4-防爆型可燃 氣體測試儀(2臺)5-防爆接線箱6-水流控制電磁閥7-防爆紅外燈8-隔爆/防粉塵點(diǎn) 燃型攝像機(jī)9-雨刷10-水槍11-俯仰運(yùn)動機(jī)構(gòu)12-回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)13-推鏟圖3中14-遠(yuǎn)程控制臺15-風(fēng)扇16-壓力表17-電流表18-電壓表19-液晶 顯示器20-指示燈21-俯仰、回轉(zhuǎn)操縱桿22-急停按鈕23-抽吸泵啟動24-抽吸泵停止 25-水泵啟動26-水泵停止27-液壓泵站啟動28-液壓泵站停止29-鏟板抬起30-鏟板 放下31-水槍32-雨刷33-自動/手動34-自動運(yùn)行35-水槍流量調(diào)整36-右液壓馬 達(dá)操縱桿37-鍵盤38-左液壓馬達(dá)操縱桿
具體實(shí)施例方式參見圖1、2，儲油罐清理機(jī)器人系統(tǒng)包括液壓驅(qū)動清理機(jī)器人、油泥抽吸系統(tǒng)、高 壓水泵站、驅(qū)動液壓泵站和基于PLC的遠(yuǎn)程控制臺14，清理機(jī)器人由清罐工人拆成幾個模 塊后從狹窄人孔帶入油罐，在油罐中進(jìn)行快速組裝，然后操作者就可以在外部通過現(xiàn)場圖 像和基于PLC的控制系統(tǒng)遙控機(jī)器人。機(jī)器人通過攜帶的具有回轉(zhuǎn)和俯仰兩個自由度的高 壓水槍10配合照明7和圖像采集設(shè)備8將油罐中的油泥沖稀，由推鏟13將油泥堆積，油泥 抽吸裝置將油泥運(yùn)至油罐外。高壓水泵站、液壓泵站和油泥抽吸裝置和遠(yuǎn)程控制中心14均 在油罐外面，只有機(jī)器人攜帶高壓水槍10、照明設(shè)備7和推鏟13進(jìn)行清理工作。儲油罐清理機(jī)器人自動控制系統(tǒng)由照明、變壓器、24V直流穩(wěn)壓電源、PLC、電磁閥、 傳感器、空氣開關(guān)，接觸器，繼電器等組成。以上設(shè)備集中在一個控制柜中，電氣控制柜及操 作控制臺如圖3所示。儲油罐清理機(jī)器人自動控制系統(tǒng)將控制以下電機(jī)高壓水泵電機(jī)，液壓泵站電機(jī)， 抽吸泵電機(jī)和俯仰、回轉(zhuǎn)電機(jī)；每個電機(jī)都用繼電器控制接觸器啟動，具有過載、短路、漏 電、欠壓和零壓保護(hù)。上述PLC控制系統(tǒng)由CPU，存儲器，開關(guān)量輸入、輸出模塊，模擬量輸入、輸出模塊 等幾部分組成，完成邏輯運(yùn)算、數(shù)字運(yùn)算、A/D、D/A轉(zhuǎn)換等功能以及輸入信號、反饋信號的處 理、電磁閥、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。PLC系統(tǒng)是整個機(jī)器人的控制核心，除視頻信號以外的 所有設(shè)備輸入輸出信號進(jìn)入PLC，由PLC來進(jìn)行運(yùn)算，PLC配EEPROM存儲卡使PLC程序可以 掉電保護(hù)，計算機(jī)與PLC通過RS-232接口進(jìn)行連接，用計算機(jī)作為編程器?？刂苾?nèi)容如圖 4所示，主要包括輸入部分 自動/手動切換按鈕33、自動運(yùn)行啟/停按鈕34、急停按鈕22 ； 高壓水泵，液壓泵站，抽吸泵的手動啟動23、25、27和停止按鈕24、26、28 ； 水槍的俯仰、回轉(zhuǎn)操縱桿21及反饋信號； 機(jī)器人行走控制操縱桿信號36、38 ； 水射流操縱桿信號35 ； 鏟板的俯仰控制按鈕29、30 ； 雨刷、照明和攝像機(jī)控制按鈕32 ； 可燃?xì)怏w檢測儀4檢測數(shù)據(jù)； 其它輸入信號等。輸出部分O 3個電機(jī)的啟停指示燈20 ； 3個電機(jī)的控制信號； 推鏟液壓缸電磁換向閥的控制信號； 水槍俯仰、回轉(zhuǎn)的控制信號；O 2個驅(qū)動液壓馬達(dá)比例閥的控制信號； 照明、攝像和雨刷等的控制信號； 報警指示、警鈴信號，其它輸出信號等。上述圖像采集及顯示系統(tǒng)由防爆/防粉塵點(diǎn)燃型一體化攝像機(jī)8、雨刷9、防爆/防粉塵點(diǎn)燃型紅外燈7、防爆接線箱5、視頻線、液晶顯示器19、電視盒等組成。紅外燈7將 罐內(nèi)照亮，攝像機(jī)8采集視頻信息，經(jīng)電視盒轉(zhuǎn)換后由液晶顯示器19顯示，為防止攝像機(jī)8 的鏡頭被油泥覆蓋而導(dǎo)致圖像模糊，在攝像機(jī)上安裝了雨刷9，可手動或自動清洗鏡頭。視 頻連接及布置如圖5所示。上述可燃?xì)怏w測試系統(tǒng)由2臺防爆型可燃?xì)怏w測試儀4、線纜、PLC氣體濃度處理 模塊等組成?？蓪τ凸迌?nèi)的可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行監(jiān)測，測試數(shù)據(jù)進(jìn)入PLC進(jìn)行處理，并在顯示 器上顯示可燃?xì)怏w濃度，若兩臺儀器數(shù)據(jù)相差較大時，需重新調(diào)整測試，當(dāng)油氣濃度超過該 油品爆炸下限的20 %時，機(jī)器人禁止使用高壓水槍沖刷罐壁和推鏟刮碰罐底。上述機(jī)器人行走控制系統(tǒng)由雙軸霍爾型操縱桿36、38，PLC模擬量輸入、輸出模 塊，功率放大器和比例電磁閥等組成。工人操作操縱桿36、38，操縱桿36、38的位移信號被 PLC模擬量輸入模塊接收，經(jīng)PLC運(yùn)算，PLC模擬量輸出模塊輸出4 20mA電流信號，經(jīng)功 率放大器放大成260mA 500mA電流信號控制比例電磁閥來調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的流量，從而控 制機(jī)器人的行走速度。機(jī)器人通過兩個驅(qū)動馬達(dá)差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。也可輸入數(shù)字量直接設(shè)定 行走的速度，自動運(yùn)行方式可按設(shè)定速度自行移動。上述油泥清理及抽吸控制系統(tǒng)由水射流清洗、推鏟清理和抽吸等組成。水射流清洗由高壓清洗泵、防爆電磁閥6、噴頭10、俯仰11和回轉(zhuǎn)12機(jī)構(gòu)等組成，俯仰11和回轉(zhuǎn)12 機(jī)構(gòu)由蝸輪蝸桿、電機(jī)和編碼器等組成，俯仰機(jī)構(gòu)11可載著噴頭10、攝像機(jī)8、紅外燈7進(jìn) 行180°的俯仰運(yùn)動，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可載著噴頭10、攝像機(jī)8、紅外燈7進(jìn)行360°的水平回轉(zhuǎn)， 實(shí)現(xiàn)在空間的清洗作業(yè)，自動運(yùn)行方式下，可按設(shè)定速度俯仰和回轉(zhuǎn)掃描清洗。PLC綜合 輸入指令和編碼器的反饋信號控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，水射流清洗由PLC控制防爆電磁閥實(shí)現(xiàn)啟 停。推鏟清理由推鏟13、液壓缸、防爆電磁閥、連桿機(jī)構(gòu)等組成，PLC控制電磁閥實(shí)現(xiàn)推鏟的 清理動作。抽吸部分由抽吸泵、電磁閥、液壓油管等組成，PLC控制電磁閥實(shí)現(xiàn)油泥的抽吸。本發(fā)明由于以PLC為核心構(gòu)建控制系統(tǒng)，自動化程度高，系統(tǒng)易于擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了油 罐清理的罐外遠(yuǎn)程控制，將工人從高強(qiáng)度勞動和惡劣危險環(huán)境中解放出來，使油泥清理工 作實(shí)現(xiàn)了安全化、簡單化、資源化，具有顯著的社會和經(jīng)濟(jì)效益。還可以用來清理成品油罐、 高壓釜、冷卻塔、貯罐等，以及清除核反應(yīng)堆中的核廢料等惡劣危險環(huán)境下的清理工作。
權(quán)利要求
一種基于PLC的儲油罐清理機(jī)器人自動控制系統(tǒng)，其特征是包括PLC控制系統(tǒng)、罐內(nèi)圖像采集及顯示系統(tǒng)、可燃?xì)怏w監(jiān)測、機(jī)器人行走控制系統(tǒng)、油泥清理及抽吸控制系統(tǒng)等幾部分。圖像采集及顯示系統(tǒng)將罐內(nèi)的情況顯示出來，依據(jù)看到的情況手動操縱機(jī)器人行走、清理工作，或者按照設(shè)定的程序行走并進(jìn)行自動清理，打散及沖洗下來的油泥將由抽吸泵抽至罐外進(jìn)行回收處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PLC的儲油罐清理機(jī)器人自動控制系統(tǒng)，其特征是PLC 控制系統(tǒng)由CPU，存儲器，開關(guān)量輸入、輸出模塊，模擬量輸入、輸出模塊，編程器，編程電纜 等幾部分組成，是儲油罐清理機(jī)器人自動控制系統(tǒng)的核心，完成邏輯運(yùn)算、數(shù)字運(yùn)算、A/D、 D/A轉(zhuǎn)換等功能以及輸入信號、反饋信號的處理、電磁閥、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PLC的儲油罐清理機(jī)器人自動控制系統(tǒng)，其特征是圖 像采集及顯示系統(tǒng)由防爆/防粉塵點(diǎn)燃型一體化攝像機(jī)、雨刷、防爆/防粉塵點(diǎn)燃型紅外 燈、防爆接線盒、視頻線、液晶顯示器、電視盒等組成。紅外燈將罐內(nèi)照亮，攝像機(jī)采集視頻 信息，經(jīng)電視盒轉(zhuǎn)換后由液晶顯示器顯示，為防止攝像機(jī)的鏡頭被油泥覆蓋而導(dǎo)致圖像模 糊，在攝像機(jī)上安裝了雨刷，可手動或自動清洗鏡頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PLC的儲油罐清理機(jī)器人自動控制系統(tǒng)，其特征是機(jī) 器人攜帶2臺防爆型可燃?xì)怏w測試儀，對油罐內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行監(jiān)測，測試數(shù)據(jù)進(jìn)入 PLC進(jìn)行處理，并在顯示器上顯示可燃?xì)怏w濃度，若兩臺儀器數(shù)據(jù)相差較大時，需重新調(diào)整 測試，當(dāng)油氣濃度超過該油品爆炸下限的20%時，機(jī)器人禁止使用高壓水槍沖刷罐壁和推 鏟刮碰罐底。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PLC的儲油罐清理機(jī)器人自動控制系統(tǒng)，其特征是機(jī) 器人行走控制系統(tǒng)由雙軸霍爾型操縱桿，PLC模擬量輸入、輸出模塊，功率放大器和比例電 磁閥等組成。操作操縱桿，經(jīng)PLC運(yùn)算，PLC模擬量輸出模塊輸出4 20mA電流信號，經(jīng)功 率放大器放大成260mA 500mA電流信號控制比例電磁閥來調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的流量，從而控 制機(jī)器人的行走速度。也可輸入數(shù)字量直接設(shè)定行走的速度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PLC的儲油罐清理機(jī)器人自動控制系統(tǒng)，其特征是油 泥清理及抽吸控制系統(tǒng)由水射流清洗、推鏟清理和抽吸系統(tǒng)等組成。水射流清洗由高壓清 洗泵、防爆電磁截止閥、噴頭、俯仰和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成，俯仰和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由蝸輪蝸桿、電機(jī)和 編碼器等組成，俯仰機(jī)構(gòu)載著噴頭、攝像機(jī)、紅外燈進(jìn)行180°的俯仰運(yùn)動，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)載著噴 頭、攝像機(jī)、紅外燈進(jìn)行360°的水平回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)在空間的清洗作業(yè)。PLC綜合輸入指令和編 碼器的反饋信號控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，水射流清洗由PLC控制防爆電磁截止閥實(shí)現(xiàn)啟停。推鏟 清理由推鏟、液壓缸、防爆電磁閥、連桿機(jī)構(gòu)等組成，PLC控制電磁閥實(shí)現(xiàn)推鏟的清理動作。 抽吸部分由抽吸泵、電磁閥、液壓油管等組成，PLC控制電磁閥實(shí)現(xiàn)油泥的抽吸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用來對儲油罐內(nèi)油泥和淤渣等進(jìn)行清理的機(jī)器人的自動控制系統(tǒng)。包括PLC控制、罐內(nèi)圖像采集及顯示、可燃?xì)怏w監(jiān)測、機(jī)器人行走、油泥清理及抽吸控制系統(tǒng)等幾部分。可實(shí)現(xiàn)油罐清理機(jī)器人的罐外遠(yuǎn)程控制，具有自動清罐和手動清罐兩種方式，可采集罐內(nèi)的圖像信息并顯示、可燃?xì)怏w濃度顯示、實(shí)現(xiàn)水射流和推鏟清理工作、機(jī)器人的移動和油泥抽吸的控制。本發(fā)明由于以PLC為核心構(gòu)建的控制系統(tǒng)，自動化程度高，易于擴(kuò)展，將清罐工人從高強(qiáng)度勞動和惡劣危險環(huán)境中解放出來，實(shí)現(xiàn)了清罐工作的安全化、簡單化、資源化，具有顯著的社會和經(jīng)濟(jì)效益。還可以用來清理成品油罐、高壓釜、冷卻塔、貯罐等惡劣危險環(huán)境下的清理工作。
文檔編號G05B19/048GK101989078SQ20091007001
公開日2011年3月23日 申請日期2009年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月3日
發(fā)明者何永利, 劉學(xué)斌, 張興會, 李充寧, 王健, 王創(chuàng)榮, 鄧三鵬 申請人:天津工程師范學(xué)院