智能巡检机器人现状及发展趋势分析

(湖南石油化工职业技术学院,湖南 岳阳 414000)

0 引言

生产制造型企业的生产设备存在类型多、数量大、大部分设备存放在露天环境且往往没有在一个平面中布置的情况。对设备进行工况下的监测,是保证企业安全稳定生产的重要手段,也决定了生产的输出质量和效率。

巡检是保证设备正常运行基础且重要的一项日常工作,现阶段国内企业巡检以传统人工巡检为主,但人工巡检无法客观、方便地掌握巡检人员巡检到位情况,存在多种问题[1]。人工巡检记录信息数字化程度低的情况,存在设备运行工况和运行参数等历史数据无法有效查询、利用等问题,对后期设备的维护保养及选型升级等的实施无法提供直接帮助[2]。因此,国内已有不少企业在研究如何利用智能巡检机器人来替代传统人工巡检,实现产业的升级改造[3]。

1 国外巡检机器人技术现状及发展趋势

20世纪50年代,美国人Dvor和Engelberg经过反复试验改造后发明了世界上第一台工业机器人,其技术背景是计算机和自动化的发展。自此以后,世界各国都致力于工业机器人的研究与发展。巡检机器人作为机器人的分支,能替代人类在危险、恶劣及人所不能到达的场合开展巡检工作[4]。

国外巡检机器人开展较早,电力行业智能巡检机器人的研究使用最为成熟,如2012年新西兰电网公司与梅西大学合作研发了全地形变电站巡检机器人(图1)[2],该机器人由4个电机驱动,36 V锂电池供电,机器人车体设置机械臂,携带摄像机对目标进行拍摄巡检,该设备通过人工遥控操控工作[5]。国外巡检机器人技术目前在安防巡检、家庭服务、电力巡检等方面均已进入商业产业化程度。在石化领域,开发更加有效的测量传感器和复杂环境下有效避障执行作业技术是目前仍需要解决的问题,此外国外多套巡检机器人组合为巡检机群进行多区域协同巡检作业,针对生产设备巡检大数据管控系统方面,目前国外研发较少[6]。

图1 壳牌工程师与卡耐基梅隆大学共同研发应用于爆炸环境的机器人

图2 国内防爆巡检机器人

2 国内巡检机器人技术现状及发展趋势

我国针对巡检机器人研究最早始于1999年山东开展的变电站巡检机器人,于2001年首次提出了在变电站应用移动机器人技术进行设备巡检的想法,在2005年10月研制出国内首台产品样机并应用在长清变电站500 kV巡检作业[7]。经过多年研究,智能巡检机器人逐步取得了一定的发展成果,尤其是智能巡检机器人在电力行业变电站中的应用[8]。截止2019年底,国内巡检机器人行业市场规模已经超过5 500亿元,相比2018年增长25%,巡检机器人行业市场需求旺盛,同时“互联网+”技术的应用,为巡检机器人带来了更大的发展空间[9]。2023年5月份北京举办的“第23届中国国际石油石化技术装备展览会”上,七腾机器人有限公司(简称“七腾机器人”)携防爆工业轮式巡检机器人高性能版本、防爆工业四足机器人两款全新产品亮相,新产品有效助力石油、工业等行业的生产安全[3]。国家工信部《机器人“十四五”产业发展规划的通知》中指出“面对新形势新要求,未来5年乃至更长一段时间,是我国机器人产业自立自强、换代跨越的战略机遇期。”必须抢抓机遇,直面挑战,加快解决技术积累不足、产业基础薄弱、高端供给缺乏等问题,推动机器人产业迈向中高端[10]。

3 生产装置巡检现状及巡检机器人优势

3.1 巡检现状

企业的生产装置流程处理设备复杂且分布较广,装置的大部分设备为露天环境布置。目前,各生产型企业通用的巡检方式有常规人工巡检、设定固定点实现状态监控、设定固定点实现智能化巡检三种[11]。

3.1.1 常规人工巡检

以常规人工巡检、关键设备定点定时巡检为主,辅以智能化监测手段计划巡检。传统的人工巡检,往往存在流于形式、重复多人检测、巡检记录容易出现误差,甚至错误,设备反复开启、关闭等情况。对于石化企业生产装置的特殊设备部位,有时人工难以进入(受空间、危险性、毒性等各方面因素影响)会导致隐患不能被及时发现等问题。同时石化生产装置往往设备数量多,设备隐患检查的流程较长,这样就使得常规人工巡检模式耗费的人力资源较大,人力成本很难得到有效控制[1]。

3.1.2 设定固定点实现状态监控

设定固定点定期巡检的方法,能够定期检测设备关键节点的工作情况,在一定程度上解决了人工巡检不到位和工作流于表面的情况,但是由于测定点的位置固定,采集方式单一,使得此种方式工作无法达到人工巡检过程中“听、摸、看、闻”的实际效果,只能通过收集设备节点的数据来判断,有一定的技术局限。因此这种方式的实用性及应用广泛性欠佳。

3.1.3 设定固定点实现智能化巡检

设定固定点实现智能化巡检,是一种建立在信息点巡检系统基础上的智能巡检方式。结合各类传感器的智能化控制优势,同时具备了人工巡检和固定点定期巡检的优点,并且能够解决人工巡检和固定点采集信息存在的问题[6]。但是智能巡检系统也存在一定的缺陷,当智能巡检系统发现设备出现故障时,依然要依靠技术人员来做维修和保养,工作人员的安全性依然很难得到有效保障。

3.2 巡检机器人优势

有效降低巡检方式危险性就成为当前智能巡检系统建设需要突破的技术瓶颈。

鉴于此,目前部分企业巡检工作已经逐步向着智能化、一体化的检测方向迈进,也因此催生了可移动式、智能化的巡检检测技术。

企业生产装置往往因其内部、外部的环境都不适于人工巡检,具备可移动功能的智能巡检机器人代替人工巡检后,较好地克服了以上几种巡检方式存在的缺陷,其优势体现的较明显:

1)能较大幅度地为企业减少人力资源支出。机械结构的巡检机器人能够24 h连续不间断地对各隐患处进行检查,同时对人工不能到达的路径,实现全方位、全区域的路径规划巡检,能有效地减少传统人工巡检误差率,解决人工巡检低能低效的现状,同时大大减少一线巡检岗位所需的操作工人数。这对企业人力资源成本控制及绩效产出有着明显的效果。

2)巡检机器人能够到达人工所不能到达的位置,提高巡检的精准性。对于企业生产装置部分存储有毒有害气液体的设备,或温度过高、空间过于狭小不适宜人工巡检的位置。采用巡检机器人代替传统人力,在一定程度上提高了巡检工人的安全性,降低了环境对人身的隐患。

3)巡检机器人检测精度较高,响应时间少,可提高危情处置效率。机器人机身设计搭载各样传感器。通过声音、光、温度及液位能及时将隐患信号通过气体数据采集罩、可见光图像采集摄像机、红外热成像仪装置及声音采集装置等采集设备检测各项数据,通过云端传输至后台总控室,计算机进行分析处理,故障预判同时生成检修预案。

4 巡检机器人未来发展趋势

巡检机器人在检测技术方面起步较晚,但随着《机器人“十四五”产业发展规划的通知》的发布,机器人在各行各业的投入应用及发展是迅速的,巡检机器人在企业的应用,如自动或半自动移动能力,进一步提高对采集各项数据的敏感性、对各项数据进行自动识别,缩短数据响应时间,提高在特殊环境下的使用寿命等方向发展。

4.1 智能路径导航

智能路径导航模块是巡检机器人的重要组成部件。区别于路况复杂而难以实现的无人驾驶汽车技术,巡检机器人要实现智能路径导航就显得相对容易。首先将生产装置平面图放入控制中心数据库,机器人导航控制模块可以根据控制中心平面图参数(设备位置、距离)来判断方向及距离,自动形成规划路径。移动过程中可用激光雷达来判断距离,通过伺服控制系统来实现加速、减速及方向的改变。路径规划指定位置后,如雷达探测距设备表面仍有一定距离,而巡检机器人无法进一步靠近时,巡检机器人还可利用机械臂的伸展来改变探测距离,从而进一步增加巡检空间及检测数据的精准度。机械臂可以有效解决巡检机器人在移动过程中由机械障碍使得机器人移动距离出现误差,从而影响探测精准度的问题。

4.2 数据采集多样化

生产设备的温度、压力、气体排放浓度及工作中的振动情况,都是设备健康状况的重要体现。高性能的传感模块如同“听诊器”,有效将相关信号转换成电信号传输至控制中心。应用于生产装置的巡检机器人,机体一般安装红外摄像头、可视摄像头、噪声传感器、振动传感器、硫化氢监测器、超声检测器等设备。考虑生产装置生产连续性,机器人机体还需安装夜视控制系统。在不久的将来,随着机器人在生产装置的大量应用及普及,巡检机器人与装置技术员的配合将更加默契,技术员可随时根据实际生产情况增加或减少巡检机器人“佩戴”的各类检测装置,从而让机器人更轻便、更精准的进行巡查和探测工作。

4.3 智能识别

正如人的大脑可以控制四肢及躯干等进行各种活动,未来巡检机器人自动化程度也会进一步提高。四肢和躯干对外界的应激反应信号传到大脑当中,由大脑作出预判并传达指令。巡检机器人的工作原理也大致如此[11],具有不同功能的各个子识别模块,通过采集泄漏气体以及液体的数据,将数据传到智能识别模块中,模块将数据与预设值进行比较,从而判断设备故障及泄漏情况。高光谱红外识别热像仪不但能对泄露气体的浓度进行测量,还能够准确定位泄漏位置。液体识别模块则根据泄露液体的颜色、流动速度以及面积大小等情况进行综合预判,再通过数据计算判断出泄漏严重程度。未来巡检机器人的发展方向还会向语音识别方面发展,增强人机间的互动[12]。中控室工作人员通过语音指令直接操控机器人各种行为,从而更好的提高机器人的工作适应性。

4.4 数据响应速度

通信模块是巡检机器人与中控室之间传输信息的重要载体。未来巡检机器人的发展趋势,中控室技术人员可以坐在后台利用实时通信模块,实时指挥巡检机器人完成各类工作任务。利用GPS定位来判断机器人的实际位置,5G网络的深入应用,进一步加快了数据响应速度[13]。据此,机器人与后台技术人员可同步实施远程遥控在线巡检,实时发现问题,且能够第一时间进行故障预判并处理。在有些不适合人到达的场合(有毒、高温),技术员远程操作巡检机器人来处理设备隐患,也可有效减少人身伤害,同时提高工作效率[14]。

4.5 机器人自我“保护”能力

生产装置的生产环境往往对巡检机器人的机械、电气结构有一定的腐蚀性,设备泄漏的气体、液体容易加快巡检机器人精密探头的损坏程度。从平面上分析,各类装置的位置也容易使得巡检机器人在移动过程中出现磕碰、跌倒的情况,从而导致传感设备损坏。那么在未来巡检机器人的升级过程中,机器人加强自我防护能力及提高使用寿命的设计是关键。从巡检机器人所使用的材料上,需要研发设计出具有极强防腐蚀、防高温、防水、防尘等能力的特殊材料。在移动过程中,控制中心要能够智能判断是否要急停、避让、转向和防跌,必要时可以及时报警来减少对本体的损伤[15]。

5 生产装置巡检机器人发展趋势

在生产型企业当中,应用巡检机器人代替人工巡检有着显著优势,但要真正将其普及,还是面临着一些技术攻关问题。

1)巡检机器人不能仅限于平面巡检,要具备“爬楼”能力。生产装置往往具有紧凑的结构,其设备不会在一个平面内摆放,因此巡检机器人还需具有“爬楼”的功能[16]。

2)生产设备由于其特殊性,巡检机器人在执行工作过程当中受到强磁干扰的情况是不可避免的,在数据采集传输过程当中,网络信号的中断会延迟故障信息获取及处理的时间。

3)当前大多数巡检机器人仅能对气体的浓度、液体液位及密度等基础数据进行信息采集,对气体、液体性质的判断则较难实现。需要进一步的在实践探索中实施技术攻关,来突破技术瓶颈。