专利名称：基于plc的储油罐清理机器人自动控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用来对储油罐内油泥和淤渣等进行清理的机器人的自动控制系 统。
背景技术：
油罐在储存油品特别是原油时，机械杂质、沙砾、泥土、重金属盐类、石蜡和浙青等 重油性成分会因比重差而自然沉降在油罐底部，形成油罐底部积泥。这部分积泥使储油罐 有效容量减少，严重影响油罐的储运生产，因此原油储罐一般需间隔2-3年进行定期检查 维修和清除罐内淤渣。目前储油罐的清罐方法主要是采用人力手工清罐法，在这种易燃易 爆和有毒污染的恶劣危险环境中进行清罐作业，存在着安全性差、劳动强度大、施工周期 长、油气回收率低、污染环境等问题。而近几年机器人在油罐外表和油管中的清洗、焊接和 检测中的成功应用，体现了机器人技术先进性和实用性。基于这种现状，利用移动机器人携 带水射流工具和推铲来完成油罐油泥的清理工作，基于PLC研发了储油罐清理机器人自动 控制系统，实现完全替代人工清罐，将清罐工人从高强度劳动和恶劣危险环境中解放出来， 缩短了施工周期和提高了清罐安全性。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种对储油罐内油泥和淤渣等进行清理的机器人 的自动控制系统，这种自动控制系统可实现油罐清理机器人的罐外远程控制，有自动清罐 和手动清罐两种控制方式，可采集罐内的图像信息、可燃气体浓度并显示，实现水射流和推 铲清理工作的控制、机器人的移动和油泥抽吸的控制。本发明提供的技术方案是一种基于PLC的储油罐清理机器人自动控制系统，包 括PLC控制系统、罐内图像采集及显示系统、可燃气体监测系统、机器人行走控制系统、油 泥清理及抽吸控制系统等几部分。图像采集及显示系统将罐内的情况显示出来，依据看到 的情况手动操纵机器人行走、清理工作，或者按照设定的程序行走并进行自动清理，打散及 冲洗下来的油泥将由抽吸泵抽至罐外进行回收处理。上述PLC控制系统由CPU，存储器，开关量输入、输出模块，模拟量输入、输出模块， 编程器，编程电缆等几部分组成，是储油罐清理机器人自动控制系统的核心，完成逻辑运 算、数字运算、A/D、D/A转换等功能以及输入信号、反馈信号的处理、电磁阀、电机等执行机 构的控制。上述图像采集及显示系统由防爆/防粉尘点燃型一体化摄像机、雨刷、防爆/防粉 尘点燃型红外灯、防爆接线盒、视频线、液晶显示器、电视盒等组成。红外灯将罐内照亮，摄 像机采集视频信息，经电视盒转换后由液晶显示器显示，为防止摄像机的镜头被油泥覆盖 而导致图像模糊，在摄像机上安装了雨刷，可手动或自动清洗镜头。上述可燃气体测试系统由2台防爆型可燃气体测试仪、线缆、PLC气体浓度处理模 块等组成。可对油罐内的可燃气体浓度进行监测，测试数据进入PLC进行处理，并在显示器上显示可燃气体浓度，若两台仪器数据相差较大时，需重新调整测试，当油气浓度超过该油品爆炸下限的20 %时，机器人禁止使用高压水枪冲刷罐壁和推铲刮碰罐底。上述机器人行走控制系统由双轴霍尔型操纵杆，PLC模拟量输入、输出模块，功率 放大器和比例电磁阀等组成。工人操作操纵杆，操纵杆的位移信号被PLC模拟量输入模 块接收，经PLC运算，PLC模拟量输出模块输出4 20mA电流信号，经功率放大器放大成 260mA 500mA电流信号控制比例电磁阀来调节液压马达的流量，从而控制机器人的行走 速度。也可输入数字量直接设定行走的速度。上述油泥清理及抽吸控制系统由水射流清洗、推铲清理和抽吸系统等组成。水射 流清洗由高压清洗泵、防爆电磁截止阀、喷头、俯仰和回转机构等组成，俯仰和回转机构由 蜗轮蜗杆、电机和编码器等组成，俯仰机构可载着喷头、摄像机、红外灯进行180°的俯仰运 动，回转机构可载着喷头、摄像机、红外灯进行360°的水平回转，实现在空间的清洗作业。 PLC综合输入指令和编码器的反馈信号控制电机的旋转，水射流清洗由PLC控制防爆电磁 截止阀实现启停。推铲清理由推铲、液压缸、防爆电磁阀、连杆机构等组成，PLC控制电磁阀 实现推铲的清理动作。抽吸部分由抽吸泵、电磁阀、液压油管等组成，PLC控制电磁阀实现 油泥的抽吸。本发明的液压执行机构由罐外的高压液压泵站供给高压液压油，在罐内部分的仪 器和设备都需要防爆、防燃。本发明由于采用PLC来实现自动控制，自动化程度高，并易于系统的扩展，实现了 油罐清理机器人的罐外远程控制，将清罐工人从高强度劳动和恶劣危险环境中解放出来， 使清除油泥工作实现了安全化、简单化、资源化，具有显著的社会和经济效益。还可以用来 清理成品油罐、高压釜、冷却塔、贮罐等，以及清除核反应堆中的核废料等恶劣危险环境下
的清理工作。
图1为本发明的工作示意图；图2为本发明的机器人组成简图；图3为本发明的电气控制柜简图；图4为本发明的PLC控制系统组成简图；图5为本发明的视频连接简图。图2中1-液压缸2-机器人行走驱动液压马达3-比例电磁阀组4-防爆型可燃 气体测试仪(2台)5-防爆接线箱6-水流控制电磁阀7-防爆红外灯8-隔爆/防粉尘点 燃型摄像机9-雨刷10-水枪11-俯仰运动机构12-回转运动机构13-推铲图3中14-远程控制台15-风扇16-压力表17-电流表18-电压表19-液晶 显示器20-指示灯21-俯仰、回转操纵杆22-急停按钮23-抽吸泵启动24-抽吸泵停止 25-水泵启动26-水泵停止27-液压泵站启动28-液压泵站停止29-铲板抬起30-铲板 放下31-水枪32-雨刷33-自动/手动34-自动运行35-水枪流量调整36-右液压马 达操纵杆37-键盘38-左液压马达操纵杆
具体实施例方式参见图1、2，储油罐清理机器人系统包括液压驱动清理机器人、油泥抽吸系统、高 压水泵站、驱动液压泵站和基于PLC的远程控制台14，清理机器人由清罐工人拆成几个模 块后从狭窄人孔带入油罐，在油罐中进行快速组装，然后操作者就可以在外部通过现场图 像和基于PLC的控制系统遥控机器人。机器人通过携带的具有回转和俯仰两个自由度的高 压水枪10配合照明7和图像采集设备8将油罐中的油泥冲稀，由推铲13将油泥堆积，油泥 抽吸装置将油泥运至油罐外。高压水泵站、液压泵站和油泥抽吸装置和远程控制中心14均 在油罐外面，只有机器人携带高压水枪10、照明设备7和推铲13进行清理工作。储油罐清理机器人自动控制系统由照明、变压器、24V直流稳压电源、PLC、电磁阀、 传感器、空气开关，接触器，继电器等组成。以上设备集中在一个控制柜中，电气控制柜及操 作控制台如图3所示。储油罐清理机器人自动控制系统将控制以下电机高压水泵电机，液压泵站电机， 抽吸泵电机和俯仰、回转电机；每个电机都用继电器控制接触器启动，具有过载、短路、漏 电、欠压和零压保护。上述PLC控制系统由CPU，存储器，开关量输入、输出模块，模拟量输入、输出模块 等几部分组成，完成逻辑运算、数字运算、A/D、D/A转换等功能以及输入信号、反馈信号的处 理、电磁阀、电机等执行机构的控制。PLC系统是整个机器人的控制核心，除视频信号以外的 所有设备输入输出信号进入PLC，由PLC来进行运算，PLC配EEPROM存储卡使PLC程序可以 掉电保护，计算机与PLC通过RS-232接口进行连接，用计算机作为编程器。控制内容如图 4所示，主要包括输入部分 自动/手动切换按钮33、自动运行启/停按钮34、急停按钮22 ； 高压水泵，液压泵站，抽吸泵的手动启动23、25、27和停止按钮24、26、28 ； 水枪的俯仰、回转操纵杆21及反馈信号； 机器人行走控制操纵杆信号36、38 ； 水射流操纵杆信号35 ； 铲板的俯仰控制按钮29、30 ； 雨刷、照明和摄像机控制按钮32 ； 可燃气体检测仪4检测数据； 其它输入信号等。输出部分O 3个电机的启停指示灯20 ； 3个电机的控制信号； 推铲液压缸电磁换向阀的控制信号； 水枪俯仰、回转的控制信号；O 2个驱动液压马达比例阀的控制信号； 照明、摄像和雨刷等的控制信号； 报警指示、警铃信号，其它输出信号等。上述图像采集及显示系统由防爆/防粉尘点燃型一体化摄像机8、雨刷9、防爆/防粉尘点燃型红外灯7、防爆接线箱5、视频线、液晶显示器19、电视盒等组成。红外灯7将 罐内照亮，摄像机8采集视频信息，经电视盒转换后由液晶显示器19显示，为防止摄像机8 的镜头被油泥覆盖而导致图像模糊，在摄像机上安装了雨刷9，可手动或自动清洗镜头。视 频连接及布置如图5所示。上述可燃气体测试系统由2台防爆型可燃气体测试仪4、线缆、PLC气体浓度处理 模块等组成。可对油罐内的可燃气体浓度进行监测，测试数据进入PLC进行处理，并在显示 器上显示可燃气体浓度，若两台仪器数据相差较大时，需重新调整测试，当油气浓度超过该 油品爆炸下限的20 %时，机器人禁止使用高压水枪冲刷罐壁和推铲刮碰罐底。上述机器人行走控制系统由双轴霍尔型操纵杆36、38，PLC模拟量输入、输出模 块，功率放大器和比例电磁阀等组成。工人操作操纵杆36、38，操纵杆36、38的位移信号被 PLC模拟量输入模块接收，经PLC运算，PLC模拟量输出模块输出4 20mA电流信号，经功 率放大器放大成260mA 500mA电流信号控制比例电磁阀来调节液压马达的流量，从而控 制机器人的行走速度。机器人通过两个驱动马达差速实现转向。也可输入数字量直接设定 行走的速度，自动运行方式可按设定速度自行移动。上述油泥清理及抽吸控制系统由水射流清洗、推铲清理和抽吸等组成。水射流清洗由高压清洗泵、防爆电磁阀6、喷头10、俯仰11和回转12机构等组成，俯仰11和回转12 机构由蜗轮蜗杆、电机和编码器等组成，俯仰机构11可载着喷头10、摄像机8、红外灯7进 行180°的俯仰运动，回转机构可载着喷头10、摄像机8、红外灯7进行360°的水平回转， 实现在空间的清洗作业，自动运行方式下，可按设定速度俯仰和回转扫描清洗。PLC综合 输入指令和编码器的反馈信号控制电机的旋转，水射流清洗由PLC控制防爆电磁阀实现启 停。推铲清理由推铲13、液压缸、防爆电磁阀、连杆机构等组成，PLC控制电磁阀实现推铲的 清理动作。抽吸部分由抽吸泵、电磁阀、液压油管等组成，PLC控制电磁阀实现油泥的抽吸。本发明由于以PLC为核心构建控制系统，自动化程度高，系统易于扩展，实现了油 罐清理的罐外远程控制，将工人从高强度劳动和恶劣危险环境中解放出来，使油泥清理工 作实现了安全化、简单化、资源化，具有显著的社会和经济效益。还可以用来清理成品油罐、 高压釜、冷却塔、贮罐等，以及清除核反应堆中的核废料等恶劣危险环境下的清理工作。
权利要求
一种基于PLC的储油罐清理机器人自动控制系统，其特征是包括PLC控制系统、罐内图像采集及显示系统、可燃气体监测、机器人行走控制系统、油泥清理及抽吸控制系统等几部分。图像采集及显示系统将罐内的情况显示出来，依据看到的情况手动操纵机器人行走、清理工作，或者按照设定的程序行走并进行自动清理，打散及冲洗下来的油泥将由抽吸泵抽至罐外进行回收处理。
2.根据权利要求1所述的基于PLC的储油罐清理机器人自动控制系统，其特征是PLC 控制系统由CPU，存储器，开关量输入、输出模块，模拟量输入、输出模块，编程器，编程电缆 等几部分组成，是储油罐清理机器人自动控制系统的核心，完成逻辑运算、数字运算、A/D、 D/A转换等功能以及输入信号、反馈信号的处理、电磁阀、电机等执行机构的控制。
3.根据权利要求1所述的基于PLC的储油罐清理机器人自动控制系统，其特征是图 像采集及显示系统由防爆/防粉尘点燃型一体化摄像机、雨刷、防爆/防粉尘点燃型红外 灯、防爆接线盒、视频线、液晶显示器、电视盒等组成。红外灯将罐内照亮，摄像机采集视频 信息，经电视盒转换后由液晶显示器显示，为防止摄像机的镜头被油泥覆盖而导致图像模 糊，在摄像机上安装了雨刷，可手动或自动清洗镜头。
4.根据权利要求1所述的基于PLC的储油罐清理机器人自动控制系统，其特征是机 器人携带2台防爆型可燃气体测试仪，对油罐内的可燃气体浓度进行监测，测试数据进入 PLC进行处理，并在显示器上显示可燃气体浓度，若两台仪器数据相差较大时，需重新调整 测试，当油气浓度超过该油品爆炸下限的20%时，机器人禁止使用高压水枪冲刷罐壁和推 铲刮碰罐底。
5.根据权利要求1所述的基于PLC的储油罐清理机器人自动控制系统，其特征是机 器人行走控制系统由双轴霍尔型操纵杆，PLC模拟量输入、输出模块，功率放大器和比例电 磁阀等组成。操作操纵杆，经PLC运算，PLC模拟量输出模块输出4 20mA电流信号，经功 率放大器放大成260mA 500mA电流信号控制比例电磁阀来调节液压马达的流量，从而控 制机器人的行走速度。也可输入数字量直接设定行走的速度。
6.根据权利要求1所述的基于PLC的储油罐清理机器人自动控制系统，其特征是油 泥清理及抽吸控制系统由水射流清洗、推铲清理和抽吸系统等组成。水射流清洗由高压清 洗泵、防爆电磁截止阀、喷头、俯仰和回转机构等组成，俯仰和回转机构由蜗轮蜗杆、电机和 编码器等组成，俯仰机构载着喷头、摄像机、红外灯进行180°的俯仰运动，回转机构载着喷 头、摄像机、红外灯进行360°的水平回转，实现在空间的清洗作业。PLC综合输入指令和编 码器的反馈信号控制电机的旋转，水射流清洗由PLC控制防爆电磁截止阀实现启停。推铲 清理由推铲、液压缸、防爆电磁阀、连杆机构等组成，PLC控制电磁阀实现推铲的清理动作。 抽吸部分由抽吸泵、电磁阀、液压油管等组成，PLC控制电磁阀实现油泥的抽吸。
全文摘要
本发明涉及一种用来对储油罐内油泥和淤渣等进行清理的机器人的自动控制系统。包括PLC控制、罐内图像采集及显示、可燃气体监测、机器人行走、油泥清理及抽吸控制系统等几部分。可实现油罐清理机器人的罐外远程控制，具有自动清罐和手动清罐两种方式，可采集罐内的图像信息并显示、可燃气体浓度显示、实现水射流和推铲清理工作、机器人的移动和油泥抽吸的控制。本发明由于以PLC为核心构建的控制系统，自动化程度高，易于扩展，将清罐工人从高强度劳动和恶劣危险环境中解放出来，实现了清罐工作的安全化、简单化、资源化，具有显著的社会和经济效益。还可以用来清理成品油罐、高压釜、冷却塔、贮罐等恶劣危险环境下的清理工作。
文档编号G05B19/048GK101989078SQ20091007001
公开日2011年3月23日 申请日期2009年8月3日 优先权日2009年8月3日
发明者何永利, 刘学斌, 张兴会, 李充宁, 王健, 王创荣, 邓三鹏 申请人:天津工程师范学院