管道机器人检测系统研究

河北理工大学毕业论文课题名称：管道清淤机器人及控制系统研究姓名: 刘刚工程领域: 机械工程所属学院: 机械工程学院学校导师: 王丰教授2006年 6 月 24 日目录摘要 ..................................................................................................................... １Abstract .. (2)1管道清淤机器人概述 (3)1.1 课题综述 (3)1.2 国内外管道清淤机器人技术现状 (3)1.2.1 国外的技术现状 (3)1.2.2 国内的技术现状 (4)1.3 本市管道清淤技术现状 (6)1.4 管道清淤机器人总体控制方案 (6)2 清淤机器人控制系统分析 (7)2.1 控制系统控制器的选择 (7)2.2 S7-200系列PLC概述 (7)2.2.1 S7-200系列PLC简介 (7)2.2.2 程序设计中用到的PLC指令 (11)2.3 步进电机及其驱动器简介 (15)2.3.1 步进电机 (15)2.3.2 步进电机驱动电源 (16)2.4 电机驱动器的选择 (17)2.4.1 步进电机驱动器的选择 (17)2.4.2 直流电机驱动器的选择 (20)3 基于PLC的清淤机器人控制系统设计 (24)3.1 清淤机器人的控制过程 (24)3.2 PLC的选型和通信 (24)3.2.1 PLC的选型 (24)3.2.2 两台PLC之间的网络通信 (25)3.3 I/O端点的确定和分配 (26)3.4 电机和驱动器的连接 (29)3.4.1 步进电机驱动器和电机的连接 (29)3.4.2 直流电机驱动器和电机的连接 (29)3.5 PLC和电机驱动器的连接 (30)3.6 清淤机器人的控制程序设计 (30)3.6.1 编程的语言 (30)3.6.2 编程的一般规约 (31)3.6.3 程序框图的设计 (32)3.6.4 控制程序的设计 (32)结论 (39)致谢 (40)参考文献 (41)附录A 清淤机器人控制清单 (43)摘要本文主要介绍了清淤机器人目前的发展状况以及通过利用PLC来实现对机器人的运动控制，从而使机器人自主地完成清淤任务。

轮式机器人在管道探测中的应用研究第一章：前言管道探测是管道工业中的重要环节，对于管道生产、维护和安全等方面都具有不可忽视的作用。

然而，由于管道的复杂性和运行环境的变化，传统的人工检测方法存在着很大的限制。

近年来，随着机器人技术的发展，轮式机器人在管道探测中的应用逐渐受到了关注，成为解决管道探测难题的新路径。

本文主要研究轮式机器人在管道探测中的应用，并从机器人的特点、管道探测的需求和机器人技术等方面进行深入探究和分析，旨在为管道探测机器人的进一步发展提供借鉴和思路。

第二章：管道探测需求和挑战管道探测涉及到多个方面，包括管道材质、管道直径和管道形状等。

传统的管道检测方法主要依靠人工进行，存在人力浪费、周期长、难以观察内部及隐蔽状况、易产生安全隐患等问题。

为了更好的解决这些问题，研究和开发管道探测机器人变得尤为重要。

然而，管道探测机器人面临的挑战也是不容忽视的。

首先，管道内的环境非常复杂，机器人需要承受多变的环境条件，例如管道内的尘埃、湿度、温度和气体等方面。

其次，机器人需要适应不同直径和曲度半径的管道，并保证在管道中运动稳定。

最后，机器人需要获取管道内部信息并进行数据处理和分析，从而得出合理的结论。

综上所述，管道探测机器人的需求和挑战需要使用新技术，加强研究和开发，以满足管道探测的具体需求。

第三章：轮式机器人的特点与其他机器人相比，轮式机器人具有以下几个特点：1. 灵活性高与足式机器人和腿式机器人相比，轮式机器人体型轻盈，行动灵活，适合在较狭窄的空间或管道内部进行活动。

2. 稳定性强轮子的设计和布局使得轮式机器人非常稳定，能够在不平坦的地面上行驶，支持多种不同的工作场景。

此外，对于参数调节和控制系统，轮式机器人的设计更加简洁。

3. 续航能力好为了适应较长或曲折的管道环境，轮式机器人需要有较长的工作时间，并提供足够的地面支持。

同时，轮式机器人还需要有较强的抗干扰能力，正确处理esd等方面的导电的干扰源。

基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（51806063，51736005，51604289和51906124）；国家能源集团科技创新项目（GJNY-20-09-1、GJNY-19-08）；国电电力发展股份有限公司科技创新项目（GDDL-20-17）作者简介：赵俊杰（1985-），男，高级工程师，博士，2012年毕业于清华大学能源与动力工程系，现任国电内蒙古东胜热电有限公司总工程师，主要研究两相流、纳米隔热、火电厂运行节能优化与人工智能火电厂。

Tel：138****8297，E-mail：*********************1引言随着工业互联网、泛在物联网、机器人、人工智能、工业4.0等技术和概念的深入推进，机器代人、算法代大脑的应用在智慧工厂生产、检修、巡检等各个专业快速涌现［1-4］。

对于热力发电公司生产运营而言，一大痛点就是非供热期仍需派检查人员进入狭窄、昏暗、不透气的热网管道内检查缺陷，存在检查质量差、漏检严重、成本高昂、人员安全风险大等问题［3-7］。

现在市场上的管道巡检机器人均为有线传输设备，机器人无法拖拽数百米的线缆深入管道内部［5-8］。

极少数的无线机器人深入管道内部距离非常短，数据传输、传动系统及供电等诸多技术尚未突破，无法胜任长距离、高复杂度的大型热网管道内部巡检工作［6-10］。

因此，有必要结合工业互联网、物联网、机器人、人工智能等先进技术，开发智能巡检系统，用机器人巡检和算法识别代替人的巡检，实现远距离、各种类型的供热管网、危险复杂环境的安全态势感知和智能诊断报警，提升供热公司的风险管控能力，同时降低管道挖掘检查的工作量和检查成本。

本研究针对非供热期城市热网管道缺陷检查的业务，分析采用智能巡检机器人取代人工检查的可行性、功能需求、结构设计和智能技术应用，以提升热网管道内部巡检的质量、效率和全覆盖性，提高冬季居民供热稳定性和安全性。

本文的分析有助于了解新一代的热网管道巡检智能机器人结构设计、功能和新技术应用，通过实现多种尺寸热网管道内部缺陷的巡检，全面提升对热网管道管壁减薄、裂纹和腐蚀等缺陷的感知识别能力，极大地降低了现场工作人员的劳动强度和危险性。

供热管道内检测机器人发展现状及关键技术供热管道是城市供热系统的重要组成部分，其安全稳定运行对于保障居民的温暖过冬至关重要。

然而，由于长期使用、腐蚀、磨损等原因，供热管道可能会出现各种缺陷和故障，如裂缝、腐蚀坑、堵塞等。

为了及时发现和评估这些问题，保障供热管道的安全运行，供热管道内检测机器人应运而生。

一、供热管道内检测机器人的发展现状1、国外发展现状在国外，一些发达国家早在几十年前就开始了对供热管道内检测技术的研究。

例如，德国、美国、日本等国家的相关企业和科研机构已经研发出了多种类型的供热管道内检测机器人，并在实际应用中取得了良好的效果。

这些机器人通常具有较高的检测精度和可靠性，能够适应不同管径和工况的供热管道。

2、国内发展现状相比之下，我国在供热管道内检测机器人领域的研究起步较晚，但近年来发展迅速。

目前，国内一些高校、科研机构和企业也在积极开展相关研究和开发工作，并取得了一定的成果。

一些国产的供热管道内检测机器人已经开始在部分地区进行试点应用，但其性能和可靠性与国外先进产品相比仍存在一定差距。

二、供热管道内检测机器人的类型1、漏磁检测机器人漏磁检测是一种常用的无损检测方法，漏磁检测机器人通过在管道内产生磁场，并检测磁场的变化来判断管道是否存在缺陷。

这种机器人具有检测速度快、准确性高的优点，但对于较小的缺陷容易漏检。

2、超声检测机器人超声检测机器人利用超声波在管道壁中的传播和反射来检测缺陷。

它能够检测出较小的缺陷，并且对管道壁的厚度测量较为准确，但检测效率相对较低。

3、涡流检测机器人涡流检测机器人通过在管道内产生涡流，并检测涡流的变化来判断管道的缺陷情况。

这种机器人对表面缺陷检测较为敏感，但对深层缺陷的检测能力有限。

三、供热管道内检测机器人的关键技术1、驱动与行走技术供热管道内检测机器人需要在管道内自由行走，因此驱动与行走技术是关键之一。

目前，常见的驱动方式有轮式、履带式和蠕动式等。

轮式驱动速度快，但在复杂管道内的适应性较差；履带式驱动稳定性好，但结构复杂；蠕动式驱动适用于小管径管道，但行走速度较慢。

交通科技与管理157工程技术 从当前的城市建设分析，综合管廊系统被广泛建设与应用，实现对各类管线的集成化管理，提高了设施服务的效率和效果，有着重要的意义。

在综合管廊大规模建设背景下，给巡检工作带来了很大的压力，如何实现快速精准化巡视检查，成为人们研究的重点。

引入机器人巡检系统，可获得不错的成效。

1　案例概述 以江北新区管廊二期项目为例，该项目位于新区核心区及其周边地区的18条路段下，长度28公里，包含电气、暖通、给排水、消防、自控、监控中心、海绵城市等专业。

项目建成后，市政给水和电力以及通信等各类管线全部被纳入其中管理，实现管网的统一规划和敷设以及管理，促使地下管线的建设和运行维护管理有序化、合理化以及高效化，有效解决了城市建设环节的道路反复开挖以及重复投资的问题。

现结合此工程实践，分析机器人巡检系统的应用。

2　机器人巡检系统在综合管廊工程中的具体运用2.1　机器人技术应用方案 传统的管线施工作业，主要采取直接埋设在地下的方案，增加了管线维护的难度，要多次进行开挖作业。

构建的综合管廊，实现对各类管线的融合，纳入到管线纳入管廊内部，使得管线铺设作业的有序化。

此工程建设实践中，引入了智慧交通概念，在综合管廊内部设置了巡视检查机器人，能够实现对整条管廊的巡视检查。

道路路面铺设智慧化灯杆，搭载高清视频检测器以及DSRC设备等，用于道路管理。

采用智慧化手段，形成人、车、路、环境的智慧化联网。

2.2　机器人巡检系统的应用优势 从巡检工作实践分析，以往采取的主要是人力巡检方案，然而面临很多问题。

地下综合管廊有几公里的，还有数十公里的，综合管廊内部空间比较狭窄，若人员以步行的方式巡视检查，则劳动强度很强，同时消耗的时间很多，加之处于封闭环境下，如果产生有毒有害气体聚集或者泄露的情况，那么巡检人员几乎没有有效的逃生时间，威胁着其生命安全。

除此之外，受到人员心理和技术以及经验等多重因素的影响，巡视检查工作的覆盖度不高，常常会存在盲区，同时部分隐患难以被察觉或者信息传送不及时，进而使得停电停水以及停气等事故出现。

管道检测机器人1 引言管道运输是当今五大运输方式之一，已成为油气能源运输工具。

目前，世界上石油天然气管道总长约200万km，我国长距离输送管道总长度约2万km。

国家重点工程“西气东输”工程，主干线管道(管径1118mm)全长4167km，其主管道投资384亿元，主管线和城市管网投资将突破1000亿元。

世界上约有50%的长距离运输管道要使用几十年、甚至上百年时间，这些管道大都埋在地下、海底。

由于内外介质的腐蚀、重压、地形沉降、塌陷等原因，管道不可避免地会出现损伤。

在世界管道运输史上，由于管道泄漏而发生的恶性事故触目惊心。

据不完全统计，截至1990年，国内输油管道共发生大小事故628次。

1986到2b00年期间美国天然气管道发生事故1184起，造成55人死亡、210人受伤，损失约2. 5亿美元。

因此，研究管道无损检测自动化技术，提高检测的可靠性和自动化程度，加强在建和在役运输管道的检测和监测，对提高管线运输的安全性具有重要意义。

1.1管道涂层检测装置的发展、现状和前景1.1.1管道涂层检测装置的发展管内作业机器人是一种可沿管道自动行走,携有一种或多种传感器件和作业机构,在遥控操纵或计算机控制下能在极其恶劣的环境中进行一系列管道作业的机电仪一体化系统.对较长距离管道的直接检测、清理技术的研究始于本世纪50年代美、英、法、德、日等国,受当时的技术水平的限制,主要成果是无动力的管内检测清理设备——PIG,此类设备依靠首尾两端管内流体的压力差产生驱动力,随着管内流体的流动向前移动,并可携带多种传感器.由于PIG本身没有行走能力,其移动速度、检测区域均不易控制,所以不能算作管内机器人.图1所示为一种典型的管内检测PIG[5]. 这种PIG的两端各安装一个聚氨脂密封碗,后部密封碗内侧环向排列的伞状探头与管壁相接触,测量半径方面的变形,并与行走距离仪的旋转联动,以便使装在PIG内部的记录仪记录数据.它具有沿管线全程测量内径,识别弯头部位,测量凹陷等变形部位及管圆度的功能,并可以把测量结果和检测位置一起记录下来. 70年代以来,石油、化工、天然气及核工业的发展为管道机器人的应用提供了广阔而诱人的前景,而机器人学、计算机、传感器等理论和技术的发展,也为管内和管外自主移动机器人的研究和应用提供了技术保证.日、美、英、法、德等国在此方面做了大量研究工作,其中日本从事管道机器人研究的人员最多,成果也最多。

人工智能与机器人技术在管道巡检中的应用研究摘要：管道巡检是维护和管理各类管道设施的关键任务。

随着人工智能和机器人技术的快速发展，其在管道巡检中的应用研究成为研究的热点。

本文综述了人工智能与机器人技术在管道巡检中的应用现状和发展趋势，并分析了其带来的优势和挑战。

通过引入人工智能和机器人技术，管道巡检可以实现自主化、高效化和精准化，提高巡检效率和准确性。

然而，人工智能的应用也面临着数据隐私、安全性以及道德和伦理等方面的挑战。

未来的研究方向包括提高巡检设备的定位精度、数据融合和智能决策算法的研究，以进一步提升管道巡检的效能。

一、引言管道是现代工业和城市建设中不可或缺的重要设施，如石油管道、天然气管道、水暖管道等。

管道巡检作为一项重要的管理和维护任务，旨在保障管道设施的正常运行和安全性。

长期以来，人们主要依靠人工巡检方式，但该方法效率低下、耗时长，且存在着安全风险。

而近年来，随着人工智能和机器人技术的快速发展，其在管道巡检中的应用逐渐引起了研究者的关注。

二、人工智能在管道巡检中的应用现状人工智能技术包括机器学习、计算机视觉、自然语言处理等，这些技术可以赋予巡检设备感知、认知和决策能力，实现自主化和智能化的巡检过程。

目前，人工智能在管道巡检中的应用主要集中在以下几个方向。

1. 图像识别和目标检测利用计算机视觉和机器学习技术，巡检设备可以对管道表面进行图像识别和目标检测。

例如，利用深度学习算法可以实现对管道表面裂纹、腐蚀等缺陷的识别和定位，大大提高了巡检的精准性和效率。

2. 数据处理和分析通过人工智能技术，巡检设备可以对大量的巡检数据进行处理和分析，提取出有价值的信息。

例如，利用机器学习算法可以对巡检数据进行分类和聚类，发现潜在的问题和异常情况，为后续的维修和管理提供指导和决策依据。

3. 路径规划和定位巡检设备需要在管道系统中自主进行移动和导航，因此，路径规划和定位是实现自主化巡检的关键技术。

人工智能与机器人技术可以通过融合GPS、惯性导航、视觉定位等多种技术，实现对巡检设备的准确定位和路径规划，提高巡检的精度和效率。

柔性结构式管道探测机器人系统的设计作者：李志华来源：《科技探索》2013年第07期摘要：本设计基于主从式多CPU无线管道探测机器人，及C#人机交互控制系统的实现。

机器人机械设计采用多段式柔性结构，使其能够在复杂环境下灵活作业；电控设计采用主从式CPU控制，实现多任务并行操作。

机器人自携带摄像头及各种环境检测传感器，对管道内部现场状况进行探测，并将探测数据无线传回地面PC控制系统。

系统对传回数据进行分析处理，使工作人员了解管道内部状况并将分析结果保存备案，然后通过PC控制界面向下发送控制协议，使机器人执行下一步动作，展开维修工作等，实现人机交互。

关键词：柔性结构主从式CPU 无线控制人机交互当前诸多行业，如石油、天然气、中央空调通风等，管道作为一种有效物料传输介质，得到广泛应用[1]。

本设计开发出一种价格低廉、操作简单，从底层到上层，从硬件到软件，从模块到系统的一体化柔性结构式机器人系统。

1 机器人机械设计1.1 外形设计机器人整体机械设计采用多段式柔性结构（如图1-1）[2]，使其能够灵活适应复杂管道环境。

驱动部分采用传动带、涡轮蜗杆结构，由步进电机驱动以实现机器人运动。

步进电机带动蜗杆旋转，蜗杆涡轮齿合传动，涡轮带动带轮旋转，从而传动带运动带动主动轮运动，实现机器人行走。

支撑部分由滚珠丝杠、步进电机、车轮、连杆和推杆等组成。

步进电机带动丝杠转动，螺母直线运动带动推杆运动，实现机器人整体结构撑起，以实现适应不同管径（400mm～600mm）。

图1-1 机器人头部结构图1.2 轴承选择本设计中轴承主要承受轴向载荷，周向载荷很小可忽略不计，因此选用7219C型角接触球轴承。

其当量动载荷为：—载荷系数，本设计中取为1.1—轴承承受载荷，本设计中=278.15N，则验算轴承寿命：n—轴承转速，本设计中C—轴承额定动载荷，此处取为135000P—轴承承受的载荷—指数，对于球轴承；对于滚子轴承，则，初选轴承满足要求。

就我国社会当前的实际发展状况来看，城市化的发展进程也是越来越深化的，为了更好地契合当前城市化发展的需要，地下综合管廊的建设也取得了极大的成就。

从城市的整体发展来看，综合管廊所发挥出的作用是比较突出的，它将会直接的关系到城市的用水、用电、管道等，但是对地下综合管廊进行巡检的难度却是比较高的，由于人为巡检力度的不足，所以说常常会引发城市内涝、管线爆炸、路面出现塌陷等的问题，这对于城市运行的秩序和城市居民的安全生活带来了极大的威胁[1]。

但是基于当前科技发展水平的提升，悬挂轨道式智能巡检机器人的发展水平越来越高，在地下综合管廊当中所发挥出来的作用越来越突出，通过机器人和远程监控平台之间的有机结合可以对管廊中出现的问题及时地进行处理，促进了管廊建设水平的大幅度提高。

一、关于悬挂轨道式智能巡检机器人的组成就当前智能巡检机器人的发展水平来看，它主要是靠六个部分所组成的，在进行相关组成研究的时候，就要从这六个方面入手，来对智能巡检机器人产生更加科学的人身，如图1所示：图1智能巡检机器人的组成（一）关于智能巡检机器人的机器人本身。

机器人本体在巡检的过程当中是会发挥出主要作用的，它本身也是由几个系统所组成的，通过系统之间的互相作用来发挥出相应的作用。

首先是图像采集系统，在这个系统当中集合了高清摄像技术和热成像技术，这可以在最大的程度上确保在低照明度状况下也能够顺利成像，减少拍摄过程当中盲区的产生。

其次是语音对讲及应急广播系统，利用这个系统，机器人在巡检的过程当中如果发现问题的话，就可以通过实时对讲来应对所发生的紧急事故[2]。

再次是环境检测系统，通过这个系统能够有效地对检测区的相关环境参数加以检测。

机器人当中所自带的自主防撞与避障系统有助于确保机器人在开展检测工作的时候能够借助于超声波探测，来对检测区当中的障碍物进行自主规避，当遇到障碍物的时候，机器人可以实现自动停止，同时进行报警。

最后还有定位系统，机器人当中的这个系统可以实现对于里程进行精准化的定位，对于自身所处的位置能够实时的加以上传，通过GIS地图来达到精准地位的目的。