管帶機智能巡檢與控制技術應用研究

摘? 要：長距離管帶機因其距離長、設備分散、驅動多等特點存在投入成本高、運維難、損耗大等諸多問題。針對這些問題，文章提出利用人工智能技術、分布式驅動功率平衡、分布式IO控制系統等技術對長距離管帶機進行巡檢與控制。通過案例的實施設計表明智能巡檢與智能控制技術可以提升長距離管帶機的運維穩(wěn)定性、智能化、自動化，并帶來了較大的安全、社會和經濟效益。

關鍵詞：智能巡檢;協同控制;分布式IO;管帶機

中圖分類號：TP271? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）19-0161-04

Research on Application of Intelligent Inspection and Control Technology for Pipe Belt Machine

ZHANG Hongkai

（Fujian Longjing Environmental Protection Co.， Ltd.， Longyan? 364000， China）

Abstract： The long-distance pipe belt machine has many problems such as high investment cost， difficult operation and maintenance， and large loss due to its characteristics of long distance， scattered equipments， and multiple drives. To solve these problems， using artificial intelligence technology， distributed drive power balance， distributed IO control system and other technologies to inspect and control the long-distance pipe belt machine is proposed in this paper. The implementation design of the case shows that the intelligent inspection and intelligent control technology can improve the operation and maintenance stability， intelligence， and automation of the long-distance pipe belt machine， and brings greater safety， social and economic benefits.

Keywords： intelligent inspection; collaborative control; distributed IO; pipe belt machine

0? 引? 言

管帶機因其“綠色環(huán)保、布置靈活、經濟性優(yōu)”的特點被廣泛應用于各行業(yè)。近些年來管帶機呈現長度越來越大的趨勢，對長距離管帶機的巡檢與控制提出了新的要求，而目前長距離管帶機的傳統巡檢與控制方案存在投入成本高、運維難、損耗大等不足。針對這些問題，本文將提供一種智能巡檢與控制技術，并結合實際項目論述采用長距離管帶機的智能巡檢、控制技術將極大提升管帶機的智能化程度、減少成本投入、減少人工作業(yè)、降低運營成本，最終達到增效降本的目的。

1? 長距離管帶機的智能巡檢與智能控制技術

1.1? 智能巡檢技術

智能巡檢技術是利用人工智能裝置代替人工實施巡檢任務并對巡檢結果進行科學統計和分析，可以解決因高危巡檢環(huán)境和人工巡檢不可控因素多造成的人身和設備安全事故等問題，為設備運行保駕護航。

管帶機智能巡檢主要由搭載多種傳感器的移動機器人本體、無線網絡系統、定位系統、軌道系統、云服務器、后臺監(jiān)控系統組成。

移動機器人本體可以根據管帶機巡檢需求集成視覺攝像頭、紅外成像儀、拾音器、溫濕度儀、危險有害氣體檢測儀等多種傳感器。針對管帶機的特點機器人采用掛軌式，沿著管帶機兩側固定的軌道行走，軌道采用鋁合金材質。

無線網絡系統由沿線數個基站及光纖組成，在管帶機沿線打造一個無線網絡，以滿足移動機器人數據實時傳輸。

定位系統主要由移動機器人本體上搭載的RFID、編碼器模塊及軌道上的電子標簽組成，可以實時定位機器人本體的位置以及故障發(fā)生的位置。

智能巡檢系統，如圖1所示。通過無線網絡把移動機器人搭載的傳感器及定點監(jiān)測傳感器采集到的數據傳送回后臺實時顯示，并經過大數據人工智能分析及預判發(fā)出報警或形成巡檢報告，結合云服務器，用戶可以足不出戶隨時隨地監(jiān)控現場情況。

1.2? 智能控制技術

智能控制技術包括頭尾分布式驅動功率平衡控制技術、分布式IO控制技術。

1.2.1? 分布式驅動功率平衡控制技術

長距離管帶機牽引力大，一般通過在頭部、尾部或中部等不同位置布置多臺電機共同驅動來降低牽引力。由于輸送帶是柔性介質，多臺電機協同性不好會造成功率不平衡，將導致輸送帶張力突變，出現打滑、震蕩，甚至頻繁跳機的現象。

分布式驅動功率平衡控制技術是一種集自動控制、傳動技術、通訊于一體的控制技術，采用總線形式采集變頻器電流、轉矩、轉速等實時參數并進行動態(tài)分析計算，通過特有的“預張緊措施+S形曲線啟?？刂?功率平衡調節(jié)”協同控制策略，對變頻器轉速進行實時動態(tài)調節(jié)，從而實現長距離帶式輸送機分布式驅動功率平衡、平穩(wěn)運行的目的。

該系統由協同控制柜、變頻器、電機、制動器、張緊裝置等裝置構成。

1.2.2? 分布式IO控制技術

分布式IO控制技術是指通過以太網、總線等通信模塊集成分散布置的I/O站，以及通過主站模塊或連接器連接I/O。IO站就是每個IO系統下連接的單獨的子站，如所有總線儀表可以連接到一個IO系統，每一個儀表就是一個IO站。可實現基于以太網、DP或RS485等通訊對遠程不同類型的開關量模擬量進行采集傳輸和控制。

2? 智能巡檢技術與智能控制技術的應用

2.1? 工程概況

某礦廠建設一套輸煤輸送線，原料通過管帶機運送至筒倉，再通過皮帶機轉送給火車，以減少污染提高輸送轉運效率。本工程含1條管帶機、7條短皮帶機及其附屬設備。其中管帶機由T6轉運站至筒倉，長約5.8 km。本工程在T6轉運站、筒倉上下設置電控制室，給各用電設備供電。

2.2? 設計條件

管帶機電機布置為中部三臺450 kW電機尾部一臺450 kW電機，要求管帶機采用智能巡檢機器人巡檢，解決巡檢困難、招工困難的問題。管帶機輸送系統要求采用PLC控制，并納入上位機監(jiān)控。

2.3? 方案設計

2.3.1? 智能巡檢方案設計

本工程采用智能巡檢方案對管帶機進行實時監(jiān)控檢測。利用機器人本體搭載的高清攝像頭、紅外成像儀及拾音器（設備的故障往往伴隨著聲音異常）完成對滾筒、托輥的發(fā)熱、軸承燒壞卡死不工作、皮帶堵塞、撕裂、跑偏等工況進行移動巡檢。

根據該項目的線路及巡檢需求，管帶設置2臺移動機器人。

具體實施方案為：

（1）在管帶機兩側各設置一臺智能巡檢機器人，并在管帶機兩側各敷設一條軌道采用鋁合金材質。用于管帶機的巡檢作業(yè)，軌道長度需覆蓋管帶機長度，以便巡檢機器人對管帶巡檢的全方面監(jiān)測。

（2）在管帶機廊道內每200米安裝一臺通信基站，通信基站配有通訊供電箱，電源箱采用220V供電，基站實現中控室與巡檢機器人、管帶機檢測設備的無線通信。

（3）在集控室設置一套服務器及一套后臺監(jiān)控平臺，服務器硬件配置：2U機架式雙路電腦、CPU十二核心、DDR4 32 GB、硬盤2.4 TB、GPU AI卡;監(jiān)控平臺硬件配置：CPU 8核心、DDR4 16 GB、硬盤 1 TB、集成GPU 。

2.3.2? 智能控制方案設計

本工程8條輸送機布置分散、線路長，且用電設備分散，存在幾個較大的難點：

（1）管帶機因為線路過長尾中四臺電機轉速、轉矩不一樣很容易造成膠帶拖地、翻帶、疊帶等事故。

（2）整個系統用電設備分散，若采用傳統的集中控制系統，現場所有信號需單獨敷設電纜至控制室，長距離電纜傳輸將造成信號衰減或干擾，且敷設的電纜和施工量將大大增大。

（3）本工程輸送系統跨度大、設備分散，對于生產線的設備、人員管理存在較大難度，容易出現安全事故。

鑒于以上原因，本工程將采用頭尾多驅協同控制技術、分布式IO的PLC控制系統、可視化監(jiān)控管理系統，以滿足工程需要、減少投資成本、提高系統自動化程度。

控制方案實施：

（1）分布式IO的PLC控制系統。本工程控制系統擬采用上位機+主控CPU+分布式IO站+現場設備，上位機實現管理監(jiān)控功能，主控CPU為控制層核心，分布式IO站為現場層;主控CPU與分布式IO站采用花鏈環(huán)網拓撲結構，保證整個通信網絡的穩(wěn)定性和可靠性。根據項目特性，控制系統在1#轉運站、2#轉運站及3#轉運站內布置遠程IO站。

上位機選用研華610H工控機;組態(tài)軟件選用龍凈monitor軟件，該軟件是一款針對帶式輸送系統定制的組態(tài)軟件，具有帶式輸送專用的設備庫、通訊驅動庫等，是一款擁有組態(tài)智能、快速、高效的組態(tài)軟件，可便捷快速地完成各種通訊組態(tài)。

PLC是實現系統功能的關鍵，采用施耐德公司生產的M580系列大型冗余系統;其中CPU選用BME H58 6040，程序內存64 MB ，數據內存4 MB;可以帶31個遠程IO站。

通信網絡：主站與分站之間構成菊花鏈環(huán)網拓撲結構，各站之間通信線路采用抗干擾單模光纖。CPU與上位機間采用modbus通信協議，CPU與各IO子站間采用Ethernet/IP通信協議。

分布式IO站：分布式IO站布置于各配電間，選用施耐德公司自帶的X80 IO站。X80具有豐富的IO卡件及通訊卡件，可以滿足各種設備的信號接入?，F場所有設備（如各類保護裝置，電機溫度等）的監(jiān)控信號就近接入分布式IO站，其中變頻器以modbus協議接入各子站。

（2）分布式驅動功率平衡控制系統。為使管帶機4臺電機驅動功率平衡，電機選用4臺10 kV變頻器控制，變頻器選用施耐德ATV1200C，并結合PLC、上位機、電機、制動器、張緊裝置等裝置構成分布式多驅動協同控制系統。

控制步驟為：首先通過液壓張緊裝置使膠帶實現張緊的目的，在啟動時讓變頻器以低頻率模式啟動，主電機初始頻率略大于從電機，運行幾秒后從電機頻率調整到與中部電機一致，在同速率情況下運行一段時間后完成預張緊階段，并使膠帶逐漸達到最大張力;其次在預張緊階段完成后，電機將進入S形曲線啟動階段，逐步提升至額定轉速;最后當主電機達到額定轉速后，四臺電機采用主從控制，把中部的其中一臺電機設置為主，其余三臺為從，主從機均采用速度給定控制，主機和從機的給定相同的速度，同時把主機實時轉矩作為從機控制轉矩，從機依據主機轉矩自動修正輸出轉速，保證輸出轉速、轉矩與主機保持同步，從而實現主從機功率平衡控制。

2.4? 項目實施情況

通過以上技術的實施很大程度提高了管帶機控制系統的自動化、智能化，并極大地減少資源投入，達到經濟節(jié)能的效果。具體情況為：

（1）智能巡檢系統與傳統人工巡檢方式相比，具有以下優(yōu)點：

1）提高巡檢效率：機器人默認巡檢速度0.3米每秒，管帶機一次巡檢時間約5.4小時，每天可以實現多次巡檢，提高巡檢效率。

2）提高系統的安全性：機器人可以提前預判避免人身及設備的安全事故發(fā)生。

3）節(jié)省維護開銷：采用智能巡檢實現高度的巡檢自動化、智能化，大量減少人力資源成本。

4）實時性好：可以實現對管帶機核心部件托輥、滾筒、膠帶等的運行狀態(tài)實時監(jiān)控，當發(fā)現問題時，機器人會發(fā)出報警并返回故障設備視覺及紅外照片回監(jiān)控平臺，用戶足不出戶即可了解現場設備運行情況機器人運行畫面如圖2所示。

（2）分布式IO的PLC控制系統與傳統集中控制系統相比具有：

靈活性：遠程IO不受場地限制，布置靈活;

經濟性：遠程IO采取就近布置，大量減少控制電纜與橋架;

可靠性：通信網絡采用環(huán)網結構，具有環(huán)冗余功能;現場所有信號就近接入遠程IO，信號傳輸線纜變短避免信號的衰減及干擾。

（3）頭尾多驅協同控制技術具有“啟停運行平穩(wěn)、調節(jié)周期短、控制效果好”等特點，該技術的運用可有效減少輸送機啟動和運行階段產生的沖擊，防止張力突變，延長輸送帶壽命，同時提高電機工作效率，為電機合理選型提供支撐，達到經濟節(jié)能的效果。如圖3所示實際負載運行時，管帶機四臺電機電流值分別為25.4 A、25.1 A、24.4 A、23.9 A，差別不到6%，優(yōu)于設計值8%，達到預期效果。

3? 結? 論

以上案例的實施體現了長距離管帶機采用智能巡檢與控制技術的必要性，智能巡檢與控制技術可提高系統的自動化、智能化程度，減少安全事故的發(fā)生;產生良好的經濟效果，減少人力資源及工程投資，最終達到增效降本的目的;智能巡檢與控制技術的應用能為長距離管帶機的建設與運維保駕護航。

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作者簡介：張洪凱（1985.01—），男，漢族，福建龍巖人，中級工程師，本科，研究方向：測控技術與儀器。