軌道式機器人的輸煤皮帶智能巡檢監測系統的運用分析

馬超 宋立信 崔曉峰 康蘭元 董寶蒼 張劍 韓耀龍

摘要：為確保輸煤皮帶設備能實現安全、可靠運行，使輸煤現場生產盡早實現智能化，作出研發與應用軌道式機器人的建議。本課題中設計研究的機器人最大的特征是能協助人工自動巡檢長距離運輸時的皮帶狀態，主要介紹機器人的主要構成、現場應用情況，證實其合理性，具有一定推廣價值。

關鍵詞：輸煤系統;皮帶設備;軌道式機器人;智能化巡檢;實踐運用

引言

火力發電廠內置的輸煤系統有生產區域大、設備作業環境條件惡劣、故障問題擴散快等特點，人工排查方法應用中暴露出很多不足，比如人力成本高、作業環境條件差、信息共享率低等，很難維持及強化設備運行的可靠性。輸煤皮帶自身有易磨損、表面上吸附著易燃易爆粉塵等特征，增加了設備發生故障問題的風險，給火電廠生產運行及環境保護埋下了隱患因素，電廠應加大對生產管理力度[1]。

電廠既有的信息化管理系統很難滿足智能管理的需求，對于惡劣、極端環境下長距離輸煤皮帶的監控方式，長期停滯在平面化、單一式的現場狀況方面。本文設計研發的機器人內置了數組輔助監測模塊，進而協助人工即便是在極端環境下也能順利執行皮帶狀態巡檢任務。

一、智能巡檢監測系統的結構分析

1、系統框架

機器人系統主要由軌道智能巡檢機器人、現場動態圖像信息收集、控制及數據處理分析、人工智能輔助決策四大子系統共同構成，其功能有智能化巡視檢查、采集與傳輸數據、判斷數據運行狀態、預警信息提醒、查找既往數據、生成報表資料等諸多功能。

巡檢機器人系統上可以增設高清攝像鏡頭與紅外成像儀，云臺在水平方向能實現360°轉動、上下方向傾向一定角度，進而達到對輸煤皮帶整條生產線上所有巡檢裝置及作業人員的全方位監測，精準獲得減速電機、皮帶煤堆表面、電纜槽等溫度異常信息;通過增設噪聲檢測元件，能夠實現對運轉設備、托輥等運轉階段音頻信號的整體性采集與處置。機器人視覺辨識技術和數組皮帶跑偏開關相整合，這是精準測量皮帶跑偏位置與位移量的重要基礎。將皮帶撕裂監測儀安裝在皮帶落煤位置下方，用于監測皮帶縱向裂紋、撕裂等異常狀況;視覺識別還能整合線速度傳感器，用于監測皮帶運行階段出現的打滑問題;視覺辨識和機器人采集犁煤器運行參數相結合，用于辨識、判斷犁煤器運行狀態正常與否。系統主要由檢測終端傳感器、遠距離軌道、巡檢機器人、無線傳輸、報警圖像呈現、人工處置等諸多軟硬件構成[2]。

2、長距離軌道

選擇熱鍍鋅方形鋼管作為巡檢裝置的軌道，可以采用的安裝方法并不唯一，比如膨脹螺絲、靠墻及最頂層電纜支架安裝等，前者軌道被安裝在隧道頂部中間，安裝過程中要盡量躲避人工爬梯、風機等可能對軌道路線形成一定阻礙的基礎設施。如果將軌道布置在電纜支架的最頂層，選用電纜支架作為支撐物體，使軌道朝向隧道中間位置進行適當延展，在軌道連接件的協助下使兩根狀態獨立的方管緊湊連接，為規避巡檢機器人運轉階段出現搖擺、晃動的情況，則建議安裝軌道時配合應用激光水平儀開展測量活動，確保軌道的平直度符合設計要求，杜絕出現變形問題。由于輸煤生產現場可能會存在轉彎、上下坡等地形改變情況，故而在測量彎度、坡度各自具體值，對局部有針對性的加工出適宜的彎管，進而使軌道水平面的準確度得到更大保障。

3、巡檢機器人

機器人主要由靜音底盤、車廂、升降臂、云臺等幾大部分構成。為確保其運行狀態的安靜性，利用同步輪、同步帶及天然橡膠“輪胎”實現了消聲 [3]。本課題中設計的巡檢機器人內置了很多傳感器，比如消防、氧氣、一氧化碳、可燃氣體、硫化氫、溫濕度以及防碰撞傳感器等，進而確保巡檢活動安全性，應用中取得良好成效。

4、撕裂檢測

具體是應用了光學三角與回波分析原理成像，配合應用精密傳感器裝置，當皮帶設備運行階段突發撕裂問題時，其能通過非接觸形式檢測撕裂處裂縫的寬度、深度。半導體激光器傳送出的激光，通過鏡片后會被聚焦在被測物件上，鏡片采集反射光線以后將其投射至CCD上。信號處理器的作用是利用三角函數測算出CCD上光點的具體方位，進而獲得被測物的距離信息。激光器與攝像頭均被規范的安裝在上皮帶的下方，激光器能將單條帶狀激光發射到皮帶底部，在皮帶表層上形成反射后以后，攝像頭設備統一收集，還可以智能化提獲激光條紋中心，基于三角測距方法規范的解析皮帶斷面的高度、深度等參數信息，將其動態化反饋至控制計算機內。計算機軟件系統化分析及數據整體還原后，便能夠獲得皮帶相對應的3D圖像，協助工作人員更直觀的觀察皮帶的運行狀態，對其是否發生撕裂情況作出科學判斷[4]。

激光測量過程中應用了諸多精密參數與算法來去對是否發生縱向撕裂情況作出判斷，其中撕裂檢測儀能利用激光束高速、全斷面掃查輸煤皮帶底面情況，實現了24h全天候檢測，及時發現縱向撕裂或其它皮帶表層損害等不良狀況。執行以上過程中為了徹底消除誤報、錯報等不良情況，撕裂檢測儀利用激光束實現對皮帶表層二道整體化掃查，相機收集圖像相關信息，獨立化鑒定，互為檢測驗證，這樣一旦確認皮帶發生撕裂情況時就快速發出報警信號。

二、樣機實驗

1、爬坡性能檢測

具體是將測試軌道搭設在帶式輸送機的單側。利用鋁型材建設軌道，應用鋁型材立柱、橫梁及各類型連接件。因為測試現場地面沒有傾斜角，故而通過調整立柱高度去構建出坡度軌道，用于檢測機器人的爬坡性能，檢出軌道的坡度稍稍大于現場實際坡度值。

在建設好機器人軌道以后，還需要逐一檢測機器人自身各硬件部分，確保各個電氣元器件通電無異常。準備好硬件以后，就可以檢測機器人的爬坡運動能力。由于無刷直流電機的扭矩和設計轉速之間存在正比關系，故而通過給電機設置不同轉速，分別觀測其上、下坡的運轉狀況，記錄機器人單次往復復巡檢的運動時長 [5]。觀察現實運轉狀況，發現機器人在各設定轉速下均能實現穩定運轉，未見卡頓現象，實驗證實本電機能較好的滿足智能巡檢機器人的應用要求。

2、軟件調試

軟件調試主要是調試下位機控制軟件的串口通訊，需要測試的硬件有PC、工控機、24V 直流電源等。其中，采用USB轉RS232 串口線連接PC和POS 驅動器。PC機上安裝了 Visual Studio 2012，其作用主要是開發與調試程序。在正式測試前，應結合串口類型差異組裝相應的驅動軟件，并且會基于串口調試軟件性能過程，驗證通訊成功與否。在使用串口調試軟件前，需要設置串口號、波特率、無校驗位等。通過調試過程，確保系統內部電氣線路能排列整齊、方位狀態穩固、走向科學，能為安裝、維護過程創造便利性，并且要配合使用醒目的顏色和標志進行區分;電氣系統不能出現漏電現象[6]。機器人能精準的接收本地監控后臺發送的控制指令，達到云臺轉動、本體運動、智能充電和設備狀態自檢等功能，且還要能精準的反饋狀態信息;準確檢出機器人自體的各類預警、告警信息，安全、可靠的上傳。

3、檢測電池續航能力

為檢測驗證電池的續航時間，對巡檢機器人的電池的續航能力開展測試分析，分析到環境溫度對系統形成的影響，故而測試時盡量選擇氣溫不同的時段進行，因為測試時間處于本地夏季，故而續航測試時的最大室外溫度區間20～37℃，測試前要先充滿電池電量，當電池電量低于20%時結束檢測。統計測試結果發現，機器人能源系統的平均續航時長是10h左右，滿足了機器人整體設計內電池續航時間≥6h的要求。

三、皮帶巡檢系統的應用情況分析

某電廠5A輸煤皮帶巡檢系統基于安全生產規程、煤系統運行狀態實現智能化檢測的現實需求去設計等，當下已經投入到生產實踐中[7]。巡檢機器人的作業模式主要有智能化巡檢、遠程控制、人工手動巡檢三種，并且對依照現實生產需求編制巡檢計劃的過程提供較強大的支持力，進而更好的滿足輸煤皮帶現場檢測的需求。如果速度、跑偏、溫濕度等傳感器發出報警或通過測算預警參數的方式發出報警信號時，能夠優先配置機器人資源，使其快速抵達指定區域開展巡視檢查活動，工作人員可以利用視頻、圖片、傳感器狀態等情況整體判斷、診斷異常狀況，盡早做出科學、有效的處理。

智能巡檢系統主要實現如下功能[8]：持續追蹤檢測皮帶跑偏情況、托輥是否發出異常聲音、煤流反常等生產運行參數，精準的探查到故障問題，并且會第一時間對其作出定性、定量診斷，為設備運行調控、檢查維護等工作開展提供可靠建議，能較全面的提升設備運行過程的可靠性，在這樣的工況下，輸煤系統自動化管理水平有很大提升也是毋庸置疑的事實;提升系統報警動作的精準性與時效性，準確檢出皮帶異常狀況并發出相應的報警信號，規避既往人工現場巡檢中問題發現不及時、保護誤動、拒動等情況，降低皮帶大量撒煤、故障停運等事故的發生率，當然也明顯減輕了巡檢人員的工作強度，使皮帶運行安全性、經濟性得到更大保障。

結束語：

在科學技術日異月新的背景下，各種高端、先進產品陸續被開發，將智能巡檢機器人用于輸煤皮帶現場監測領域中，解除了傳統人工巡檢時暴露出的頻率不足、覆蓋不全面、精準度偏低及盲點較多等問題。但是由于智能機器人在視覺判別、噪聲監測等領域至今尚未實現實時化監測分析，故而生產實踐中人工巡檢工作依然是不可缺少的項目。兩者能實現優勢互補，明顯提升輸煤現場巡檢工作質效，為火電廠安全生產保駕護航，實現效益的最大化。

參考文獻

[1]宋連喜，劉波.煤礦主運輸智能集中控制系統設計[J].工礦自動化，2021，47（S1）：58-63.

[2]鄂思佳.煤礦主井皮帶運輸機在線監測系統研究[J].機械管理開發，2021，36（01）：140-141+170.

[3]郁國強，張寶剛，董克忠，趙小雷.新型干法水泥生產線設備精細化管理的應用[J].水泥技術，2020，78（06）：33-40.

[4]李國棟.陽煤一礦井下皮帶輸送機集中控制提效改造實踐[J].機械管理開發，2018，33（08）：152-153.

[5]徐金鑫.露天煤礦巡檢機器人的設計及現場測試[J].機械管理開發，2020，35（09）：239-240+250.

[6]康志華.斜溝煤礦原煤運輸皮帶機集中控制系統應用[J].同煤科技，2020，78（04）：15-18.

[7]周源.帶式輸送機的安全保護和智能巡檢系統[J].水泥工程，2020，12（03）：60+62.

[8]沈超.礦用自動巡檢機器人在黃陵一號煤礦的應用[J].陜西煤炭，2020，39（02）：118-120+141.

作者簡介：

馬超，1986年3月，男，漢族，遼寧阜新人，本科，中級職稱，自動化。