分析燃煤電站輸煤廊道機器人自動巡檢系統技術開發與應用

李旭　黃曉明　司朝輝

摘要：為降低發電站輸煤廊道內事故發生率，相關部門及人員就應主動落實巡檢工作任務，傳統巡檢任務繁重、現場環境條件惡劣、工作人員勞動強度高，以致巡檢工作質效長期未見提升。為改善以上情況，提高輸煤系統運轉過程穩定性、可靠性是有效方法之一，本課題研發了一款新的機器人自動巡檢系統，其能替代傳統人工開展巡檢活動，利用三維立體化方式實現對系統狀態的整體化管理，最大限度地提升輸煤廊道巡檢的自動化水平。

關鍵詞：輸煤廊道;巡檢機器人;巡檢自動化;圖像識別技術

1輸煤廊道機器人自動巡檢優勢與難點

1.1輸煤廊道巡檢現狀

國內大部分燃煤電站現階段習慣應用人工巡視模式，需要使用大量的人力資源，現場作業環境極為惡劣且存在著諸多不確定因素，以致巡檢效果存在著較大的波動性。如果僅是簡單的增設自動化監測裝置，則廊道距離長、監控點位繁多等限制裝置的應用過程，且會導致現場巡檢工作成本明顯增加。安全生產為發電廠運營的核心內容，這也是發電高度重視安全生產實現情況的主要原因。輸煤系統作為燃煤電廠內的重要設備類型，投用時可能會發生各種事故問題，特別是火災事故的發生率更高。故而，為了使輸煤系統運行安全性得到保障，運行人員一定要頻繁巡視檢查輸煤線路工作狀態，盡早發現與處理相關問題。

1.2機器人自動巡檢的優勢

將掛軌式智能巡檢機器人用于輸煤廊道現場安全巡檢領域，其優點主要包括[1]：（1）主觀因素不會影響機器人的現場巡檢質量與效率，不管是執行大量的巡檢任務還是在電纜溝道、大風暴雨等環境下運作，都能確保現場巡檢工作的質效，規避漏巡、錯巡等問題;（2）替代工人于惡劣環境內執行巡檢任務，從根本上提升現場安全生產水平;（3）機器人內置了視頻圖像辨識、紅外線測溫、測振、跑冒滴漏動態監測等系統，明顯提升巡檢方法的多樣性，強化了機器人巡檢的效能;（4）機器人后臺安置的專家系統自帶圖像、聲音、視頻錄入及設備劣化趨向預測等功能，能把設備異常狀態發現的時間前移，為設備狀態檢修工作推進提供可靠憑據，確保被監控范疇中設備在較長時間內運行狀態的安穩性。

1.3難點

發電站輸煤廊道自身有一定特性;（1）廊道長期在濕度大、粉塵濃度高的環境下運作;2）和綜合管廊、電力隧道相比，輸煤廊道的實際面積更加寬大，布置了多種設備，環境十分復雜，部分工況下還可能存在著航車或跨越橋;3）輸煤距離較長，一般會通過轉運站進行中轉運輸。整個輸煤過程由煤場到鍋爐煤倉之間通常會經過數個轉運站。兩個相鄰的轉運站的廊道距離大概200 m，爬坡約18°上下。一段皮帶輸送機由轉運站被過渡至另一端輸送機過程，會形成較明顯的垂直落差。

2機器人自動巡檢系統設計

2.1軌道傳動系統

結合輸煤廊道環境條件的特殊性，并綜合這種廊道中構架、生產設備的布設方式及廊道實際走勢，設計研發出能滿足輸煤廊道安全、穩定運行的巡檢機器人軌道系統，立足于現場實況勾畫出這種機器人的巡檢路線圖和軌道組裝圖。用高強度鋁合金作為軌道型材，技術人員可以對其進行拼接處理，也可以參照廊道地形狀況設計適宜的彎曲度和坡度，確保其抗腐蝕、抗磨損性均處于較高水平。組裝鋼質防火門且配置電控系統。在常規狀態下防火門保持閉鎖狀態，在機器人準備穿越轉運站臺時，機器人自動傳送出信號，防火門智能開啟;在確認機器人安全穩定穿越以后，防火門自行閉合。圖1是不同環境條件下輸煤廊道的軌道設計及主要配件安裝情況[2]。

2.2機器人平臺

因為輸煤廊道中潮濕且多粉，故而要求機器人外殼以及內部電氣元件設備防護都要抵達IP65級。實時監控主界面是平臺的主要構成，用戶能利用該界面動態查詢機器人系統的視頻、任務計劃執行情況及部分生產設備實時數據及曲線等的形成情況。平臺上的子系統主要有[3]：

（1）檢測系統：該系統內主要配置視頻、溫度、粉塵濃度等傳感器。

（2）動力系統：為了滿足廊道中差異化爬坡度數工況對巡檢工作提出的要求，機器人平臺應用了可配置化動力集成。當機器人運行在緩坡廊道或者穿越轉運站時，分別應用單、雙電機工作模式，后者能強化機器人爬坡能力。動力集成化確保了機器人在不同坡度廊道內行進的穩定性，節能效果優良。平臺利用電池供電，配置的電池單次充電后可以達到連續行走8 h。利用電池管理系統智能監測電池電量的耗用情況。如果測得電池電量在預設值以下，機器人便會自動折返到充電位置，并傳送出充電指令。

（3）定位系統：步進電機編碼器是精準定位的重要基礎，輔助應用射頻識別技術（RFID）糾正位置偏差，定位精準度能實現10mm。安裝在機器人內的信號讀取器發出射頻信號以后，信號范疇中的無源電子標簽捕獲信號并被激活，基于機器人內置天線把編碼信息傳送到讀取器內，邏輯控制模塊處理信息以后并能精準獲得標簽位置的信息，最后把解碼所得信息完整的傳動到上位機，此時就達到了對巡檢機器人的精準定位。

（4）吹掃系統：機器人平臺沿著軌道行進時，吹掃系統運作，利用其清除沿途軌道之上聚集的灰塵。

（5）通信系統：該系統基于無線傳輸形式運行。機器人和本地監控后臺實現雙向信息交互，被交互內容以現場檢測數據與機器人自體狀態數據為主。將數個無線基站安裝在廊通道內，組建無線局域網，監控后臺依靠無線連接進無線局域網內，確保移動監控系統中不同設備之間能互動訪問，促進網絡帶寬負載狀態實現平衡。

3輸煤廊道智能巡檢系統功能及應用

3.1常規功能

（1） 智能化巡檢

該機器人支持全自主巡檢模式的運轉過程。全自主模式主要有常規、特殊巡檢兩種形式。在第一種形式下，機器人能依照設計好的巡檢任務內容、時間、路徑等智能開啟并執行巡檢任務。而對于特殊巡檢任務，操作人員確定具體巡視點，機器人自動執行任務。利用以上功能，機器人能夠反復巡檢發電站設備的運轉狀況，并且連續、動態存儲相關信息。

（2） 自主充電

機器人基本上采用如下兩種充電形式，其一是非接觸供電（CPS），其二是聯合應用大容量鋰電池與多點接觸充電系統進行供電。用戶可以結合主觀需求及現場實況選擇適宜的供電方式，一定要確保機器人供電過程的穩定性、可靠性[4]。

（3） 多種智能化監控手段

機器人本體上組裝了諸多現場監控方法，比如以3600全方位云臺為基礎形成的可見光視頻監控以及熱成像監控，確保機器人行進過程中實現對發電設備的視頻巡檢與紅外線測溫。

（4） 自檢功能

機器人可以執行的自檢項目較多，包括自檢電源、驅動、通信裝置等部件的運轉狀態。若其突發異常狀況，則機器人便會即刻傳送出報警信號，并把具體故障相關信息上傳到監控后臺。

（5） 數據遠程通信

機器人內置的通信設備最大的作用是確保數據傳輸過程ed安穩性、可靠性，維持了巡檢后臺與機器人之間信息的互動、互通性，進而為監控后臺創造良好的用戶體驗。

（6） 防碰撞

機器人內裝設了防碰撞接觸設施，以防機器人行進過程中和部分障礙物發生激烈碰撞。如果有人員或者物件和機器人的距離突破了安全距離，那么組裝在顯眼位置的警示燈便會不斷閃動，對人員起到警示作用。

（7） 智能補光

如果輸煤廊道內環境照度不夠時，補光系統就會自動補光，借此方式使視頻的清晰度處于較高的水平。

（8） 遠程語音對講

搭建了交互式實時對講平臺，配合應用動態降噪算法與防破音手段，即便是在高噪聲環境內也能實現清晰識別。

3.2智能巡檢系統的獨有功能

（1） 監測有害氣體和粉塵

機器人要有監測瓦斯、CO2、CO及煤粉濃度的功能，借此方式巡檢人員創造健康作業環境提供可靠的數據支持，并科學推測設備異常狀態。

（2） 紅外熱成像

在機器人巡檢范圍中，利用熱成像去動態監測現場溫度，利用后臺自動分析判別設備運行狀態與廊道火災預警，智能診斷系統能及時預警異常狀況。

（3） 全面監測皮帶運行狀態

首先，雖然在皮帶運行時輸送帶撕邊、撕裂等故障問題的發生率較高，但以上故障可能會造成十分嚴重的損失，推行輸送帶撕裂、撕邊檢測方案主要用于提前預警撕裂、撕邊情況。機器人利用固定高速相機捕捉、識別輸送帶的形狀改變情況，提前發出預警信號，利用圖形服務器并配合用機器學習算法實現智能化比較，結合應用無線激光掃描與圖像識別技術，快速識別預警皮帶縱向撕裂情況，協助人工作出理性決策。高速攝像機采集頻率達到30 幀/秒，需支持最高3米/秒的監測速度[5]。

其次，就地讀取控制柜開關狀態信息，具體是機器人的可見光攝像頭自動辨識與存儲廊道中控制柜上的指示燈信息;在智能辨識技術的協助下，利用適宜算法分析處理圖像數據。機器人實時收集控制柜指示燈圖像信息，并快速將其傳送到服務器系統，智能生成設備

狀態巡檢報表。

再者，實現紅外測溫功能。機器人內部安裝了紅外熱成像儀，其能實現對發電設備的全面掃描式測溫?？梢允虑安贾脭祩€檢測點，針對重點設備，機器人能夠定時進行測溫監視，并完整的采集、存儲測溫圖片，智能生成每日測溫報表。一旦檢測發現某處超過預警溫度值時，能快速把相應信息反饋到操作后臺，通知技術人員盡早處理。

再次，具備圖像辨識功能。機器人軟件可以依照采集系統收集到的圖像信息，實現智能化辨識對照，進而實現對皮帶機現場運作狀態及環境條件的整體監控，診斷判斷皮帶機及主要輔助裝置的運行狀態，并實時生成報警信號，以供運維管理人員應用。

最后，檢測設備異常聲音。機器人結合上傳到移動平臺上的聲音數據進行頻譜分析，判斷設備運行時是否形成異響，實時報警。通常情況下，異常聲響是由基頻658 Hz左右的信號和相應的諧波構成。

（4） 設備振動檢測

機器人系統內安裝應用了振動傳感器探頭，能夠采集、對接及存儲電機、減速機等設備的振動信息，并分析設備的振動頻譜，分離出和故障相關的信息，精準判斷設備是否出現故障問題。振動傳感器的速度測量量程達到70mm/s，速度頻率10～1000Hz，加速度分辨率12㎎，采樣頻率達到5Ksps。故障識別流程見圖2[6]。

4輸煤廊道智能巡檢系統關鍵技術

（1） 多模塊分體結構

既往有大量工程實踐證實，鏈條形構型本體的通過性較好，在隧道狹長的空間內表現出較高的適用性;模塊化系統具備靈活調配資源的功能;重量實現了均衡化布置，軌道承載的負荷較小;為后續檢修、管理等工作推進創造便利性。

（2） 圖像識別技術

其主要作用是辨識廊道內皮帶跑偏、漏煤等故障問題，并實時傳送出預警信號。

（3）故障音頻提取

輸送機正常運行時發出的噪音與異常工況下的噪聲有很大差異。利用拾音傳感器獲得輸送機托輥運轉時發出的噪聲，并把噪聲信息轉型成頻譜信息，和正常運轉狀態下的頻譜樣本做對比分析，進而精準的獲得故障信息并傳送出預警信號，滿足輸煤廊道現場安全運行的需求。拾音傳感器支持采樣頻率100～20000Hz，最高能夠抵達48kHz，在-40～80℃溫度條件下能正常運作。

（4）無線測振傳感器

利用這種裝置測量廊道內重要設備運行過程中形成的振動數據，并利用搭載在機器人上的無線網關將數據安全的傳送到監控系統內，顯著提升了振動數據檢測的精準度，減少資金投入。

（3） 軌道結構與機器人雙驅動模式

利用這種方法增強機器人的現場爬升能力，這樣在不同樓層之間實現連續化自主巡檢，借此方式確保機器人在輸煤廊道內實現360°無死角式巡檢[7]。

（5）智能自動預警技術

后臺管理系統能提供服務自主診斷功能，提供的功能有實時、接口及應用服務等，用于監測服務所在服務器的運行狀態，動態監測服務器運行環境數據。并且還提供系統自診斷界面，能協助用戶直接觀察系統所監測設備及服務的實際運行狀況，并實時上傳預警信息。本系統選擇歷史數據作為基準，參照實時檢測所得數據，利用智能預警檢測算法，一旦實測值超出設計值或者實時狀態大聲異常時，巡檢系統便智能化的把報警通知發送到后臺，其中本地機器人系統能傳送出蜂鳴報警，借此方式使告警信息精準度、可信度更高，減少對工作人員的依賴性。

結語

本課題內設計研發了一種適用于輸煤廊道生產環境的機器人自動巡檢系統，能夠自動監測廊道中粉塵、溫度、重要設備運轉狀態、異常振動等信息，并自動發出報警信號，實現對廊道現場的智能化監測，明顯降低運維人員的作業強度，全面提升巡檢工作效率，降低火災等事故的發生率，維護了輸煤系統運行過程的安全性、可靠性。

參考文獻

[1]魯浩，談英姿.管廊巡檢機器人控制系統設計與實現[J].自動化技術與應用，2019，78（2）：6-7.

[2]肖鹿，李凱，王偉，等.露天礦山輸煤廊道巡檢機器人[J].露天采礦技術， 2020，35（6）：5-7.

[3]趙俊杰，馮樹臣，孫同敏，等.智能機器人技術在燃煤智慧電廠的功能設計與應用[J].能源科技，2020，74（4）：35-42.

[4]趙澤性，趙四海，徐江野，等.立井井筒安全智能巡檢機器人系統的研究[J].煤礦機械，2020，v.41;No.385（03）：190-192.

[5]艾春雨，潘翔，盧玉琴.智能機器人巡檢系統在變電站中的應用[J].2021，10（2016-33）：214-215.

[6]陳福元，石榮華，張海龍.基于軌道式機器人的輸煤皮帶智能巡檢監測系統分析[J].裝備維修技術，2021，78（8）：1-1-12.

[7]栗培國.工業機器人智能巡檢系統在選煤廠的應用[J].煤炭加工與綜合利用，2020，45（8）：30-32.

李旭（1992年1月），性別：男，民族：漢，籍貫：江西南昌，研究方向：火電廠智能化研究與應用