礦用帶式輸送機巡檢機器人系統設計與研究

米 麗

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦機電部，山西 太原 030052）

隨著長運距、大運量、高速度的帶式輸送機在煤礦運輸系統中的應用，帶式輸送機運行安全性及可靠性問題日益凸顯。因高負荷下不間斷運行及井下惡劣環境影響，帶式輸送機易發生堆煤、輸送帶跑偏、撕裂等故障，故障類型復雜，且診斷難度較大，因此對帶式輸送機進行巡檢是排查故障隱患、提高運行安全可靠性的重要手段。目前針對帶式輸送機的巡檢方法仍以人工定期巡檢為主，因巡檢線路長且巡檢環境惡劣，巡檢不到位、巡檢效率低等問題突出，且巡檢人員人身安全存在隱患[1-3]。以攝像機為主要監測設備的圖像監控系統需安裝較多攝像頭及傳感器，系統成本較大、功能單一，且存在較多監控死角，無法滿足對帶式輸送機的全行程監控。

針對上述問題，本文對帶式輸送機巡檢機器人技術進行了深入研究，采用鋼繩牽引結合行走軌道的方案對巡檢機器人系統進行優化設計，解決了以往巡檢機器人續航里程短的問題。同時采用多傳感器融合技術對帶式輸送機工作環境、關鍵部件運行參數進行實時監測，并具備現場視頻監控及跑偏故障診斷等功能，實現對帶式輸送機全行程、全天候的多方位智能監測，保障帶式輸送機安全、穩定、高效運行。

1 系統實施方案與整體架構

帶式輸送機在井下的運行環境復雜惡劣，巷道內有害及可燃性氣體及溫濕度情況均會對帶式輸送機的工況造成影響，為保證帶式輸送機安全穩定運行，依托巡檢機器人建立的移動監測平臺應具備以下功能：

1）環境參數實時監測

巡檢機器人可對帶式輸送機現場的CH4、CO等易燃有害氣體濃度及溫濕度進行檢測，并通過地面監控平臺進行遠程監測，具備超限報警功能。

2）故障報警診斷

系統結合機器視覺技術通過巡檢機器人對皮帶運行狀態進行檢測，上位機通過智能算法對故障進行分級診斷，確定準確故障地點并發出報警信號。

3）現場視頻圖像監控

系統采用巡檢機器人布置的高清攝像頭對帶式輸送機沿線現場環境進行視頻及圖像的采集，上位機可根據需求選擇圖像灰度，進一步提高監控性能。

通過上述系統功能分析，采用分布式結構對監測系統進行架構，系統分為巡檢機器人現場檢測平臺及地面上位機監控平臺兩部分，系統整體結構如圖1 所示。

圖1 巡檢機器人監測系統總體結構

為應對大傾角、長距離巡檢需求，采用鋼絲繩牽引式移動巡檢機器人作為井下數據采集裝置，將巡檢機器人固定在鋼絲繩上，通過電機牽引鋼絲繩驅動機器人在帶式輸送機上方移動。巡檢機器人主要由采集環境參數的氣體及溫濕度等傳感器、STM32 控制芯片、無線傳感裝置、高清攝像頭等組成。巡檢機器人將帶式輸送機沿線環境參數、現場視頻及圖像等數據采集后經STM32 單片機處理，通過無線網絡上傳至巷道內各個無線基站中，最終通過工業以太網上傳至地面監控平臺，實現遠程監測及故障診斷。系統采用無線網絡+ 工業以太網的組合通信網絡，既可保證移動巡檢裝置的信號靈活傳輸需要，又可保證傳輸信號的可靠性。

2 巡檢機器人監測系統設計

2.1 系統硬件選型與設計

巡檢機器人的硬件設計主要集中于控制器、各類傳感器及攝像頭等功能部件。為降低系統通信壓力及上位機信號處理難度，本系統采用分布式架構，首先由巡檢機器人內置的控制器對圖像視頻、環境參數進行提取和處理計算，并將所得結果上傳至上位機進行實時監測及故障診斷分析。為滿足處理速度及模擬信號輸入需求，選用32 位STM32F103 RCT6 型MCU 作為巡檢機器人控制器，其內部具備12 位ADC 模數轉換器，可將傳感器輸出的模擬電壓信號轉化為12 位二進制數字量，ADC 具備16 個外部通道，對應片上不同的I/O端口，可滿足本系統信號傳輸需求。

帶式輸送機工作環境中的有害、可燃氣體及煙霧濃度通過巡檢機器人內置的各類氣體傳感器進行檢測，環境溫濕度參數由內置溫濕度傳感器進行采集，實現對帶式輸送機環境參數的全面智能檢測。針對帶式輸送機皮帶跑偏、皮帶縱向撕裂、托輥故障、設備局部溫度過高等故障，通過巡檢機器人集成的高清防爆攝像頭、紅外熱成像儀對帶式輸送機運行圖像及設備溫度進行監測，從而對各類故障進行有效識別，巡檢機器人傳感器及檢測設備選型如表1 所示。

表1 巡檢機器人傳感器及檢測設備選型

2.2 系統軟件方案設計

本系統采用MATLAB 軟件對上位機程序進行開發，用于接收井下巡檢機器人上傳的圖像視頻信號及環境參數，并以圖像信號為依據進行數據處理，實現帶式輸送機故障的分級診斷，上位機主程序流程如圖2 所示。

圖2 系統上位機主程序流程

由圖可知，上位機主程序在初始化并自檢正常后，通過MATLAB 集成的TCP/IP 工具箱與巡檢機器人建立以太網通信，并向下位機發送圖像格式等配置數據，配置完成后向下位機發送數據傳輸請求，當上位機接收到數據后將視頻圖像進行解析并還原為視頻流，并將環境參數進行實時更新，最終由上位機搭載的故障診斷算法對輸送機故障進行分級診斷，并發出報警停車。

3 系統應用效果

為驗證本系統可行性及實際應用效果，以傳送帶寬度為2 m、額定帶速1.25 m/s 的帶式輸送機作為控制對象，對巡檢機器人監測系統進行實際運行測試，巡檢機器人鋼絲繩水平牽引速度設置為0.4 m/s。系統運行后，巡檢機器人可按照設定速度穩定行走于帶式輸送機上方，并通過監控圖像對傳送帶跑偏角度及跑偏位移量進行實時計算，診斷是否存在跑偏故障。設置帶式輸送機空載及承重兩種工況下傳送帶的跑偏量監測實驗，實驗數據如表2 所示。

表2 兩種工況下傳送帶跑偏故障監測結果

除故障檢測診斷外，巡檢機器人可對帶式輸送機溫濕度及氣體濃度等環境參數進行實時采集檢測，為驗證系統環境監測功能，在帶式輸送機以1.25 m/s 額定帶速運行、巡檢機器人以0.4 m/s 行走為實驗條件設置了8 組運行實驗，由巡檢機器人對環境參數進行采集，實驗結果如表3 所示。由于實驗過程中CH4濃度未超過1 000 ppm，未達到傳感器檢測量程，因此檢測值為0。

表3 環境參數檢測實驗結果

綜上所述，系統可對帶式輸送機皮帶跑偏角度及跑偏位移進行精準測量，可對跑偏故障進行準確診斷。在環境參數采集方面，系統對帶式輸送機環境溫濕度檢測準確，氣體濃度變化測量穩定，具備精確可靠的環境參數檢測功能。

4 結語

針對井下帶式輸送機巡檢困難的問題，設計了一套基于移動巡檢機器人的帶式輸送機監測系統。該系統采用分布式架構及組合式通信網絡，有效提高了系統監測性能及通信能力，經實際運行測試，系統能對傳送帶故障進行可靠監測診斷，可實現對多種環境參數的精確可靠測量，具有實際應用價值。