礦用長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭佳斌

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)挖金灣煤業(yè)有限公司，山西大同 037000）

近年來(lái)，隨著智能化進(jìn)程的加快，煤礦運(yùn)輸中使用的長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)也朝著智能化發(fā)展。傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)在高負(fù)荷條件下運(yùn)行，易發(fā)生斷裂、跑偏等突發(fā)性事故。2020年9月重慶松藻煤礦在使用帶式輸送機(jī)過(guò)程中，托輥存在故障時(shí)膠帶局部出現(xiàn)了過(guò)熱問(wèn)題，最終形成火災(zāi)安全問(wèn)題。另外，帶式輸送機(jī)的工作環(huán)境存在有毒氣體濃度超標(biāo)問(wèn)題，對(duì)井下工作人員的生命安全構(gòu)成較大的威脅。為了能夠有效地提升工作人員的安全問(wèn)題，為此需要安排專人對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行檢查?？墒窃诰唧w的應(yīng)用過(guò)程中，帶式輸送機(jī)輸送帶長(zhǎng)達(dá)幾十公里，僅僅借助人工的話，工作人員不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且往往存在漏檢問(wèn)題，最終釀成嚴(yán)重的安全事故問(wèn)題。因此需要對(duì)原帶式輸送系統(tǒng)進(jìn)行分析，并可以將其升級(jí)。為了能夠有效地識(shí)別帶式輸送機(jī)故障問(wèn)題，在帶式輸送機(jī)上面設(shè)置巡檢單元，進(jìn)而可以有效地識(shí)別帶式輸送機(jī)工作情況的參數(shù)。同時(shí)，減少了人力巡檢過(guò)程中，存在的各種漏檢、誤檢、不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障等風(fēng)險(xiǎn)[1]。這種智能化的帶式輸送機(jī)不僅可以有效地提高井下工作效率，而且能夠有效地提高安全問(wèn)題。

1 有關(guān)長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在煤礦井下使用帶式輸送機(jī)時(shí)，必須對(duì)井下工況環(huán)境進(jìn)行充分地調(diào)研，諸如第一：潮濕問(wèn)題；第二，粉塵問(wèn)題；第三，電磁輻射問(wèn)題等，這些問(wèn)題往往會(huì)對(duì)運(yùn)輸環(huán)境產(chǎn)生較大的影響。從而可以保障長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)巡檢系統(tǒng)能夠適應(yīng)復(fù)雜的工況環(huán)境，還需要滿足處在長(zhǎng)時(shí)間惡劣環(huán)境下仍能保證結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生損壞，與此同時(shí)保證電路硬件單元能夠正常工作。該系統(tǒng)必須滿足高性能、高可靠性，因此該系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如下所示：

（1）該智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)完全能夠替代井下工作人員的工作；

（2）該智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作過(guò)程必須與人工巡檢相適應(yīng)；

（3）該系統(tǒng)工作的指標(biāo)必須滿足井下巡檢的需要；

（4）該智能巡檢系統(tǒng)必須適應(yīng)井下復(fù)雜的工況情況；

（5）智能巡檢系統(tǒng)的組裝簡(jiǎn)便且在應(yīng)用過(guò)程中能自主巡檢操作。同時(shí)，能對(duì)異常情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

（6）參考相關(guān)資料，制定井下主要?dú)怏w的安全檢測(cè)指標(biāo)，見(jiàn)表1。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 軌道支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

受煤礦井下空間受限的影響，傳統(tǒng)履帶式行走和輪式行走的智能巡檢系統(tǒng)無(wú)法完成井下工作任務(wù)。為了使智能巡檢系統(tǒng)更適應(yīng)井下的操作環(huán)境，順利完成井下工作內(nèi)容，從而研發(fā)出軌道移動(dòng)巡檢系統(tǒng)，在其上設(shè)置智能巡警系統(tǒng)。按此種方法設(shè)計(jì)的智能巡檢系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的人工巡檢，能夠根據(jù)井下環(huán)境，合理調(diào)整巡檢措施，同時(shí)能夠更加全面，細(xì)致地開(kāi)展井下工作。軌道式行走智能巡檢系統(tǒng)的布置，如圖1所示。

圖1 軌道系統(tǒng)連接與巡檢機(jī)器人巷道布置

在軌道系統(tǒng)連接與巡檢機(jī)器人巷道布置中，軌道系統(tǒng)由高強(qiáng)度鋁合金導(dǎo)軌拼接而成。組裝過(guò)程中，每隔3m左右會(huì)安裝1個(gè)支撐軌道的固定支架。軌道之間通過(guò)吊裝鎖鏈組裝，為使組裝更加牢靠，軌道之間用螺栓加固。另外，要支撐機(jī)器人的軌道平臺(tái)的承載重量達(dá)到60kg 以上。由于軌道重量較輕，因此通常可以依據(jù)工況設(shè)置合理的軌道。保證智能巡檢系統(tǒng)在各種環(huán)境下都能正常運(yùn)行且具有較高巡檢效率。

2.2 智能巡檢系統(tǒng)本體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要包括兩個(gè)子系統(tǒng)：第一，支撐系統(tǒng)；第二，智能巡檢系統(tǒng)，其中，設(shè)計(jì)的過(guò)程中在智能巡檢系統(tǒng)上設(shè)置如下部件：第一，傳感器裝置，能夠?qū)Νh(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)；第二，通信裝置，能夠接受信號(hào)；第三，電池，可以為系統(tǒng)提供電能。在機(jī)器人工作過(guò)程中，精確控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑，對(duì)井下環(huán)境進(jìn)行全面檢測(cè)獲得更精確的巡檢信息。巡檢機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 巡檢機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)

智能巡檢系統(tǒng)設(shè)置了多種傳感器，主要涉及兩大類：第一，溫度傳感器；第二，氣體監(jiān)測(cè)傳感器。該類型的傳感器主要能夠?qū)聹囟纫约坝卸練怏w進(jìn)行監(jiān)測(cè)，與此同時(shí)設(shè)置有紅外線成像儀能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而識(shí)別設(shè)備是否處于故障狀態(tài)以及可以確定設(shè)備的位置。智能巡檢系統(tǒng)能夠精確地檢測(cè)到設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，依賴于可見(jiàn)光的最大分辨率達(dá)到1900×1000的熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。在該高分辨率下，能夠清晰地觀測(cè)到設(shè)備的移動(dòng)情況。智能巡檢機(jī)器人設(shè)置了如下檢測(cè)設(shè)備可以代替員工執(zhí)行帶式輸送機(jī)巡檢工作，諸如第一，攝像機(jī)；第二，溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備；第三，聲音監(jiān)測(cè)設(shè)備。通常需要完成如下幾部分工作：第一，檢測(cè)輸送機(jī)運(yùn)行的參數(shù)；第二，對(duì)托輥運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)；第三，對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)；第四，對(duì)溫度與煙霧進(jìn)行檢測(cè)等。后續(xù)通過(guò)圖像算法的處理進(jìn)行人機(jī)整合后，清晰顯示在攝像機(jī)鏡頭中。機(jī)器人巡檢系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 機(jī)器人巡檢系統(tǒng)組成

智能巡檢系統(tǒng)涉及如下幾個(gè)單元：第一，外形單元；第二，主控單元；第三，通信單元；第四，傳感器單元；第五，無(wú)線充電單元等。其中傳感器單元包含如下幾個(gè)部分；第一，激光照射器；第二，一體化云臺(tái)；第三，可見(jiàn)光攝像機(jī)；第四，紅外熱成像儀等。后臺(tái)監(jiān)控單元在該系統(tǒng)中處于核心位置。與此同時(shí)可以借助服務(wù)器、交換機(jī)以及無(wú)線AP接線實(shí)現(xiàn)信息的交互。控制中心單元包括如下幾個(gè)方面的子系統(tǒng)：第一，數(shù)據(jù)分析；第二，圖像處理；第三，報(bào)警；第四，調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)；第五，語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)等。操作過(guò)程中，工作人員可通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線遙控的方式對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行操控。也可通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線遙控控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)和巡檢機(jī)器人的交互通信。在有線局域網(wǎng)的范圍內(nèi)，監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可接受來(lái)自井下機(jī)器人的數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)通信的接收前提要在煤礦井下布置AP 節(jié)點(diǎn)。在AP 節(jié)點(diǎn)存在的情況下，能將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋融入有線局域網(wǎng)。同時(shí)，在有AP 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下，機(jī)器人自身安裝的無(wú)線路由器，能夠?qū)⒍ㄎ粎?shù)與工況情況傳輸給主機(jī)[2]。

3 智能巡檢系統(tǒng)通信單元以及軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

網(wǎng)路通信系統(tǒng)能夠?qū)⒕逻\(yùn)輸機(jī)工作下的圖片以及聲音傳輸給主控單元。此環(huán)節(jié)是機(jī)器人代替人工較重要的部分，從而可以大大提高巡檢效率以及精確度。在巡檢系統(tǒng)中設(shè)置有信號(hào)發(fā)生器，其通過(guò)光纖通信設(shè)備將現(xiàn)場(chǎng)信息傳輸給主控設(shè)備。巡檢系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制終端的信息交互借助以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。圖4表示智能巡檢系統(tǒng)單元與無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)脑恚?表示無(wú)線基站的參數(shù)信息。

圖4 無(wú)線基站通信系統(tǒng)原理

表2 無(wú)線基站參數(shù)信息

本次設(shè)計(jì)使用的無(wú)線基站的類型為WiFi 2.4G 通信，額定電壓范圍為110～220V，額定功率設(shè)定為24W。覆蓋中心的距離為200m，相應(yīng)的防護(hù)等級(jí)設(shè)定為IP54。無(wú)線基站之間進(jìn)行信息交互時(shí)選用光纖，從而可以大大提高基站傳輸信息的穩(wěn)定性。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了優(yōu)化巡檢機(jī)器人的智能化，因此該系統(tǒng)還需要設(shè)置良好的軟件系統(tǒng)，圖5表示相應(yīng)的軟件控制系統(tǒng)流程示意圖。

圖5 軟件控制系統(tǒng)流程

智能巡檢系統(tǒng)在出現(xiàn)異常情況時(shí)，最先做出判斷并給出異常信號(hào)的是異常處理函數(shù)流程。假如系統(tǒng)識(shí)別到障礙物時(shí)，將該參數(shù)以異常參數(shù)的形式反饋給系統(tǒng)，這時(shí)系統(tǒng)通過(guò)傳輸將異常位置鎖定，讓系統(tǒng)對(duì)故障進(jìn)行診斷。

4 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

該系統(tǒng)可以有效地替代人工巡檢，主要是由于設(shè)置的傳感器與視頻成像裝置。這些傳感器首先收集井下的各環(huán)境參數(shù)，主要涉及如下幾個(gè)參數(shù)：第一，設(shè)備表面溫度參數(shù)；第二，有害氣體的濃度參數(shù)等。接著，將采集到的信息傳輸?shù)奖O(jiān)控室，與此同時(shí)在顯示屏上顯示報(bào)警?；谏鲜鲈恚瑥亩O(shè)計(jì)出滿足井下復(fù)雜工況的智能巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)。借助利用Microsoft Visual 軟件監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)程序并進(jìn)行故障識(shí)別分析算法的編寫(xiě)。利用labview 2018 設(shè)計(jì)人機(jī)操作界面。通?？梢越柚衔粰C(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下帶式輸送機(jī)的工作環(huán)境進(jìn)行顯示。圖6表示相應(yīng)的智能巡檢系統(tǒng)在井下帶式輸送機(jī)異物檢測(cè)識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)。

圖6 巡檢機(jī)器人異物識(shí)別應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

該智能巡檢系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用顯示出高效的巡檢效率，僅1 臺(tái)設(shè)備就可以代替約20 人的工作任務(wù)量。最主要的是該智能巡檢系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)24h不間斷巡檢，在準(zhǔn)確高效識(shí)別故障的同時(shí)，降低了人工成本。

5 結(jié)語(yǔ)

為解決井下帶式輸送機(jī)，人工巡檢強(qiáng)度大、效率低、易出現(xiàn)漏檢的問(wèn)題。所設(shè)計(jì)的智能巡檢系統(tǒng)有效解決了上述問(wèn)題，并減少煤礦事故的發(fā)生。該長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)，包括軌道式行走部分和智能巡檢本體模塊。軌道式行走部分可以適應(yīng)井下的狹窄復(fù)雜環(huán)境，即使在狹窄巷道內(nèi)仍能自由移動(dòng)。智能巡檢本體模塊可以進(jìn)行井下信號(hào)的采集，并通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)將故障信號(hào)反饋到地面監(jiān)控站。同時(shí)該智能巡檢系統(tǒng)可代替?zhèn)鹘y(tǒng)約20人工巡檢才能完成的工作量并能實(shí)現(xiàn)全天不停歇巡檢而不發(fā)生故障。煤礦事故的發(fā)生大多由于異常溫度不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)而產(chǎn)生。而紅外熱成像探查設(shè)備能夠?qū)Ξ惓囟冗M(jìn)行敏銳捕獲并及時(shí)報(bào)警，從而達(dá)到減少巡檢盲區(qū)的效果，有效避免煤礦事故發(fā)生。