礦用帶式輸送機自動監控巡檢系統分析

趙 亮

（山東能源集團有限公司，濟南 250101）

近年來，我國工業安全事故頻發，煤炭事故是其中性質較為嚴重的類型，包括火災事故、瓦斯爆炸事故和冒頂事故等。礦用帶式輸送機是煤炭工業發展的基礎設備，運行故障風險隱患較多。目前，礦用帶式輸送機監控巡檢多選擇人工巡檢+固定攝像頭定點監視的方式，監控范圍有限且綜合效率低下。因此，從提高監控效率著手，探討礦用帶式輸送機自動監控巡檢系統具有非常突出的現實意義。

1 礦用帶式輸送機自動監控巡檢需求

礦用帶式輸送機主要用于煤礦原煤的運輸。目前，煤礦采用綜采模式，綜采工作面輸送機運輸長度為1 300 m，提升高度為360 m，帶寬為1 800 mm，運輸傾角為16°，頭部卸料、尾部受料，最大帶速為5.0 m·s-1，運輸能力大于3 500 t·h-1，電機功率為3×2 240 kW，輔助電壓為380 V/660 V。礦用帶式輸送機所處環境室內溫度為2 ～33 ℃，室外溫度為-35.5 ～-28.2 ℃。

根據礦用帶式輸送機所處環境生產模式，自動監控巡檢應全天候不間斷運行，適應煤礦綜采面少人無人、高效安全的生產要求，全面巡視檢測巷道內氣體環境（一氧化碳含量、甲烷含量、煙霧等）以及皮帶故障情況（異常響聲、打滑、撕裂、跑偏、斷帶等），監控巡檢信息經無線通信傳遞至用戶端，輔助用戶維護檢修決策，從源頭解決礦用帶式輸送機運行強度大、風險高等問題。同時，自動監控巡檢系統應當具備往復巡檢功能，體積適中，不干擾正常生產，動力充足，能夠適應極端氣候。

2 礦用帶式輸送機自動監控巡檢系統框架

礦用帶式輸送機自動監控巡檢系統框架，如圖1 所示。

圖1 礦用帶式輸送機自動監控巡檢系統框架

由圖1 可知，礦用帶式輸送機自動監控巡檢系統由驅動系統、用戶界面和控制系統組成。驅動系統是自動控制巡檢停止、轉向、行走功能實現的關鍵，由電機、傳動組成，驅動模式為軌道式驅動，適應長距離固定路線往復運行檢測要求。用戶界面是帶式輸送機各項實時數據呈現、遠距離操作控制、警報發布的載體，也是上位機、下位機的聯系樞紐。控制系統是自動化監控巡檢系統運行的核心，也是數據采集、遠程控制、信息處理、運動控制實現的前提。在工業智能化背景下，控制系統應與上位機形成組態，完成實時信息交互[1]。

3 礦用帶式輸送機自動監控巡檢系統實現

3.1 硬件實現

礦用帶式輸送機自動監控巡檢系統硬件由無線通信系統、充電器、傳動系統以及機械部分組成。

無線通信系統負責聯通運行區域各項監控數據和顯示控制箱。無線通信系統控制單元主要負責各種控制信息的傳送、接收，輸入末端與攝像機、溫度傳感器等多個模塊相連接。根據礦井巷道環境特點，選擇2 個N608 無線模塊和2 套晶體管晶體管邏輯電路-通用串行總線（Transistor-Transistor Logic-Universal Serial Bus，TTL-USB）串口轉換電路板，1 個無線模塊設定發射，1 個無線模塊設定接收，確保礦井惡劣環境下自動監控巡檢數據的高效率穩定傳輸。

充電器負責連接動力電池組，滿足礦用帶式輸送機自動監控巡檢系統就地快速自動接通電源的要求。根據自動監控巡檢系統移動運行特點，利用閉鎖式充電模式代替常規電纜供電模式，并經阻抗跟蹤電量監測裝置調查電池電量，確定電池始終處于最佳運行狀態。充電器閉鎖裝置由防爆充電箱、電纜連接器組成，插頭內置閉鎖，插頭外殼表層安裝定位擋塊和軸向滑塊，借助插頭插入插座的方式完成插頭接線柱與插座接線柱的對接，實現閉鎖。一般電量值由軌道長度決定，在電量值低于預先設定數值后，自動監控巡檢系統自動進入充電區閉合纖維開關，由主控制器發出充電命令，電源觸點控制端接收控制命令并開啟充電。充電完成后，閉鎖機構自動跳轉至觸發擋位，由蓄電池向負載供應電力能源[2]。

傳動系統驅動自動監控巡檢系統運行，運行模式為固定區域往復移動。驅動電機一般為1 臺步進電機+前2 組驅動輪+后2 組驅動輪，根據機電伺服系統概念，結合SolidWorks 軟件計算的裝置質量以及支撐平臺與輥輪之間的滾動摩擦系數和靜摩擦系數，可以得出行走裝置坡面下滑力。為了克服最大靜摩擦力與下滑力之和，需要選擇合適的馬達輸出功率及馬達扭矩。例如，選擇86 系列兩相大力矩混合式步進電機，設定輸出軸數為單軸，引出線為4 根，耐電壓為交流820 V，最小絕緣電阻為100 MΩ，單相電流為6.2 A。

機械部分由搭載設備、行走機構和搭載平臺構成，其中搭載平臺與行走機構為螺栓連接，相關部件應當滿足《爆炸性環境 第4 部分：由本質安全型“i”保護的設備》（GB 3836.4—2010）和《電工電子產品環境試驗 第2 部分：試驗方法 試驗Db：交變濕熱（12 h+12 h 循環）》（GB/T 2423.4—2008）的相關要求，優選流線型、小體積、緊湊結構的搭載設備，并搭載補光燈、紅外溫度傳感器、攝像機、煙霧傳感器等探測裝置，對帶式輸送機往復運動過程各部件進行全景式移動圖像采集、聲音采集、煙霧檢測和溫度探測。

系統硬件部分可在主斜井帶式輸送機非行人側，借助管道托架吊掛。同時，在巷道壁固定管道托架上方敷設基站、光纖，在巷道壁右側配套布置人員及備品備件運送用檢修纜車。

3.2 軟件實現

礦用帶式輸送機自動監控巡檢系統軟件與功能實現穩定性、反饋及時性、運行邏輯合理性具有緊密聯系，涉及下位機控制軟件、上位機終端用戶軟件。

3.2.1 下位機控制軟件實現

下位機控制軟件實現環境為Microsoft Visual Studio 2019 開發環境，語言為C++，涉及定位系統軟件和電機驅動程序等。從下位機控制軟件運行過程來看，其由巡檢控制、巡檢模式選擇、數據管理組成。其中，巡檢控制聯系工控機和自動監控巡檢系統，經RS-232 串口并行通信協議對系統巡視檢查速度進行自動差級調節。

工控機與電機驅動器串行通信過程如下。第一，發送數字幀OpCode：11 03 60 60 00 01 FE 00 00 00 C6 55 4F（巡檢控制），等待“Ready Acknowledge”指令，反饋初始化確認狀態。第二，反饋狀態為“Okay”，準備接收；反饋狀態為“Failed”，停止通信。第三，接收“Checksum”，等待從機“End Acknowledge”回答。第四，根據從機回答控制電機。

巡檢模式選擇是自動巡視檢查方式與手動巡視檢查方式之間的自由切換。在自動巡視檢查方式下，系統可以在預先設定時間內開展往復巡視檢查，并配合自動系統反饋信息，在故障位置發出警報。在手動巡視檢查方式下，操控者依托操作界面實現特定區域的手動巡視檢查，并反復檢查帶式輸送機故障的高發位置。在啟動系統后，設定巡檢時間默認值為0，經電池能源反饋系統監控剩余電量，若剩余電量超出設定電量最低限度（20%），則繼續巡檢。若系統完成一次巡視檢查，經讀卡器識別2 次帶式輸送機端頭電子標簽序列，根據預先設定的巡視檢查間隔（1 h），準備下一次巡視檢查。若發現故障，經工控機向電機驅動器發送帶式輸送機停止命令，通過定位系統、停機位置記錄故障信息，等待現場排除。排除故障后，重新開始初始化和自動巡檢[3]。

數據管理經串口連接電機驅動器、工控機，配合電機傳感器整合系統電流、速度、方向數據，并經Modbus 協議實時反饋現場讀取電子標簽信號與定位信息。在Modbus 協議支持下，信息交互方式為遠程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU），部分協議功能碼如表1 所示。

表1 礦用帶式輸送機自動監控巡檢數據管理部分協議功能碼

在主動查詢模式下，可讀取電池溫度、電壓、剩余電量信息，并以電子產品碼（Electronic Product Code，EPC）序列號表示響應間隔。例如，序列號01 03 14 0A 2E 00 00 02 7E 02 BC 0A 42 0A 31 0E 91 0E 79 0E84 0E 84 0E 82 6D 2D，讀取電壓26.08 V，電池溫度26 ℃，剩余電量70%，設定目標速度顯示500 r·min-1。

3.2.2 上位機終端用戶軟件實現

上位機終端用戶軟件實現環境為QT Creator，實現語言為C++，涉及紅外圖像、溫度曲線、可見光圖像等電機信息反饋[4]。為實現不同對象編譯，以QT Creator 自帶圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）開發軟件為核心，預設改變對象狀態信號輸入，調用QObject 對象的connect()函數，激活與信號相關聯的槽函數，進而初始化圖形界面、數據采集元器件、電機，以用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）為基礎開展Socket 通信。在Socket 通信模式下，調用bind 綁定初始化端口和網際互連協議（Internet Protocol，IP）地址。同時，調用SendTo 函數、recvfrom 函數與客戶端進行信息交互，并將外部軟件開發工具包（Software Development Kit，SDK）函數集成到用戶界面，實現數據、圖像、聲音信息的一體化處理。局部實現編碼為

Bool sijx :: scan Data(QDir myDir,QS tring biaoti)

{

myDir.set Filter(QDir::Dirs|QDir::Files)://

Q File Info List fileList=myDir.entry Info List

……

在上述編程源代碼運行過程中，上位機終端用戶界面成功打開顯示端口的窗口，窗口包括實時監控、數據查詢、直接退出等模塊。點擊實時監控模塊，可以進入帶式輸送機自動監控巡檢模式，選擇當前界面顯示系統，在對整個系統通信進行套接字Socket 驗證并通過后調整監控模式，在特定模式下設置相關數據并保存，包括拾音圖、主監控溫度限值等。點擊數據查詢模塊，可以查詢自動監控巡檢系統并保存歷史數據，包括歷史溫度曲線和高清攝像頭數據等[5]。同時，分析事故發生后的運行信息，如可見光截圖、熱成像視頻、最高溫度曲線圖、音頻頻率圖等，追蹤事故原因。點擊直接退出模塊，可以退出軟件。

3.3 運行效果

以傳統人工巡檢+攝像頭監控模式為對照，分析判定礦用帶式輸送機自動監控巡檢系統運行效果，具體見表2。

表2 礦用帶式輸送機自動監控巡檢系統運行效果

由表2 可知，礦用帶式輸送機自動監控巡檢系統運行過程中，人工成本顯著下降，僅需在機頭、機尾各配置2 名人員，且工作時間減少12 h，實現了減員增效。相較于傳統人工巡檢，自動監控巡檢系統速率提高0.2 m·s-1。自動巡檢系統充電耗時3.8 h，可以滿足一個工作班次對帶式輸送機巡檢次數的要求。自動監控巡檢系統采用無線傳輸模式，在狹窄、封閉環境內有效通信距離達500 m，能夠滿足煤礦礦井內帶式輸送機監控信息的傳輸需求。

4 結語

自動監控巡檢系統是煤礦安全科學系統化管理的支撐，也是全面了解煤炭生產輸出情況并制定正確決策的依據。因此，應面向礦用帶式輸送機沿線各個環節，以煤炭隱火監控、巡檢預警為重點，打造自動監控巡檢系統方案，定時定點監測礦用帶式輸送機的運行狀態，為礦用帶式輸送機的安全平穩運行提供保障。