機(jī)器人技術(shù)在大柳塔煤礦井下變電所的應(yīng)用

王 飛，王 軍，羅 偉，任文清

(神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)發(fā)布的最新報(bào)告統(tǒng)計(jì)，2018年全球工業(yè)機(jī)器人銷量達(dá)到38.4萬臺(tái)，亞洲作為近幾年全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展最活躍的地區(qū)，機(jī)器人裝機(jī)量的增速在全球也排在首位，中國目前是全世界最大的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)。隨著自動(dòng)化生產(chǎn)在全球范圍內(nèi)不斷加速，工業(yè)機(jī)器人正在向更深更廣的方向發(fā)展，機(jī)器人智能化水平也在不斷提高，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷地?cái)U(kuò)大，已從汽車制造業(yè)推廣到更多的制造業(yè)，進(jìn)而推廣到諸如采礦機(jī)器人、建筑建造機(jī)器人以及水利水電系統(tǒng)維護(hù)維修機(jī)器人等各種非制造行業(yè)。機(jī)器人正在為提高人類的生活品質(zhì)發(fā)揮著越來越重要的作用。

目前，國內(nèi)外機(jī)器人應(yīng)用已經(jīng)從傳統(tǒng)的工業(yè)焊接，貨物搬運(yùn)等成熟應(yīng)用行業(yè)延伸到了各個(gè)行業(yè)，機(jī)器人發(fā)展的浪潮已經(jīng)開始，但是煤礦機(jī)器人的應(yīng)用目前還主要是用于救援等特殊場(chǎng)合，日常的煤炭生產(chǎn)場(chǎng)合的成熟應(yīng)用才剛剛開始，巡檢機(jī)器人應(yīng)用于變電所，地下皮帶走廊等高安全防護(hù)要求，環(huán)境較為復(fù)雜的工業(yè)場(chǎng)合也逐步展開。神東礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)從最初的單一礦井自動(dòng)化，發(fā)展到現(xiàn)在的LCS，區(qū)域自動(dòng)化，經(jīng)過幾期的建設(shè)，目前在通訊網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集，控制系統(tǒng)完善等方面已經(jīng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。所以目前已經(jīng)具備了向更高的目標(biāo)邁進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)，在神東的技術(shù)規(guī)劃路線中，機(jī)器人從礦井到地面各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)生產(chǎn)人員的輔助已經(jīng)成為了技術(shù)方向，所以目前適時(shí)的開始巡檢機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)具備了技術(shù)條件。探索通過機(jī)器人技術(shù)輔助人工巡檢或者代替人工巡檢，在減輕基層員工的勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，也降低人工巡檢的安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)有效、可靠巡檢，提升煤礦企業(yè)的本質(zhì)安全管理。

1 煤礦井下變電所巡檢存在的缺陷

大型煤礦井下變電所是礦井的核心場(chǎng)所，變電所內(nèi)部的高低壓配電柜、變壓器等設(shè)備的安全可靠運(yùn)行直接關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)。目前大柳塔煤礦隨著綜合自動(dòng)化技術(shù)的不斷升級(jí)和改造基本上都實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程集中監(jiān)控功能，礦井變電所配置有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但是由于視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在監(jiān)控死角，主要依賴于調(diào)度人員的人工監(jiān)看，而且不具備智能識(shí)別、故障判斷、與控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等智能功能，所以不能及時(shí)和準(zhǔn)確的對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。煤礦井下變電所設(shè)備一般處于長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行的狀態(tài)中，存在極大事故隱患，因此對(duì)變電所區(qū)域的監(jiān)控非常重要。傳統(tǒng)的監(jiān)控方式通常采用人工巡檢或固定攝像頭定點(diǎn)監(jiān)視，這2種方式都存在一定問題，人工巡查浪費(fèi)人力、效率低下，并且惡劣條件對(duì)人身安全存在威脅；固定攝像頭定點(diǎn)監(jiān)視，范圍有限，需要在運(yùn)行設(shè)備處布置大量攝像頭，不僅圖像切換、監(jiān)視、存儲(chǔ)任務(wù)量大，而且布線多、功耗大、維護(hù)任務(wù)重，綜合效率非常低下。

煤礦井下變電所巡檢還存在以下缺陷：①煤礦井下變電所缺少高頻次，可靠的，不依賴人工的巡檢手段，而且巡檢的措施較為單一；變電所發(fā)生電氣故障，火災(zāi)等事故時(shí)沒有有效的發(fā)現(xiàn)手段與巡查方式。②高低壓配電設(shè)備遠(yuǎn)程停送電后(防爆柜在進(jìn)行大的檢修時(shí)手車是否退出，送電后運(yùn)行狀態(tài)，操作人員身份識(shí)別)，沒有視頻信號(hào)的二次確認(rèn)，停送安全性上還有提高空間。③電氣設(shè)備操作人員由于目前的攝像頭視頻范圍有限不能有效監(jiān)控，存在就地誤操作后無法追溯隱患的情況。

適用于煤礦井下特種巡檢的防爆巡檢機(jī)器人的誕生為解決以上的問題提供了可能性。

2 變電所巡檢機(jī)器人功能描述

在大柳塔煤礦井下變電所建設(shè)一套巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)可靠的變電所無人值守，通過巡檢機(jī)器人完成變電所不間斷，關(guān)鍵點(diǎn)無死角，多手段的周期性自動(dòng)化巡檢的基礎(chǔ)功能，并通過將機(jī)器人融入到礦區(qū)區(qū)域中央自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能聯(lián)動(dòng)，智能故障識(shí)別判斷，隱患預(yù)警等智能化功能。補(bǔ)齊礦井整體系統(tǒng)的短板，提高人員工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)變電所的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

由于變電所設(shè)備呈直列式布置，設(shè)備顯示窗口方向統(tǒng)一，所以選用軌道式拖線防爆巡檢機(jī)器人。礦用軌道式巡檢機(jī)器人系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱巡檢機(jī)器人)主要由機(jī)器人本體、基站、軌道系統(tǒng)、地面工作站組成。巡檢機(jī)器人可以代替巡檢工定時(shí)、定點(diǎn)、高質(zhì)量的完成井下設(shè)備的日常巡檢任務(wù)，機(jī)器人本體吊掛于軌道在巷道內(nèi)往復(fù)運(yùn)行，模擬巡檢工井下巷道行走，巡檢機(jī)器人搭載多種傳感器，實(shí)時(shí)采集巡檢現(xiàn)場(chǎng)的圖像、聲音、紅外熱像及溫度數(shù)據(jù)、煙霧、多種氣體濃度參數(shù)等信息，不僅模擬實(shí)現(xiàn)巡檢工巡檢作業(yè)時(shí)的“望、聞、問、切”，而且將傳統(tǒng)的紙質(zhì)記錄和不能準(zhǔn)確量化對(duì)比的人工感官現(xiàn)象，以數(shù)字化的圖像、聲音和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)歸類存儲(chǔ)，便于故障問題的查詢。該型巡檢機(jī)器人系統(tǒng)具備以下功能。

設(shè)備狀態(tài)智能巡檢功能。巡檢機(jī)器人支持全自動(dòng)和遙控巡檢模式。全自動(dòng)模式包括常規(guī)和聯(lián)動(dòng)巡檢2種方式。常規(guī)巡檢模式下系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的巡檢任務(wù)內(nèi)容、時(shí)間、路徑等參數(shù)信息，自動(dòng)啟動(dòng)并完成巡檢任務(wù)；聯(lián)動(dòng)巡檢模式由通過礦井區(qū)域自動(dòng)化系統(tǒng)(LCS)自動(dòng)產(chǎn)生的指令(如高壓柜分合閘，故障)，機(jī)器人對(duì)巡視點(diǎn)自主完成巡檢任務(wù)。遙控巡檢模式由操作人員手動(dòng)遙控機(jī)器人，完成巡視工作。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行反復(fù)巡檢，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的連續(xù)、動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)。

巡檢機(jī)器人監(jiān)控功能。機(jī)器人主機(jī)上安裝360°全方位云臺(tái)的可見光視頻監(jiān)控?cái)z像頭和紅外熱成像監(jiān)控?cái)z像頭，可以實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的對(duì)設(shè)備進(jìn)行視頻巡檢和紅外測(cè)溫。

設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)功能。巡檢機(jī)器人可將現(xiàn)場(chǎng)的視頻圖像、紅外測(cè)溫圖像、環(huán)境溫度、瓦斯?jié)舛取熿F濃度等設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況發(fā)送回上位機(jī)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常情況時(shí)巡檢機(jī)器人停止巡檢并停留在原地，并在現(xiàn)場(chǎng)及上位機(jī)發(fā)出報(bào)警，異常情況消除后人為控制恢復(fù)巡檢。

人臉識(shí)別。將巡檢機(jī)器人和配電系統(tǒng)進(jìn)行閉鎖，在停送電時(shí)對(duì)人臉信息進(jìn)行識(shí)別比對(duì)，只有比對(duì)通過或者系統(tǒng)授權(quán)人員才可以進(jìn)行供配電設(shè)備的操作。

機(jī)器人自檢功能。巡檢機(jī)器人具備自檢功能，包括對(duì)主機(jī)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、通信和檢測(cè)設(shè)備等部件工作狀態(tài)的檢測(cè)，發(fā)生異常時(shí)能立即發(fā)出報(bào)警，并能上傳故障類型等信息至監(jiān)控后臺(tái)。

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信功能。采用網(wǎng)絡(luò)傳輸方式(依托于目前礦井建成的工業(yè)以太網(wǎng))實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與后臺(tái)機(jī)之間的通訊，實(shí)現(xiàn)巡檢數(shù)據(jù)和控制命令的傳輸。

系統(tǒng)信息集中管理功能。機(jī)器人系統(tǒng)可進(jìn)行巡檢機(jī)器人聯(lián)動(dòng)管理，巡檢機(jī)器人能正確接收和監(jiān)控后臺(tái)的控制指令，實(shí)現(xiàn)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)體運(yùn)動(dòng)、供電系統(tǒng)和設(shè)備檢測(cè)等功能，并正確反饋狀態(tài)信息，及時(shí)上報(bào)機(jī)器人主機(jī)的各類預(yù)警和報(bào)警信息。

智能終端監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。智能終端控制軟件能夠與巡檢機(jī)器人進(jìn)行通信，顯示機(jī)器人發(fā)送的視頻以及各項(xiàng)巡檢數(shù)據(jù)，并能夠下發(fā)控制指令，控制機(jī)器人的巡檢方式、運(yùn)動(dòng)方向，設(shè)置各傳感器的報(bào)警閾值等。機(jī)器人軟件平臺(tái)融合到礦井區(qū)域自動(dòng)化系統(tǒng)，將現(xiàn)場(chǎng)采集的視頻圖像(可見光、熱像圖)、環(huán)境數(shù)據(jù)等上傳至服務(wù)平臺(tái)，提供計(jì)算、存儲(chǔ)、安全資源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，降低系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本。

3 機(jī)器人巡檢執(zhí)行

自動(dòng)巡檢模式下，巡檢機(jī)器人定時(shí)對(duì)變電所內(nèi)各臺(tái)設(shè)備巡檢，巡檢內(nèi)容為設(shè)備分合閘狀態(tài)、設(shè)備顯示屏運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備溫度、變電所瓦斯?jié)舛?、變電所煙霧濃度、進(jìn)入變電所人員面部特征識(shí)別與比對(duì)。

遙控巡檢狀態(tài)為上位機(jī)遠(yuǎn)程操作，可通過指定配電柜編號(hào)使巡檢機(jī)器人直達(dá)配電柜前，也可通過運(yùn)行與停止命令控制巡檢機(jī)器人行走，使用遠(yuǎn)程云臺(tái)功能控制攝像頭監(jiān)控方向?qū)崿F(xiàn)遙控巡檢。巡檢機(jī)器人上位機(jī)功能包含以下方面。

自動(dòng)巡檢模式下，通過上位機(jī)對(duì)巡檢機(jī)器人巡檢周期的設(shè)定，對(duì)巡檢機(jī)器人行走速度的設(shè)定，對(duì)配電設(shè)備初始化巡檢水平坐標(biāo)的設(shè)定以保證巡檢位置的準(zhǔn)確性和巡檢質(zhì)量的高效與高標(biāo)準(zhǔn)性；遙控巡檢模式下，通過對(duì)巡檢機(jī)器人動(dòng)作命令的下發(fā)與返回接收，實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢機(jī)器人的人工遙控控制，通過巡檢機(jī)器人攝像頭云控制端實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人攝像頭的人工遠(yuǎn)程操作；在上位機(jī)建立進(jìn)入變電所人員面部特征信息數(shù)據(jù)庫，在有人員進(jìn)入變電所時(shí)巡檢機(jī)器人對(duì)進(jìn)行變電所人員面部特征與數(shù)據(jù)庫識(shí)別比對(duì)，并做人員操作記錄；在上位機(jī)建立巡檢機(jī)器人歷史巡檢數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與調(diào)取功能，巡檢數(shù)據(jù)包括對(duì)巡檢機(jī)器人主機(jī)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、通信和檢測(cè)設(shè)備等部件工作狀態(tài)的檢測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)的視頻圖像、紅外測(cè)溫圖像、環(huán)境溫度、瓦斯?jié)舛?、煙霧濃度等設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

通過機(jī)器人的自動(dòng)巡檢，降低了巡檢人員工作強(qiáng)度，提高了巡檢效率，補(bǔ)齊了傳統(tǒng)變電所人工巡檢模式下的短板，為實(shí)現(xiàn)礦井的無人化巡檢提供了技術(shù)支持。巡檢機(jī)器人支持全自動(dòng)和遙控巡檢模式，地面監(jiān)控人員可以隨時(shí)介入接管巡檢機(jī)器人，使之成為調(diào)度人員、運(yùn)維人員在礦井的眼、耳、腦的延伸，提高了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)管力度，提升了設(shè)備巡檢的準(zhǔn)確性與時(shí)效性。巡檢機(jī)器人高效率、無死角的巡檢模式可以更加及時(shí)地發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，有效規(guī)避了人工巡檢存在的弊端，一定程度上去除了人的不安全性，提高了礦井安全生產(chǎn)能力。巡檢機(jī)器人上位機(jī)軟件對(duì)巡檢數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析，可以有效發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行潛在安全隱患與風(fēng)險(xiǎn)，降低設(shè)備故障率，為設(shè)備故障處理與調(diào)查提供可靠依據(jù)。