排水泵房智能巡檢與診斷機器人的應用研究

任文清，高小強，梁占澤，王 飛

(國家能源神東煤炭集團有限責任公司，陜西 神木 719315)

大柳塔煤礦是當前世界最大的井工煤礦，隸屬于國家能源集團神東煤炭公司，是一座現代化生產礦井，核定生產能力為3300萬t/a。面對如此巨大的煤炭產能，礦井在不斷改革創新，引進行業最先進的采煤設備，目前井下主要生產系統已完全實現了機械化，輔助生產系統實現了自動化，部分設備逐步實現智能化。當前煤礦井下排水泵房基本實現了無人值守，但由于泵房在長期運行過程中設備故障和隱患不能被及時發現，往往造成嚴重的排水故障或安全責任事故。因此對運行設備的故障、隱患進行及時診斷或控制顯得尤為重要[1-3]。

隨著科學技術的不斷進步，近年來已有越來越多的機器人被應用到設備巡檢領域，例如輸油場站應用防爆輪式巡檢機器人工作效果明顯，并且比人工巡檢更高效；城市管廊應用的軌道式巡檢機器人已完全能夠替代人工巡檢工作；智能巡檢機器人在綜采面的應用，解決了煤礦井下工作空間有限、復雜工況下的生產監測問題；煤礦變電站智能巡檢機器人的研制，可完全代替人工巡檢，這也為煤礦使用新一代巡檢機器人的研發奠定了堅實的基礎[4-7]。

傳統的井下水泵房運行方式采用固定視頻監視和人工流動巡檢。固定視頻監控范圍有限，需要在運行設備處布置大量攝像頭，布線多、功耗大、維護任務艱巨，而且圖像監視、輪巡和存儲工作量大，綜合效率非常低下；人工流動巡檢不能及時發現設備隱患，效率低下、浪費人力，且井下惡劣的工作環境對人身安全存在威脅。因此，迫切需要開展設備自主巡檢技術研究，探索通過機器人技術輔助人工巡檢或代替人工巡檢，在減輕基層員工勞動強度的同時，也降低了人工巡檢的安全風險，提升煤礦企業的本質安全管理[8，9]。

本文結合大柳塔煤礦5-2煤五盤區排水泵房設備的實際情況，引進礦用輪式智能巡檢機器人代替人工巡檢，取得了良好的應用效果。

1 礦井水泵房巡檢機器人應用研究

1.1 5-2煤五盤區排水泵房現狀描述

大柳塔煤礦5-2煤五盤區排水泵房主要承擔著井下5-2煤采掘工作面涌水、井下生產系統冷卻水、主輔運巷道淋水和探放水的抽排任務。泵房安設7臺水泵，其中3臺型號為MDA280-46×4離心泵，單臺功率315kW，流量280m3/h，揚程為258m；4臺型號為MDA280-43×4離心泵，單臺功率為220kW，揚程為172m，全部具備就地、遠程和自動控制功能。

泵房運行模式為：3臺工作、3臺備用、1臺檢修，正常排水能力500m3/h，最大排能力700m3/h。在日常運行過程中，由于排水系統中電動閥故障率較高，啟動離心泵時，往往需要人員在現場觀察流量、正負壓儀表數據，及各類球閥、閘閥的開停狀態，判斷離心泵抽水是否正常。其次，還需要人員對泵房電機、纜線和泵體進行日常震動、溫度、聲音異常等點檢，對泵房環境氣體進行日常監測和巡查，造成人員投入大、工作效率低下的等問題。

1.2 定義及原理

礦用巡檢機器人是一個集機械、電子、計算機、移動通訊和防爆等技術于一體的多學科相互交叉、融合的系統[10]。礦用輪式智能巡檢機器人是借助磁軌導航技術，通過在磁軌上布置電子標簽，執行機器人行走、調速、轉彎、升降和檢測等動作。

礦用巡檢機器人不僅具備傳統檢測控制設備的功能，而且能夠通過自身的“耳”“眼”“鼻”全方位無死角的對設備進行智能巡檢，巡檢手段比人工巡檢更加專業，比傳統的檢測手段更加完善，同時能大幅度的減輕工人的勞動強度[11，12]。

1.3 需要解決的問題

為補充水泵房自動化運行過程中存在的不足，在5-2煤五盤區水泵房引進礦用巡檢機器人。本文綜合巡檢機器人通信、供電、行走、控制和診斷等因素，考慮選用的巡檢機器人可解決以下幾方面問題：

1)水泵房管路各類儀器儀表較多，纜線錯綜復雜。在通訊網絡建設過程中必須全面考慮機器人組網簡單，后期維護方便，及使用穩定可靠。

2)機器人供電方式選擇，需要考慮設備供電方式可靠，供電電壓穩定，后期維護量小，維護成本低等問題。

3)水泵房內泵體、電機、管路和纜線較多，可用空間狹小，需綜合考慮巡檢機器人行走軌道布置簡單。

4)機器人需完全替代人工巡檢，需具備識自動別泵房各類儀器儀表數據、電機溫度、聲音異常識別和環境溫度監測等功能。

5)機器人控制必須同時具備自主巡檢、遠程控制、且可與泵房自動化系統實現聯動控制等功能，并根據機器人巡檢識別到的數據對設備故障進行預知預判，從而為無人值守泵房的安全運行提供有力保障。

1.4 問題解決方案

綜合考慮上述需要解決的問題，選用隔爆兼本質安全型輪式智能巡檢機器人(下文簡稱：巡檢機器人)。

1.4.1 組網設計

目前大柳塔煤礦井下已建成4G一網一站環網系統，如圖1所示，在五盤區水泵房布置一臺4G綜合分站，機器人本體與無線基站采用無線通訊傳輸。為保障巡檢機器人數據通信的穩定和可靠性，在水泵房兩端頭分別布置無線基站，兩臺基站之間通過光纖連接。無線基站通過網線接入4G綜合分站，實現巡檢機器人與上位機的通信，確保在遠程工作站完成對現場設備的監控、分析、告警和診斷等功能。

圖1 無線基站工作示意圖

1.4.2 機器人磁軌設計

輪式巡檢機器人通過磁軌方式自主行走，五盤區水泵房機器人磁軌布置如圖2所示。因水泵房管路側有一條鋪設管道的地溝，為不影響機器人巡檢效果，在地溝上鋪設20mm厚鋼板，然后在鋼板上整體鋪設亞克力膠板對地板找平。

圖2 五盤區排水泵房磁軌布置示意圖

根據機器人在水泵房的巡檢區域提前規劃和設計軌道，在設計好的軌道上鋪設若干條規格為10mm×10mm×1000mm的磁條，并借助乳膠固定在亞克力膠板上，確定機器人的巡檢路線。根據機器人的巡檢對象預設電子標簽，并采用強力粘貼膠將其牢牢地固定在磁條上方，確定機器人的停留位置，并按預制程序執行調速、轉彎、升降和檢測等命令。

1.4.3 機器人供電設計

巡檢機器人自主充電裝置如圖3所示，因五盤區排水泵房空間相對狹小，所以巡檢機器人充電裝置布置在水泵房2#門口角落處，但該區域具有一定坡度，不利于充電設備的布置。為此，在充電設備安設位置采用混凝土施工對地板進行找平。

圖3 巡檢機器人自主充電裝置

巡檢機器人自主充電裝置由充電機構、防爆充電控制箱組成，兩設備之間由電纜進行連接，在軌道終端完成機器人充電工作。該機構具有體積小、重量輕、結構緊湊，充電電壓輸入范圍寬，發熱量小，充電效率高等優點。自主充電接觸部具備電氣閉鎖功能，在機器人不充電或故障狀態下，觸點嚴禁帶電，保障了現場運行安全[13]。

1.4.4 機器人本體

輪式巡檢機器人本體包擴高增益通訊天線、智能充電接口、輪式運動底盤、防爆雙視云臺模塊 、本安型避障模塊、防爆導航模塊、防爆語音對講模塊、輔助現場環境檢測傳感器等部分組成。

高增益通訊天線為機器人提供可靠的網絡環境；自身攜帶的大容量電池，為輪式運動平臺的自由移動提供了有力的動力支撐；機器人輪式運動底盤采用四輪驅動，每個驅動配備了大功率電機，機器人具備一定的越障和爬坡能力；防爆雙視云臺上搭載高清攝像儀與紅外熱成像儀，可對現場設備進行高效巡視；本安型避障模塊傳感器具有受可見光干擾小、探測距離遠、使用方便等特點，集發射與接收于一體，根據現場實際情況調節檢測距離，調節的最大距離為3m。巡檢機器人前方和后方各安裝一個避障傳感器，當遇前后遇障礙物時可及時避障，有效提高了機器人運行過程中的安全性能[14]；巡檢機器人導航采用穩定的磁導航技術和防爆處理技術，巡檢機器人本體前、后方底部搭載導航傳感器，具有靈敏度高、功耗低、響應速度快的特點；防爆語音對講模塊配備大口徑鍍金震膜咪頭，采用DSP數字信號處理器技術和ClearSpeech自適應動態降噪處理技術，通過電子噪聲動態閉環抑制電路，徹底消除電子噪音，為機器人系統對現場工況設備故障噪音的分辨提供了保證[15]。同時采用大功率揚聲器，滿足戶外聲音洪亮、清晰要求，實現機器人本體與遠程控制站處之間的雙向對講；輔助現場檢測傳感器包括溫度、濕度和CD4多參數氣體檢測儀，即包括一氧化碳、甲烷、硫化氫和氧氣四種傳感器，為機器人能在各種復雜使用環境下運行提供了堅實的保證。

1.4.5 遠程工作站布置

在地面區域生產控制指揮中心布置遠程工作站，調度員可通過區域煤礦集中自動化控制系統實現與機器人聯動控制，也可在遠程工作站實現對機器人遠程干預和控制，在軟件平臺上能直觀的反映出機器人本體采集的視頻信息和自主識別儀器儀表的運行數值、各類閥的開停狀態、電機電纜的運行溫度和泵體異常聲音診斷及各類異常數據的報警信息。同時也可在其他任何計算機安裝客戶端訪問工作站或在智能移動終端安裝APP軟件，實現機器人遠程監控。

2 輪式巡檢機器人在水泵房的應用

2.1 現場智能巡檢情況

1)按巡檢軌跡每隔3h對水泵房設備進行全面巡檢一次，一次巡檢時間約26min，每日完成巡檢7次。

2)視頻巡檢鏡頭對泵房儀器儀表、各球閥、電動閥開停狀態、管道跑冒滴漏進行檢測和自主識別，如圖4所示。

圖4 機器人巡檢監控畫面

3)紅外熱成像可對泵房泵體、電纜、電機、各類閥溫度進行自主識別。

4)語音識別系統對現場離心泵運行異常聲音進行診斷判斷，并可進行雙向對講。

5)實時監測泵房環境氣體(包括甲烷、一氧化碳、氧氣和硫化氫)、溫度和濕度等。

2.2 巡檢數據分析與診斷

以五盤區水泵房輪式巡檢機器人應用以來，運行穩定，對儀器儀表數值識別率較高，以運行28d的數據為例，機器人巡檢數據識別記錄見表1，識別率平均達90.3%，數據分析準確，診斷結果無誤，異常報警及時，完全可作為判斷泵房運行是否正常的依據。

表1 五盤區水泵房儀器儀表識別記錄(11月1日—7日)

2.3 與自動化系統聯動控制

井下水泵房自動化控制系統是通過盤區變電所PLC柜接入生產控制環網，智能巡檢機器人是通過無線基站進入生產控制環網，將兩套系統通訊接口和協議對接后，可在后臺實現數據交互。因此，當工作人員在自動化系統遠程操作某臺離心泵時，機器人可自主前往巡檢，同時將巡檢的異常事件自動反饋至自動化控制系統，方便工作人員對故障進行分析和判斷。

2.4 取得成果

1)巡檢機器人對泵房進行高效率、無死角的巡檢，代替人工巡視，降低了巡檢人員工作強度，提高了巡檢效率，為礦井實現無人值守提供了技術支持。

2)巡檢機器人支持全自動和遙控巡檢模式，地面監控人員可以隨時介入接管巡檢機器人，使之成為調度人員、運維人員在現場的眼、耳、腦的延伸，提高了對現場的監管力度。

3)上位機軟件對巡檢數據的存儲、分析與診斷，可以及時發現設備隱患，降低設備故障率，有效規避了人工巡檢存在的弊端，提高了礦井智能化水平。

2.5 創造的效益

機器人替代人工巡檢，每年節約人工成本約80萬元，減少設備故障帶來的財產損失約300萬元。

3 結 語

大柳塔煤礦將礦用輪式智能巡檢機器人應用到五盤區排水泵房，完全替代了人工巡檢，取得了良好的應用效果，是大柳塔煤礦在智能化礦井建設中的首次嘗試，為礦井下一步將巡檢機器人應用到其他生產系統積累了寶貴經驗。同時，隨著科技水平的不斷提高，巡檢機器人具備的功能更加完善，巡檢更高效。因此，在世界一流礦井建設的關鍵時期，礦用智能巡檢機器人必將具有非常可觀的應用前景。