斜溝煤礦運輸膠帶軌道巡檢機器人系統的應用與研究

杜治宇

(山西西山晉興能源有限責任公司，山西 興縣 033299)

隨著斜溝煤礦井下原煤開采的延伸，井下原煤運輸膠帶數量也在逐漸增多，運輸膠帶具有數量多、距離長、落差大等特點。在煤礦運輸膠帶巡檢工作上一直采用的是人工巡檢。人工在查找運輸過程中的問題隱患時，存在工作強度大、巡視點不能全部顧及、隱患發現不及時等問題，甚至某些小故障沒有發現導致斷帶、跑偏等事故。通過引入機器人巡檢系統代替人工，提高了巡檢質量，有效避免了事故的發生。

1 斜溝煤礦運輸膠帶巡檢機器人系統的構成

斜溝煤礦膠帶巡檢機器人系統主要由地面生產調度控制中心、工業環網、WIFI網絡、軌道裝置和巡檢機器人等構成。其中機器人自身的控制系統由微電腦控制板、信息傳輸模塊、對講系統、溫度傳感器、甲烷傳感器、拾音器、驅動電機和大容量鋰電池等構成，見圖1。

圖1 斜溝煤礦運輸膠帶巡檢機器人系統構成示意

在巡檢機器人中單片機微電腦控制板是整個裝置的核心，負責信息的收集、轉化、傳輸，以及接收生產調度中心發來的遙控指令，驅動電機的運轉。我們把大容量鋰電池應用在軌道機器人的動力電源部分，其具有電荷量大、使用周期長的特點，能夠使機器人最大運行距離達到600 m，運行時間不小于6 h(充滿一次電量)，使用鋰電池提高了膠帶采集機器人的靈活性，避免了敷設電源線的復雜化。此次斜溝煤礦膠帶巡檢機器人行走方式選用了掛式剛性軌道，整個行駛機構由工字鋼軌道、電機、動力輪、支撐輪、軌道連接件等構成。其中動力電機選用了較大功率，確保巡檢機器人爬坡角度大于16°，能夠滿足膠帶運輸巷道的大落差；巡檢機器人本體總重量約為30 kg，鋰電池容量為25 A，額定運行速度0.25 m/s，根據需要可以調整運行速度，音頻頻率響應：150 Hz～15 kHz(90dB聲壓、A加權)，紅外溫度傳感器識別范圍-30～800 ℃，測量精度在±1.5 ℃之間，瓦斯傳感器：(0～100)%LEL；分辨率0.1%LEL；礦用本安型攝像頭像素300萬，能夠實現2.8～12 mm范圍調焦，煙霧傳感器檢測濃度范圍在(300～1 000)×10-6之間，煙霧傳感器靈敏度Rs(in air)/Rs(1 000 ×10-6異丁烷)大于5[1]。

2 斜溝煤礦巡檢機器人的實踐應用

以斜溝煤礦1號、2號上倉膠帶的巡檢機器人為例進行探討，上倉膠帶輸送機型號為DTL180/450/2-630，采用1 140 V變頻器來啟動膠帶運轉，上倉膠帶運行帶速5 m/s，1號膠帶機長207 m，2號膠帶機長233 m，該處膠帶的坡度大、人員巡檢困難，是主要運輸膠帶，一旦發生事故將直接影響礦井生產，因此上倉膠帶的巡檢工作優先采用機器人巡檢。

2.1 斜溝煤礦膠帶巡檢機器人的網絡結構

如圖2所示，斜溝煤礦上倉膠帶巡檢機器人的網絡傳輸主要采用了井下已建成的WIFI無線傳輸網絡，巡檢機器人通過各個傳感器收集到的信號通過無線網絡首先傳送到WIFI基站，然后基站通過礦井的千兆工業環網將各個數據傳輸到調度中心。巡檢機器人通過無線傳輸減少了數據線纜的敷設和維護，對于以后巡檢機器人的升級改造，擴展應用都減少了線纜的重新敷設和人工勞動。同時為了保障機器人巡檢網絡的穩定運行，我們對整個巡檢通信網絡采用直流電源供電，確保在礦井停電的極端情況下能夠不間斷信號的傳輸，同時避免了交流電壓波動對設備造成的危害。

圖2 斜溝煤礦膠帶巡檢機器人網絡拓撲圖

2.2 膠帶巡檢機器人的現場應用

以上倉巡檢機器人巡檢內容為例，如圖3所示，上倉膠帶巡檢機器人的工型鋼軌道吊掛固定在膠帶巷頂部。巡檢機器人通過自身攜帶的甲烷傳感器，紅外測溫儀，煙霧探測器，能夠有效地采集運輸膠帶周圍的瓦斯濃度、煤霧濃度，設備和環境溫度，聲頻信息，然后通過無線網絡將信息傳回調度中心，通過運行分析軟件進行大數據分析，一旦出現異常就會報警通知。同時巡檢機器人載高清攝像頭，可采集移動視頻圖像，解決了固定視頻監測覆蓋不全、有死角等問題，對于漏水、漏油等具體位置能準確上傳。

圖3 斜溝煤礦膠帶巡檢機器人現場安裝示意

調度指揮中心通過機器人控制軟件能夠實時展示運輸膠帶的實況畫面，通過畫面選擇可以看到運輸膠帶的溫度信息、瓦斯氣體含量以及機器人自身的電壓、電流電量等信息，通過控制軟件中的3D模擬顯示巡檢機器人在該運輸膠帶的位置信息。安裝在機器人中的拾音器實時采集現場聲音并上傳，由控制中心進行自動分析，預判設備故障。需要分析現場環境時可以播放實時采集的膠帶運轉聲音，確保沒有異響，在聲音分析上也可以選擇自動分析，當聲音頻率在軟件中出現異常波動時會發出告警信號，調度中心值班人員根據聲音異常報警信號，迅速查看機器人的監控畫面和收聽現場采集實時聲音，值班人員綜合研判后再確定是否進行運輸膠帶故障停機處理。

巡檢機器人采用鋰電池供電，可實時監測自身電量狀態并上傳電池電量信息，當監測到電池電量低于設定下限值時，巡檢機器人會自動停止巡檢工作，返回就近充電站充電。斜溝煤礦的運輸膠帶巡檢機器人具有自行主動工作巡檢和人工手動操作功能。人工手動操作在電腦上進行，級別高于自動巡檢。在人工手動運行模式下，可以操作機器人迅速運動，快速接近想要巡查的目標地；在自動工作方式時，膠帶巡檢機器人只會以相對適中的速度運動，在設定的巡檢區間來回往復巡檢[2]。礦用自動巡檢機器人可主動查驗故障功能，當膠帶保護或其他設備發生故障時，調度中心計算機將故障信號傳遞給機器人，機器人將會到相應的位置，采集相關現場數據并上傳。

3 巡檢機器人現場運行效果分析

斜溝煤礦井下共有原煤運輸膠帶16部，膠帶現場運輸情況既有長距離6 300 m的北翼膠帶，也有高落差300 m以上的盤區膠帶，這些膠帶每部都包含電動機、減速器、制動器、逆止器、托輥、滾筒、膠帶、膠帶架等各類零部件，零部件數量眾多，僅靠人工巡查很難覺察到潛在問題。表1對機器人巡檢方式和人工巡檢方式進行了對比[3]。

表1 單個運輸膠帶機器人巡檢與人工巡檢對照

以上倉膠帶為例，在過去的巡檢工作中，一直安排2名巡視工間隔2 h巡視1次，一天要巡檢12次，人員勞動強度大，有時存在少巡視或不巡視現象；當巡視工責任心不強時，某些隱患不能提前發現，將可能導致機電事故；特別是高落差的膠帶運輸巷道，由于坡度大，膠帶上的煤塊經常滾落，給職工日常巡檢帶來很多安全隱患。在應用運輸膠帶巡檢機器人系統之后，井下職工作業強度大幅下降，有效降低了工作風險，提高了安全系數。利用機器人的紅外感器還能提前發現設備局部溫度升高，做到了提前預知隱患、超前預防，防止了事故擴大化。通過使用運輸膠帶巡檢機器人后，在巡檢工作上可減少運輸膠帶專職巡檢人員80人，達到減員提效的目的[4]。

4 結 語

斜溝煤礦井下運輸膠帶巡檢機器人系統以智能軌道式巡檢機器人為核心，配套高速無線網絡實時傳輸信息、傳感測控系統、數據分析系統以及相關附件，完全替代人工完成了井下運輸膠帶的巡檢工作，通過該套巡檢機器人系統的應用，原煤運輸膠帶實現了全天候24 h高質量、大范圍的巡視、檢查工作，在及時發現潛在事故隱患上效果明顯，同時減少了該項工作上的人工投入，提高了礦井運輸安全，對礦井安全生產和減人提效起到了良好的示范作用。