智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人在煤礦的運(yùn)用分析

何勇 王迎春 閆震

摘要：為解決礦用帶式輸送機(jī)人工巡檢效率偏低、實(shí)時(shí)性不足等現(xiàn)實(shí)問題，本課題研發(fā)設(shè)計(jì) 出一種24h全天候智能巡檢機(jī)器人，其集成先進(jìn)的機(jī)電一體化與信息技術(shù)，能將傳統(tǒng)人工巡檢形式取代，明顯提升工作效率以及使巡檢數(shù)據(jù)傳輸時(shí)效性得到更大保障。本文主要總結(jié)這種機(jī)器人設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)、軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)際應(yīng)用要求及結(jié)構(gòu)構(gòu)成等，通過工程實(shí)踐驗(yàn)證其有效性，值得推廣。

關(guān)鍵詞：煤礦生產(chǎn);智能帶式輸送機(jī);巡檢機(jī)器人;功能實(shí)現(xiàn);技術(shù)應(yīng)用

引言

礦山巡檢是礦山工程實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，巡檢內(nèi)容有排水系統(tǒng)、開采系統(tǒng)、電力網(wǎng)絡(luò)及礦內(nèi)外環(huán)境等。既往人工巡檢模式實(shí)施階段需要投入大量的時(shí)間、人力及物力資源，這樣方能確保全面了解礦山實(shí)況[1]。人工巡檢暴露出作業(yè)量大、強(qiáng)度高、工效低等不足。近些年中，科技有很大發(fā)展進(jìn)步及礦山生產(chǎn)對(duì)安全性提出較高要求，可以用智能巡檢機(jī)器人替代人工巡檢，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山環(huán)境的全面管理，最大限度的提升礦山安全管理的數(shù)字化、智能化水平。

一、礦用帶式輸送機(jī)常見故障及運(yùn)行巡檢現(xiàn)狀

1、橫向斷裂

在正常工況中，輸送機(jī)的輸送帶會(huì)以環(huán)狀形式持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，以上這種作業(yè)模式存在著人工制造接頭，機(jī)械卡扣固定、熱硫化接頭法是常用的制造形式。因?yàn)檩斔蛶Ы宇^處強(qiáng)度在其他位置之下，故而其發(fā)生橫向斷裂狀況的風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)增加。

2、輸送帶接頭

很多物料內(nèi)會(huì)摻雜著棱角尖銳的塊狀異物，運(yùn)輸過程很容易劃傷或穿透輸送帶。特別是在兩條輸送機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)載的落料位置，煤料內(nèi)異物下落時(shí)易被卡住在導(dǎo)煤槽擋板或托輥架等處，并接受來自處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下輸送帶的傳動(dòng)力，造成異物越卡越緊，形成較大的穿透力并縱向撕裂輸送帶，引起斷帶情況[2]。

3、跑偏

即輸送帶運(yùn)行階段其中心線和輸送機(jī)中心線出現(xiàn)偏離的情況，進(jìn)而造成被運(yùn)輸?shù)奈锪享樦斔蛶x中心線逆向?yàn)⒙洌視?huì)增加輸送帶邊緣被磨損的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而引起撕邊事故。

4、 打滑

打滑，實(shí)質(zhì)上就是輸送帶傳輸速度落后于驅(qū)動(dòng)滾筒的轉(zhuǎn)速而出現(xiàn)的異常相對(duì)運(yùn)動(dòng)。若突發(fā)這種故障問題，一方面會(huì)造成輸送帶因傳動(dòng)力不夠而喪失效力，另一方面還可能因驅(qū)動(dòng)滾筒與輸送帶長(zhǎng)期相對(duì)摩擦造成相應(yīng)構(gòu)件出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，甚至輸送帶遭受強(qiáng)烈沖擊以后出現(xiàn)疲勞性斷裂、溫升而引發(fā)火災(zāi)等。

5、堆煤

當(dāng)煤料中含水量達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)使煤料轉(zhuǎn)變成粘稠的流體態(tài)，業(yè)內(nèi)一般將其叫做水煤。以上這種狀態(tài)特殊的煤料在輸送帶傳輸階段不會(huì)對(duì)皮帶表面形成較大的摩擦力，且煤料在自身重力的作用下，會(huì)在輸送帶上出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)而大量聚集，進(jìn)而造成部分位置壓力過大，最后引起輸送機(jī)被損傷的事故。

6、托輥故障

伴隨輸送帶傳動(dòng)過程，托輥?zhàn)陨頃?huì)長(zhǎng)期處于高速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)中，自身承受程度不一的磨損或轉(zhuǎn)動(dòng)卡死帶來的損傷，伴隨時(shí)間推移會(huì)引起局部發(fā)熱與摩擦噪音，當(dāng)托輥陷入轉(zhuǎn)動(dòng)卡死狀態(tài)時(shí)，托輥與輸送帶兩者便會(huì)形成相對(duì)摩擦力，造成托輥構(gòu)件溫升明顯引起火災(zāi)事故。

二、智能巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)功能分析

依照輸送機(jī)的作業(yè)原理，結(jié)合礦區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的各種故障問題及巡檢機(jī)器人真實(shí)工況，機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)的功能大體上包括如下幾部分[3]：

（1）智能行走功能，在軌道上能勻速運(yùn)動(dòng)，且在帶坡度路段上不會(huì)發(fā)生打滑、溜車等情況。

（2）自重與體積均要盡可能的小，綜合強(qiáng)度要符合礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。且煤礦生產(chǎn)環(huán)境條件極差，空氣中粉塵等物質(zhì)彌漫及高溫等，故而對(duì)機(jī)器人的密封性、抗干擾能力等均提出較高要求。

（3）功耗低，進(jìn)而使機(jī)器人的續(xù)航能力得到更大保障。且能智能測(cè)出電池電量，自主前往充電樁實(shí)現(xiàn)充電過程的智能化。

（4）定位功能，利用這些功能區(qū)呈現(xiàn)出輸送機(jī)故障問題的具體位置。

（5）視覺檢查功能，利用機(jī)器人更加直觀的觀察到輸送帶故障異常狀況。

（6）機(jī)器人自帶的傳感器能智能機(jī)檢測(cè)輸送機(jī)的溫度、聲音，分析后判斷設(shè)備是否發(fā)生故障、故障類型及嚴(yán)重程度等。

（7）機(jī)器人與控制室應(yīng)用了無線通信方式，這樣在控制室便能直接操控巡檢機(jī)器人的應(yīng)用過程。

三、軟硬件設(shè)計(jì)

1、硬件系統(tǒng)

（1）工控機(jī)：這是整個(gè)系統(tǒng)的核心構(gòu)件，其性能對(duì)巡檢系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的時(shí)效性起到?jīng)Q定性作用，可以選擇ARK-1123L工控機(jī)，其正常作業(yè)溫度-50℃～85℃，具備多種接口，這是和其他裝置有效銜接的重要基礎(chǔ)。

（2）數(shù)據(jù)采集裝置：圖像、聲音、溫度與方位等均是需要采集的數(shù)據(jù)類型，工業(yè)相機(jī)型號(hào)H265，配置使用 WM工業(yè)拾音器、 MAG32 型紅外成像儀分別獲取聲音、溫度信號(hào)，RFID的功能以定位為主。

（3）電池能源系統(tǒng)：電池的作用主要為驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)備供電，鑒于煤礦生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，選擇電池產(chǎn)品時(shí)需著重分析其使用壽命、可靠性等因素。結(jié)合礦用輸送機(jī)防爆巡檢需求，可以選擇使用鋰電池，其能在0～60℃范圍中循環(huán)充電，電池容量能確保智能機(jī)器人連續(xù)運(yùn)作6h。而對(duì)于無線基站的電源，其由礦用電纜統(tǒng)一供電，基于光纜傳輸無線基站之間的數(shù)據(jù)，將天線安裝在無線基站上，主要用于接收機(jī)器人本體上天線傳送的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。利用接口RJ45或光纜傳輸防爆控制箱和鄰近的無線基站，儲(chǔ)存檢測(cè)數(shù)據(jù)是防爆控制箱的主要功能，AC127 V電源供電，無線基站和礦井內(nèi)交換機(jī)相連，利用地面交換機(jī)把無線基站傳輸而來的數(shù)據(jù)傳送到地面監(jiān)控終端。在本次系統(tǒng)內(nèi)，暫時(shí)將電池充電方式設(shè)定成電池井上充電，井下更換形式，電池壽命至少要達(dá)到5年。

（4）軌道系統(tǒng)：軌道對(duì)巡檢機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)能起到良好的支撐作用，利用C型軌道作為軌道平臺(tái)，確保機(jī)器人能在軌道區(qū)間上實(shí)現(xiàn)往復(fù)巡檢應(yīng)用。設(shè)計(jì)時(shí)要求軌道承重≥150㎏，嚴(yán)格按照相關(guān)運(yùn)行要求安裝軌道固定支架;對(duì)軌道進(jìn)行全面的防銹處理。

2、軟件系統(tǒng)

（1）PLC控制軟件：以 STEP 7 MicroWIN SP9 V4.0為基礎(chǔ)編寫PLC控制系統(tǒng)，選用西 門子S7—200PLC作為硬件平臺(tái)[4]。依照系統(tǒng)功能可把程序細(xì)化成視音頻、機(jī)器人自體牽引系統(tǒng)輸送機(jī)運(yùn)行及中斷程序控制。

（2）工控機(jī)上位機(jī)監(jiān)控界面：利用OCX控件結(jié)合組態(tài)網(wǎng)的形成共同組建監(jiān)控界面、其中組態(tài)王接口驅(qū)動(dòng)形式表現(xiàn)出多樣化特征，比如快捷組態(tài)監(jiān)控界面，能夠和PLC、0CX控件及礦區(qū)其他接入設(shè)備的數(shù)據(jù)信息與呈現(xiàn)，利用Web發(fā)布形式使數(shù)臺(tái)異地上位機(jī)能同時(shí)訪問、查閱監(jiān)控界面上信息。OCX控件是用VC++語言編寫的，能夠傳輸、處理工控機(jī)和機(jī)器人自體之間的視音頻信號(hào)、控制數(shù)據(jù)等，并具備調(diào)控有關(guān)參數(shù)的功能。

四、智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人應(yīng)用要求及結(jié)構(gòu)組成

1、應(yīng)用要求

（1）作業(yè)環(huán)境濕度大，應(yīng)考慮濕度對(duì)機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定性與檢測(cè)精準(zhǔn)度形成的影響。

（2）大型機(jī)電設(shè)備周邊存有電磁與射頻干擾，要求巡檢機(jī)器人系統(tǒng)自身具備較強(qiáng)的抗干擾能力。

（3）作業(yè)空間有長(zhǎng)度大、起伏轉(zhuǎn)彎不穩(wěn)定及相對(duì)較狹窄等特征，以上這些客觀環(huán)境因素對(duì)巡檢機(jī)器人的行走速度、最大行走距離、爬坡能力以及轉(zhuǎn)彎半徑等均提出較高的要求。

（4）巡視檢查運(yùn)煤廊道運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，要求系統(tǒng)具備較強(qiáng)的智能監(jiān)控功能，監(jiān)控指標(biāo)主要包括設(shè)備溫度、氣體濃度等[5]。

（5）具備較高的安全性，有充電閉鎖、環(huán)境監(jiān)測(cè)分析、聲音收集與雙向?qū)χv、本體自動(dòng)檢查、遠(yuǎn)程操控等諸多功能。

（6）搭建了遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境和設(shè)備持續(xù)的移動(dòng)監(jiān)測(cè)、火災(zāi)事故緊急報(bào)警與處理功能。

2、結(jié)構(gòu)組成

（1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：該系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)了左右壓緊、水平及垂直旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，能確保巡檢機(jī)器人多方位巡檢過程的穩(wěn)定性。

（2）圖像采集系統(tǒng)：該系統(tǒng)上建造了一體化高性能云臺(tái)，系統(tǒng)熱靈敏度<60mK@300K，fl.0，幀頻25Hz，相應(yīng)波段17μm，圖像分辨率50Hz：25fps，?60Hz：30fps（1920×1080），分辨率達(dá)400萬像素，鏡頭是4倍光學(xué)變焦，f=2.8～12mm，灰度等級(jí)≥7級(jí)，能設(shè)計(jì)256個(gè)預(yù)置點(diǎn)，預(yù)制精度<0.05°[6]。

（3）語音對(duì)講及應(yīng)急廣播系統(tǒng)：系統(tǒng)集擴(kuò)音對(duì)講、語音監(jiān)聽、消防廣播與調(diào)度功能為一體，能達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)和調(diào)度室之間的交互對(duì)話與應(yīng)急通訊。參照礦區(qū)實(shí)際應(yīng)用需求，本系統(tǒng)語音監(jiān)聽范疇5～80㎡，且靈敏度有可調(diào)控性，能輸出600～1000Ω的非平衡電阻，在1m距離40dB音源下，信噪比85dB，接收頻率20～20kHz。

（4）環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)：該系統(tǒng)具有氣體、溫濕度、煙霧、光照度及火焰檢測(cè)等功能。對(duì)于礦山惡劣作業(yè)環(huán)境而言，做好氣體檢測(cè)工作具有很大必要性。機(jī)器人能連續(xù)4種高濃度氣體，能夠達(dá)到超限報(bào)警功能。溫、濕度檢測(cè)范圍分別是-40℃～+123.8℃、0%～100%RH，測(cè)量精度分別達(dá)到了±0.5℃與±4.5%RH。煙霧檢測(cè)靈敏度0.5db/m（±0.1db/m），超限報(bào)警濃度為5%obs/m，響應(yīng)時(shí)間≤20s。光照度檢測(cè)的測(cè)量區(qū)間0～65535Lux，并可以參照光照情境的差異性實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)控，黑夜、月夜、陰天室內(nèi)、陰天室外、晴天室內(nèi)及晴天室內(nèi)時(shí)分別是0.001～0.02、0.02～0.3、5～50、50～500、100～1000Lux[7]。

（5）智能防撞和避障系統(tǒng)：該系統(tǒng)是巡檢機(jī)器人長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。本系統(tǒng)內(nèi)精準(zhǔn)探測(cè)障礙物與隧道內(nèi)工作人員，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，具備加強(qiáng)的智能防撞與避障功能，遇到障礙時(shí)能自動(dòng)暫停與預(yù)警。且從運(yùn)行安全的視角分析，通過裝設(shè)安全觸邊，防控碰撞時(shí)對(duì)人員與機(jī)械設(shè)備造成損害。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探測(cè)距離0`3m，探測(cè)角120°，能實(shí)時(shí)更新自身位置信息，定位精準(zhǔn)度達(dá)到0.01m。且會(huì)布置斷定制動(dòng)功能，當(dāng)巡檢機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)階段，若突遇故障問題引起斷電，則機(jī)器人會(huì)即刻停運(yùn)，起到良好的保護(hù)作用。

五、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

1、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

把巡檢機(jī)器人用于某煤礦的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，基于現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)與應(yīng)用，巡檢機(jī)器人能較好的滿足輸送機(jī)運(yùn)輸安全監(jiān)控的現(xiàn)實(shí)需求，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)良，檢測(cè)性能安全、穩(wěn)定，自身具備較強(qiáng)的故障問題辨識(shí)能力，報(bào)警動(dòng)作快速且精準(zhǔn)可信。巡檢機(jī)器人能夠達(dá)到直觀可視化管理。通過構(gòu)建輸送機(jī)管理系統(tǒng)，達(dá)到了巡檢的可視化、一鍵智能化巡檢、智能報(bào)警等諸多功能[8]。

機(jī)器人系統(tǒng)能實(shí)時(shí)調(diào)取煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)畫面與監(jiān)控裝置運(yùn)行參數(shù)。在實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上，于右上角動(dòng)態(tài)、全面的呈現(xiàn)紅外攝像機(jī)監(jiān)控圖像于最高溫度。機(jī)器人能夠利用操作界面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、既往數(shù)據(jù)及參數(shù)規(guī)劃等諸多功能，這是遠(yuǎn)程監(jiān)控巡檢機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，有機(jī)整合遠(yuǎn)程在線監(jiān)控與現(xiàn)場(chǎng)巡檢情況，于輸送機(jī)廊道中建設(shè)出無人巡視和處理管理全新模塊。

2、效果

本煤礦應(yīng)用智能巡檢機(jī)器人之前，人員定額是85人，采用這種機(jī)器人設(shè)備以后，人員定額減少到25人，每年節(jié)約資金在500萬元以上。智能巡檢機(jī)器人明顯提升了煤礦現(xiàn)場(chǎng)管理的自動(dòng)化水平與故障處理效率，明顯降低了工作的作業(yè)強(qiáng)度與事故造成的經(jīng)濟(jì)損失，創(chuàng)造出良好的經(jīng)濟(jì)效益。在確保礦區(qū)生產(chǎn)安全、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，智能巡檢機(jī)器人真正實(shí)現(xiàn)了“智能化減人”的目標(biāo)。

結(jié)束語：

本文設(shè)計(jì)出的巡檢機(jī)器人能利用各類傳感器全面采集礦區(qū)設(shè)備、工作空間環(huán)境等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并將大數(shù)據(jù)分析優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來，精準(zhǔn)掌握煤礦生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，提升設(shè)備性能的利用效率。機(jī)器人還能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)廊道作業(yè)環(huán)境與設(shè)備的整體化檢測(cè)，真正實(shí)現(xiàn)可視化管理與執(zhí)行預(yù)警，提升巡檢功效與精準(zhǔn)度，及時(shí)處理突發(fā)狀況，具有較高的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁虎偉. 礦用帶式輸送機(jī)防爆無人巡檢智能機(jī)器人設(shè)計(jì)研究[J]. 礦業(yè)裝備， 2020， No.111（03）：203-204.

[2]侯海英. 皮帶機(jī)巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J]. 科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊， 2020， v.28;No.706（08）：78-79.

[3]張俊， 馬迅飛， 張進(jìn)鐸，等. 基于人工智能學(xué)習(xí)的巡檢監(jiān)控機(jī)器人系統(tǒng)的探索與研究[J]. 計(jì)算機(jī)時(shí)代， 2019， No.329（11）：21-23+28.

[4]趙海明. 礦井帶式輸送機(jī)故障巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的研究[J]. 江西化工， 2020， No.149（03）：293-295.

[5]徐晉偉. 礦山膠帶運(yùn)輸智能巡檢機(jī)器人的探索與應(yīng)用[J]. 礦業(yè)工程， 2020， v.18;No.106（04）：66-68.

[6]郭志. 礦用帶式輸送機(jī)智能監(jiān)測(cè)及故障預(yù)警系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化， 2020， No.220（03）：156-157+160.

[7]王勇， 張穎輝. 礦用帶式輸送機(jī)智能安全監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化， 2020， 000（006）：203-204，206.

[8]趙寶寶. 井下帶式輸送機(jī)智能安全監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用分析[J]. 石化技術(shù)， 2019， v.26（11）：388+394.

作者簡(jiǎn)介：何勇，1973年4月，男，漢族，廣東興寧人，大學(xué)本科，中級(jí)職稱，機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)。