智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)在煤礦井下應(yīng)用分析

＊杜海明

（中煤昔陽能源有限責(zé)任公司白羊嶺煤礦 山西 045300）

帶式輸送機(jī)是煤礦井下作為常用運(yùn)輸設(shè)備，山西某礦為設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力150萬t/a的大型現(xiàn)代化礦井，井下運(yùn)輸系統(tǒng)主要由中央大巷帶式輸送機(jī)、東翼大巷帶式輸送機(jī)以及回采工作面運(yùn)輸順槽帶式輸送機(jī)等構(gòu)成。礦井回采的15#煤層賦存較為穩(wěn)定，帶式輸送機(jī)采用傳統(tǒng)的人工巡檢方式。人工巡檢時(shí)主要存在下述主要問題[1-3]：（1）運(yùn)輸系統(tǒng)視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控以及人員定位等系統(tǒng)相互獨(dú)立，無法實(shí)現(xiàn)信息共享，導(dǎo)致運(yùn)輸系統(tǒng)管理效率較低；（2）地面監(jiān)控中心管理人員僅通過巡檢人員報(bào)告掌握運(yùn)輸系統(tǒng)沿線環(huán)境以及設(shè)備運(yùn)行情況；同時(shí)由于運(yùn)輸環(huán)節(jié)多、距離長等，人工巡檢容易出現(xiàn)遺漏，運(yùn)輸系統(tǒng)故障難以及時(shí)排除。提高帶式輸送機(jī)巡檢效率對提高井下煤炭運(yùn)輸安全保障能力具有重要意義。為此，文中設(shè)計(jì)一種智能巡檢機(jī)器人，并應(yīng)用于井下煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)巡檢中，現(xiàn)場取得了較好的應(yīng)用效果。

1.巡檢機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

巡檢機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)故障報(bào)警系統(tǒng)、托輥故障監(jiān)測系統(tǒng)以及輸送機(jī)運(yùn)輸沿線報(bào)警系統(tǒng)等構(gòu)成[4]。為了確保帶式輸送機(jī)無故障運(yùn)行以及運(yùn)行安全性，采用智能化技術(shù)以及數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)對可能影響帶式輸送機(jī)運(yùn)行的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終與規(guī)則庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，從而掌握帶式輸送機(jī)運(yùn)行情況以及沿線環(huán)境參數(shù)。巡檢機(jī)器人隨機(jī)布置有多種傳感器，對沿線環(huán)境中的聲音、圖像、紅外熱成像、氣體濃度等，巡檢機(jī)器人可對實(shí)時(shí)巡檢沿線帶式輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)及整體運(yùn)行工況，分析帶式輸送機(jī)運(yùn)行情況，并現(xiàn)場潛在的故障進(jìn)行判定，從而提高帶式輸送機(jī)運(yùn)行可靠性[5-6]。

2.巡檢機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

(1)電動(dòng)機(jī)故障報(bào)警系統(tǒng)

帶式輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)故障高發(fā)位置為電動(dòng)機(jī)軸承，在整個(gè)生命周期范圍電動(dòng)機(jī)軸承振動(dòng)頻率呈現(xiàn)變化趨勢，通過監(jiān)測電動(dòng)機(jī)軸承振動(dòng)情況即可評估電動(dòng)機(jī)運(yùn)行以及使用狀態(tài)。使用振動(dòng)傳感器對電動(dòng)機(jī)軸承振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測，并將振動(dòng)信號轉(zhuǎn)換成電信號傳輸給監(jiān)控上位機(jī)，依振幅響應(yīng)以及故障頻率對軸承運(yùn)行情況進(jìn)行判定[7-8]。具體電動(dòng)機(jī)軸承振動(dòng)信號傳輸流程見圖1所示。

圖1 電動(dòng)機(jī)軸承振動(dòng)信號傳輸流程

巡檢機(jī)器人本體運(yùn)行至機(jī)頭、機(jī)尾位置后，控制中心會(huì)自動(dòng)將信號傳輸給巡檢機(jī)器人本體，并通過巡檢機(jī)器人本體自身的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給地面監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握。

(2)托輥故障監(jiān)測系統(tǒng)

該系統(tǒng)使用傳感器對輸送機(jī)支架振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行檢查，從而對托輥運(yùn)行參數(shù)以及異常磨損情況進(jìn)行判定，并依據(jù)診斷結(jié)果確定是否發(fā)出預(yù)警信號。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)見圖2所示。結(jié)構(gòu)包括有振動(dòng)傳感器、信號傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)采集器以及上位機(jī)等，可智能對托輥存在的故障以及異常磨耗情況等進(jìn)行監(jiān)測。

圖2 托輥故障監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在帶式輸送機(jī)沿線托輥側(cè)按照30m間隔布置1臺(tái)振動(dòng)傳感器，間隔300m布置1臺(tái)數(shù)據(jù)采集器，即一臺(tái)數(shù)據(jù)采集器服務(wù)10臺(tái)振動(dòng)傳感器。數(shù)據(jù)采集器獲取到的振動(dòng)信號通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)；上位機(jī)依據(jù)內(nèi)置數(shù)據(jù)處理程序?qū)ν休佭\(yùn)行情況以及異常磨損情況等參數(shù)進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果在上位機(jī)顯示屏上顯示，從而有效避免托輥異常導(dǎo)致帶式輸送機(jī)異常停機(jī)或者火災(zāi)等情況出現(xiàn)。具體現(xiàn)場托輥故障監(jiān)測系統(tǒng)中振動(dòng)傳感器技術(shù)參數(shù)見表1所示。

表1 振動(dòng)傳感器技術(shù)參數(shù)

(3)輸送機(jī)運(yùn)輸沿線報(bào)警系統(tǒng)

帶式輸送機(jī)在運(yùn)輸巷道內(nèi)布置，存在光照不足、空間狹小、工作環(huán)境惡劣等問題。為了實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)沿線環(huán)境掌握，在帶式輸送機(jī)支架上加裝金屬外框支撐巡檢機(jī)器人運(yùn)行軌道，使用巡檢機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工方式進(jìn)行巡檢。輸送機(jī)運(yùn)輸沿線報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括有防區(qū)處理單元、報(bào)警主機(jī)、振動(dòng)感應(yīng)光纖、傳感器、通信光纜以及報(bào)警控制服務(wù)器等構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)見圖3。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)沿線環(huán)境中實(shí)時(shí)畫面、聲音、氣體成分等進(jìn)行監(jiān)測，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的故障風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 輸送機(jī)運(yùn)輸沿線報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

①視頻采集分析。在巡檢機(jī)器人本體上安設(shè)2組攝像頭，一組為高清防爆攝像機(jī)、一組為紅外熱成像儀，高清防爆攝像機(jī)用以對巡檢沿線帶式輸送機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、記錄；紅外熱成像儀用以對托輥軸承溫度、輸送帶溫度等進(jìn)行監(jiān)測，從而確保帶式輸送機(jī)可平穩(wěn)運(yùn)行。帶式輸送機(jī)沿線布置2道巡檢機(jī)器人軌道，一道位于行人側(cè)用以對行車側(cè)電纜、軌道、托輥等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；一道位于非行人車用以對外部環(huán)境、托輥以及束管監(jiān)測氣體是否泄漏等進(jìn)行監(jiān)測。

②環(huán)境參數(shù)。巡檢機(jī)器人在工作時(shí)采用傳感器對巡檢位置聲音進(jìn)行采集，特別是當(dāng)發(fā)現(xiàn)托輥運(yùn)行發(fā)出異常聲響時(shí)巡檢系統(tǒng)會(huì)發(fā)出預(yù)警，提醒相關(guān)人員及時(shí)處理。由于在巷道內(nèi)布置有瓦斯抽采管路、壓風(fēng)、壓水等多種管路，在巡檢機(jī)器人本體上布置有氣體成分探測傳感器可實(shí)時(shí)對巡檢沿線環(huán)境氣體成分進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測值超過預(yù)先設(shè)定值時(shí)巡檢機(jī)器人會(huì)發(fā)出聲光信號并將異常結(jié)果傳輸給地面監(jiān)控中心，從而確保帶式輸送機(jī)可以平穩(wěn)運(yùn)行。具體輸送機(jī)運(yùn)輸沿線報(bào)警系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表2所示。

表2 技術(shù)參數(shù)

3.現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

將智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用到礦井東翼大巷帶式輸送機(jī)（功率710kW、長度1550m）、中央大巷帶式輸送機(jī)（710kW、長度600m）以及15108回采工作面運(yùn)輸順槽帶式輸送機(jī)（功率1500kW、長度2700m）。

通過智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡檢方式對輸送機(jī)沿線進(jìn)行巡檢，現(xiàn)場應(yīng)用后巡檢人員減少6名，預(yù)計(jì)年可節(jié)省人工成本約50萬元。同時(shí)智能巡檢機(jī)器人巡檢密度更大，每班可巡檢2次。若巡檢過程中發(fā)現(xiàn)帶式輸送機(jī)存在異常時(shí)，巡檢機(jī)器人會(huì)在井下發(fā)出預(yù)警信息并通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將故障類型及位置傳輸給地面監(jiān)控中心，從而降低帶式輸送機(jī)故障影響。

智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)應(yīng)用前，受到巡檢以及故障排查不到位等因素影響，帶式輸送機(jī)每年平均出現(xiàn)2次縱向撕裂、煤倉堵倉10次、托輥損壞180多套，導(dǎo)致運(yùn)輸中斷時(shí)間達(dá)到120h以上；使用智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)應(yīng)后，輸送帶縱向撕裂、托輥損壞以及煤倉堵倉等事故基本得以杜絕。

4.總結(jié)

（1）帶式輸送機(jī)運(yùn)輸采用傳統(tǒng)的人工巡檢方式存在巡檢間隔長、故障排除困難以及預(yù)警不及時(shí)等問題，為此，提出將智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用到井下巡檢中。并對智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及各子系統(tǒng)運(yùn)行原理、功能以及結(jié)構(gòu)參數(shù)等進(jìn)行詳細(xì)參數(shù)進(jìn)行闡述。

（2）現(xiàn)場應(yīng)用后實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)智能巡檢，無需安排巡檢人員即可掌握帶式輸送機(jī)運(yùn)行情況，帶式輸送機(jī)縱向撕裂、托輥損壞以及煤倉堵倉等事故基本得以杜絕。