選煤廠智能巡檢機器人的設計與研究

高娟娟

(西山煤電鎮城底礦選煤廠，山西 太原 030203)

0 引 言

近年來，隨著能源需求的不斷增長，煤礦的開采強度也在逐漸加大，選煤廠是煤礦生產系統中最重要的環節，目前國內大多數選煤廠采用的均是流水線作業，如同車軸加工生產線，每一個環節通過中間轉運設備彼此連接，實現了從原煤產出到最終分選出不同類型煤的全過程自動化，尤其是在洗滌過程中的關鍵設備非常容易發生故障，當其中的某臺設備發生故障時將會導致整個生產系統出現故障，必須進行停工維修[1]。設備停工對企業的產量和效益影響很大，為保證選煤廠工作效率和避免事故發生，人工巡檢是目前采取的主要措施，目前常用的人工巡檢主要是通過人工用肉眼進行觀察，查看設備的運行狀態，通過聽聲音分析設備可能的故障，通過觸摸設備外表面感知設備的溫度變化等，最終收集到關于設備的運行數據信息并記錄，隨后對巡檢結果進行報送有關部門進行維修，整個巡檢過程時間比較長，工人數量比較多，人工勞動強度比較大，人工巡檢成本較大，且在巡檢過程中容易受到人為、經驗等因素的影響會導致最終巡檢效果不理想，存在漏巡檢、巡檢結果不匯報等問題，嚴重影響選煤廠的長久安全運行。針對上述問題，通過利用比較先進的機器人技術和故障識別算法，設計了一種選煤廠智能巡檢機器人，實現代替人工完成選煤廠設備運行和工作環境巡檢，減輕工人的勞動強度、提高工作效率，保證煤礦的產量和企業效益。

1 選煤廠機器人巡檢要求

對選煤廠設備進行定期巡檢對于保證煤礦安全高效生產具有重要的作用[2]，傳統的人工巡檢方式如圖1所示，存在工人勞動強度大、巡檢效率低等問題，為此提出智能機器人巡檢方案。 巡檢技術要求及目標主要有以下方面。

圖1 選煤廠人工巡檢現場圖

(1) 工作環境要求。智能巡檢機器人需要代替人工完成選煤廠設備運行狀態的巡檢，首先需要滿足煤礦選煤廠的工作環境要求。選煤廠的實際工作環境比較復雜，長期處于潮濕、多塵和電磁輻射嚴重的環境中，需要巡檢機器人結構本體能夠適應復雜的工作環境，不發生電路系統故障和運行故障。

(2) 人工與智能融合。按照人工巡檢的基本要求，智能巡檢系統需要融合人工巡檢的所有功能，包括機器人自移動功能，實現自主行走，同時在運行過程中對環境中對有毒有害氣體的檢測、設備表面的溫度變化檢測、設備運行聲音的檢測、運行設備運行過程中的動態監測等全方位檢測。

(3) 信息采集與分析。智能巡檢機器人需要準確提取故障信息并對所獲故障信息進行分析，判斷出故障的類型并及時進行報警維修。綜上，為保證實際巡檢的設計應用效果，利用先進技術，包括視頻成像技術、紅外線熱成像技術、煙霧檢測技術等多種技術相互融合，通過機器人本體模塊實現對所有參數信息的采集和分析，開發出友好的人交互界面，對巡檢機器人本體信息所處環境和采集故障信號等通過網絡通訊系統進行上傳，最后在監控系統中顯示實際巡檢效果，滿足選煤廠設備的巡檢要求。

2 選煤廠智能巡檢機器人總體方案設計

選煤廠智能巡檢機器人的設計需要解決行走、故障檢測、無線通訊和上位機顯示四大問題。機器人行走機構目前常用的主要有輪式行走、履帶式行走、足式行走和軌道式行走，由于煤礦選煤廠環境比較復雜，車間內設備眾多，且車間內地面鋪設有用于轉運煤的軌道等，加上選煤廠選煤工藝復雜需要使用大量的設備，地面空間相對較少，采用傳統在地面行走機構并不適合巡檢機器人。通過對國內孟家窯煤礦選煤廠進行深入實際調查，最終得出可以利用車間上方空間進行巡檢，通過在設備上方鋪設軌道系統，將機器人布置在軌道上可以實現自動行走從而完成巡檢任務。圖2所示為本次設計的選煤廠智能巡檢機器人系統方案。

圖2 選煤廠智能巡檢機器人本體方案

選煤廠智能巡檢機器人主要包括支撐機器人的軌道系統和機器人本體兩部分組成，如圖2所示，此外巡檢機器人本體上安裝有傳感器監測裝置、無線通訊發送與接收裝置、大容量可充電里鋰電池等部分。利用軌道式行走可以較為精確控制機器人的運動路徑，通過在半空中對設備進行巡檢能夠獲得更大的巡檢覆蓋面積。

如圖2所示的傳感器模塊。巡檢機器人本體搭載的多種傳感器，主要包括溫度傳感器、CH4傳感器、煙霧傳感器、CO傳感器、CO2傳感器等多種傳感器用于采集環境的溫度和有毒有害氣體濃度的數據；搭載有紅外線成像儀，通過對設備表面的溫度進行遠距離檢測從而識別溫度變化故障。同時在圖像測溫系統上，主要采用的是熱成像網絡智能攝像機，可以得到可見光的最大分辨率達到了1 900×1 000，圖像非常清晰，可以直接獲取到設備運行狀態清晰數據。

巡檢機器人支撐系統是以軌道作為核心，通過在車間上方架設運行軌道，即工字型梁，將巡檢機器人布置在軌道上，利用軌道下翼緣板作為機器人的支撐，設計了輪式行走機構，多個輪卡在下翼緣側方，利用步進電機驅動移動輪實現在軌道上的運行，相比于傳統的履帶式或輪式行走機構，軌道式行走可以有效利用空間資源，對選煤廠車間進行全方位巡檢。如圖3所示為軌道系統連接圖。

圖3 軌道連接結構圖

如圖所示的軌道系統是由高強度的鋁合金導軌拼接而成，軌道平臺的實際要求承載重量為機器人的自重，大約為60 kg以上，在每隔3 m左右安裝一個軌道固定支架，用于對軌道的支撐，連接結構可靠、軌道自重較小，可以根據車間的實際情況隨意布置，包括轉彎、坡度、直線均可以實現，運動范圍更大，巡檢效果更好。

3 選煤廠智能巡檢機器人無線通訊系統設計

網絡通訊系統是實現將現場的圖像、聲音等信息傳送到上位機的關鍵環節，也是保證巡檢過程高效最重要的環節。巡檢機器人本體自身具有信號發射裝置，用現場的光纖通信傳輸網絡的光纜和100 m的光纖收發器作為系統的主干設備，巡檢機器人和遠程監控系統終端之間采用以太網進行通訊。為了保證選煤廠巡檢機器人能夠適應煤礦井下復雜的地質條件，需要保證無線基站能夠滿足選煤廠的實際工況，也就是需要進行防爆設計。無線基站之間是通過光纖進行連接，保證數據傳輸的可靠性和穩定性。圖4所示為無線通訊系統原理圖。

圖4 無線基站通訊系統原理圖

表1所列為無線基站參數信息表。

表1 無線基站參數信息

4 上位機監控系統設計和應用現場

利用巡檢機器人本體搭載的多種傳感器和視頻成像裝置實現對選煤廠設備和人員的巡檢，同時包括對設備表面溫度、空氣中有毒有害氣體的濃度等參數的檢測，通過無線通訊系統將采集到的數據上傳到集中監控室內，并利用上位機監控系統顯示和報警。利用Microsoft Visual軟件編寫了監控系統后臺程序和故障識別分析算法，并利用Labview 2018設計了人機操作界面，圖5所示為選煤廠智能巡檢機器人上位機監控系統界面，其中包括前置攝像機和旋轉攝像機兩個畫面，從中可以查看現場運行狀況和設備故障等。

圖5 上位機監控系統界面

利用上位機監控系統可以將選煤廠運行工況清晰還原，同時代替傳統的人工完成選煤廠設備的巡檢任務。將設計的這套智能巡檢機器人在某選煤廠應用，現場應用表明：采用本套智能巡檢系統可以實現全天24 h不間斷巡檢，1臺設備至少可以代替傳統的5～6人完成選煤廠的巡檢任務，大大降低了企業的巡檢投入成本，有效避免選煤廠安全事故的發生。圖6所示為現場應用異物識別圖。

圖6 巡檢機器人異物識別應用現場圖

5 結 語

針對目前國內選煤廠采用人工巡檢存在的工人勞動強度大、工作效率低、巡檢容易出現紕漏，造成選煤廠安全事故等問題，設計了一種選煤廠智能巡檢機器人，設計了軌道式行走機構和巡檢機器人本體模塊，可以實現選煤廠車間內的自由移動和信號的采集，并開發了上位機監控系統界面，將選煤廠采集到的信號通過無線通訊系統傳輸到地面監控站，可以實現遠距離監控，相比于傳統的人工巡檢，可實現全天24 h不間斷巡檢，通過紅外熱成像探查設備表面的溫度和工人的溫度，對異常溫度進行報警，從而達到巡檢少盲區的效果，極大降低企業的巡檢成本，避免企業安全事故發生。