劉宇航，王 松，呂洪磊

(中國煤炭科工集團 北京天地瑪珂電液控制系統有限公司，北京 100013)

0 引言

在我國現有技術中，運行設備巡檢是有效保障設備安全運行的一項必不可少的基礎性工作。目前，我國工業設備的巡檢方法分為人工巡檢和機器人巡檢。人工巡檢手段以人工感覺器官觀察、手持儀器測量和憑經驗分析診斷為主，巡檢記錄則以手工記錄和筆記本電腦記錄為主。機器人巡檢則是通過軌道導航或自動導航等方式，使機器人在巡檢區域內進行移動，通過傳感器、高清攝像儀等采集儀器，實現現場信息采集。然后通過無線網絡通訊進行信息傳遞，由上位機進行數據的存儲及分析。

近年來，設備的公稱流量、公稱壓力逐步提升，設備運行的危險性也隨之變大，人工巡檢的方式存在安全風險高、工作強度高、工作效率低、巡檢數據分散等明顯弊端，一些高危、惡劣工況(例如高液壓工況、強電壓工況)也并不適合巡檢人員進入，人工巡檢的方式終將被機器人巡檢所取代。

本文從實用性角度出發，介紹了一種適用于大流量液壓區域的巡檢機器人，主要論述了該巡檢機器人的組成結構、自動導航方式、通訊方式、功能特點以及在大流量液壓區域內的應用。

1 巡檢機器人

1.1 巡檢機器人組成

適用于大流量液壓區域的巡檢機器人主要由驅動系統、信息采集系統、信息處理系統、無線通訊系統和自動導航系統組成。驅動系統主要包括步進驅動器、步進電機、絕緣靜音車輪和直線電機；信息采集系統主要包括溫度傳感器、噪聲傳感器、濕度傳感器、振動傳感器和高清攝像儀；信息處理系統包括中央處理模塊、診斷模塊和控制模塊；無線通訊系統主要包括ZigBee模塊、ZigBee協調器、5G基站和5G無線通訊模塊；自動導航系統主要包括紅外傳感器、磁條傳感器、磁條、RFID標簽、RFID射頻識別標簽卡讀寫器和上位機。

1.2 上位機

上位機安裝在測控中心，可通過5G無線通訊技術與巡檢機器人組網，讀取巡檢機器人采集的實時數據、視頻。也可以操作上位機軟件，從而控制巡檢機器人的啟停、巡檢路徑以及高清攝像儀的位置及方向。上位機軟件界面如圖1所示。

圖1 上位機軟件界面

2 巡檢機器人的功能與設計

2.1 巡檢機器人設計

巡檢機器人的主要功能是完成巡檢任務、進行數據采集、數據傳輸以及故障報警。大流量液壓區域實際工況噪聲大、濕度高、信號干擾強(噪聲干擾、其他運行設備信號干擾)，對巡檢機器人功能進行設計應優先選用運行穩定性高的技術。

巡檢機器人外觀采用流線型設計，整體結構緊湊。因其巡檢工況為高濕度、高壓力的大流量液壓區域，所以外殼需具備良好的抗沖擊性及防水性能。外殼材料選用強度高、耐腐蝕性良好、重量輕的碳纖維復合材料；殼體接縫處設有凹槽，凹槽內部安裝有密封條；殼體上所有連接件、緊固件全部加裝密封圈，以防液體滲入巡檢機器人殼體。一些外置傳感器使用透明防霧玻璃罩進行保護。

2.2 自動導航功能

2.2.1 巡檢路線

在地面敷設磁條來規定巡檢機器人的巡檢路線。巡檢機器人的中心線兩側相同位置上安裝磁條傳感器以實時采集路面磁條信號，采集的磁條信號經過診斷模塊判斷，確定小車是否偏離磁條。中央處理模塊接收診斷模塊信息進行處理并傳遞信息到控制模塊，控制模塊控制步進電機運轉，實現巡檢機器人直行或轉彎。

當小車中心未偏離地面敷設磁條時，小車兩側磁條傳感器采集信號相同，控制模塊控制巡檢機器人4個車輪的步進電機以相同的速度運轉，小車直線向前運動。當小車中心偏離地面敷設磁條時，小車兩側磁條傳感器采集信號出現差值，控制模塊控制巡檢機器人4個車輪的步進電機一側制動，一側正常運轉，巡檢機器人進行轉向。自動導航系統尋跡方法如圖2所示。

圖2 自動導航系統尋跡方法

2.2.2 起點終點選擇

地面敷設的磁條上粘貼RFID標簽，而巡檢機器人上安裝了RFID射頻識別標簽卡讀寫器用來掃描讀取RFID標簽。每個RFID標簽寫入不同的ID號和定義，都可以作為巡檢機器人巡檢路線的起點或終點；RFID標簽位置固定，當巡檢機器人經過RFID標簽時，上位機軟件可以對巡檢機器人進行精準定位。

2.2.3 實時定位

驅動系統中選用步距角1.8°的步進電機，步進驅動器不設置細分。步進電機旋轉一周需要360°/1.8°=200個脈沖信號。由上位機統計步進電機脈沖信號數量，計算出巡檢機器人實時位移量=絕緣靜音車輪周長×脈沖信號數量/200，從而實現對巡檢機器人實時位置的確定，并通過RFID標簽定位對其進行校準。

2.3 無線通訊功能

2.3.1 設備與巡檢機器人間無線通訊

本文選用成本低、運行穩定的ZigBee無線通訊技術，在運行設備上安裝ZigBee無線通訊模塊與設備主機或傳感器連接，巡檢機器人上安裝ZigBee協調器、ZigBee無線通訊模塊。通過ZigBee協調器進行ZigBee無線通訊模塊組網，使得每個ZigBee無線通訊模塊在自己信號覆蓋的范圍內能夠與其他多個ZigBee無線通訊模塊無線連接，自動中轉其他ZigBee無線通訊模塊傳輸的數據，實現每個ZigBee無線通訊模塊之間相互通訊，確保設備的各項運行數據穩定傳輸至巡檢機器人。

2.3.2 巡檢機器人與上位機間無線通訊

因傳輸數據量大、傳輸距離遠，為保證實現對巡檢機器人的精準控制，故選用高效率、低延時、遠傳輸的5G無線通訊技術。在巡檢機器人上安裝5G無線通訊模塊，根據現場工況選擇5G基站安裝地點。5G基站提供無線覆蓋，實現巡檢機器人與上位機間的無線通訊：巡檢機器人將采集的設備運行數據及高清攝像儀采集的高清視頻傳遞至上位機；上位機發出信號，選擇巡檢機器人巡檢路徑及控制高清攝像儀轉動。

2.4 數據診斷及故障處理功能

2.4.1 數據診斷及報警

信息采集系統中巡檢機器人上安裝的各傳感器采集數值送至診斷模塊進行判斷，當各傳感器采集數值正常時，巡檢機器人正常運行；當有傳感器采集數值異常時，巡檢機器人步進電機急停，同時警報燈亮起，蜂鳴器工作。當傳感器采集數值恢復正常后，經診斷模塊判斷，巡檢機器人自動恢復運行。

2.4.2 設備故障應急處理

無線通訊系統中ZigBee無線通訊模塊采集設備各項運行數據，運行數據經診斷模塊判斷無誤后發送給中央處理模塊，再由中央處理模塊通過5G無線通訊模塊發送至上位機軟件。運行數據經診斷模塊判斷發現故障時，診斷模塊直接通過ZigBee無線通訊模塊向故障設備發送急停信號，控制設備急停，同時警報燈亮起，蜂鳴器工作。當設備恢復正常后，需重啟巡檢機器人。圖3為故障應急處理流程。

圖3 故障應急處理流程

2.5 實時監控功能

攝像儀選用可360°旋轉、90°俯仰且可變焦的高清攝像儀，將高清攝像儀裝至巡檢機器人上，操作人員根據實際觀察需求，操作上位機軟件發出指令，巡檢機器人通過5G無線通訊模塊接收指令信息，將信息傳遞至中央處理模塊，中央處理模塊向控制模塊傳遞信息，由控制模塊控制驅動系統中的直線電機運動，調節高清攝像儀的垂直高度，并控制高清攝像儀旋轉、俯仰，實現360°無死角監控。

3 應用效果

巡檢機器人具備高清視頻傳輸、設備運行數據記錄、故障急停等關鍵功能，滿足大流量液壓區域內巡檢工作需求，既能采集工況信息，又能與運行設備數據互通采集設備運行信息，且具有運行穩定性高、可進行采集數據分析、檢測故障報警并急停設備、安全可靠性高等優勢，可以代替人工巡檢，解決了高危工況下人工巡檢危險度高的難題，同時解放了勞動力。圖4為其實際應用圖。

圖4 實際應用