礦用帶式輸送機巡檢機器人控制系統(tǒng)方案研究與應用

任俊瑾

(山西呂梁西山華威礦業(yè)管理有限公司， 山西 交城 033000)

礦用帶式輸送機長時間、遠距離、高負荷運行于井下惡劣環(huán)境，發(fā)生跑偏、縱撕、打滑等故障概率極高。研究高效、智能化的帶式輸送機巡檢機器人，替代人工完成帶式輸送機故障點巡檢任務以及實時監(jiān)測煤礦巷道有毒有害氣體、火災隱患成為亟需解決的問題。黃世頂[1]等分析了巡檢機器人國內外研究現(xiàn)狀，探討了巡檢機器人移動平臺、監(jiān)測系統(tǒng)、自主充電系統(tǒng)等關鍵技術，并展望了巡檢機器人靈活化、輕巧化、智能化發(fā)展趨勢，但未進行試驗及應用分析。趙仁漁[2]等針對深槽大傾角強力帶式輸送機研制了智能帶式輸送機巡檢機器人，分析了巡檢機器人本體、傳動系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)以及故障診斷系統(tǒng)設計，但未對巡檢機器人的智能控制系統(tǒng)做詳細分析。邵珠娟[3]等為解決帶式輸送機人工巡檢工作中存在的運行效率低的問題，提出了智能帶式輸送機巡檢機器人方案，分析了應用要求、結構組成以及在魯西煤礦的現(xiàn)場實際應用效果，為帶式輸送機“智能化減人”提供應用參考，但應用效果需進一步驗證。本文在上述研究成果的基礎上重點研究礦用帶式輸送機巡檢機器人的系統(tǒng)組成、系統(tǒng)軟硬件，分析了巡檢機器人的工業(yè)試驗情況，以為礦用帶式輸送機控制系統(tǒng)智能化提供借鑒。

1 控制系統(tǒng)總體方案

礦用帶式輸送機巡檢機器人控制系統(tǒng)由感知單元、驅動單元、遠程控制單元、充電單元以及行走軌道組成，見圖1. 巡檢機器人感知單元由主控箱、鋰電池箱、智能傳感器裝置、高清防抖攝像儀、紅外熱成像儀、拾音裝置以及機械輔助連接結構組成。主控箱內部布置有控制器、供電電源、模擬量隔離柵、語音報警器、繼電器等電氣元器件，用于接收并處理傳感器裝置、攝像儀等信號，并完成巡檢機器人的行走、停止、充電、報警等控制。鋰電池箱內布置有多塊鋰電池，為巡檢機器人提供電源，可通過充電單元實現(xiàn)無線/有線自主充電。智能傳感器裝置用于監(jiān)測帶式輸送機、巷道實時狀態(tài)，需采集、處理的傳感器信號有煙霧、CO、CO2、甲烷、溫度、聲音等；另外還需對帶式輸送機機身局部圖像、巷道溫度變化數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，防止皮帶跑偏、縱撕、機架故障、設備熱集中。高清防抖攝像儀用于對帶式輸送機運行環(huán)境進行全域監(jiān)測并完成圖像處理，可實現(xiàn)360°無死角監(jiān)測[4-5]. 充電單元可為巡檢機器人完成接觸式、非接觸式自主充電，當鋰電池箱內電池電量過低時，自動尋找最近的本安型充電樁補充能量，保障巡檢機器人不停機連續(xù)工作。充電單元還可完成自動電量監(jiān)測，實現(xiàn)巡檢機器人長距離巡檢續(xù)航。驅動單元用于控制巡檢機器人沿行走軌道運行，相較于輪式傳動、履帶式傳動、懸線式傳動，軌道式傳動平穩(wěn)性好、功耗低、能適應不同路面工況，適合煤礦井下惡劣運行環(huán)境。遠程控制單元為巡檢機器人的“大腦”，負責發(fā)送控制指令并實時顯示巡檢機器人運行狀態(tài)，有故障時發(fā)出故障預警[6-7]. 遠程控制單元與感知單元之間以5G無線通信模式完成數(shù)據(jù)交互，感知單元與充電單元以5G無線通信+有線方式完成充電及電量監(jiān)測動作，感知單元與驅動單元以有線方式完成控制指令的傳輸。

圖1 巡檢機器人控制系統(tǒng)總體方案圖

2 控制系統(tǒng)硬件設計

礦用帶式輸送機巡檢機器人控制系統(tǒng)硬件方案框圖見圖2，感知單元獲取安裝在巡檢機器人本體的傳感器、激光雷達、攝像儀、紅外成像儀數(shù)據(jù)后以無線通信模式傳送給防爆控制箱，完成對巡檢機器人的控制。

圖2 巡檢機器人控制系統(tǒng)硬件框圖

礦用帶式輸送機巡檢機器人控制系統(tǒng)用傳感器及對應識別的故障見表1，自動巡檢并監(jiān)測帶式輸送機故障。巡檢機器人感知單元周期性的采集傳感器模擬量電流信號、模擬量電壓信號后進行A/D處理、閾值判斷，分析并識別是否發(fā)生故障。

表1 巡檢機器人控制系統(tǒng)用傳感器及識別故障表

高清攝像儀需具備無線圖傳、高清視覺成像、支持多種圖像格式，可實現(xiàn)移動偵測、區(qū)域偵測以及越界偵測。紅外熱成像儀用于捕獲帶式輸送機關鍵機械零件溫度變化并可通過有線/無線通信方式將圖片信息傳送至感知單元。無線通信裝置由無線基站、井下無線終端、地面監(jiān)控無線終端等組成，在巷道內建立定向大數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)巡檢機器人感知單元與遠程控制單元、充電單元數(shù)據(jù)的實時傳送，實現(xiàn)巡檢機器人運行狀態(tài)數(shù)據(jù)與地面監(jiān)控室的實時回傳。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

礦用帶式輸送機巡檢機器人軟件方案基于keil-MDK軟件開發(fā)平臺實現(xiàn)，采用C語言編程實現(xiàn)，系統(tǒng)軟件框圖見圖3，由初始化模塊、中斷處理模塊、信息采集模塊、巡檢機器人本體控制模塊、故障處理模塊以及數(shù)據(jù)顯示模塊組成，可實現(xiàn)對巡檢機器人啟動/停止、前行/后退控制。同時可控制安裝在巡檢機器人本體的攝像儀，進行360°旋轉控制；可完成巷道圖像成像、圖像切換以及錄像功能。

圖3 巡檢機器人控制系統(tǒng)軟件框圖

4 應用分析

設計并實現(xiàn)的礦用帶式輸送機巡檢機器人在山西呂梁離石交口煤礦進行工業(yè)試驗，根據(jù)現(xiàn)場試驗環(huán)境，巡檢機器人的主要技術參數(shù)見表2，數(shù)據(jù)傳輸用5G、TCP/IP、HTTP/HTTPS等混合通信模式，可實現(xiàn)手動巡檢、一鍵智能巡檢，并支持接觸式、非接觸式自主充電、緊急避障、行程限位、累計誤差糾錯等功能。

表2 巡檢機器人主要技術參數(shù)表

經過6個月的工業(yè)試驗，取得的實際應用效果有：1) 通過紅外熱成像儀，可對托輥溫度異常升高的故障狀態(tài)進行檢測，同時還可利用抓拍的托輥圖片進行二次檢測。2) 通過高清攝像儀，可對帶式輸送機帶面的損壞情況進行檢測，檢測帶面是否存在大塊矸石以及異物等，同時可獲取帶面與托輥邊緣的距離，為判斷跑偏故障提供輔助依據(jù)；可對巷道內的監(jiān)控點拍照，判斷是否存在漏水、堆煤故障。3) 通過溫度、煙霧、有毒有害氣體傳感器可檢測帶式輸送機運行巷道內的環(huán)境參數(shù)，當傳感器參數(shù)異常時發(fā)出故障報警信號。

應用帶式輸送機巡檢機器人后，能夠實現(xiàn)對帶式輸送機的安全監(jiān)控、故障識別、語音聲光報警、直觀可視化智能管理等功能。通過巡檢機器人遠程控制單元可實現(xiàn)對巡檢機器人的遠程控制、在線監(jiān)測、參數(shù)設置、歷史故障信息查詢等功能，實現(xiàn)了帶式輸送機巡檢可視化、巡檢智能化。巡檢機器人投入使用代替人工巡檢后，每班減少巡檢工2名，每天減少巡檢工6名，按照每人每年人工成本12萬元計算，年節(jié)約人工成本約72萬元。

5 結 語

以礦用帶式輸送機巡檢機器人控制系統(tǒng)為研究對象，重點研究了巡檢機器人控制系統(tǒng)總體方案、軟硬件設計，并在山西呂梁離石交口煤礦完成工業(yè)試驗，得出以下結論：1) 帶式輸送機巡檢機器人應用效果與感知單元、驅動單元、充電單元、遠程控制單元相關，技術趨勢為智能巡檢、無線充電以及高效的圖像、聲音識別算法。2) 工業(yè)試驗結果表明，采用帶式輸送機巡檢機器人后，可降低巡檢人員的勞動強度和數(shù)量，提升故障識別效率，推進帶式輸送機智能化水平，具有良好的社會經濟效益。