煤礦井下皮帶輸送機防爆巡檢機器人研究

龍再萌， 夏景剛

（1.中煤科工集團上海有限公司， 上海 200000； 2.南京雙京電器集團有限公司， 江蘇 南京 211500）

0 引言

我國提出的碳達峰、 碳中和目標將加速我國能源轉型和能源革命進程，同時也將倒逼煤炭的采、掘、運的技術升級， 提高經濟增長質量。 國家煤礦安全監察局發布《煤礦機器人重點研發目錄》， 將重點研發的煤礦機器人分為掘進、采煤、運輸、安控和救援共5 大類、38 種，明確將大力推動煤礦現場作業的少人化和無人化。 煤礦井下煤炭的運輸主要采用帶式輸送機， 煤礦井下輸送機安裝巷道窄小，環境黑暗，經常出現托輥損壞、輸送帶斷裂、縱撕、跑偏、打滑、火災以及物料堆積等問題，嚴重時會造成設備及人員的重大損失。 6～8km 長距離的皮帶運輸主要采用人工巡檢方式進行， 這種人工投入的方式存在許多的弊端。 主要體現在一是人員多，勞動強度大。 二是故障點多，無法及時排查。 三是皮帶運輸狀態缺乏實時觀察。

巡檢機器人集機械、電子、自動化、傳感器、計算機、移動通信和礦用防爆等技術為一體，是多學科相互交又、融合的系統，它能實現從大型設備（如帶式輸送機）機頭到機尾的全線范圍內的移動巡檢，連續采集、存儲、傳輸現場的圖像、聲音、溫度、煙霧等數據，通過對采集數據的分析，不但對設備的工作環境進行全程實時監測，及時發現故障位置并報警處理， 預防和減少設備的故障發生并有效降低事故的發生率。 人工智能的運用將大大減輕煤礦工人的勞動強度，提升礦井安全管理，實現數據的實時采集、遠程監控、故障預警、趨勢預判等功能，但煤礦井下環境惡劣，存在較多的甲烷危險氣體區域，機器人的裝備需要采用隔爆、本質安全、澆封等防爆關鍵技術處理，機器人的防爆安全顯得尤為重要[1]。

因此， 對關鍵設備運行情況的實時監控是非常必要的，而替代人工的巡檢機器人將扮演越來越重要的角色。

1 巡檢機器人的組成

礦井防爆軌道式巡檢機器人通過固定軌道的方式解決機器人路徑規劃、 導航和避障的難題， 提高運行穩定性。 巡檢機器人通過對設備早期發熱（溫度監測）、外觀異常（圖像處理）、聲音異響（噪音檢測）等進行檢測來預防和發現設備故障。 如圖1，長距離的皮帶輸送中，機器人通過掛軌搭載溫濕度、圖像、紅外熱成像、氣體探測等傳感器，移動探測皮帶的煤炭堆積、溫度、甲烷濃度、粉塵濃度等情況，指揮中心調看運輸機上的圖像畫面。機器人的巡檢需要按照軌道自動移動行走、定點停靠，避障停車，圖像實時通信，災害報警、故障區域定位等功能[2]。

圖1 軌道式皮帶機巡檢機器人

總體設計參數：①最長巡檢距離＞8km；②最長運行時間＞8h；③巡檢速度≤0.4m/s；④爬坡角度≤20°；⑤機器人本體重量≤80kg；⑥多參數采集：溫度、濕度、紅外溫度成像、甲烷濃度、粉塵濃度的參數采集。

巡檢機器人采用軌道式包膠滾輪行走結構，48V 磷酸鐵鋰鋰離子電池驅動動力。 巡檢機器人主要由軌道式行走機構、電池系統、采集與控制系統、通信系統四部分組成，如圖2 所示。

圖2 機器人系統組成

1.1 軌道式行走機構

皮帶巡檢機器人對長距離的皮帶機狀態巡檢，首先應確定巡檢機器人的運行和驅動方式。 針對皮帶機結構的特點，需要研究出結構牢固、安裝方便、 有利于巡檢機器人節能的單軌懸掛軌道運行方式。 行走機構采用直流電機驅動，通過減速齒輪驅動4個行走動力輪移動。 行走機構通過設置動力輪、頂緊輪、限位槽、定位槽、限位滾輪和定位滾輪起到行走機構啃軌能力更強的作用， 防止在巡檢過程中機器人因震動劇烈出現傾倒，起到移動支點作用，達到平穩前進的效果，實現機器人的爬坡、下坡、制動、定點停車[3]。

1.2 電池系統

電池系統是機器人行走動力， 巡檢機器人需要搭載防爆外殼，各類溫濕度、圖像傳感器，通信裝備，增加了自身的負重，為保證巡航能力，需要研究合適的巡航動力，防爆鋰離子電池動力在煤礦井下有非常嚴格的規定，需要研究其動力的安全性以保證機器人的安全運行。 電池系統采用16 個單體10Ah，3.2V 的磷酸鐵鋰電池串聯組成電池模組，配備BMS 充放電管理系統。 BMS 充放電管理系統對單體電池過充、過放、充電過流、放電過流保護和輸出短路保護。

1.3 采集與控制系統

采集與控制系統是機器人行走控制的關鍵， 系統采用STM32 芯片，根據接收外部信號控制機器人的起停、報警，同時對外部本安信號進行隔離， 實現電路上的安全控制。巡檢機器人配置了氣體、粉塵、溫濕度、紅外攝像、可見光攝像傳感器，對各環境參數進行數據采集。在控制系統中需要解決機器人的快速巡檢、慢速巡檢、定位巡檢、手動巡檢的工作模式。 在對主驅動電機的故障檢測上配置了骨傳聲紋傳感器，可對主電機進行超前預警監控，系統接收骨傳聲紋傳感器的無線解析信號，從而實現多方位的數據采集。

1.4 通信系統

巡檢機器人的巡檢數據傳回、啟停控制等環節完全依靠無線通信技術實現。 通信系統將實現長距離對采集的溫濕度、氣體濃度、數據與沿路基站進行無線上傳[4]。巡檢機器人在長距離的運行階段， 在巡檢過程中需要與經過的各點進行多點通信，保證數據的連續上傳，同時實現軌跡定位。巡檢機器人在巡檢過程中采用Zigbee 的通信方式，與沿線的跑偏、撕裂、溫度等傳感器進行數據交換，巡檢機器人利用煤礦井下的4G 的通信網絡，對圖像數據進行無線傳輸，經井下分站傳輸至監控中心[5]。

2 多參數環境感知技術

巡檢機器人在長距離的運行過程中需要對巡檢區域的環境參數進行采集，巡檢機器人搭載照明裝置、傳感器能夠檢測巷道中的CH4、粉塵濃度、溫濕度、煙霧、異常聲音，搭載紅外熱成像儀對設備溫度進行采集，以檢查機械設備、滾筒、托輥、皮帶上煤炭等物體的溫度，從而自動判斷和故障定點報警，給出故障點的位置。

2.1 溫度感知

溫度是火災事故的點燃源，在無人值守的狀態下，需要紅外熱成像儀對皮帶機上運輸煤炭的溫度、 運輸部件的溫度、主驅動機構的外部溫度采集，實現溫度的自動巡航檢測、自動預警。機器人搭載紅外熱成像和高清攝像的非晶硅雙光譜球機，集可見光、紅外成像、高性能轉臺，2D FFT 圖像算法于一體。隔爆兼本質安全型紅外熱成像儀需要達到Ex db[ib] I Mb，IP54 的級別。熱像儀利用在線觀測模式，根據皮帶機內設備的遠近，調節鏡頭焦距，直至成像清晰，觀測紅外在線圖像觀測[6]。

2.2 氣體感知

在皮帶運輸過程中， 皮帶上會存在煤炭堆積釋放出煤層中積累的瓦斯， 以及在狹小的運輸巷道中可能存在瓦斯烷的集聚， 在長距離巡檢中需要對整個巷道的瓦斯濃度進行檢測， 瓦斯的檢測采用紅外本質安全型氣體傳感器。紅外氣體傳感器通過旋轉軸承與下層殼體連接，底部設有氣室，利用吸氣泵將外部氣體吸入，傳感器利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中存在的CH4 進行探測，紅外氣體傳感器信號和溫度補償信號與機器人主板連接，將信息由機器人主板統一匯總數據[7]。

2.3 粉塵感知

輸巷道有時會出現煤粉塵積聚， 當煤粉塵達到爆炸極限濃度時遇到點燃源也會造成爆炸事故， 塵濃度檢測利用光散射理論建立散射光強度與粉塵濃度的數學關系模型。 選擇合適激光器和光敏元件，通過光學結構、氣路通道結構，采集煤粉塵濃度，當濃度達到設定值時將控制噴霧系統進行除塵，實現聯動噴霧。

3 井下多點交換通信

通過比較常用的無線通信技術，確定使用ZigBee 技術，并對井下使用ZigBee 技術的可行性進行分析。 根據井下復雜的環境使用改進型的RSSI 定位方法，在計算移動節點和參考節點間距離時， 加入參考節點間距離和RSSI 值作參考，對被測RSSI 值進行校正，達到提高精度的目的。 井下系統采用ZigBee 無線網絡和以太網的組合實現數據通信， 如圖3 所示。 井下系統采用ZigBee 無線網絡和以太網的組合實現數據通信， 井下無線網絡由ZigBee 芯片CC2530 構建， 使用ZStack 作為軟件開發平臺。井下無線網絡由井下通信分站、定位參考節點和定位儀三部分構成。 定位參考節點安裝在巷道壁上采集RSSI值，機器人巡檢時將定位信息發送到井上監控中心，監控主機對定位信息進行處理，實現對巡檢區域的圖像、采集數據進行通信與定位。

圖3 通信網路分布

4 防爆安全技術

防爆巡檢機器人按照國家標準GB/T3836.1—2021、GB/T 3836.2—2021、GB/T 3836.4—2021 進行設計， 巡檢機器人集合了多項防爆電池、 防爆傳感器、 防爆傳動電機、防爆通信裝備，為合理的進行防爆技術的融合，需要對各項防爆設備進行綜合技術處理， 同時減輕機器人的負重，提升巡檢時間。 在防爆技術上將綜合應用隔爆型、本質安全型、澆封型等防爆措施[8]。

4.1 隔爆腔設計

在隔爆腔體上分別設計了獨立的電池腔、主腔、接線腔3 個腔體，腔體間采用澆封接線端子進行過線連接。在隔爆強度上，電池腔能承受1.5MPa 靜壓1min 能力，其余腔體能承受1.0MPa 靜壓1min 能力， 外殼和焊接部位不能出現形變和滲漏。 隔爆外形結構見圖4。 隔爆外殼采用Q235 材料焊接成，隔爆接合面寬度、間隙、表面粗糙度等參數應符合GB/T 3836.2—2021 要求；對所有隔爆面應涂防銹油或采取其他防銹措施， 外殼內腔非配合面應涂1321 耐弧漆，隔爆面連接的所有緊固件均應有防止自行松脫的措施。

圖4 隔爆外形結構

4.2 本安電路設計

在本安電路上采用光耦電路對外部的開關量信號進行隔離，與傳感器通信的RS485 網絡接口采用NSi8121N1隔離芯片，本安與非安兩端耐壓達1500V，泄漏電流小于5mA，且兩側電源分別輸入，本安端電源采用DC-DC 本安電源供電，電路采用了光耦+數字隔離實現RS485 電路隔離。 無線通信上采用了RC 振蕩的隔離網絡實現信號從隔爆腔到天線外置的安全隔離[9]。

5 結束語

本文通過闡述防爆巡檢機器人在煤礦進行應用的必要性和前景， 分析煤礦井下皮帶輸送機防爆巡檢機器人需要具備的功能，針對防爆巡檢機器人的系統組成，重點闡述了巡檢機器人的多參數環境感知技術、 井下多點交換通信技術、防爆安全技術方面的研究。防爆巡檢機器人的研究創新地解決防爆機器人井下通信、圖像傳輸、防爆安全等難題，提高了機器人運行的穩定性，實現皮帶輸送系統的全面技術融合， 防爆巡檢機器人的投入將實現煤礦井下“無人化”皮帶輸送技術的發展。