機器人技術在大柳塔煤礦井下變電所的應用

王 飛，王 軍，羅 偉，任文清

(神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

據國際機器人聯合會(IFR)發(fā)布的最新報告統(tǒng)計，2018年全球工業(yè)機器人銷量達到38.4萬臺，亞洲作為近幾年全球經濟發(fā)展最活躍的地區(qū)，機器人裝機量的增速在全球也排在首位，中國目前是全世界最大的工業(yè)機器人市場。隨著自動化生產在全球范圍內不斷加速，工業(yè)機器人正在向更深更廣的方向發(fā)展，機器人智能化水平也在不斷提高，機器人的應用領域還在不斷地擴大，已從汽車制造業(yè)推廣到更多的制造業(yè)，進而推廣到諸如采礦機器人、建筑建造機器人以及水利水電系統(tǒng)維護維修機器人等各種非制造行業(yè)。機器人正在為提高人類的生活品質發(fā)揮著越來越重要的作用。

目前，國內外機器人應用已經從傳統(tǒng)的工業(yè)焊接，貨物搬運等成熟應用行業(yè)延伸到了各個行業(yè)，機器人發(fā)展的浪潮已經開始，但是煤礦機器人的應用目前還主要是用于救援等特殊場合，日常的煤炭生產場合的成熟應用才剛剛開始，巡檢機器人應用于變電所，地下皮帶走廊等高安全防護要求，環(huán)境較為復雜的工業(yè)場合也逐步展開。神東礦井綜合自動化系統(tǒng)從最初的單一礦井自動化，發(fā)展到現在的LCS，區(qū)域自動化，經過幾期的建設，目前在通訊網絡，數據采集，控制系統(tǒng)完善等方面已經打下了堅實的基礎。所以目前已經具備了向更高的目標邁進的技術基礎，在神東的技術規(guī)劃路線中，機器人從礦井到地面各個生產環(huán)節(jié)對生產人員的輔助已經成為了技術方向，所以目前適時的開始巡檢機器人的應用已經具備了技術條件。探索通過機器人技術輔助人工巡檢或者代替人工巡檢，在減輕基層員工的勞動強度的同時，也降低人工巡檢的安全風險，實現有效、可靠巡檢，提升煤礦企業(yè)的本質安全管理。

1 煤礦井下變電所巡檢存在的缺陷

大型煤礦井下變電所是礦井的核心場所，變電所內部的高低壓配電柜、變壓器等設備的安全可靠運行直接關系到礦井的安全生產。目前大柳塔煤礦隨著綜合自動化技術的不斷升級和改造基本上都實現了遠程集中監(jiān)控功能，礦井變電所配置有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但是由于視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在監(jiān)控死角，主要依賴于調度人員的人工監(jiān)看，而且不具備智能識別、故障判斷、與控制系統(tǒng)聯動等智能功能，所以不能及時和準確的對設備運行狀態(tài)進行監(jiān)控。煤礦井下變電所設備一般處于長期不間斷運行的狀態(tài)中，存在極大事故隱患，因此對變電所區(qū)域的監(jiān)控非常重要。傳統(tǒng)的監(jiān)控方式通常采用人工巡檢或固定攝像頭定點監(jiān)視，這2種方式都存在一定問題，人工巡查浪費人力、效率低下，并且惡劣條件對人身安全存在威脅；固定攝像頭定點監(jiān)視，范圍有限，需要在運行設備處布置大量攝像頭，不僅圖像切換、監(jiān)視、存儲任務量大，而且布線多、功耗大、維護任務重，綜合效率非常低下。

煤礦井下變電所巡檢還存在以下缺陷：①煤礦井下變電所缺少高頻次，可靠的，不依賴人工的巡檢手段，而且巡檢的措施較為單一；變電所發(fā)生電氣故障，火災等事故時沒有有效的發(fā)現手段與巡查方式。②高低壓配電設備遠程停送電后(防爆柜在進行大的檢修時手車是否退出，送電后運行狀態(tài)，操作人員身份識別)，沒有視頻信號的二次確認，停送安全性上還有提高空間。③電氣設備操作人員由于目前的攝像頭視頻范圍有限不能有效監(jiān)控，存在就地誤操作后無法追溯隱患的情況。

適用于煤礦井下特種巡檢的防爆巡檢機器人的誕生為解決以上的問題提供了可能性。

2 變電所巡檢機器人功能描述

在大柳塔煤礦井下變電所建設一套巡檢機器人系統(tǒng)，真正實現可靠的變電所無人值守，通過巡檢機器人完成變電所不間斷，關鍵點無死角，多手段的周期性自動化巡檢的基礎功能，并通過將機器人融入到礦區(qū)區(qū)域中央自動化控制系統(tǒng)，實現智能聯動，智能故障識別判斷，隱患預警等智能化功能。補齊礦井整體系統(tǒng)的短板，提高人員工作效率，降低勞動強度，實現變電所的安全、穩(wěn)定、高效運行。

由于變電所設備呈直列式布置，設備顯示窗口方向統(tǒng)一，所以選用軌道式拖線防爆巡檢機器人。礦用軌道式巡檢機器人系統(tǒng)(以下簡稱巡檢機器人)主要由機器人本體、基站、軌道系統(tǒng)、地面工作站組成。巡檢機器人可以代替巡檢工定時、定點、高質量的完成井下設備的日常巡檢任務，機器人本體吊掛于軌道在巷道內往復運行，模擬巡檢工井下巷道行走，巡檢機器人搭載多種傳感器，實時采集巡檢現場的圖像、聲音、紅外熱像及溫度數據、煙霧、多種氣體濃度參數等信息，不僅模擬實現巡檢工巡檢作業(yè)時的“望、聞、問、切”，而且將傳統(tǒng)的紙質記錄和不能準確量化對比的人工感官現象，以數字化的圖像、聲音和準確的數據實時歸類存儲，便于故障問題的查詢。該型巡檢機器人系統(tǒng)具備以下功能。

設備狀態(tài)智能巡檢功能。巡檢機器人支持全自動和遙控巡檢模式。全自動模式包括常規(guī)和聯動巡檢2種方式。常規(guī)巡檢模式下系統(tǒng)根據預先設定的巡檢任務內容、時間、路徑等參數信息，自動啟動并完成巡檢任務；聯動巡檢模式由通過礦井區(qū)域自動化系統(tǒng)(LCS)自動產生的指令(如高壓柜分合閘，故障)，機器人對巡視點自主完成巡檢任務。遙控巡檢模式由操作人員手動遙控機器人，完成巡視工作。對現場設備進行反復巡檢，實現對設備狀態(tài)的連續(xù)、動態(tài)的數據采集及存儲。

巡檢機器人監(jiān)控功能。機器人主機上安裝360°全方位云臺的可見光視頻監(jiān)控攝像頭和紅外熱成像監(jiān)控攝像頭，可以實現巡檢機器人運動過程中的對設備進行視頻巡檢和紅外測溫。

設備狀態(tài)檢測功能。巡檢機器人可將現場的視頻圖像、紅外測溫圖像、環(huán)境溫度、瓦斯?jié)舛?、煙霧濃度等設備及現場環(huán)境情況發(fā)送回上位機。當設備出現異常情況時巡檢機器人停止巡檢并停留在原地，并在現場及上位機發(fā)出報警，異常情況消除后人為控制恢復巡檢。

人臉識別。將巡檢機器人和配電系統(tǒng)進行閉鎖，在停送電時對人臉信息進行識別比對，只有比對通過或者系統(tǒng)授權人員才可以進行供配電設備的操作。

機器人自檢功能。巡檢機器人具備自檢功能，包括對主機電源、電機驅動器、通信和檢測設備等部件工作狀態(tài)的檢測，發(fā)生異常時能立即發(fā)出報警，并能上傳故障類型等信息至監(jiān)控后臺。

數據遠程通信功能。采用網絡傳輸方式(依托于目前礦井建成的工業(yè)以太網)實現機器人與后臺機之間的通訊，實現巡檢數據和控制命令的傳輸。

系統(tǒng)信息集中管理功能。機器人系統(tǒng)可進行巡檢機器人聯動管理，巡檢機器人能正確接收和監(jiān)控后臺的控制指令，實現云臺轉動，機體運動、供電系統(tǒng)和設備檢測等功能，并正確反饋狀態(tài)信息，及時上報機器人主機的各類預警和報警信息。

智能終端監(jiān)控軟件設計。智能終端控制軟件能夠與巡檢機器人進行通信，顯示機器人發(fā)送的視頻以及各項巡檢數據，并能夠下發(fā)控制指令，控制機器人的巡檢方式、運動方向，設置各傳感器的報警閾值等。機器人軟件平臺融合到礦井區(qū)域自動化系統(tǒng)，將現場采集的視頻圖像(可見光、熱像圖)、環(huán)境數據等上傳至服務平臺，提供計算、存儲、安全資源，實現系統(tǒng)穩(wěn)定運行，降低系統(tǒng)運行維護成本。

3 機器人巡檢執(zhí)行

自動巡檢模式下，巡檢機器人定時對變電所內各臺設備巡檢，巡檢內容為設備分合閘狀態(tài)、設備顯示屏運行數據、設備溫度、變電所瓦斯?jié)舛?、變電所煙霧濃度、進入變電所人員面部特征識別與比對。

遙控巡檢狀態(tài)為上位機遠程操作，可通過指定配電柜編號使巡檢機器人直達配電柜前，也可通過運行與停止命令控制巡檢機器人行走，使用遠程云臺功能控制攝像頭監(jiān)控方向實現遙控巡檢。巡檢機器人上位機功能包含以下方面。

自動巡檢模式下，通過上位機對巡檢機器人巡檢周期的設定，對巡檢機器人行走速度的設定，對配電設備初始化巡檢水平坐標的設定以保證巡檢位置的準確性和巡檢質量的高效與高標準性；遙控巡檢模式下，通過對巡檢機器人動作命令的下發(fā)與返回接收，實現對巡檢機器人的人工遙控控制，通過巡檢機器人攝像頭云控制端實現對機器人攝像頭的人工遠程操作；在上位機建立進入變電所人員面部特征信息數據庫，在有人員進入變電所時巡檢機器人對進行變電所人員面部特征與數據庫識別比對，并做人員操作記錄；在上位機建立巡檢機器人歷史巡檢數據存儲與調取功能，巡檢數據包括對巡檢機器人主機電源、電機驅動器、通信和檢測設備等部件工作狀態(tài)的檢測數據和現場的視頻圖像、紅外測溫圖像、環(huán)境溫度、瓦斯?jié)舛?、煙霧濃度等設備及現場環(huán)境情況的數據。

4 結語

通過機器人的自動巡檢，降低了巡檢人員工作強度，提高了巡檢效率，補齊了傳統(tǒng)變電所人工巡檢模式下的短板，為實現礦井的無人化巡檢提供了技術支持。巡檢機器人支持全自動和遙控巡檢模式，地面監(jiān)控人員可以隨時介入接管巡檢機器人，使之成為調度人員、運維人員在礦井的眼、耳、腦的延伸，提高了對現場的監(jiān)管力度，提升了設備巡檢的準確性與時效性。巡檢機器人高效率、無死角的巡檢模式可以更加及時地發(fā)現設備隱患，有效規(guī)避了人工巡檢存在的弊端，一定程度上去除了人的不安全性，提高了礦井安全生產能力。巡檢機器人上位機軟件對巡檢數據的存儲與分析，可以有效發(fā)現設備運行潛在安全隱患與風險，降低設備故障率，為設備故障處理與調查提供可靠依據。