斜溝煤礦運(yùn)輸膠帶軌道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用與研究

杜治宇

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司，山西 興縣 033299)

隨著斜溝煤礦井下原煤開采的延伸，井下原煤運(yùn)輸膠帶數(shù)量也在逐漸增多，運(yùn)輸膠帶具有數(shù)量多、距離長、落差大等特點。在煤礦運(yùn)輸膠帶巡檢工作上一直采用的是人工巡檢。人工在查找運(yùn)輸過程中的問題隱患時，存在工作強(qiáng)度大、巡視點不能全部顧及、隱患發(fā)現(xiàn)不及時等問題，甚至某些小故障沒有發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致斷帶、跑偏等事故。通過引入機(jī)器人巡檢系統(tǒng)代替人工，提高了巡檢質(zhì)量，有效避免了事故的發(fā)生。

1 斜溝煤礦運(yùn)輸膠帶巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的構(gòu)成

斜溝煤礦膠帶巡檢機(jī)器人系統(tǒng)主要由地面生產(chǎn)調(diào)度控制中心、工業(yè)環(huán)網(wǎng)、WIFI網(wǎng)絡(luò)、軌道裝置和巡檢機(jī)器人等構(gòu)成。其中機(jī)器人自身的控制系統(tǒng)由微電腦控制板、信息傳輸模塊、對講系統(tǒng)、溫度傳感器、甲烷傳感器、拾音器、驅(qū)動電機(jī)和大容量鋰電池等構(gòu)成，見圖1。

圖1 斜溝煤礦運(yùn)輸膠帶巡檢機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成示意

在巡檢機(jī)器人中單片機(jī)微電腦控制板是整個裝置的核心，負(fù)責(zé)信息的收集、轉(zhuǎn)化、傳輸，以及接收生產(chǎn)調(diào)度中心發(fā)來的遙控指令，驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。我們把大容量鋰電池應(yīng)用在軌道機(jī)器人的動力電源部分，其具有電荷量大、使用周期長的特點，能夠使機(jī)器人最大運(yùn)行距離達(dá)到600 m，運(yùn)行時間不小于6 h(充滿一次電量)，使用鋰電池提高了膠帶采集機(jī)器人的靈活性，避免了敷設(shè)電源線的復(fù)雜化。此次斜溝煤礦膠帶巡檢機(jī)器人行走方式選用了掛式剛性軌道，整個行駛機(jī)構(gòu)由工字鋼軌道、電機(jī)、動力輪、支撐輪、軌道連接件等構(gòu)成。其中動力電機(jī)選用了較大功率，確保巡檢機(jī)器人爬坡角度大于16°，能夠滿足膠帶運(yùn)輸巷道的大落差；巡檢機(jī)器人本體總重量約為30 kg，鋰電池容量為25 A，額定運(yùn)行速度0.25 m/s，根據(jù)需要可以調(diào)整運(yùn)行速度，音頻頻率響應(yīng)：150 Hz～15 kHz(90dB聲壓、A加權(quán))，紅外溫度傳感器識別范圍-30～800 ℃，測量精度在±1.5 ℃之間，瓦斯傳感器：(0～100)%LEL；分辨率0.1%LEL；礦用本安型攝像頭像素300萬，能夠?qū)崿F(xiàn)2.8～12 mm范圍調(diào)焦，煙霧傳感器檢測濃度范圍在(300～1 000)×10-6之間，煙霧傳感器靈敏度Rs(in air)/Rs(1 000 ×10-6異丁烷)大于5[1]。

2 斜溝煤礦巡檢機(jī)器人的實踐應(yīng)用

以斜溝煤礦1號、2號上倉膠帶的巡檢機(jī)器人為例進(jìn)行探討，上倉膠帶輸送機(jī)型號為DTL180/450/2-630，采用1 140 V變頻器來啟動膠帶運(yùn)轉(zhuǎn)，上倉膠帶運(yùn)行帶速5 m/s，1號膠帶機(jī)長207 m，2號膠帶機(jī)長233 m，該處膠帶的坡度大、人員巡檢困難，是主要運(yùn)輸膠帶，一旦發(fā)生事故將直接影響礦井生產(chǎn)，因此上倉膠帶的巡檢工作優(yōu)先采用機(jī)器人巡檢。

2.1 斜溝煤礦膠帶巡檢機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，斜溝煤礦上倉膠帶巡檢機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)傳輸主要采用了井下已建成的WIFI無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，巡檢機(jī)器人通過各個傳感器收集到的信號通過無線網(wǎng)絡(luò)首先傳送到WIFI基站，然后基站通過礦井的千兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)將各個數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度中心。巡檢機(jī)器人通過無線傳輸減少了數(shù)據(jù)線纜的敷設(shè)和維護(hù)，對于以后巡檢機(jī)器人的升級改造，擴(kuò)展應(yīng)用都減少了線纜的重新敷設(shè)和人工勞動。同時為了保障機(jī)器人巡檢網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行，我們對整個巡檢通信網(wǎng)絡(luò)采用直流電源供電，確保在礦井停電的極端情況下能夠不間斷信號的傳輸，同時避免了交流電壓波動對設(shè)備造成的危害。

圖2 斜溝煤礦膠帶巡檢機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2 膠帶巡檢機(jī)器人的現(xiàn)場應(yīng)用

以上倉巡檢機(jī)器人巡檢內(nèi)容為例，如圖3所示，上倉膠帶巡檢機(jī)器人的工型鋼軌道吊掛固定在膠帶巷頂部。巡檢機(jī)器人通過自身攜帶的甲烷傳感器，紅外測溫儀，煙霧探測器，能夠有效地采集運(yùn)輸膠帶周圍的瓦斯?jié)舛取⒚红F濃度，設(shè)備和環(huán)境溫度，聲頻信息，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)將信息傳回調(diào)度中心，通過運(yùn)行分析軟件進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，一旦出現(xiàn)異常就會報警通知。同時巡檢機(jī)器人載高清攝像頭，可采集移動視頻圖像，解決了固定視頻監(jiān)測覆蓋不全、有死角等問題，對于漏水、漏油等具體位置能準(zhǔn)確上傳。

圖3 斜溝煤礦膠帶巡檢機(jī)器人現(xiàn)場安裝示意

調(diào)度指揮中心通過機(jī)器人控制軟件能夠?qū)崟r展示運(yùn)輸膠帶的實況畫面，通過畫面選擇可以看到運(yùn)輸膠帶的溫度信息、瓦斯氣體含量以及機(jī)器人自身的電壓、電流電量等信息，通過控制軟件中的3D模擬顯示巡檢機(jī)器人在該運(yùn)輸膠帶的位置信息。安裝在機(jī)器人中的拾音器實時采集現(xiàn)場聲音并上傳，由控制中心進(jìn)行自動分析，預(yù)判設(shè)備故障。需要分析現(xiàn)場環(huán)境時可以播放實時采集的膠帶運(yùn)轉(zhuǎn)聲音，確保沒有異響，在聲音分析上也可以選擇自動分析，當(dāng)聲音頻率在軟件中出現(xiàn)異常波動時會發(fā)出告警信號，調(diào)度中心值班人員根據(jù)聲音異常報警信號，迅速查看機(jī)器人的監(jiān)控畫面和收聽現(xiàn)場采集實時聲音，值班人員綜合研判后再確定是否進(jìn)行運(yùn)輸膠帶故障停機(jī)處理。

巡檢機(jī)器人采用鋰電池供電，可實時監(jiān)測自身電量狀態(tài)并上傳電池電量信息，當(dāng)監(jiān)測到電池電量低于設(shè)定下限值時，巡檢機(jī)器人會自動停止巡檢工作，返回就近充電站充電。斜溝煤礦的運(yùn)輸膠帶巡檢機(jī)器人具有自行主動工作巡檢和人工手動操作功能。人工手動操作在電腦上進(jìn)行，級別高于自動巡檢。在人工手動運(yùn)行模式下，可以操作機(jī)器人迅速運(yùn)動，快速接近想要巡查的目標(biāo)地；在自動工作方式時，膠帶巡檢機(jī)器人只會以相對適中的速度運(yùn)動，在設(shè)定的巡檢區(qū)間來回往復(fù)巡檢[2]。礦用自動巡檢機(jī)器人可主動查驗故障功能，當(dāng)膠帶保護(hù)或其他設(shè)備發(fā)生故障時，調(diào)度中心計算機(jī)將故障信號傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人將會到相應(yīng)的位置，采集相關(guān)現(xiàn)場數(shù)據(jù)并上傳。

3 巡檢機(jī)器人現(xiàn)場運(yùn)行效果分析

斜溝煤礦井下共有原煤運(yùn)輸膠帶16部，膠帶現(xiàn)場運(yùn)輸情況既有長距離6 300 m的北翼膠帶，也有高落差300 m以上的盤區(qū)膠帶，這些膠帶每部都包含電動機(jī)、減速器、制動器、逆止器、托輥、滾筒、膠帶、膠帶架等各類零部件，零部件數(shù)量眾多，僅靠人工巡查很難覺察到潛在問題。表1對機(jī)器人巡檢方式和人工巡檢方式進(jìn)行了對比[3]。

表1 單個運(yùn)輸膠帶機(jī)器人巡檢與人工巡檢對照

以上倉膠帶為例，在過去的巡檢工作中，一直安排2名巡視工間隔2 h巡視1次，一天要巡檢12次，人員勞動強(qiáng)度大，有時存在少巡視或不巡視現(xiàn)象；當(dāng)巡視工責(zé)任心不強(qiáng)時，某些隱患不能提前發(fā)現(xiàn)，將可能導(dǎo)致機(jī)電事故；特別是高落差的膠帶運(yùn)輸巷道，由于坡度大，膠帶上的煤塊經(jīng)常滾落，給職工日常巡檢帶來很多安全隱患。在應(yīng)用運(yùn)輸膠帶巡檢機(jī)器人系統(tǒng)之后，井下職工作業(yè)強(qiáng)度大幅下降，有效降低了工作風(fēng)險，提高了安全系數(shù)。利用機(jī)器人的紅外感器還能提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備局部溫度升高，做到了提前預(yù)知隱患、超前預(yù)防，防止了事故擴(kuò)大化。通過使用運(yùn)輸膠帶巡檢機(jī)器人后，在巡檢工作上可減少運(yùn)輸膠帶專職巡檢人員80人，達(dá)到減員提效的目的[4]。

4 結(jié) 語

斜溝煤礦井下運(yùn)輸膠帶巡檢機(jī)器人系統(tǒng)以智能軌道式巡檢機(jī)器人為核心，配套高速無線網(wǎng)絡(luò)實時傳輸信息、傳感測控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)以及相關(guān)附件，完全替代人工完成了井下運(yùn)輸膠帶的巡檢工作，通過該套巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用，原煤運(yùn)輸膠帶實現(xiàn)了全天候24 h高質(zhì)量、大范圍的巡視、檢查工作，在及時發(fā)現(xiàn)潛在事故隱患上效果明顯，同時減少了該項工作上的人工投入，提高了礦井運(yùn)輸安全，對礦井安全生產(chǎn)和減人提效起到了良好的示范作用。