選煤廠智能巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究

高娟娟

(西山煤電鎮(zhèn)城底礦選煤廠，山西 太原 030203)

0 引 言

近年來(lái)，隨著能源需求的不斷增長(zhǎng)，煤礦的開采強(qiáng)度也在逐漸加大，選煤廠是煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)選煤廠采用的均是流水線作業(yè)，如同車軸加工生產(chǎn)線，每一個(gè)環(huán)節(jié)通過(guò)中間轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備彼此連接，實(shí)現(xiàn)了從原煤產(chǎn)出到最終分選出不同類型煤的全過(guò)程自動(dòng)化，尤其是在洗滌過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備非常容易發(fā)生故障，當(dāng)其中的某臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，必須進(jìn)行停工維修[1]。設(shè)備停工對(duì)企業(yè)的產(chǎn)量和效益影響很大，為保證選煤廠工作效率和避免事故發(fā)生，人工巡檢是目前采取的主要措施，目前常用的人工巡檢主要是通過(guò)人工用肉眼進(jìn)行觀察，查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)聽聲音分析設(shè)備可能的故障，通過(guò)觸摸設(shè)備外表面感知設(shè)備的溫度變化等，最終收集到關(guān)于設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)信息并記錄，隨后對(duì)巡檢結(jié)果進(jìn)行報(bào)送有關(guān)部門進(jìn)行維修，整個(gè)巡檢過(guò)程時(shí)間比較長(zhǎng)，工人數(shù)量比較多，人工勞動(dòng)強(qiáng)度比較大，人工巡檢成本較大，且在巡檢過(guò)程中容易受到人為、經(jīng)驗(yàn)等因素的影響會(huì)導(dǎo)致最終巡檢效果不理想，存在漏巡檢、巡檢結(jié)果不匯報(bào)等問(wèn)題，嚴(yán)重影響選煤廠的長(zhǎng)久安全運(yùn)行。針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)利用比較先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)和故障識(shí)別算法，設(shè)計(jì)了一種選煤廠智能巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)代替人工完成選煤廠設(shè)備運(yùn)行和工作環(huán)境巡檢，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率，保證煤礦的產(chǎn)量和企業(yè)效益。

1 選煤廠機(jī)器人巡檢要求

對(duì)選煤廠設(shè)備進(jìn)行定期巡檢對(duì)于保證煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要的作用[2]，傳統(tǒng)的人工巡檢方式如圖1所示，存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、巡檢效率低等問(wèn)題，為此提出智能機(jī)器人巡檢方案。 巡檢技術(shù)要求及目標(biāo)主要有以下方面。

圖1 選煤廠人工巡檢現(xiàn)場(chǎng)圖

(1) 工作環(huán)境要求。智能巡檢機(jī)器人需要代替人工完成選煤廠設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的巡檢，首先需要滿足煤礦選煤廠的工作環(huán)境要求。選煤廠的實(shí)際工作環(huán)境比較復(fù)雜，長(zhǎng)期處于潮濕、多塵和電磁輻射嚴(yán)重的環(huán)境中，需要巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)本體能夠適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，不發(fā)生電路系統(tǒng)故障和運(yùn)行故障。

(2) 人工與智能融合。按照人工巡檢的基本要求，智能巡檢系統(tǒng)需要融合人工巡檢的所有功能，包括機(jī)器人自移動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)自主行走，同時(shí)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)環(huán)境中對(duì)有毒有害氣體的檢測(cè)、設(shè)備表面的溫度變化檢測(cè)、設(shè)備運(yùn)行聲音的檢測(cè)、運(yùn)行設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等全方位檢測(cè)。

(3) 信息采集與分析。智能巡檢機(jī)器人需要準(zhǔn)確提取故障信息并對(duì)所獲故障信息進(jìn)行分析，判斷出故障的類型并及時(shí)進(jìn)行報(bào)警維修。綜上，為保證實(shí)際巡檢的設(shè)計(jì)應(yīng)用效果，利用先進(jìn)技術(shù)，包括視頻成像技術(shù)、紅外線熱成像技術(shù)、煙霧檢測(cè)技術(shù)等多種技術(shù)相互融合，通過(guò)機(jī)器人本體模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)所有參數(shù)信息的采集和分析，開發(fā)出友好的人交互界面，對(duì)巡檢機(jī)器人本體信息所處環(huán)境和采集故障信號(hào)等通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)進(jìn)行上傳，最后在監(jiān)控系統(tǒng)中顯示實(shí)際巡檢效果，滿足選煤廠設(shè)備的巡檢要求。

2 選煤廠智能巡檢機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

選煤廠智能巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)需要解決行走、故障檢測(cè)、無(wú)線通訊和上位機(jī)顯示四大問(wèn)題。機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)目前常用的主要有輪式行走、履帶式行走、足式行走和軌道式行走，由于煤礦選煤廠環(huán)境比較復(fù)雜，車間內(nèi)設(shè)備眾多，且車間內(nèi)地面鋪設(shè)有用于轉(zhuǎn)運(yùn)煤的軌道等，加上選煤廠選煤工藝復(fù)雜需要使用大量的設(shè)備，地面空間相對(duì)較少，采用傳統(tǒng)在地面行走機(jī)構(gòu)并不適合巡檢機(jī)器人。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)孟家窯煤礦選煤廠進(jìn)行深入實(shí)際調(diào)查，最終得出可以利用車間上方空間進(jìn)行巡檢，通過(guò)在設(shè)備上方鋪設(shè)軌道系統(tǒng)，將機(jī)器人布置在軌道上可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走從而完成巡檢任務(wù)。圖2所示為本次設(shè)計(jì)的選煤廠智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)方案。

圖2 選煤廠智能巡檢機(jī)器人本體方案

選煤廠智能巡檢機(jī)器人主要包括支撐機(jī)器人的軌道系統(tǒng)和機(jī)器人本體兩部分組成，如圖2所示，此外巡檢機(jī)器人本體上安裝有傳感器監(jiān)測(cè)裝置、無(wú)線通訊發(fā)送與接收裝置、大容量可充電里鋰電池等部分。利用軌道式行走可以較為精確控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑，通過(guò)在半空中對(duì)設(shè)備進(jìn)行巡檢能夠獲得更大的巡檢覆蓋面積。

如圖2所示的傳感器模塊。巡檢機(jī)器人本體搭載的多種傳感器，主要包括溫度傳感器、CH4傳感器、煙霧傳感器、CO傳感器、CO2傳感器等多種傳感器用于采集環(huán)境的溫度和有毒有害氣體濃度的數(shù)據(jù)；搭載有紅外線成像儀，通過(guò)對(duì)設(shè)備表面的溫度進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測(cè)從而識(shí)別溫度變化故障。同時(shí)在圖像測(cè)溫系統(tǒng)上，主要采用的是熱成像網(wǎng)絡(luò)智能攝像機(jī)，可以得到可見光的最大分辨率達(dá)到了1 900×1 000，圖像非常清晰，可以直接獲取到設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)清晰數(shù)據(jù)。

巡檢機(jī)器人支撐系統(tǒng)是以軌道作為核心，通過(guò)在車間上方架設(shè)運(yùn)行軌道，即工字型梁，將巡檢機(jī)器人布置在軌道上，利用軌道下翼緣板作為機(jī)器人的支撐，設(shè)計(jì)了輪式行走機(jī)構(gòu)，多個(gè)輪卡在下翼緣側(cè)方，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)在軌道上的運(yùn)行，相比于傳統(tǒng)的履帶式或輪式行走機(jī)構(gòu)，軌道式行走可以有效利用空間資源，對(duì)選煤廠車間進(jìn)行全方位巡檢。如圖3所示為軌道系統(tǒng)連接圖。

圖3 軌道連接結(jié)構(gòu)圖

如圖所示的軌道系統(tǒng)是由高強(qiáng)度的鋁合金導(dǎo)軌拼接而成，軌道平臺(tái)的實(shí)際要求承載重量為機(jī)器人的自重，大約為60 kg以上，在每隔3 m左右安裝一個(gè)軌道固定支架，用于對(duì)軌道的支撐，連接結(jié)構(gòu)可靠、軌道自重較小，可以根據(jù)車間的實(shí)際情況隨意布置，包括轉(zhuǎn)彎、坡度、直線均可以實(shí)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)范圍更大，巡檢效果更好。

3 選煤廠智能巡檢機(jī)器人無(wú)線通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)場(chǎng)的圖像、聲音等信息傳送到上位機(jī)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是保證巡檢過(guò)程高效最重要的環(huán)節(jié)。巡檢機(jī)器人本體自身具有信號(hào)發(fā)射裝置，用現(xiàn)場(chǎng)的光纖通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的光纜和100 m的光纖收發(fā)器作為系統(tǒng)的主干設(shè)備，巡檢機(jī)器人和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)終端之間采用以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。為了保證選煤廠巡檢機(jī)器人能夠適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜的地質(zhì)條件，需要保證無(wú)線基站能夠滿足選煤廠的實(shí)際工況，也就是需要進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)。無(wú)線基站之間是通過(guò)光纖進(jìn)行連接，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。圖4所示為無(wú)線通訊系統(tǒng)原理圖。

圖4 無(wú)線基站通訊系統(tǒng)原理圖

表1所列為無(wú)線基站參數(shù)信息表。

表1 無(wú)線基站參數(shù)信息

4 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

利用巡檢機(jī)器人本體搭載的多種傳感器和視頻成像裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)選煤廠設(shè)備和人員的巡檢，同時(shí)包括對(duì)設(shè)備表面溫度、空氣中有毒有害氣體的濃度等參數(shù)的檢測(cè)，通過(guò)無(wú)線通訊系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)上傳到集中監(jiān)控室內(nèi)，并利用上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)顯示和報(bào)警。利用Microsoft Visual軟件編寫了監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)程序和故障識(shí)別分析算法，并利用Labview 2018設(shè)計(jì)了人機(jī)操作界面，圖5所示為選煤廠智能巡檢機(jī)器人上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面，其中包括前置攝像機(jī)和旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)兩個(gè)畫面，從中可以查看現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況和設(shè)備故障等。

圖5 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面

利用上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以將選煤廠運(yùn)行工況清晰還原，同時(shí)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工完成選煤廠設(shè)備的巡檢任務(wù)。將設(shè)計(jì)的這套智能巡檢機(jī)器人在某選煤廠應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：采用本套智能巡檢系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全天24 h不間斷巡檢，1臺(tái)設(shè)備至少可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的5～6人完成選煤廠的巡檢任務(wù)，大大降低了企業(yè)的巡檢投入成本，有效避免選煤廠安全事故的發(fā)生。圖6所示為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用異物識(shí)別圖。

圖6 巡檢機(jī)器人異物識(shí)別應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)圖

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)選煤廠采用人工巡檢存在的工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、巡檢容易出現(xiàn)紕漏，造成選煤廠安全事故等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種選煤廠智能巡檢機(jī)器人，設(shè)計(jì)了軌道式行走機(jī)構(gòu)和巡檢機(jī)器人本體模塊，可以實(shí)現(xiàn)選煤廠車間內(nèi)的自由移動(dòng)和信號(hào)的采集，并開發(fā)了上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面，將選煤廠采集到的信號(hào)通過(guò)無(wú)線通訊系統(tǒng)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控站，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控，相比于傳統(tǒng)的人工巡檢，可實(shí)現(xiàn)全天24 h不間斷巡檢，通過(guò)紅外熱成像探查設(shè)備表面的溫度和工人的溫度，對(duì)異常溫度進(jìn)行報(bào)警，從而達(dá)到巡檢少盲區(qū)的效果，極大降低企業(yè)的巡檢成本，避免企業(yè)安全事故發(fā)生。