燃煤電站輸煤廊道機(jī)器人自動(dòng)巡檢系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用

李旭，黃曉明，司朝輝，敖員紅

（國能九江發(fā)電有限公司，江西 九江 332000）

燃煤電站的各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)中存在一套輸煤廊道，這條廊道不僅線路長而且環(huán)境惡劣。對(duì)廊道中存在的一些工作盲區(qū)很容易出現(xiàn)疏漏。而最終的巡檢質(zhì)量還需要依靠人員的自身素質(zhì)。隨著相關(guān)技術(shù)發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用范圍也變得更加廣泛。利用機(jī)器人開展巡檢工作已經(jīng)成為一些特定場(chǎng)合的首要選擇。隨著應(yīng)用的不斷深入，將機(jī)器人巡檢技術(shù)與燃煤電站的巡檢相互結(jié)合的方式也成為技術(shù)人員不斷研發(fā)和突破的領(lǐng)域，結(jié)合燃煤電廠輸煤系統(tǒng)討論廊道機(jī)器人自動(dòng)巡檢系統(tǒng)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。

1 采用機(jī)器人開展廊道巡檢的優(yōu)勢(shì)和難點(diǎn)

1.1 現(xiàn)階段輸煤廊道的巡檢狀況

很多燃煤電廠仍采用人工巡檢的方式，但是，這種方式不僅工作強(qiáng)度大而且成效甚低。如果采用自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)設(shè)備，投入相對(duì)過大，監(jiān)控需求大，必然會(huì)增加成本。

1.2 使用機(jī)器人進(jìn)行巡檢的優(yōu)勢(shì)

（1）利用機(jī)器人進(jìn)行巡檢，巡檢結(jié)果并不會(huì)受到主觀因素的影響，比如，高強(qiáng)度的作業(yè)需求、惡劣的外部環(huán)境和崎嶇蜿蜒的溝道等，都可以獲得較高質(zhì)量的巡檢結(jié)果，且不會(huì)出現(xiàn)疏漏和錯(cuò)漏的問題。（2）巡檢機(jī)器人能夠有效替代傳統(tǒng)人力巡檢的工作，尤其是在極端惡劣的環(huán)境下，能夠避免對(duì)人體造成傷害。（3）機(jī)器人自身具備攝像、圖片識(shí)別、紅外感溫、測(cè)振以及拾音的功能，而且能夠?qū)ε苊奥┑芜M(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，它能夠充分發(fā)揮出巡檢工作的作用。（4）巡檢機(jī)器人可以及時(shí)向后臺(tái)傳遞信息，包括圖像、聲音和視頻等，后臺(tái)可以對(duì)回傳內(nèi)容進(jìn)行匯總并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。通過這項(xiàng)功能可以及時(shí)了解設(shè)備存在的異常狀況，從而為后續(xù)的設(shè)備檢修提供充分的依據(jù)。

1.3 機(jī)器人進(jìn)行巡查工作的難點(diǎn)

實(shí)際上，燃煤發(fā)電廠的廊道環(huán)境相對(duì)特殊。首先，廊道內(nèi)常年運(yùn)送燃煤，因此一直處于高粉塵、高濕度的環(huán)境中。同時(shí)，輸煤廊道不同于其他的管廊或是隧道，不僅面積大、設(shè)備多而且相對(duì)復(fù)雜。結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)使用需求，甚至還會(huì)存在橫貫廊道的通行橋。最后，輸煤系統(tǒng)相對(duì)較長，而且期間還會(huì)有轉(zhuǎn)運(yùn)站對(duì)燃煤進(jìn)行中轉(zhuǎn)。整個(gè)輸煤系統(tǒng)從煤倉到鍋爐房之間會(huì)經(jīng)過多個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)站。每個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)站之間會(huì)有200m的廊道相連，同時(shí)坡度為18°。而從一段輸送機(jī)經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)站過渡到另外一個(gè)輸送機(jī)時(shí)，還會(huì)存在一定的垂直落差。綜上所述，整個(gè)環(huán)境對(duì)于機(jī)器人的自我防護(hù)能力、軌道運(yùn)行、轉(zhuǎn)彎角度、爬坡能力、抗震能力都具有較高的要求。而且結(jié)合廊道加轉(zhuǎn)運(yùn)站的設(shè)計(jì)模式，如果對(duì)每個(gè)廊道都設(shè)計(jì)一套巡檢機(jī)器人，則會(huì)增加投資且利用率較低。

2 關(guān)于廊道機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論研究

結(jié)合輸煤廊道巡檢的實(shí)際需求，在進(jìn)行機(jī)器人設(shè)計(jì)的過程中，我們需要考慮實(shí)際應(yīng)用中的各項(xiàng)要素。從多方面對(duì)其進(jìn)行研究，具體可見圖1。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

（1）軌道傳統(tǒng)系統(tǒng)。結(jié)合輸煤廊道的特殊環(huán)境以及廊道之間的結(jié)構(gòu)、走勢(shì)等因素，在設(shè)計(jì)機(jī)器人軌道傳輸系統(tǒng)時(shí)，必須結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況來繪制機(jī)器人在實(shí)際工作過程中的巡檢線路以及對(duì)應(yīng)的軌道安裝圖。由于實(shí)際環(huán)境較為惡劣，所以在選擇軌道材料的時(shí)候，我們選擇了具有較高抗腐蝕能力以及抗磨損的高強(qiáng)度鋁合金材料。這種材料能夠應(yīng)用于輸煤廊道的惡劣環(huán)境中，且可以結(jié)合實(shí)際的使用需求設(shè)計(jì)不同的彎度、曲度以及坡度，以滿足實(shí)際的巡檢應(yīng)用。同時(shí)，配備了鋼質(zhì)的防火門以及獨(dú)立的配電系統(tǒng)。正常運(yùn)行狀態(tài)下防火門處于關(guān)閉狀態(tài)，而當(dāng)機(jī)器人需要穿越時(shí)，則會(huì)向防火門發(fā)送信號(hào)，防火門就會(huì)自行打開，直到其通過后，又會(huì)自行關(guān)閉。具體可以參考圖2，在軌道設(shè)計(jì)過程中采用不同的軌道銜接的方式以及對(duì)應(yīng)的配件來保障不同的環(huán)境使用需求。

圖2 軌道設(shè)計(jì)和安裝

（2）機(jī)器人平臺(tái)。結(jié)合實(shí)際工作環(huán)境的高濕度、高粉塵污染問題，機(jī)器人在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就在材質(zhì)選擇以及零配件方面的防護(hù)等級(jí)進(jìn)行了優(yōu)化和提升，確保其都能夠達(dá)到IP65的防護(hù)等級(jí)。

（3）檢測(cè)系統(tǒng)。結(jié)合實(shí)際輸煤廊道的特定環(huán)境，結(jié)合視頻、圖像、溫度、濕度、聲音等方式檢測(cè)粉塵濃度以及可燃?xì)怏w濃度，并配置對(duì)應(yīng)的傳感設(shè)備能夠及時(shí)將所搜集的信息進(jìn)行回傳。

（4）動(dòng)力系統(tǒng)。由于輸煤廊道不僅有平直的路面還有坡度，為了能夠應(yīng)對(duì)不同的坡度環(huán)境，在機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)搭配了動(dòng)力總成。當(dāng)機(jī)器人設(shè)備運(yùn)行在相對(duì)平緩的廊道內(nèi)，可以選擇使用單電機(jī)工作的方式，以滿足基本的動(dòng)力需求。而當(dāng)機(jī)器人需要穿越運(yùn)轉(zhuǎn)站時(shí)，為了保障運(yùn)行則采用雙電機(jī)的供電方式，提升其爬坡力。這種方式不僅能夠提升機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用過程中對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)能力，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)有效節(jié)能，提升續(xù)航的目標(biāo)。為了確保機(jī)器人設(shè)備的全自動(dòng)化，在設(shè)備電能供應(yīng)上保障基本的8小時(shí)電力供給，當(dāng)設(shè)備電量低于預(yù)設(shè)值，則會(huì)激發(fā)機(jī)器人的自返程指令，設(shè)備會(huì)自行返回充電。

（5）定位系統(tǒng)。為了確保機(jī)器人在廊道監(jiān)測(cè)過程中的線路準(zhǔn)確性以及避免重復(fù)性工作，我們會(huì)在設(shè)備上搭載定位系統(tǒng)，目前采用的定位方式主要是通過步進(jìn)電機(jī)編碼器進(jìn)行的，其精度值可達(dá)到10mm。

（6）吹掃系統(tǒng)。由于廊道長期處于高粉塵污染的環(huán)境中，長此以往，必然會(huì)在軌道上堆積粉塵，影響機(jī)器人的行進(jìn)，并影響機(jī)器自身的運(yùn)轉(zhuǎn)。所以，為了避免這種問題的出現(xiàn)，我們?cè)谠O(shè)備上搭載了吹掃系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)會(huì)打開吹掃系統(tǒng)，將沿途軌道上的粉塵吹掃干凈。

（7）通信系統(tǒng)。機(jī)器人設(shè)備上搭載通信系統(tǒng)的主要目的就是為了能夠?qū)C(jī)器人所收集的信息向后臺(tái)進(jìn)行交互回傳。當(dāng)然，除了收集的信息外，還會(huì)有機(jī)器人自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)。為了確保通信的連續(xù)性，在廊道中會(huì)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)數(shù)量的基站，這些基站會(huì)形成一個(gè)無線局域信號(hào)網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，設(shè)備之間可以互相訪問，極大地提升了網(wǎng)絡(luò)帶寬負(fù)載的平衡性。具體可見圖3、圖4。

圖3 網(wǎng)絡(luò)基站布置圖

圖4 巡檢基站拓?fù)鋱D

通過這套系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸煤廊道無人巡檢的目標(biāo)，而且能夠及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，實(shí)現(xiàn)可視化管理的目標(biāo)，能夠預(yù)防人工巡檢工作中的不及時(shí)、不穩(wěn)定、不充分、不到位的缺陷，有效地降低人工參與的次數(shù)，提升了實(shí)際輸煤管線的安全運(yùn)行和效率。

2 輸煤廊道智能化巡檢系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

2.1 常規(guī)功能

（1）設(shè)備狀態(tài)。智能機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主巡檢的方式，且在實(shí)際運(yùn)行中又會(huì)結(jié)合需求分為常規(guī)巡檢以及特殊巡檢兩種模式，第一種會(huì)結(jié)合事先系統(tǒng)所預(yù)設(shè)的內(nèi)容、時(shí)間、位置和路徑執(zhí)行巡檢工作。特殊巡檢則是由工作人員直接預(yù)設(shè)好巡檢點(diǎn)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)到預(yù)定的巡檢位置完成巡檢工作。借助這項(xiàng)功能我們能夠結(jié)合自身實(shí)際要求對(duì)某個(gè)特定點(diǎn)位進(jìn)行反復(fù)巡檢，確認(rèn)情況。

（2）智能充電。主要分為兩種充電方式，一種是采用非接觸的供電方式，而另外一種則是分布式接觸充電系統(tǒng)的供電方式，操作人員可以結(jié)合實(shí)際情況選擇不同的充電方案。

（3）監(jiān)控方式。為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)畫面的及時(shí)回傳，在設(shè)備上采用了360°云臺(tái)來達(dá)到視頻監(jiān)控以及熱成像的監(jiān)控效果，而且也能夠?qū)崿F(xiàn)在移動(dòng)過程中利用設(shè)備進(jìn)行紅外測(cè)溫以及視頻巡檢的目的。

（4）設(shè)備自檢。機(jī)器人設(shè)備自身需要對(duì)自己的運(yùn)載情況進(jìn)行自檢，包括電力供應(yīng)、驅(qū)動(dòng)、通信以及其他負(fù)載設(shè)備的運(yùn)行狀況。一旦出現(xiàn)異常應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行報(bào)警并將相關(guān)故障信息上傳至后臺(tái)，采取進(jìn)一步的措施。

（5）通信功能。為了確保巡檢信息傳遞的有效性，保障設(shè)備通信的穩(wěn)定性和可靠性，設(shè)計(jì)過程中采用了雙向通信的方式，提高了通信的質(zhì)量。

（6）防撞系統(tǒng)。設(shè)備運(yùn)行過程中為了避免出現(xiàn)碰撞，專門設(shè)計(jì)了安全距離，一旦與人或物體距離過近，就會(huì)激發(fā)警示燈，起到提醒和預(yù)防的作用。

2.2 巡檢系統(tǒng)的特殊功能

（1）對(duì)有害氣體和粉塵的檢測(cè)。輸煤廊道內(nèi)由于長期輸送煤炭，所以對(duì)氣體（CO2、CO、瓦斯）和粉塵濃度檢測(cè)對(duì)于預(yù)防危害有著非常重要的作用，利用巡檢機(jī)器人所攜帶的檢測(cè)設(shè)備能夠及時(shí)獲取這些數(shù)據(jù)信息，避免人為巡檢帶來的傷害。也能夠及時(shí)了解廊道環(huán)境，為工作的開展提供參考。

（2）熱成像技術(shù)。設(shè)備上會(huì)搭載熱成像技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境的溫度實(shí)施監(jiān)測(cè)，通過數(shù)據(jù)回傳和后臺(tái)分析來判斷廊道環(huán)境的安全等級(jí)狀況，一旦超出預(yù)設(shè)值，就會(huì)激發(fā)應(yīng)急系統(tǒng)進(jìn)行防御，提升了廊道的防護(hù)能力。

（3）皮帶運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)。廊道運(yùn)煤過程中會(huì)采用傳送帶進(jìn)行輸送，而傳送帶的質(zhì)量將會(huì)直接影響運(yùn)輸。在實(shí)際運(yùn)行過程中，會(huì)出現(xiàn)皮帶跑偏、漏煤、托輥出現(xiàn)異響等情況，還會(huì)存在電機(jī)運(yùn)行溫度升高的情況。所以，需要在巡檢過程中予以足夠的重視。①對(duì)開關(guān)狀態(tài)的讀取。巡檢機(jī)器人能夠?qū)ο鄳?yīng)的控制開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別和存儲(chǔ)。機(jī)器人會(huì)通過可見光源對(duì)控制柜進(jìn)行實(shí)時(shí)的抓拍采集，從而獲取相應(yīng)的信息。結(jié)合指示柜體的數(shù)據(jù)圖像并上傳至服務(wù)器系統(tǒng)后，能夠生成對(duì)應(yīng)的巡檢報(bào)表。②紅外感溫。巡檢機(jī)器人設(shè)備會(huì)配備有紅外感溫系統(tǒng)，它能夠?qū)λ爸庍M(jìn)行全面的掃描。為了確保掃描測(cè)溫的準(zhǔn)確性和全面性，可以預(yù)先設(shè)置多個(gè)檢測(cè)位置，同時(shí)，機(jī)器人會(huì)對(duì)一些重點(diǎn)位置進(jìn)行定期定時(shí)的巡航測(cè)溫監(jiān)測(cè)。對(duì)于每日所收集的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)會(huì)回傳后臺(tái)，并形成一份完整的測(cè)溫報(bào)表。一旦溫度值超出預(yù)警，就會(huì)觸發(fā)警報(bào)，通知運(yùn)維工作人員。③圖像識(shí)別。巡檢機(jī)器人自帶的系統(tǒng)軟件會(huì)結(jié)合所采集的圖像進(jìn)行識(shí)別對(duì)比，尤其是傳送帶的皮帶，對(duì)比其在運(yùn)行過程中的狀態(tài)和應(yīng)用環(huán)境，從而診斷皮帶的使用狀態(tài)，對(duì)存在問題的設(shè)備提出發(fā)出預(yù)警，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)。④聲音檢測(cè)。聲音檢測(cè)工作是在計(jì)算機(jī)軟件中針對(duì)平臺(tái)中存在的異響問題的檢測(cè)分析，它會(huì)對(duì)平臺(tái)傳出的聲音進(jìn)行頻譜分析，以此判斷設(shè)備運(yùn)行是否處于正常狀態(tài)。⑤聯(lián)動(dòng)預(yù)警功能。借助機(jī)器人所搭載的可見光攝像頭，我們可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)看到輸煤廊道的實(shí)際狀況，借助遠(yuǎn)程操控作業(yè)也能夠及時(shí)了解廊道的相關(guān)信息，包括溫度、濕度、粉塵濃度等，當(dāng)這些數(shù)據(jù)超出預(yù)警值就會(huì)聯(lián)動(dòng)報(bào)警裝置，及時(shí)給管理者提供相關(guān)信息并回傳現(xiàn)場(chǎng)視頻。

3 結(jié)語

事實(shí)上，燃煤電站在輸煤廊道的機(jī)器人自動(dòng)巡檢設(shè)計(jì)的過程中，我們需要充分考慮實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和實(shí)際狀況，除了上述的基本功能以及巡檢的特殊功能外，還包括振動(dòng)測(cè)試功能、軌道清潔功能以及系統(tǒng)集成管理的功能應(yīng)用。所有這些共同作用，促成了機(jī)器人能夠有效替代人力發(fā)揮更加豐富的作用來提升巡檢的效率和質(zhì)量，對(duì)煤炭輸送系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了足夠的保障。