机器人技术在大柳塔煤矿井下变电所的应用

王 飞，王 军，罗 伟，任文清

(神东煤炭集团大柳塔煤矿，陕西 神木 719315)

0 引言

据国际机器人联合会(IFR)发布的最新报告统计，2018年全球工业机器人销量达到38.4万台，亚洲作为近几年全球经济发展最活跃的地区，机器人装机量的增速在全球也排在首位，中国目前是全世界最大的工业机器人市场。随着自动化生产在全球范围内不断加速，工业机器人正在向更深更广的方向发展，机器人智能化水平也在不断提高，机器人的应用领域还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到更多的制造业，进而推广到诸如采矿机器人、建筑建造机器人以及水利水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。机器人正在为提高人类的生活品质发挥着越来越重要的作用。

目前，国内外机器人应用已经从传统的工业焊接，货物搬运等成熟应用行业延伸到了各个行业，机器人发展的浪潮已经开始，但是煤矿机器人的应用目前还主要是用于救援等特殊场合，日常的煤炭生产场合的成熟应用才刚刚开始，巡检机器人应用于变电所，地下皮带走廊等高安全防护要求，环境较为复杂的工业场合也逐步展开。神东矿井综合自动化系统从最初的单一矿井自动化，发展到现在的LCS，区域自动化，经过几期的建设，目前在通讯网络，数据采集，控制系统完善等方面已经打下了坚实的基础。所以目前已经具备了向更高的目标迈进的技术基础，在神东的技术规划路线中，机器人从矿井到地面各个生产环节对生产人员的辅助已经成为了技术方向，所以目前适时的开始巡检机器人的应用已经具备了技术条件。探索通过机器人技术辅助人工巡检或者代替人工巡检，在减轻基层员工的劳动强度的同时，也降低人工巡检的安全风险，实现有效、可靠巡检，提升煤矿企业的本质安全管理。

1 煤矿井下变电所巡检存在的缺陷

大型煤矿井下变电所是矿井的核心场所，变电所内部的高低压配电柜、变压器等设备的安全可靠运行直接关系到矿井的安全生产。目前大柳塔煤矿随着综合自动化技术的不断升级和改造基本上都实现了远程集中监控功能，矿井变电所配置有视频监控系统，但是由于视频监控系统存在监控死角，主要依赖于调度人员的人工监看，而且不具备智能识别、故障判断、与控制系统联动等智能功能，所以不能及时和准确的对设备运行状态进行监控。煤矿井下变电所设备一般处于长期不间断运行的状态中，存在极大事故隐患，因此对变电所区域的监控非常重要。传统的监控方式通常采用人工巡检或固定摄像头定点监视，这2种方式都存在一定问题，人工巡查浪费人力、效率低下，并且恶劣条件对人身安全存在威胁；固定摄像头定点监视，范围有限，需要在运行设备处布置大量摄像头，不仅图像切换、监视、存储任务量大，而且布线多、功耗大、维护任务重，综合效率非常低下。

煤矿井下变电所巡检还存在以下缺陷：①煤矿井下变电所缺少高频次，可靠的，不依赖人工的巡检手段，而且巡检的措施较为单一；变电所发生电气故障，火灾等事故时没有有效的发现手段与巡查方式。②高低压配电设备远程停送电后(防爆柜在进行大的检修时手车是否退出，送电后运行状态，操作人员身份识别)，没有视频信号的二次确认，停送安全性上还有提高空间。③电气设备操作人员由于目前的摄像头视频范围有限不能有效监控，存在就地误操作后无法追溯隐患的情况。

适用于煤矿井下特种巡检的防爆巡检机器人的诞生为解决以上的问题提供了可能性。

2 变电所巡检机器人功能描述

在大柳塔煤矿井下变电所建设一套巡检机器人系统，真正实现可靠的变电所无人值守，通过巡检机器人完成变电所不间断，关键点无死角，多手段的周期性自动化巡检的基础功能，并通过将机器人融入到矿区区域中央自动化控制系统，实现智能联动，智能故障识别判断，隐患预警等智能化功能。补齐矿井整体系统的短板，提高人员工作效率，降低劳动强度，实现变电所的安全、稳定、高效运行。

由于变电所设备呈直列式布置，设备显示窗口方向统一，所以选用轨道式拖线防爆巡检机器人。矿用轨道式巡检机器人系统(以下简称巡检机器人)主要由机器人本体、基站、轨道系统、地面工作站组成。巡检机器人可以代替巡检工定时、定点、高质量的完成井下设备的日常巡检任务，机器人本体吊挂于轨道在巷道内往复运行，模拟巡检工井下巷道行走，巡检机器人搭载多种传感器，实时采集巡检现场的图像、声音、红外热像及温度数据、烟雾、多种气体浓度参数等信息，不仅模拟实现巡检工巡检作业时的“望、闻、问、切”，而且将传统的纸质记录和不能准确量化对比的人工感官现象，以数字化的图像、声音和准确的数据实时归类存储，便于故障问题的查询。该型巡检机器人系统具备以下功能。

设备状态智能巡检功能。巡检机器人支持全自动和遥控巡检模式。全自动模式包括常规和联动巡检2种方式。常规巡检模式下系统根据预先设定的巡检任务内容、时间、路径等参数信息，自动启动并完成巡检任务；联动巡检模式由通过矿井区域自动化系统(LCS)自动产生的指令(如高压柜分合闸，故障)，机器人对巡视点自主完成巡检任务。遥控巡检模式由操作人员手动遥控机器人，完成巡视工作。对现场设备进行反复巡检，实现对设备状态的连续、动态的数据采集及存储。

巡检机器人监控功能。机器人主机上安装360°全方位云台的可见光视频监控摄像头和红外热成像监控摄像头，可以实现巡检机器人运动过程中的对设备进行视频巡检和红外测温。

设备状态检测功能。巡检机器人可将现场的视频图像、红外测温图像、环境温度、瓦斯浓度、烟雾浓度等设备及现场环境情况发送回上位机。当设备出现异常情况时巡检机器人停止巡检并停留在原地，并在现场及上位机发出报警，异常情况消除后人为控制恢复巡检。

人脸识别。将巡检机器人和配电系统进行闭锁，在停送电时对人脸信息进行识别比对，只有比对通过或者系统授权人员才可以进行供配电设备的操作。

机器人自检功能。巡检机器人具备自检功能，包括对主机电源、电机驱动器、通信和检测设备等部件工作状态的检测，发生异常时能立即发出报警，并能上传故障类型等信息至监控后台。

数据远程通信功能。采用网络传输方式(依托于目前矿井建成的工业以太网)实现机器人与后台机之间的通讯，实现巡检数据和控制命令的传输。

系统信息集中管理功能。机器人系统可进行巡检机器人联动管理，巡检机器人能正确接收和监控后台的控制指令，实现云台转动，机体运动、供电系统和设备检测等功能，并正确反馈状态信息，及时上报机器人主机的各类预警和报警信息。

智能终端监控软件设计。智能终端控制软件能够与巡检机器人进行通信，显示机器人发送的视频以及各项巡检数据，并能够下发控制指令，控制机器人的巡检方式、运动方向，设置各传感器的报警阈值等。机器人软件平台融合到矿井区域自动化系统，将现场采集的视频图像(可见光、热像图)、环境数据等上传至服务平台，提供计算、存储、安全资源，实现系统稳定运行，降低系统运行维护成本。

3 机器人巡检执行

自动巡检模式下，巡检机器人定时对变电所内各台设备巡检，巡检内容为设备分合闸状态、设备显示屏运行数据、设备温度、变电所瓦斯浓度、变电所烟雾浓度、进入变电所人员面部特征识别与比对。

遥控巡检状态为上位机远程操作，可通过指定配电柜编号使巡检机器人直达配电柜前，也可通过运行与停止命令控制巡检机器人行走，使用远程云台功能控制摄像头监控方向实现遥控巡检。巡检机器人上位机功能包含以下方面。

自动巡检模式下，通过上位机对巡检机器人巡检周期的设定，对巡检机器人行走速度的设定，对配电设备初始化巡检水平坐标的设定以保证巡检位置的准确性和巡检质量的高效与高标准性；遥控巡检模式下，通过对巡检机器人动作命令的下发与返回接收，实现对巡检机器人的人工遥控控制，通过巡检机器人摄像头云控制端实现对机器人摄像头的人工远程操作；在上位机建立进入变电所人员面部特征信息数据库，在有人员进入变电所时巡检机器人对进行变电所人员面部特征与数据库识别比对，并做人员操作记录；在上位机建立巡检机器人历史巡检数据存储与调取功能，巡检数据包括对巡检机器人主机电源、电机驱动器、通信和检测设备等部件工作状态的检测数据和现场的视频图像、红外测温图像、环境温度、瓦斯浓度、烟雾浓度等设备及现场环境情况的数据。

4 结语

通过机器人的自动巡检，降低了巡检人员工作强度，提高了巡检效率，补齐了传统变电所人工巡检模式下的短板，为实现矿井的无人化巡检提供了技术支持。巡检机器人支持全自动和遥控巡检模式，地面监控人员可以随时介入接管巡检机器人，使之成为调度人员、运维人员在矿井的眼、耳、脑的延伸，提高了对现场的监管力度，提升了设备巡检的准确性与时效性。巡检机器人高效率、无死角的巡检模式可以更加及时地发现设备隐患，有效规避了人工巡检存在的弊端，一定程度上去除了人的不安全性，提高了矿井安全生产能力。巡检机器人上位机软件对巡检数据的存储与分析，可以有效发现设备运行潜在安全隐患与风险，降低设备故障率，为设备故障处理与调查提供可靠依据。