轨道式机器人的输煤皮带智能巡检监测系统的运用分析

马超 宋立信 崔晓峰 康兰元 董宝苍 张剑 韩耀龙

摘要：为确保输煤皮带设备能实现安全、可靠运行，使输煤现场生产尽早实现智能化，作出研发与应用轨道式机器人的建议。本课题中设计研究的机器人最大的特征是能协助人工自动巡检长距离运输时的皮带状态，主要介绍机器人的主要构成、现场应用情况，证实其合理性，具有一定推广价值。

关键词：输煤系统;皮带设备;轨道式机器人;智能化巡检;实践运用

引言

火力发电厂内置的输煤系统有生产区域大、设备作业环境条件恶劣、故障问题扩散快等特点，人工排查方法应用中暴露出很多不足，比如人力成本高、作业环境条件差、信息共享率低等，很难维持及强化设备运行的可靠性。输煤皮带自身有易磨损、表面上吸附着易燃易爆粉尘等特征，增加了设备发生故障问题的风险，给火电厂生产运行及环境保护埋下了隐患因素，电厂应加大对生产管理力度[1]。

电厂既有的信息化管理系统很难满足智能管理的需求，对于恶劣、极端环境下长距离输煤皮带的监控方式，长期停滞在平面化、单一式的现场状况方面。本文设计研发的机器人内置了数组辅助监测模块，进而协助人工即便是在极端环境下也能顺利执行皮带状态巡检任务。

一、智能巡检监测系统的结构分析

1、系统框架

机器人系统主要由轨道智能巡检机器人、现场动态图像信息收集、控制及数据处理分析、人工智能辅助决策四大子系统共同构成，其功能有智能化巡视检查、采集与传输数据、判断数据运行状态、预警信息提醒、查找既往数据、生成报表资料等诸多功能。

巡检机器人系统上可以增设高清摄像镜头与红外成像仪，云台在水平方向能实现360°转动、上下方向倾向一定角度，进而达到对输煤皮带整条生产线上所有巡检装置及作业人员的全方位监测，精准获得减速电机、皮带煤堆表面、電缆槽等温度异常信息;通过增设噪声检测元件，能够实现对运转设备、托辊等运转阶段音频信号的整体性采集与处置。机器人视觉辨识技术和数组皮带跑偏开关相整合，这是精准测量皮带跑偏位置与位移量的重要基础。将皮带撕裂监测仪安装在皮带落煤位置下方，用于监测皮带纵向裂纹、撕裂等异常状况;视觉识别还能整合线速度传感器，用于监测皮带运行阶段出现的打滑问题;视觉辨识和机器人采集犁煤器运行参数相结合，用于辨识、判断犁煤器运行状态正常与否。系统主要由检测终端传感器、远距离轨道、巡检机器人、无线传输、报警图像呈现、人工处置等诸多软硬件构成[2]。

2、长距离轨道

选择热镀锌方形钢管作为巡检装置的轨道，可以采用的安装方法并不唯一，比如膨胀螺丝、靠墙及最顶层电缆支架安装等，前者轨道被安装在隧道顶部中间，安装过程中要尽量躲避人工爬梯、风机等可能对轨道路线形成一定阻碍的基础设施。如果将轨道布置在电缆支架的最顶层，选用电缆支架作为支撑物体，使轨道朝向隧道中间位置进行适当延展，在轨道连接件的协助下使两根状态独立的方管紧凑连接，为规避巡检机器人运转阶段出现摇摆、晃动的情况，则建议安装轨道时配合应用激光水平仪开展测量活动，确保轨道的平直度符合设计要求，杜绝出现变形问题。由于输煤生产现场可能会存在转弯、上下坡等地形改变情况，故而在测量弯度、坡度各自具体值，对局部有针对性的加工出适宜的弯管，进而使轨道水平面的准确度得到更大保障。

3、巡检机器人

机器人主要由静音底盘、车厢、升降臂、云台等几大部分构成。为确保其运行状态的安静性，利用同步轮、同步带及天然橡胶“轮胎”实现了消声 [3]。本课题中设计的巡检机器人内置了很多传感器，比如消防、氧气、一氧化碳、可燃气体、硫化氢、温湿度以及防碰撞传感器等，进而确保巡检活动安全性，应用中取得良好成效。

4、撕裂检测

具体是应用了光学三角与回波分析原理成像，配合应用精密传感器装置，当皮带设备运行阶段突发撕裂问题时，其能通过非接触形式检测撕裂处裂缝的宽度、深度。半导体激光器传送出的激光，通过镜片后会被聚焦在被测物件上，镜片采集反射光线以后将其投射至CCD上。信号处理器的作用是利用三角函数测算出CCD上光点的具体方位，进而获得被测物的距离信息。激光器与摄像头均被规范的安装在上皮带的下方，激光器能将单条带状激光发射到皮带底部，在皮带表层上形成反射后以后，摄像头设备统一收集，还可以智能化提获激光条纹中心，基于三角测距方法规范的解析皮带断面的高度、深度等参数信息，将其动态化反馈至控制计算机内。计算机软件系统化分析及数据整体还原后，便能够获得皮带相对应的3D图像，协助工作人员更直观的观察皮带的运行状态，对其是否发生撕裂情况作出科学判断[4]。

激光测量过程中应用了诸多精密参数与算法来去对是否发生纵向撕裂情况作出判断，其中撕裂检测仪能利用激光束高速、全断面扫查输煤皮带底面情况，实现了24h全天候检测，及时发现纵向撕裂或其它皮带表层损害等不良状况。执行以上过程中为了彻底消除误报、错报等不良情况，撕裂检测仪利用激光束实现对皮带表层二道整体化扫查，相机收集图像相关信息，独立化鉴定，互为检测验证，这样一旦确认皮带发生撕裂情况时就快速发出报警信号。

二、样机实验

1、爬坡性能检测

具体是将测试轨道搭设在带式输送机的单侧。利用铝型材建设轨道，应用铝型材立柱、横梁及各类型连接件。因为测试现场地面没有倾斜角，故而通过调整立柱高度去构建出坡度轨道，用于检测机器人的爬坡性能，检出轨道的坡度稍稍大于现场实际坡度值。

在建设好机器人轨道以后，还需要逐一检测机器人自身各硬件部分，确保各个电气元器件通电无异常。准备好硬件以后，就可以检测机器人的爬坡运动能力。由于无刷直流电机的扭矩和设计转速之间存在正比关系，故而通过给电机设置不同转速，分别观测其上、下坡的运转状况，记录机器人单次往复复巡检的运动时长 [5]。观察现实运转状况，发现机器人在各设定转速下均能实现稳定运转，未见卡顿现象，实验证实本电机能较好的满足智能巡检机器人的应用要求。

2、软件调试

软件调试主要是调试下位机控制软件的串口通讯，需要测试的硬件有PC、工控机、24V 直流电源等。其中，采用USB转RS232 串口线连接PC和POS 驱动器。PC机上安装了 Visual Studio 2012，其作用主要是开发与调试程序。在正式测试前，应结合串口类型差异组装相应的驱动软件，并且会基于串口调试软件性能过程，验证通讯成功与否。在使用串口调试软件前，需要设置串口号、波特率、无校验位等。通过調试过程，确保系统内部电气线路能排列整齐、方位状态稳固、走向科学，能为安装、维护过程创造便利性，并且要配合使用醒目的颜色和标志进行区分;电气系统不能出现漏电现象[6]。机器人能精准的接收本地监控后台发送的控制指令，达到云台转动、本体运动、智能充电和设备状态自检等功能，且还要能精准的反馈状态信息;准确检出机器人自体的各类预警、告警信息，安全、可靠的上传。

3、检测电池续航能力

为检测验证电池的续航时间，对巡检机器人的电池的续航能力开展测试分析，分析到环境温度对系统形成的影响，故而测试时尽量选择气温不同的时段进行，因为测试时间处于本地夏季，故而续航测试时的最大室外温度区间20～37℃，测试前要先充满电池电量，当电池电量低于20%时结束检测。统计测试结果发现，机器人能源系统的平均续航时长是10h左右，满足了机器人整体设计内电池续航时间≥6h的要求。

三、皮带巡检系统的应用情况分析

某电厂5A输煤皮带巡检系统基于安全生产规程、煤系统运行状态实现智能化检测的现实需求去设计等，当下已经投入到生产实践中[7]。巡检机器人的作业模式主要有智能化巡检、远程控制、人工手动巡检三种，并且对依照现实生产需求编制巡检计划的过程提供较强大的支持力，进而更好的满足输煤皮带现场检测的需求。如果速度、跑偏、温湿度等传感器发出报警或通过测算预警参数的方式发出报警信号时，能够优先配置机器人资源，使其快速抵达指定区域开展巡视检查活动，工作人员可以利用视频、图片、传感器状态等情况整体判断、诊断异常状况，尽早做出科学、有效的处理。

智能巡检系统主要实现如下功能[8]：持续追踪检测皮带跑偏情况、托辊是否发出异常声音、煤流反常等生产运行参数，精准的探查到故障问题，并且会第一时间对其作出定性、定量诊断，为设备运行调控、检查维护等工作开展提供可靠建议，能较全面的提升设备运行过程的可靠性，在这样的工况下，输煤系统自动化管理水平有很大提升也是毋庸置疑的事实;提升系统报警动作的精准性与时效性，准确检出皮带异常状况并发出相应的报警信号，规避既往人工现场巡检中问题发现不及时、保护误动、拒动等情况，降低皮带大量撒煤、故障停运等事故的发生率，当然也明显减轻了巡检人员的工作强度，使皮带运行安全性、经济性得到更大保障。

结束语：

在科学技术日异月新的背景下，各种高端、先进产品陆续被开发，将智能巡检机器人用于输煤皮带现场监测领域中，解除了传统人工巡检时暴露出的频率不足、覆盖不全面、精准度偏低及盲点较多等问题。但是由于智能机器人在视觉判别、噪声监测等领域至今尚未实现实时化监测分析，故而生产实践中人工巡检工作依然是不可缺少的项目。两者能实现优势互补，明显提升输煤现场巡检工作质效，为火电厂安全生产保驾护航，实现效益的最大化。

参考文献

[1]宋连喜，刘波.煤矿主运输智能集中控制系统设计[J].工矿自动化，2021，47（S1）：58-63.

[2]鄂思佳.煤矿主井皮带运输机在线监测系统研究[J].机械管理开发，2021，36（01）：140-141+170.

[3]郁国强，张宝刚，董克忠，赵小雷.新型干法水泥生产线设备精细化管理的应用[J].水泥技术，2020，78（06）：33-40.

[4]李国栋.阳煤一矿井下皮带输送机集中控制提效改造实践[J].机械管理开发，2018，33（08）：152-153.

[5]徐金鑫.露天煤矿巡检机器人的设计及现场测试[J].机械管理开发，2020，35（09）：239-240+250.

[6]康志华.斜沟煤矿原煤运输皮带机集中控制系统应用[J].同煤科技，2020，78（04）：15-18.

[7]周源.带式输送机的安全保护和智能巡检系统[J].水泥工程，2020，12（03）：60+62.

[8]沈超.矿用自动巡检机器人在黄陵一号煤矿的应用[J].陕西煤炭，2020，39（02）：118-120+141.

作者简介：

马超，1986年3月，男，汉族，辽宁阜新人，本科，中级职称，自动化。