基于PAC 的输煤皮带巡检机器人设计与研究

张立峰，武小芳

（鄂尔多斯职业学院机电工程系，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

1 前言

煤炭是我国储量最大的能源。煤矿生产是我国能源生产中极为重要的一环。在煤炭生产中。将煤炭从地下输送到地面或从地面再输送到化工厂需要诸多皮带输送机。同时煤炭的加工洗选各个过程，需要大量的皮带运输机运行。皮带输送机的工作环境复杂，一般处于狭长密闭环境，工作环境差，对巡检工人的身体健康造成了很大的影响。皮带过多过长，也导致了人工成本提高，同时带机运行负载重，也导致了运行过程中极易出现问题，经常出现断带、撕裂、跑偏、堆煤，甚至火灾。随着自动化水平提高，通信技术发展，以及大数据、云计算等技术普及，需要一种更加智能化，并且以人为本的巡检方式。

国内研究的很多机器人都是基于地型的履带式机器人或轮式机器人。这些机器人无法完全适应输煤皮带机的斜坡、台阶，对与皮带机的高度契合度不高，运行轨迹需要提前规划，在信号不良等情况下，无法完成定位，造成偏离预设轨道，出现撞击等事故。固定悬空轨道巡检机器人能解决上述问题，本文以一家化工厂18 条中煤皮带为例。共有输煤皮带12 条，运焦皮带6 条，所有皮带宽度均为1200mm，输送能力≤400t/h，皮带输送机型号为TD75 型，总输送距离约为1500m。现场皮带操作工每班9 人，在日常生产中，易发生皮带跑偏、打滑、堆煤、撕裂甚至着火等现象，由于巡检人员较少，输送距离长，人员巡检不及时，发生问题时不能第一时间发现，从而引发各类事故或加重事故损失。根据该厂情况，研究并设计了一款输煤皮带监控机器人。实现巡检机器人的根本功能。其分别安装于皮带的两侧，其中一台监控皮带带面运行状况，一台监控上下层皮带间的托辊状况。通过机器人自身携带的监控设备可以以动态形式实现皮带运行现场的图像采集、声音采集、烟雾检测、红外热成像仪温度检测、有害气体检测等功能。

固定轨道机器人，避免了GPS 定位信号弱等问题。能够一直按照轨道运行，不会出现跑偏，也不会出现偏离路线的问题，降低了运行过程中的故障概率。轨道两头即为充电地点，小车也不存在着，无法找到充电地点的问题。

2 总体设计

2.1 基础设计

皮带运输机工作环境相对复杂，为保证皮带运输机正常工作，传统的设计以机械和电气为主，具备一定的防止皮带跑偏，堆煤、烟雾、缎带撕裂烟雾火灾，这些在皮带保护中已经完成。由于人工巡检和固定摄像头，无法做到实时发现，所以在新的设计中，包含图像识别、烟雾报警、温度报警、运动轨迹分析等功能，从而保证它的图像清晰和实时性。

2.2 增强设计

对指定皮带机温度测量、环境温度测量；热成像测量可以识别环境中发生的初期火灾并报警；粉尘浓度测量、堵煤等异常现象图像识别；大块矿石检测、人员侵入、火灾等能准时识别并报警，以得到快速处置。皮带部分温度过高、滚轮温度过高、支架晃动、现场温湿度、烟雾浓度异样等平安隐患。能准时识别并预警，提早实行措施，避开设备损坏或更大事故发生。

设置管理人员权限，管理人员可以任意修改机器人巡检路线，设定后机器人应按照新规划路线进行巡检。管理人员可以对机器人巡检的项目以及各项目的频次（间隔时间）进行设定。

PAC 是可编程自动化控制器，它将工业控制计算机的硬件与实时操作系统相结合。以PAC 为控制核心。最大的好处是它的运输量大，实时性强， PAC 可以通过梯形图编程，也可以通过fbd 编程或者是c 语言编程，编程效率高。它有丰富的硬件，可以增加数字量，输入模块，输出模块，模拟量，输入模块，输出模块，还可以输出高速脉冲驱动步进电机。他支持多种工业总线。

通过以PAC 为控制核心，控制巡检机器人可以工作在正常、爬坡、转弯、静止、巡逻、自行充电等模式。运动控制由高速脉冲模块输出脉冲，驱动器通过带抱闸步进电机带动运行轮完成，PAC 依靠传感器采集现场温度、烟气成分、粉尘颗粒度、能够完成现场图像实时回传，具备超温报警、烟雾报警、空气质量报警等功能，系统可以通过通过云平台存储数据。

以云主机为通信中心，PAC 与红外测温摄像头通过4G 模块或5G 模块回传信息。合理选择服务器地点可以大大降低，网络延迟，将网络延迟控制在30 毫秒左右。4G 模块或5G 模块是重要的通信节点，它可以实现信息的无线传播。与通信网络相连，能够连接到云主机，并将数据存储在云主机或转存至用户服务器。

PAC 结构包括背板、电源、CPU、数字量输入模块、数字量输出模块、高速脉冲模块。其他模块固定在背板模块上，背板上具备串口和PCI 总线，PCI 总线的传输速率为27MBps，IC695 模块皆以此速度通信。CPU 模块IC695CPE305 模块支持32K 数字量输入、32K 数量输出、32K 模拟量输入、32K 模拟量输出，能够完成大量浮点数运算，支持以太网通信。数字量输入模块、模拟量输入模块，负责采集现场设备的信号，包括温度湿度、信号，粉尘信号，烟雾报警信号，障碍信号等等。数字量输出模块，模拟量输出模块，负责指示灯等被控对象的控制。高速脉冲模块IC695 hs c304 负责输出高速脉冲给驱动模块，驱动模块经过放大信号之后，输出给步进电机，通过步进电机实现小车的运动，运动速度可以自行设置。

2.3 通信网络的设置

本设计以云主机为通信节点，在云主机上安装虚拟网卡，配置虚拟网络。虚拟网络的主机为172.16.0.1；远程控制计算机中安装虚拟网卡，配置IP 地址为172.16.0.2，4G 通讯模块为172.16.0.3，这样构成了一个跨区域的网络。4G 通信模块DTU 可以通过物联网卡进行通信，只要皮带机工作地点附近有通信基站，就可以保证通信。也可以通过配置DHCP 等功能，实现WiFi的连接，从而进一步降低通信延迟和运行成本。PAC 控制器和网络摄像头通过4G 通讯模块的IP 地址为网关回传数据。这个还需要配置端口，其中PAC 的通信端口为18245，摄像头端口为8000。这些设置需要在DTU 中完成。

监控计算机可以为是服务器或是SCADA 节点，在其中安装上位机组态软件iFIX、IO 驱动软件，其中IO 驱动软IGS 件配置通道和设备，包括设备IP、通道、标记，最终采集PAC 中的数据，这些数据包括机器人状态、运行位置、运行速度、温度、粉尘颗粒度、烟雾分析结果等等，iFIX 软件需要配置SCU，在SCU 中通过OPC 连接IGS，之后运行iIFX 工作台，在工作台中建立数据库PDB，添加采集的各个数据，将各个数据以动画形式显示在上位机画面之中。同时建立历史数据库将PDB 中的各个数据存储，通过调用数据库可以用来判断运行效率、分析运行结果、故障类型等。

3 各子系统设计

3.1 视觉系统

视系统负责环境感知，温度感知，通过测温摄像头和红外摄像头，可以完成皮带运输机的图像监视，温度监视。视觉系统为图像处理系统提供图像进行AI 处理，通过卷积神经网络算法进行运算，提取图像特征。与正常运行图像对比，得出测量结果。

3.2 多气体测量系统

由多气体测量传感器构成，可测量一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、甲烷、氧气等浓度，设置温度预警值，根据预警值进行报警信息、精确位置回传，就地暂停，发出声光报警。火灾烟雾中的气体实现报警，回传火灾报警信号。

3.3 运动系统

小车的运动控制算法在PAC 中运行，PAC 通过PAC Machine Edition（PME）软件编程，该软件支持多种编程语言，指令中包含大量高级指令，可以实现复杂的编程。小车运动的过程需要记录光电编码器的信号，根据信号计算速度，位移，实现小车精准定位。小车的行走通过同步带完成，导电橡胶轮避免了静电聚集，降低了火花产生的概率。

小车可以实现自动巡检，该模式下，小车从一侧运行到另一侧，根据设定的时间，可以自行调整速度，也可以手动设置速度。自动巡检模式下，根据电量的多少会自动在端头停下充电。小车也可以实行固定点巡逻，当局部地区故障多发时，小车可以常驻该点。也可以以该点为中心，实现来回巡逻，巡逻范围可以手动设置。

3.4 软件结构

程序的编写包含几个部分，系统检测程序，机器人运动程序，数据采集、处理程序，系统开机完成自检并恢复默认值，接收到启动信号后开始启动，根据程序设置或存储值查找定位点，实现定位，根据定位信息进行工作。数据采集程序分为采集前子程序，负责将输入信号传递给中间变量，这样编程的优点是当PAC 通道损坏时，在采集前子程序中改变通道地址，线路改到相应通道即可，程序维护量小。然后对中间变量进行量程变换，将模拟量或开关量转换成工程量，便于回传到上位机后显示实际值。然后根据工程两只进行数据处理，数据处理后的值进行输出，用于控制。

3.5 硬件结构设计

综合皮带运行环境，小车采用轨道运行，轨道材料为工字铝型材，尺寸为H150×75×5×7。为了更大限度的节约运行空间，小车上的驱动电机采用竖式安装，采用减速机用来增加末端的转矩，爬坡最大值为18°。小车轮子包括主动轮，被动轮、支撑轮。主动轮双侧布置，各有一台步进电机驱动，单台功率为200W，两侧主动轮在工字铝垂面上，将通过摩擦力带动小车行进。每台驱动器支撑轮与主动轮成90°安装，行走在工字钢下两侧的横面上，起到支撑、运行功能，降低摩擦力，节约用电。

除动力系统外，小车上安装PAC 主机，DTU 模块、锂电池模块、视觉模块、传感器模块、烟雾报警模块。视觉模块密闭安装在机体内，配备防尘镜头，避免现场煤尘污染。在机体外部正反两个方向安装光电传感器，用来实现障碍物探测，障碍物出现时停车，规划新的的巡检路线。如果无路线可选时，发出报警信号回传上位※机或手机；如果障碍物消失，5s 后机器继续启动。

4 测试

巡检机器人通过布设的轨道进行运行，巡检机器人系统通过上位机控制软件设置巡检点、巡检速度、巡检方向、巡检周期等参数，巡检机器人配置高清摄像头、热成像仪、环境传感器以及充电桩，沿轨道运行到巡检点进行拍照（或视频流），并将巡检视频或照片以及传感器数据通过无线基站上传到集中控制室服务器，数据服务器采用先进的神经网络算法及图像识别技术，对现场图像数据进行智能识别，从达判断设备运行状态，达到智能化巡检的目地；机器人自主运行、智能识别、自动充电、智能报警、无人化管理。工作站设置在集中控制室，运维人员可通过工作站设置各种参数的报警阀值、手动控制机器人以及设备运行参数及巡检方式和周期，机器人进入自动运行模式后，将全程无人化运行，达到机器辅助或换人的目地。

5 结语

整个巡检机器人系统根据设定的巡检时间，各自独立运行。各机器人能够独立设置巡检时间、巡检点及巡检周期，远程工作站布署机器人监管平台软件，实现对机器人运行状态的图像展示及数据分析和报警管理。输煤皮带机器人的主要功能有视频监控功能、测温成像功能、环境监测功能、任务规划功能、智能充电功能、巡检报表功能、远程管理功能、参数设定功能、自动清扫功能、外接联动功能、远程APP 监控功能、智能语音控制功能、双向语音对讲、具备标准的工业数据接口协议。输煤巡检机器人提升了巡检效率，降低了人工巡检的劳动强度，通过输煤皮带巡检机器人的设计，将多个系统集成于机器人，并完成了现场测试，测试结果表明系统设计是合理的，达到设计目标。