何勇 王迎春 閆震

摘要：為解決礦用帶式輸送機人工巡檢效率偏低、實時性不足等現(xiàn)實問題，本課題研發(fā)設(shè)計 出一種24h全天候智能巡檢機器人，其集成先進的機電一體化與信息技術(shù)，能將傳統(tǒng)人工巡檢形式取代，明顯提升工作效率以及使巡檢數(shù)據(jù)傳輸時效性得到更大保障。本文主要總結(jié)這種機器人設(shè)備功能實現(xiàn)、軟硬件系統(tǒng)設(shè)計、實際應(yīng)用要求及結(jié)構(gòu)構(gòu)成等，通過工程實踐驗證其有效性，值得推廣。

關(guān)鍵詞：煤礦生產(chǎn);智能帶式輸送機;巡檢機器人;功能實現(xiàn);技術(shù)應(yīng)用

引言

礦山巡檢是礦山工程實現(xiàn)安全生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，巡檢內(nèi)容有排水系統(tǒng)、開采系統(tǒng)、電力網(wǎng)絡(luò)及礦內(nèi)外環(huán)境等。既往人工巡檢模式實施階段需要投入大量的時間、人力及物力資源，這樣方能確保全面了解礦山實況[1]。人工巡檢暴露出作業(yè)量大、強度高、工效低等不足。近些年中，科技有很大發(fā)展進步及礦山生產(chǎn)對安全性提出較高要求，可以用智能巡檢機器人替代人工巡檢，進而實現(xiàn)對礦山環(huán)境的全面管理，最大限度的提升礦山安全管理的數(shù)字化、智能化水平。

一、礦用帶式輸送機常見故障及運行巡檢現(xiàn)狀

1、橫向斷裂

在正常工況中，輸送機的輸送帶會以環(huán)狀形式持續(xù)運轉(zhuǎn)，以上這種作業(yè)模式存在著人工制造接頭，機械卡扣固定、熱硫化接頭法是常用的制造形式。因為輸送帶接頭處強度在其他位置之下，故而其發(fā)生橫向斷裂狀況的風險相應(yīng)增加。

2、輸送帶接頭

很多物料內(nèi)會摻雜著棱角尖銳的塊狀異物，運輸過程很容易劃傷或穿透輸送帶。特別是在兩條輸送機進行轉(zhuǎn)載的落料位置，煤料內(nèi)異物下落時易被卡住在導(dǎo)煤槽擋板或托輥架等處，并接受來自處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)下輸送帶的傳動力，造成異物越卡越緊，形成較大的穿透力并縱向撕裂輸送帶，引起斷帶情況[2]。

3、跑偏

即輸送帶運行階段其中心線和輸送機中心線出現(xiàn)偏離的情況，進而造成被運輸?shù)奈锪享樦斔蛶x中心線逆向灑落，且會增加輸送帶邊緣被磨損的風險，進而引起撕邊事故。

4、 打滑

打滑，實質(zhì)上就是輸送帶傳輸速度落后于驅(qū)動滾筒的轉(zhuǎn)速而出現(xiàn)的異常相對運動。若突發(fā)這種故障問題，一方面會造成輸送帶因傳動力不夠而喪失效力，另一方面還可能因驅(qū)動滾筒與輸送帶長期相對摩擦造成相應(yīng)構(gòu)件出現(xiàn)嚴重磨損，甚至輸送帶遭受強烈沖擊以后出現(xiàn)疲勞性斷裂、溫升而引發(fā)火災(zāi)等。

5、堆煤

當煤料中含水量達到一定值時，會使煤料轉(zhuǎn)變成粘稠的流體態(tài)，業(yè)內(nèi)一般將其叫做水煤。以上這種狀態(tài)特殊的煤料在輸送帶傳輸階段不會對皮帶表面形成較大的摩擦力，且煤料在自身重力的作用下，會在輸送帶上出現(xiàn)相對滑動而大量聚集，進而造成部分位置壓力過大，最后引起輸送機被損傷的事故。

6、托輥故障

伴隨輸送帶傳動過程，托輥自身會長期處于高速轉(zhuǎn)動狀態(tài)中，自身承受程度不一的磨損或轉(zhuǎn)動卡死帶來的損傷，伴隨時間推移會引起局部發(fā)熱與摩擦噪音，當托輥陷入轉(zhuǎn)動卡死狀態(tài)時，托輥與輸送帶兩者便會形成相對摩擦力，造成托輥構(gòu)件溫升明顯引起火災(zāi)事故。

二、智能巡檢機器人實現(xiàn)功能分析

依照輸送機的作業(yè)原理，結(jié)合礦區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)場可能出現(xiàn)的各種故障問題及巡檢機器人真實工況，機器人需要實現(xiàn)的功能大體上包括如下幾部分[3]：

（1）智能行走功能，在軌道上能勻速運動，且在帶坡度路段上不會發(fā)生打滑、溜車等情況。

（2）自重與體積均要盡可能的小，綜合強度要符合礦區(qū)現(xiàn)場應(yīng)用需求。且煤礦生產(chǎn)環(huán)境條件極差，空氣中粉塵等物質(zhì)彌漫及高溫等，故而對機器人的密封性、抗干擾能力等均提出較高要求。

（3）功耗低，進而使機器人的續(xù)航能力得到更大保障。且能智能測出電池電量，自主前往充電樁實現(xiàn)充電過程的智能化。

（4）定位功能，利用這些功能區(qū)呈現(xiàn)出輸送機故障問題的具體位置。

（5）視覺檢查功能，利用機器人更加直觀的觀察到輸送帶故障異常狀況。

（6）機器人自帶的傳感器能智能機檢測輸送機的溫度、聲音，分析后判斷設(shè)備是否發(fā)生故障、故障類型及嚴重程度等。

（7）機器人與控制室應(yīng)用了無線通信方式，這樣在控制室便能直接操控巡檢機器人的應(yīng)用過程。

三、軟硬件設(shè)計

1、硬件系統(tǒng)

（1）工控機：這是整個系統(tǒng)的核心構(gòu)件，其性能對巡檢系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的時效性起到?jīng)Q定性作用，可以選擇ARK-1123L工控機，其正常作業(yè)溫度-50℃～85℃，具備多種接口，這是和其他裝置有效銜接的重要基礎(chǔ)。

（2）數(shù)據(jù)采集裝置：圖像、聲音、溫度與方位等均是需要采集的數(shù)據(jù)類型，工業(yè)相機型號H265，配置使用 WM工業(yè)拾音器、 MAG32 型紅外成像儀分別獲取聲音、溫度信號，RFID的功能以定位為主。

（3）電池能源系統(tǒng)：電池的作用主要為驅(qū)動電機設(shè)備供電，鑒于煤礦生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，選擇電池產(chǎn)品時需著重分析其使用壽命、可靠性等因素。結(jié)合礦用輸送機防爆巡檢需求，可以選擇使用鋰電池，其能在0～60℃范圍中循環(huán)充電，電池容量能確保智能機器人連續(xù)運作6h。而對于無線基站的電源，其由礦用電纜統(tǒng)一供電，基于光纜傳輸無線基站之間的數(shù)據(jù)，將天線安裝在無線基站上，主要用于接收機器人本體上天線傳送的監(jiān)測數(shù)據(jù)。利用接口RJ45或光纜傳輸防爆控制箱和鄰近的無線基站，儲存檢測數(shù)據(jù)是防爆控制箱的主要功能，AC127 V電源供電，無線基站和礦井內(nèi)交換機相連，利用地面交換機把無線基站傳輸而來的數(shù)據(jù)傳送到地面監(jiān)控終端。在本次系統(tǒng)內(nèi)，暫時將電池充電方式設(shè)定成電池井上充電，井下更換形式，電池壽命至少要達到5年。

（4）軌道系統(tǒng)：軌道對巡檢機器人的主體結(jié)構(gòu)能起到良好的支撐作用，利用C型軌道作為軌道平臺，確保機器人能在軌道區(qū)間上實現(xiàn)往復(fù)巡檢應(yīng)用。設(shè)計時要求軌道承重≥150㎏，嚴格按照相關(guān)運行要求安裝軌道固定支架;對軌道進行全面的防銹處理。

2、軟件系統(tǒng)

（1）PLC控制軟件：以 STEP 7 MicroWIN SP9 V4.0為基礎(chǔ)編寫PLC控制系統(tǒng)，選用西 門子S7—200PLC作為硬件平臺[4]。依照系統(tǒng)功能可把程序細化成視音頻、機器人自體牽引系統(tǒng)輸送機運行及中斷程序控制。

（2）工控機上位機監(jiān)控界面：利用OCX控件結(jié)合組態(tài)網(wǎng)的形成共同組建監(jiān)控界面、其中組態(tài)王接口驅(qū)動形式表現(xiàn)出多樣化特征，比如快捷組態(tài)監(jiān)控界面，能夠和PLC、0CX控件及礦區(qū)其他接入設(shè)備的數(shù)據(jù)信息與呈現(xiàn)，利用Web發(fā)布形式使數(shù)臺異地上位機能同時訪問、查閱監(jiān)控界面上信息。OCX控件是用VC++語言編寫的，能夠傳輸、處理工控機和機器人自體之間的視音頻信號、控制數(shù)據(jù)等，并具備調(diào)控有關(guān)參數(shù)的功能。

四、智能帶式輸送機巡檢機器人應(yīng)用要求及結(jié)構(gòu)組成

1、應(yīng)用要求

（1）作業(yè)環(huán)境濕度大，應(yīng)考慮濕度對機器人運行穩(wěn)定性與檢測精準度形成的影響。

（2）大型機電設(shè)備周邊存有電磁與射頻干擾，要求巡檢機器人系統(tǒng)自身具備較強的抗干擾能力。

（3）作業(yè)空間有長度大、起伏轉(zhuǎn)彎不穩(wěn)定及相對較狹窄等特征，以上這些客觀環(huán)境因素對巡檢機器人的行走速度、最大行走距離、爬坡能力以及轉(zhuǎn)彎半徑等均提出較高的要求。

（4）巡視檢查運煤廊道運行狀態(tài)時，要求系統(tǒng)具備較強的智能監(jiān)控功能，監(jiān)控指標主要包括設(shè)備溫度、氣體濃度等[5]。

（5）具備較高的安全性，有充電閉鎖、環(huán)境監(jiān)測分析、聲音收集與雙向?qū)χv、本體自動檢查、遠程操控等諸多功能。

（6）搭建了遠程監(jiān)控平臺，能實現(xiàn)對環(huán)境和設(shè)備持續(xù)的移動監(jiān)測、火災(zāi)事故緊急報警與處理功能。

2、結(jié)構(gòu)組成

（1）驅(qū)動系統(tǒng)：該系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計了左右壓緊、水平及垂直旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，能確保巡檢機器人多方位巡檢過程的穩(wěn)定性。

（2）圖像采集系統(tǒng)：該系統(tǒng)上建造了一體化高性能云臺，系統(tǒng)熱靈敏度<60mK@300K，fl.0，幀頻25Hz，相應(yīng)波段17μm，圖像分辨率50Hz：25fps，?60Hz：30fps（1920×1080），分辨率達400萬像素，鏡頭是4倍光學(xué)變焦，f=2.8～12mm，灰度等級≥7級，能設(shè)計256個預(yù)置點，預(yù)制精度<0.05°[6]。

（3）語音對講及應(yīng)急廣播系統(tǒng)：系統(tǒng)集擴音對講、語音監(jiān)聽、消防廣播與調(diào)度功能為一體，能達到現(xiàn)場和調(diào)度室之間的交互對話與應(yīng)急通訊。參照礦區(qū)實際應(yīng)用需求，本系統(tǒng)語音監(jiān)聽范疇5～80㎡，且靈敏度有可調(diào)控性，能輸出600～1000Ω的非平衡電阻，在1m距離40dB音源下，信噪比85dB，接收頻率20～20kHz。

（4）環(huán)境檢測系統(tǒng)：該系統(tǒng)具有氣體、溫濕度、煙霧、光照度及火焰檢測等功能。對于礦山惡劣作業(yè)環(huán)境而言，做好氣體檢測工作具有很大必要性。機器人能連續(xù)4種高濃度氣體，能夠達到超限報警功能。溫、濕度檢測范圍分別是-40℃～+123.8℃、0%～100%RH，測量精度分別達到了±0.5℃與±4.5%RH。煙霧檢測靈敏度0.5db/m（±0.1db/m），超限報警濃度為5%obs/m，響應(yīng)時間≤20s。光照度檢測的測量區(qū)間0～65535Lux，并可以參照光照情境的差異性實現(xiàn)智能化調(diào)控，黑夜、月夜、陰天室內(nèi)、陰天室外、晴天室內(nèi)及晴天室內(nèi)時分別是0.001～0.02、0.02～0.3、5～50、50～500、100～1000Lux[7]。

（5）智能防撞和避障系統(tǒng)：該系統(tǒng)是巡檢機器人長期穩(wěn)定運行的重要基礎(chǔ)。本系統(tǒng)內(nèi)精準探測障礙物與隧道內(nèi)工作人員，實現(xiàn)精準定位，具備加強的智能防撞與避障功能，遇到障礙時能自動暫停與預(yù)警。且從運行安全的視角分析，通過裝設(shè)安全觸邊，防控碰撞時對人員與機械設(shè)備造成損害。本系統(tǒng)設(shè)計的探測距離0`3m，探測角120°，能實時更新自身位置信息，定位精準度達到0.01m。且會布置斷定制動功能，當巡檢機器人運轉(zhuǎn)階段，若突遇故障問題引起斷電，則機器人會即刻停運，起到良好的保護作用。

五、現(xiàn)場應(yīng)用及效果

1、現(xiàn)場應(yīng)用

把巡檢機器人用于某煤礦的生產(chǎn)現(xiàn)場中，基于現(xiàn)場工業(yè)性試驗與應(yīng)用，巡檢機器人能較好的滿足輸送機運輸安全監(jiān)控的現(xiàn)實需求，系統(tǒng)運行狀態(tài)優(yōu)良，檢測性能安全、穩(wěn)定，自身具備較強的故障問題辨識能力，報警動作快速且精準可信。巡檢機器人能夠達到直觀可視化管理。通過構(gòu)建輸送機管理系統(tǒng)，達到了巡檢的可視化、一鍵智能化巡檢、智能報警等諸多功能[8]。

機器人系統(tǒng)能實時調(diào)取煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場畫面與監(jiān)控裝置運行參數(shù)。在實現(xiàn)視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上，于右上角動態(tài)、全面的呈現(xiàn)紅外攝像機監(jiān)控圖像于最高溫度。機器人能夠利用操作界面進行實時監(jiān)控、既往數(shù)據(jù)及參數(shù)規(guī)劃等諸多功能，這是遠程監(jiān)控巡檢機器人的運行狀態(tài)，有機整合遠程在線監(jiān)控與現(xiàn)場巡檢情況，于輸送機廊道中建設(shè)出無人巡視和處理管理全新模塊。

2、效果

本煤礦應(yīng)用智能巡檢機器人之前，人員定額是85人，采用這種機器人設(shè)備以后，人員定額減少到25人，每年節(jié)約資金在500萬元以上。智能巡檢機器人明顯提升了煤礦現(xiàn)場管理的自動化水平與故障處理效率，明顯降低了工作的作業(yè)強度與事故造成的經(jīng)濟損失，創(chuàng)造出良好的經(jīng)濟效益。在確保礦區(qū)生產(chǎn)安全、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，智能巡檢機器人真正實現(xiàn)了“智能化減人”的目標。

結(jié)束語：

本文設(shè)計出的巡檢機器人能利用各類傳感器全面采集礦區(qū)設(shè)備、工作空間環(huán)境等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并將大數(shù)據(jù)分析優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，精準掌握煤礦生產(chǎn)設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，提升設(shè)備性能的利用效率。機器人還能實現(xiàn)對輸送機廊道作業(yè)環(huán)境與設(shè)備的整體化檢測，真正實現(xiàn)可視化管理與執(zhí)行預(yù)警，提升巡檢功效與精準度，及時處理突發(fā)狀況，具有較高的推廣價值。

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作者簡介：何勇，1973年4月，男，漢族，廣東興寧人，大學(xué)本科，中級職稱，機械制造及自動化專業(yè)。