劉 鵬

（安陽市主焦煤業(yè)有限責任公司，河南 安陽 455145）

在煤礦現(xiàn)場采掘生產逐步擴大的今天，各類機電設備的數(shù)量呈現(xiàn)出逐步增多的趨勢。井下供電系統(tǒng)及供電設備規(guī)模變大，進出線回路較為繁瑣，切換動作變得更加的頻繁，運行的環(huán)境呈現(xiàn)出相對復雜的狀態(tài)，若是沿用傳統(tǒng)的人工巡檢方式，將無法滿足現(xiàn)代化煤礦變電所的實際運行需要。本文將結合這樣的現(xiàn)狀分析煤礦變電所智能巡檢機器人的研究與應用，同時對智能巡檢機器人助力煤礦智能化發(fā)展提供現(xiàn)場依據。

煤礦變電所，作為煤礦整體運行的生命壁壘，日常的檢修維護是保障供電系統(tǒng)正常運行的重要措施。礦用智能巡檢機器人利用最先進可靠的取像裝置開發(fā)有效的數(shù)學模型，通過工業(yè)計算機的高速運算，利用先進的無線充電技術和無線數(shù)傳技術，對硐室內設備各類故障進行實時監(jiān)測及診斷。同時實時監(jiān)測現(xiàn)場的圖像、聲音、溫度、煙霧、氣體等數(shù)據，利用后臺對資料進行全面分析，從而診斷現(xiàn)場設備是否存在故障以及對故障進行定位。[1]

1 煤礦變電所存在的普遍問題

1.1 變電所值班人員自我約束力差

在日常的工作中現(xiàn)場人員由于思想麻痹、工作態(tài)度不專心、精力不能始終投入在工作中，從而可能引發(fā)操作不符合要求。或者個別人員責任心不強、不懂標準、不會試驗、對崗位責任認識不到位、對現(xiàn)場各類規(guī)章制度不遵守等這些情況都可能引起供電事故，給變電所及礦井安全運行帶來重大安全隱患，也給人身安全帶來極大的不穩(wěn)定因素。

1.2 煤礦井下變電所電氣設備運行時間長

現(xiàn)場設備運行周期長，無異常情況不會進行頻繁操作。再加上井下條件復雜、環(huán)境潮濕，設備和電纜受環(huán)境因素影響大，可靠性逐漸降低，到一定的時候，可能出現(xiàn)故障。

1.3 煤礦供電資金投入不夠

根據煤礦企業(yè)目前的實際情況，由于資金等原因不可能對現(xiàn)有的變電所在短期內進行技術改造或擴建。

1.4 現(xiàn)場供電設備安全監(jiān)測系統(tǒng)自動化水平不高

煤礦企業(yè)可能存在受投資問題、科技水平和現(xiàn)場地質條件的制約，造成很多煤炭企業(yè)供電設備無法正常配備堅持供電系統(tǒng)安全運行的檢測監(jiān)控系統(tǒng)。這樣就可能出現(xiàn)現(xiàn)場供電設備運行狀況的數(shù)據信息不能及時傳輸?shù)降孛孀詣踊刂剖?，導致地面自動化管理人員及相關技術人員無法及時掌握現(xiàn)場井下供電設備的運行情況，從而可能出現(xiàn)的安全隱患和問題不能及時做出有針對性的操作和補救決策，進而引起事故的擴大，造成巨大的人身傷害和財產損失。

2 智能巡檢機器人基本內容

智能巡檢機器人系統(tǒng)由ZDX12-T 礦用本安型移動巡檢平臺、DXH12 礦用本安型電源箱、ZDX12-F 礦用本安型移動巡檢子站、KBA12 礦用本安型網絡攝像儀、GQQ5(A)礦用本質安全型煙霧傳感器、GJC4-100 煤礦用高低濃度甲烷傳感器組成。該系統(tǒng)采用了先進的本安型在軌充電、無線數(shù)傳等技術，實現(xiàn)了機器人在軌道自動或手動控制運行，對整個軌跡內的聲音、圖像、氣體等參數(shù)的實時采集、回傳、存儲及分析。

2.1 高靈敏度氣體探測

智能巡檢機器人系統(tǒng)上搭載有甲烷傳感器，當巡檢現(xiàn)場有甲烷和非常規(guī)氣體：氧氣、臭氧、二氧化碳、VOC 氣體產生時，智能巡檢機器人系統(tǒng)現(xiàn)場和上位機同時報警。

（1）信號類型：電流信號；（2）信號范圍：（4～20）mA；（3）傳輸距離：≤300m。

2.2 高清移動視頻采集

通過智能巡檢機器人系統(tǒng)上搭載的多個紅外網絡攝像儀實現(xiàn)對整個硐室內設備、線纜、管道、水跡等畫面信息采集，圖像信息采用千兆無線通訊，傳輸至遠程端上位機顯示并存儲，通過對圖像的瀏覽分析，判斷設備是否存在故障、損壞程度、故障位置，診斷是否需要停電維修以及有無違章操作人員的現(xiàn)象。[2]

2.3 煙霧、氣體傳感器

通過智能巡檢機器人系統(tǒng)上搭載有煙霧、氣體傳感器，當巡檢現(xiàn)場有煙霧產生時，智能巡檢機器人系統(tǒng)現(xiàn)場和上位機同時報警。

（1）信號類型：開關量信號；（2）信號參數(shù)：高電平：12V，低電平0V；（3）傳輸距離：≤5m。

2.4 高靈敏度溫度監(jiān)測

設備運行期間若發(fā)生故障，損壞設備就會出現(xiàn)表面溫度過高的情況。智能巡檢機器人的紅外溫度傳感器能夠快速發(fā)現(xiàn)損壞設備的故障位置，同時可遙控指向測溫儀準確采集被檢測物體溫度。

2.5 高分辨率拾音器

采用拾音器實時采集現(xiàn)場聲音，經無線網絡實時傳輸至遠程端上位機，被監(jiān)管的設備在運行期間中出現(xiàn)異常故障，相關部位就會產生相對明顯的聲音異常。巡檢機器人則會通過對采集的異常信息進行全面的分析，從而斷定設備是否存在故障，進而能夠及時發(fā)現(xiàn)、準確處理、避免事故進一步擴大。

（1）頻率響應：150Hz-15kHz（90dB 聲壓、A 加權）；（2）音頻輸出值：0-2.5V；（3）拾音范圍：0-100m2（連續(xù)可調）；（4）指向特性：全指向性；（5）頻率響應：150Hz-15kHz（90dB 聲壓、A 加權）。

2.6 揚聲播放

將傳輸?shù)穆曇粜盘栠M行放大，便于在現(xiàn)場嘈雜的環(huán)境中，人員能清晰地聽到語音內容。

（1）功率：12w；（2）阻抗：8/16Ω；（3）頻率：200～7000Hz；（4）靈敏度：≥112dB。

2.7 本安型接觸式充電

智能巡檢機器人系統(tǒng)采用鋰電池供電，充電采用本安型電源提供充電，充電過程采用接觸式，保證安全。當巡檢機器人電量低于設定值，就會自動到達充電樁，并發(fā)送充電指令，本安型充電器開始實施充電。

（1）充電電壓范圍：12.5V～12.7V DC；（2）充電電流：≤ 1.6A；（3）電池組數(shù)：2 組；（4）電池型號：PL175667 錳酸鋰電池；（5）電池容量：單節(jié)電池5Ah，額定電壓：3.7V；（6）電池連接方式：3 節(jié)串聯(lián)，串上兩級限流保護，并用環(huán)氧樹脂灌封為整體。

3 具體實施方法和步驟

智能巡檢機器人安裝采用懸掛式，利用膨脹螺栓固定三角支架實現(xiàn)對軌道的固定，移動巡檢裝置在軌道上做往復運行，在軌道固定位置安裝礦用隔爆兼本安型直流電源，實現(xiàn)移動巡檢平臺進行充電，礦用本安型移動巡檢子站實現(xiàn)對500m 范圍內的巡檢平臺無線信號進行收集，并通過有線網絡傳輸至定制計算機。

本系統(tǒng)通過在中央變電所、泵房巷道內行人側安裝軌道，布置軌道式巡檢機器人檢查監(jiān)控，實現(xiàn)對硐室內的環(huán)境監(jiān)測、設備狀態(tài)監(jiān)測，并與集控中心進行可靠、穩(wěn)定、即時的數(shù)據交互。實現(xiàn)對數(shù)據、音頻、視頻進行深度分析，對環(huán)境、溫度、氣體的檢測監(jiān)控和現(xiàn)場設備運行狀況的判斷、預警等功能。[3]

3.1 系統(tǒng)組成

ZX127 礦用智能巡檢機器人系統(tǒng)主要由移動巡檢平臺、無線通訊系統(tǒng)、無線充電裝置、各種信號采集設備和軌道系統(tǒng)組成。

3.1.1 移動巡檢平臺。集合了視頻采集、聲音采集、氣體采集、溫度采集、無線充電等功能，帶有自動驅動，實現(xiàn)在固定軌道自動行走。高清視頻采集，清晰度1080P，對外接口RJ45 與無線通信模塊相連，實現(xiàn)視頻信息的實時傳輸。高精度氣體采集傳感器，實現(xiàn)對煙霧、瓦斯、粉塵等有害氣體濃度的動態(tài)測量，可完成整個軌跡巷道內的氣體分布情況。對復雜環(huán)境中的聲音進行采集，按照頻率進行區(qū)分歸類、比對，實現(xiàn)對異常聲音的提取。

3.1.2 無線通信。采用定向無線模式，在巷道內實現(xiàn)大數(shù)據無線傳輸及信號覆蓋，實現(xiàn)對移動中機器人內部采集信息的實時回傳。定向傳輸最遠距離可達2Km，傳輸速率最大可達到100bps。

3.1.3 自動充電。根據軌道長度預設電量值，當電量低于預設值時，機器人自動返回充電樁，到達充電位置后，限位開關閉合，主控制裝置給電源觸點控制端下達充電命令，電源觸點控制端接受命令，同時對機器人進行充電。

現(xiàn)場采用本安型電源箱作為充電來源，在接觸狀態(tài)下，實時分析機器人用電情況，當電量低于設定值，實現(xiàn)對機器人內部電池進行自動充電。

實現(xiàn)了巡檢設備連續(xù)正常運行，且能自動進行充電，保證了安全性，充電功率可達20W。[4]

3.2 實現(xiàn)功能

1.氣體檢測。識別巡檢泵房變電所環(huán)境空間中的氣體成分，檢測數(shù)值實時上傳控制平臺，當識別氣體超標定值時報警提示，移動巡檢裝置停留報警位置等待處理。

2.視頻采集。沿著泵房變電所單側既定路線巡檢，視頻數(shù)據實時上傳控制平臺，供工作人員排查參考。

3.溫度監(jiān)測。識別巡檢泵房變電所環(huán)境空間和設備的溫度變化，檢測數(shù)值實時上傳控制平臺，當空間溫度超標定值時報警提示，移動巡檢裝置停留報警位置等待處理。

4.紅外測溫。識別延線視覺內的物體表面溫度，如防爆開關，泵房電機等，當識別溫度超標定值時報警提示，移動巡檢裝置停留報警位置等待處理。

5.音頻識別。采集識別延線聲音，當識別到防爆開關或水泵電機等異常（尖銳聲音、超值分貝聲音、新增聲音）音頻時，移動巡檢裝置停留報警位置等待處理。

6.遠程視頻對講?？煽刂埔苿颖O(jiān)測裝置移動至指定位置，與現(xiàn)場人員視頻會議。

7.聲光報警。對檢測到的異常情況可實現(xiàn)聲光報警。

8.超聲停障。機器人在巡檢時，若有人或物體障礙是可自動停止運行，當人或物體不影響安全時，機器人可恢復巡檢。

9.自動電量檢測、充電功能。巡檢裝置機器人平臺采用鋰電池供電，并自動監(jiān)測電池電量，電量不足時自動尋找最近的無線充電點進行充電。

10.數(shù)據存儲查詢功能。將設備采集到各種數(shù)據和處理分析后的結果存儲在遠程端的上位機，以便以后對歷史數(shù)據查詢比較。

11.遙控定位。巡檢設備機器人具有自動巡檢和人員手動操作功能，手動操作級別高于自動巡檢。

12.數(shù)據讀取?？梢詫崿F(xiàn)對各種儀表的自動數(shù)據讀取，并對比分析是否有超出設定范圍，當數(shù)據異常時會實現(xiàn)自動報警。

4 成果取得的效果

4.1 減員增效效果顯著

我礦中央變電所及中央泵房原本為雙人雙崗，現(xiàn)該項目的投入使用成功節(jié)約6 名職工成本。人均成本按每月6000 元計算，一年可節(jié)約432000 元，具有可觀的經濟效益。同時推動了礦井實施機械化換人、自動化減人戰(zhàn)略方針，實現(xiàn)了高產高效、少人無人的智能化建設目標。

4.2 安全生產效果顯著

從“人工干預”到“智能分析”，自動化控制平臺實時監(jiān)控、自主處理分析，現(xiàn)場設備自動化控制、智能化操作，實現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)、系統(tǒng)保安。中央變電所及泵房進行智能化改造后，運維人員未出現(xiàn)任何零敲碎打及磕手碰腳事故，具有極高的安全效益。

4.3 供電系統(tǒng)運行可靠

該裝置連續(xù)24 小時自動巡檢，同時對圖像、聲音、氣體、溫度等多參數(shù)的采集判斷，避免生產過程中不巡檢帶來的危害因素擴大，避免人員疏忽大意導致的危害因素漏檢，提高了變電所、泵房設備安全運行的環(huán)境。自該設備投入使用后變電所、泵房未出現(xiàn)任何異常情況，開關、設備連續(xù)可靠運行，進一步促進礦井安全生產，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經濟效益和社會效益。[5]

5 結語

現(xiàn)階段，機器人已經被運用至多個領域，極大地便利了人們的生活，解放了人們的雙手，使其勞動強度有所緩解，對于生產效率的提升有著較大的幫助。為了確保煤礦實現(xiàn)安全生產的目標，實現(xiàn)無人堅守的目的，設計出巡檢機器人已成必然的趨勢，其可以替代值班人員完成巡檢工作，經過對專業(yè)技術的分析研究，促使這種機器人依照既定的巡檢程序落實相應的巡檢任務，從而合理地利用先進的儀器，促使電力設備運行狀態(tài)更加優(yōu)良。

智能巡檢機器人通過機器人技術代替人的眼、耳、手，利用高速的處理器代替人的大腦，利用先進的科學技術，對硐室內設備各類故障進行實時監(jiān)測及診斷，從而減輕值班人員的工作強度、降低操作風險，以達到實時、準確預警的功能，進而助力煤礦智能化發(fā)展。