張立峰，武小芳

（鄂爾多斯職業(yè)學院機電工程系，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

1 前言

煤炭是我國儲量最大的能源。煤礦生產(chǎn)是我國能源生產(chǎn)中極為重要的一環(huán)。在煤炭生產(chǎn)中。將煤炭從地下輸送到地面或從地面再輸送到化工廠需要諸多皮帶輸送機。同時煤炭的加工洗選各個過程，需要大量的皮帶運輸機運行。皮帶輸送機的工作環(huán)境復雜，一般處于狹長密閉環(huán)境，工作環(huán)境差，對巡檢工人的身體健康造成了很大的影響。皮帶過多過長，也導致了人工成本提高，同時帶機運行負載重，也導致了運行過程中極易出現(xiàn)問題，經(jīng)常出現(xiàn)斷帶、撕裂、跑偏、堆煤，甚至火災。隨著自動化水平提高，通信技術(shù)發(fā)展，以及大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)普及，需要一種更加智能化，并且以人為本的巡檢方式。

國內(nèi)研究的很多機器人都是基于地型的履帶式機器人或輪式機器人。這些機器人無法完全適應輸煤皮帶機的斜坡、臺階，對與皮帶機的高度契合度不高，運行軌跡需要提前規(guī)劃，在信號不良等情況下，無法完成定位，造成偏離預設(shè)軌道，出現(xiàn)撞擊等事故。固定懸空軌道巡檢機器人能解決上述問題，本文以一家化工廠18 條中煤皮帶為例。共有輸煤皮帶12 條，運焦皮帶6 條，所有皮帶寬度均為1200mm，輸送能力≤400t/h，皮帶輸送機型號為TD75 型，總輸送距離約為1500m。現(xiàn)場皮帶操作工每班9 人，在日常生產(chǎn)中，易發(fā)生皮帶跑偏、打滑、堆煤、撕裂甚至著火等現(xiàn)象，由于巡檢人員較少，輸送距離長，人員巡檢不及時，發(fā)生問題時不能第一時間發(fā)現(xiàn)，從而引發(fā)各類事故或加重事故損失。根據(jù)該廠情況，研究并設(shè)計了一款輸煤皮帶監(jiān)控機器人。實現(xiàn)巡檢機器人的根本功能。其分別安裝于皮帶的兩側(cè)，其中一臺監(jiān)控皮帶帶面運行狀況，一臺監(jiān)控上下層皮帶間的托輥狀況。通過機器人自身攜帶的監(jiān)控設(shè)備可以以動態(tài)形式實現(xiàn)皮帶運行現(xiàn)場的圖像采集、聲音采集、煙霧檢測、紅外熱成像儀溫度檢測、有害氣體檢測等功能。

固定軌道機器人，避免了GPS 定位信號弱等問題。能夠一直按照軌道運行，不會出現(xiàn)跑偏，也不會出現(xiàn)偏離路線的問題，降低了運行過程中的故障概率。軌道兩頭即為充電地點，小車也不存在著，無法找到充電地點的問題。

2 總體設(shè)計

2.1 基礎(chǔ)設(shè)計

皮帶運輸機工作環(huán)境相對復雜，為保證皮帶運輸機正常工作，傳統(tǒng)的設(shè)計以機械和電氣為主，具備一定的防止皮帶跑偏，堆煤、煙霧、緞帶撕裂煙霧火災，這些在皮帶保護中已經(jīng)完成。由于人工巡檢和固定攝像頭，無法做到實時發(fā)現(xiàn)，所以在新的設(shè)計中，包含圖像識別、煙霧報警、溫度報警、運動軌跡分析等功能，從而保證它的圖像清晰和實時性。

2.2 增強設(shè)計

對指定皮帶機溫度測量、環(huán)境溫度測量；熱成像測量可以識別環(huán)境中發(fā)生的初期火災并報警；粉塵濃度測量、堵煤等異?，F(xiàn)象圖像識別；大塊礦石檢測、人員侵入、火災等能準時識別并報警，以得到快速處置。皮帶部分溫度過高、滾輪溫度過高、支架晃動、現(xiàn)場溫濕度、煙霧濃度異樣等平安隱患。能準時識別并預警，提早實行措施，避開設(shè)備損壞或更大事故發(fā)生。

設(shè)置管理人員權(quán)限，管理人員可以任意修改機器人巡檢路線，設(shè)定后機器人應按照新規(guī)劃路線進行巡檢。管理人員可以對機器人巡檢的項目以及各項目的頻次（間隔時間）進行設(shè)定。

PAC 是可編程自動化控制器，它將工業(yè)控制計算機的硬件與實時操作系統(tǒng)相結(jié)合。以PAC 為控制核心。最大的好處是它的運輸量大，實時性強， PAC 可以通過梯形圖編程，也可以通過fbd 編程或者是c 語言編程，編程效率高。它有豐富的硬件，可以增加數(shù)字量，輸入模塊，輸出模塊，模擬量，輸入模塊，輸出模塊，還可以輸出高速脈沖驅(qū)動步進電機。他支持多種工業(yè)總線。

通過以PAC 為控制核心，控制巡檢機器人可以工作在正常、爬坡、轉(zhuǎn)彎、靜止、巡邏、自行充電等模式。運動控制由高速脈沖模塊輸出脈沖，驅(qū)動器通過帶抱閘步進電機帶動運行輪完成，PAC 依靠傳感器采集現(xiàn)場溫度、煙氣成分、粉塵顆粒度、能夠完成現(xiàn)場圖像實時回傳，具備超溫報警、煙霧報警、空氣質(zhì)量報警等功能，系統(tǒng)可以通過通過云平臺存儲數(shù)據(jù)。

以云主機為通信中心，PAC 與紅外測溫攝像頭通過4G 模塊或5G 模塊回傳信息。合理選擇服務(wù)器地點可以大大降低，網(wǎng)絡(luò)延遲，將網(wǎng)絡(luò)延遲控制在30 毫秒左右。4G 模塊或5G 模塊是重要的通信節(jié)點，它可以實現(xiàn)信息的無線傳播。與通信網(wǎng)絡(luò)相連，能夠連接到云主機，并將數(shù)據(jù)存儲在云主機或轉(zhuǎn)存至用戶服務(wù)器。

PAC 結(jié)構(gòu)包括背板、電源、CPU、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、高速脈沖模塊。其他模塊固定在背板模塊上，背板上具備串口和PCI 總線，PCI 總線的傳輸速率為27MBps，IC695 模塊皆以此速度通信。CPU 模塊IC695CPE305 模塊支持32K 數(shù)字量輸入、32K 數(shù)量輸出、32K 模擬量輸入、32K 模擬量輸出，能夠完成大量浮點數(shù)運算，支持以太網(wǎng)通信。數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸入模塊，負責采集現(xiàn)場設(shè)備的信號，包括溫度濕度、信號，粉塵信號，煙霧報警信號，障礙信號等等。數(shù)字量輸出模塊，模擬量輸出模塊，負責指示燈等被控對象的控制。高速脈沖模塊IC695 hs c304 負責輸出高速脈沖給驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊經(jīng)過放大信號之后，輸出給步進電機，通過步進電機實現(xiàn)小車的運動，運動速度可以自行設(shè)置。

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置

本設(shè)計以云主機為通信節(jié)點，在云主機上安裝虛擬網(wǎng)卡，配置虛擬網(wǎng)絡(luò)。虛擬網(wǎng)絡(luò)的主機為172.16.0.1；遠程控制計算機中安裝虛擬網(wǎng)卡，配置IP 地址為172.16.0.2，4G 通訊模塊為172.16.0.3，這樣構(gòu)成了一個跨區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)。4G 通信模塊DTU 可以通過物聯(lián)網(wǎng)卡進行通信，只要皮帶機工作地點附近有通信基站，就可以保證通信。也可以通過配置DHCP 等功能，實現(xiàn)WiFi的連接，從而進一步降低通信延遲和運行成本。PAC 控制器和網(wǎng)絡(luò)攝像頭通過4G 通訊模塊的IP 地址為網(wǎng)關(guān)回傳數(shù)據(jù)。這個還需要配置端口，其中PAC 的通信端口為18245，攝像頭端口為8000。這些設(shè)置需要在DTU 中完成。

監(jiān)控計算機可以為是服務(wù)器或是SCADA 節(jié)點，在其中安裝上位機組態(tài)軟件iFIX、IO 驅(qū)動軟件，其中IO 驅(qū)動軟IGS 件配置通道和設(shè)備，包括設(shè)備IP、通道、標記，最終采集PAC 中的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括機器人狀態(tài)、運行位置、運行速度、溫度、粉塵顆粒度、煙霧分析結(jié)果等等，iFIX 軟件需要配置SCU，在SCU 中通過OPC 連接IGS，之后運行iIFX 工作臺，在工作臺中建立數(shù)據(jù)庫PDB，添加采集的各個數(shù)據(jù)，將各個數(shù)據(jù)以動畫形式顯示在上位機畫面之中。同時建立歷史數(shù)據(jù)庫將PDB 中的各個數(shù)據(jù)存儲，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫可以用來判斷運行效率、分析運行結(jié)果、故障類型等。

3 各子系統(tǒng)設(shè)計

3.1 視覺系統(tǒng)

視系統(tǒng)負責環(huán)境感知，溫度感知，通過測溫攝像頭和紅外攝像頭，可以完成皮帶運輸機的圖像監(jiān)視，溫度監(jiān)視。視覺系統(tǒng)為圖像處理系統(tǒng)提供圖像進行AI 處理，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行運算，提取圖像特征。與正常運行圖像對比，得出測量結(jié)果。

3.2 多氣體測量系統(tǒng)

由多氣體測量傳感器構(gòu)成，可測量一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硫化氫、甲烷、氧氣等濃度，設(shè)置溫度預警值，根據(jù)預警值進行報警信息、精確位置回傳，就地暫停，發(fā)出聲光報警。火災煙霧中的氣體實現(xiàn)報警，回傳火災報警信號。

3.3 運動系統(tǒng)

小車的運動控制算法在PAC 中運行，PAC 通過PAC Machine Edition（PME）軟件編程，該軟件支持多種編程語言，指令中包含大量高級指令，可以實現(xiàn)復雜的編程。小車運動的過程需要記錄光電編碼器的信號，根據(jù)信號計算速度，位移，實現(xiàn)小車精準定位。小車的行走通過同步帶完成，導電橡膠輪避免了靜電聚集，降低了火花產(chǎn)生的概率。

小車可以實現(xiàn)自動巡檢，該模式下，小車從一側(cè)運行到另一側(cè)，根據(jù)設(shè)定的時間，可以自行調(diào)整速度，也可以手動設(shè)置速度。自動巡檢模式下，根據(jù)電量的多少會自動在端頭停下充電。小車也可以實行固定點巡邏，當局部地區(qū)故障多發(fā)時，小車可以常駐該點。也可以以該點為中心，實現(xiàn)來回巡邏，巡邏范圍可以手動設(shè)置。

3.4 軟件結(jié)構(gòu)

程序的編寫包含幾個部分，系統(tǒng)檢測程序，機器人運動程序，數(shù)據(jù)采集、處理程序，系統(tǒng)開機完成自檢并恢復默認值，接收到啟動信號后開始啟動，根據(jù)程序設(shè)置或存儲值查找定位點，實現(xiàn)定位，根據(jù)定位信息進行工作。數(shù)據(jù)采集程序分為采集前子程序，負責將輸入信號傳遞給中間變量，這樣編程的優(yōu)點是當PAC 通道損壞時，在采集前子程序中改變通道地址，線路改到相應通道即可，程序維護量小。然后對中間變量進行量程變換，將模擬量或開關(guān)量轉(zhuǎn)換成工程量，便于回傳到上位機后顯示實際值。然后根據(jù)工程兩只進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理后的值進行輸出，用于控制。

3.5 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

綜合皮帶運行環(huán)境，小車采用軌道運行，軌道材料為工字鋁型材，尺寸為H150×75×5×7。為了更大限度的節(jié)約運行空間，小車上的驅(qū)動電機采用豎式安裝，采用減速機用來增加末端的轉(zhuǎn)矩，爬坡最大值為18°。小車輪子包括主動輪，被動輪、支撐輪。主動輪雙側(cè)布置，各有一臺步進電機驅(qū)動，單臺功率為200W，兩側(cè)主動輪在工字鋁垂面上，將通過摩擦力帶動小車行進。每臺驅(qū)動器支撐輪與主動輪成90°安裝，行走在工字鋼下兩側(cè)的橫面上，起到支撐、運行功能，降低摩擦力，節(jié)約用電。

除動力系統(tǒng)外，小車上安裝PAC 主機，DTU 模塊、鋰電池模塊、視覺模塊、傳感器模塊、煙霧報警模塊。視覺模塊密閉安裝在機體內(nèi)，配備防塵鏡頭，避免現(xiàn)場煤塵污染。在機體外部正反兩個方向安裝光電傳感器，用來實現(xiàn)障礙物探測，障礙物出現(xiàn)時停車，規(guī)劃新的的巡檢路線。如果無路線可選時，發(fā)出報警信號回傳上位※機或手機；如果障礙物消失，5s 后機器繼續(xù)啟動。

4 測試

巡檢機器人通過布設(shè)的軌道進行運行，巡檢機器人系統(tǒng)通過上位機控制軟件設(shè)置巡檢點、巡檢速度、巡檢方向、巡檢周期等參數(shù)，巡檢機器人配置高清攝像頭、熱成像儀、環(huán)境傳感器以及充電樁，沿軌道運行到巡檢點進行拍照（或視頻流），并將巡檢視頻或照片以及傳感器數(shù)據(jù)通過無線基站上傳到集中控制室服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器采用先進的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及圖像識別技術(shù)，對現(xiàn)場圖像數(shù)據(jù)進行智能識別，從達判斷設(shè)備運行狀態(tài)，達到智能化巡檢的目地；機器人自主運行、智能識別、自動充電、智能報警、無人化管理。工作站設(shè)置在集中控制室，運維人員可通過工作站設(shè)置各種參數(shù)的報警閥值、手動控制機器人以及設(shè)備運行參數(shù)及巡檢方式和周期，機器人進入自動運行模式后，將全程無人化運行，達到機器輔助或換人的目地。

5 結(jié)語

整個巡檢機器人系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的巡檢時間，各自獨立運行。各機器人能夠獨立設(shè)置巡檢時間、巡檢點及巡檢周期，遠程工作站布署機器人監(jiān)管平臺軟件，實現(xiàn)對機器人運行狀態(tài)的圖像展示及數(shù)據(jù)分析和報警管理。輸煤皮帶機器人的主要功能有視頻監(jiān)控功能、測溫成像功能、環(huán)境監(jiān)測功能、任務(wù)規(guī)劃功能、智能充電功能、巡檢報表功能、遠程管理功能、參數(shù)設(shè)定功能、自動清掃功能、外接聯(lián)動功能、遠程APP 監(jiān)控功能、智能語音控制功能、雙向語音對講、具備標準的工業(yè)數(shù)據(jù)接口協(xié)議。輸煤巡檢機器人提升了巡檢效率，降低了人工巡檢的勞動強度，通過輸煤皮帶巡檢機器人的設(shè)計，將多個系統(tǒng)集成于機器人，并完成了現(xiàn)場測試，測試結(jié)果表明系統(tǒng)設(shè)計是合理的，達到設(shè)計目標。