礦井帶式輸送機故障巡檢機器人系統(tǒng)的研究

趙海明

(汾西礦業(yè)集團高陽煤礦，山西 孝義 032300)

當(dāng)前，帶式輸送機常規(guī)的故障排除仍是通過人工巡檢方式，存在勞動強度大、檢測效果差等問題，隨著自動化技術(shù)以及計算機技術(shù)的快速發(fā)展，帶式輸送機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在部分礦井應(yīng)用推廣[1～3]。但是由于帶式輸送機輸送距離長、設(shè)備多，造成遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)繁雜、成本高等問題。因此，文中提出采用故障巡檢機器人，對帶式輸送機進行自動巡檢，提高了故障排除效率，并降低作業(yè)人員勞動強度。

1 巡檢機器人系統(tǒng)組成

巡檢機器人是集中傳感器、自動化、網(wǎng)絡(luò)通信以及計算機為一體的綜合自動監(jiān)控裝置，具有體積小、運行穩(wěn)定、動作靈活等優(yōu)點。巡檢機器人硬件結(jié)構(gòu)可分監(jiān)控數(shù)據(jù)采集，傳輸及監(jiān)控部分，具體見圖1。

圖1 巡檢機器人系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集部分包括巡檢機器人裝置、傳動系統(tǒng)等，其中，巡檢機器人由監(jiān)測傳感器(煙霧、溫度及音頻傳感器)、機器人本體、高清攝像機等構(gòu)成；傳動系統(tǒng)包括電機、鋼絲繩及驅(qū)動繩輪等，機器人本體通過抱索器順著布置的鋼絲繩沿著帶式輸送機往返運行，在機器人上安設(shè)的各類傳感器用以檢測帶式輸送機各個位置的環(huán)境參數(shù)，從而掌握帶式輸送機運行狀況[5～6]。采用防爆充電箱為機器人裝置提供動力源。

信號傳輸及監(jiān)控部分包括地面、井下監(jiān)控終端、通信基站(無線傳輸)、交換機(地下、地面)。通信基站沿著帶式輸送機布置方向每隔100 m布置一個，供電選用127V交流電，基站間及基站與井下監(jiān)控終端間通信采用光纜方式，在基站上安裝有無線通信模塊。基站與井下監(jiān)控終端間通過RJ45接口通信，監(jiān)控終端可用以數(shù)據(jù)存儲?；九c井下交換機完成數(shù)據(jù)傳輸，將基站接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)交換機傳輸給地面監(jiān)控終端。

2 巡檢機器人本體及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

2.1 巡檢機器人本體

具體巡檢機器人裝置結(jié)構(gòu)見圖2，包括機器人本體、攝像機、各類監(jiān)測傳感器以及攝像補光照明裝置等。

圖2 巡檢機器人本體結(jié)構(gòu)

外置攝像機1布置于接線腔左側(cè)端面，內(nèi)置攝像機2布置于接線腔外壁，攝像機周邊均布置補光等，溫度、聲音煙霧傳感器等布置在在接線腔外側(cè)。在主控制腔外側(cè)安裝有可旋轉(zhuǎn)高清攝像機2，主控制腔旁為電池腔，內(nèi)部安裝鉛酸電池。電池腔內(nèi)電池采用防爆充電箱充電。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

布置的巡檢機器人數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖3所示。硬件結(jié)構(gòu)包括電源、處理器、交換機、傳感器、攝像機、交換機、無線終端。數(shù)據(jù)處理器是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)核心組件，主要用以處理溫度、聲音、煙霧傳感器以及攝像機探測數(shù)據(jù)。電池采用鉛酸電池，單次充電可以確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行超過72h。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)傳感器信息、視頻監(jiān)控信息以及帶式輸送機運行狀態(tài)，乃至電動機參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理器對監(jiān)測數(shù)據(jù)壓縮處理，通過井下交換機傳輸給地面監(jiān)控中心，監(jiān)控人員可充分掌握井下帶式輸送機運行狀況。

圖3 巡檢機器人數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)功能

巡檢系統(tǒng)功能主要包括有：

1)帶式輸送機運行環(huán)境檢測數(shù)據(jù)采集

巡檢機器人通過抱索器在鋼絲繩上往返運動，通過布置在本體上的傳感器、攝像機對巡檢區(qū)域的帶式輸送機運行狀態(tài)、實時圖像、環(huán)境參數(shù)進行采集。

2)數(shù)據(jù)存儲

采用地面監(jiān)控PC，將巡檢機器人采集到的圖形信息、溫度、聲音等信息存儲至指定存儲路徑，便于監(jiān)控人員對檢監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。

3)監(jiān)控畫面顯示及切換

在巡檢機器人上布置有3個高清攝像機，可以顯示3個不同的視頻監(jiān)控畫面，同時又可以顯示放大后的各路視頻監(jiān)控畫面。在巡檢機器人上布置的攝像機3可以可以進行角度調(diào)整，在120°范圍內(nèi)對監(jiān)控范圍進行調(diào)整。

4)故障報警

系統(tǒng)獲取到巡檢機器人檢測信息后，將檢測數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定數(shù)據(jù)對比。如果超過預(yù)先設(shè)定值，控制系統(tǒng)會發(fā)出警報信息，通過控制器實現(xiàn)帶式輸送機停機運行。同時，為了確保巡檢機器人系統(tǒng)可以正常運行，控制系統(tǒng)還配備有張緊故障、電機堵轉(zhuǎn)、PG編碼器、限位傳感器、防爆開關(guān)以及張緊開關(guān)等，提升巡檢系統(tǒng)監(jiān)控范圍，增加帶式輸送機運行保障能力。

巡檢機器人獲取到的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)通過地面監(jiān)控系統(tǒng)進行判定，當(dāng)有任意一監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警值時，經(jīng)監(jiān)控人員二次確認(rèn)后，視故障影響程度采取設(shè)備檢修或者立即停止帶式輸送機運行。待故障排除后，按下復(fù)位鍵即可實現(xiàn)輸送機重啟運行。

5)檢修功能

檢修功能主要是系統(tǒng)在安裝、檢修以及調(diào)試等狀態(tài)時，巡檢機器人本體可以超過軟件、硬件限位控制繼續(xù)運行。巡檢機器人在本體超過硬件限位位置后，需要時刻關(guān)注巡檢機器人位置。系統(tǒng)恢復(fù)正常后，及時關(guān)閉檢修功能

3.2 控制程序設(shè)計

巡檢機器人控制系統(tǒng)軟件編制是基于STEP7 Micro WIN SP V4.0的STL環(huán)境編制，硬件系統(tǒng)平臺為S7-200系列PLC。按照控制系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定功能，巡檢機器人孔隙軟件功能程序劃分為4個組成部分，分別為音頻和視頻控制程序、巡檢機器人本體控制程序、帶式輸送機運行控制程序以及緊急停機程序。具體的控制系統(tǒng)主控制程序運行流程見圖4。

圖4 控制系統(tǒng)主控制程序運行流程

4 總結(jié)

文中提出一種帶式輸送機巡檢機器人系統(tǒng)，可以采集帶式輸送機運行過程中的環(huán)境信息，及時發(fā)現(xiàn)運行中存在的各類故障問題，并自動發(fā)出信號，從而提升帶式輸送機運行可靠性。設(shè)計的巡檢機器人系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場工業(yè)試驗，其各項性能指標(biāo)均可以滿足礦井井下復(fù)雜環(huán)境需要，可以應(yīng)用現(xiàn)場帶式輸送機運行監(jiān)控。