礦井變電所機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 飛

(國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315)

大型煤礦井下變電所是礦井的核心場(chǎng)所，變電所內(nèi)部的高低壓配電柜、變壓器、饋電開關(guān)等設(shè)備的安全可靠運(yùn)行直接關(guān)系到了礦井的安全生產(chǎn)。目前隨著煤礦綜合自動(dòng)化技術(shù)的不斷升級(jí)和改造，變電所設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程集中監(jiān)控功能。礦井變電所配置有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但是由于視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在監(jiān)控盲區(qū)，而且監(jiān)控畫面主要依賴于調(diào)度人員的肉眼查看，視頻監(jiān)控系統(tǒng)不具備智能識(shí)別、故障判斷、與控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等智能功能，所以不能及時(shí)和準(zhǔn)確的對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析處理。煤礦井下變電所設(shè)備一般處于長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行的狀態(tài)中，存在極大事故隱患風(fēng)險(xiǎn)，因此對(duì)變電所區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無死角智能化巡檢非常重要。傳統(tǒng)的監(jiān)控方式通常采用人工巡檢或固定攝像頭定點(diǎn)監(jiān)視，這兩種方式都存在較大的安全管理漏洞，人工巡檢浪費(fèi)人力資源，效率低下，易出現(xiàn)巡檢不全面不及時(shí)的情況，并且煤礦井下的惡劣條件對(duì)人身安全存在威脅；固定攝像頭定點(diǎn)監(jiān)視范圍有限，若想擴(kuò)大監(jiān)控范圍，必需在運(yùn)行設(shè)備處裝設(shè)大量攝像頭，不僅圖像切換、監(jiān)視、存儲(chǔ)任務(wù)量大，而且布線多、功耗大、維護(hù)任務(wù)重，綜合效率非常低下。機(jī)器人在煤礦中的應(yīng)用主要包括3個(gè)方面：①生產(chǎn)作業(yè)，用于巷道掘進(jìn)、巷道支護(hù)、采煤、運(yùn)輸?shù)裙ぷ?；②礦難事故處理與救援，即礦難發(fā)生后機(jī)器人進(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境探測(cè)、受災(zāi)人員搜救、事故處理等工作；③煤礦日常監(jiān)測(cè)與維護(hù)服務(wù)，利用機(jī)器人對(duì)井下環(huán)境、設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)[3]?；谏鲜龇治觯槍?duì)礦井變電所設(shè)計(jì)一款機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)，增加變電所設(shè)備事故探知手段，提高變電所設(shè)備操作安全性，提升礦井變電所運(yùn)行管理水平。

1 礦井變電所機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)組成

機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)主要由行走軌道、地面工作站、供電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 礦井變電所機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)框圖

行走軌道系統(tǒng)主要包括H型鋼軌道、軌道托架、機(jī)器人供電電纜線槽、限位磁鐵裝置。軌道托架是將H型鋼軌道懸架在煤壁上，起到支撐和吊掛作用；H型鋼軌道主要用于承載機(jī)器人沿固定線路平穩(wěn)運(yùn)行；電纜線槽是機(jī)器人供電纜線拖動(dòng)行走的裝置，機(jī)器人行走時(shí)電纜在電纜線槽內(nèi)折疊拖動(dòng)行走；限位磁鐵是安裝在H型鋼軌道首端和末端的永磁鐵，為機(jī)器人識(shí)別位置提供磁信號(hào)，防止機(jī)器人滑出軌道。

地面工作站主要包括遠(yuǎn)程操作軟件平臺(tái)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器。遠(yuǎn)程操作軟件平臺(tái)是機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控的人機(jī)界面，可以實(shí)時(shí)查看機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)和巡檢數(shù)據(jù)，可以調(diào)取服務(wù)器歷史存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可以調(diào)整機(jī)器人程序與參數(shù)，可以對(duì)機(jī)器人實(shí)施遠(yuǎn)程接管。

機(jī)器人供電系統(tǒng)主要包括變壓器、遠(yuǎn)程控制模塊、可控開關(guān)以及供電電纜。機(jī)器人供電系統(tǒng)是將礦井動(dòng)力電源通過變壓器降壓后由供電電纜向機(jī)器供電的系統(tǒng)，地面工作站通過控制模塊對(duì)可控開關(guān)的分合閘進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)遠(yuǎn)程停送電功能。

通訊系統(tǒng)主要包括電力載波模塊、以太網(wǎng)模塊和交換機(jī)。電力載波模塊是利用供電纜線實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪K，經(jīng)以太網(wǎng)模塊轉(zhuǎn)換為EtherNet/IP 協(xié)議，然后通過交換機(jī)進(jìn)入礦井工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上傳至地面數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器。

變電所設(shè)備主要包括低壓配電設(shè)備、高壓供電柜、PLC系統(tǒng)、礦井工業(yè)網(wǎng)絡(luò)及其設(shè)備等。低壓配電設(shè)備主要是礦井照明信號(hào)綜合保護(hù)裝置、饋電開關(guān)、啟動(dòng)器等；高壓供電柜是向礦井各個(gè)盤區(qū)的高壓供電纜線饋出供電設(shè)備；PLC系統(tǒng)是變電所設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集上傳與遠(yuǎn)程集中控制設(shè)備；礦井工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是礦井?dāng)?shù)據(jù)采集傳輸、設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、通信聯(lián)絡(luò)的主要通道。

機(jī)器人系統(tǒng)主要包括高清攝像頭及其云臺(tái)、行走動(dòng)力模塊、纜線拖動(dòng)裝置、電力載波模塊、氣體檢測(cè)儀器、防撞避障裝置等。高清攝像頭及其云臺(tái)包含高清可見光攝像頭、紅外熱成像攝像頭以及360度全景旋轉(zhuǎn)云臺(tái)，是機(jī)器人系統(tǒng)的主要感知裝置；行走動(dòng)力模塊包含驅(qū)動(dòng)電機(jī)、膠輪以及編碼器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)是機(jī)器人行走的動(dòng)力源，膠輪是帶動(dòng)機(jī)器人在軌道平穩(wěn)行走的裝置，編碼器是監(jiān)測(cè)機(jī)器人行走距離確定其所在坐標(biāo)位置的裝置；纜線拖動(dòng)裝置是機(jī)器人拖動(dòng)纜線與其同步行走的裝置；電力載波模塊是利用供電纜線實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪K；氣體檢測(cè)儀主要是對(duì)變電所現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中甲烷、一氧化碳、氧氣等濃度檢測(cè)的儀器，檢測(cè)數(shù)據(jù)可通過電力載波模塊上傳地面工作站；避障裝置是機(jī)器人探測(cè)行走路線上障礙物的裝置，機(jī)器人在探測(cè)到行走路線前方有障礙時(shí)立即停止驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，避免碰撞。

2 機(jī)器人行走軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 井下變電所設(shè)備分布

大型煤礦井下變電所一般設(shè)置在盤區(qū)輔運(yùn)大巷，保障新鮮風(fēng)流通暢，變電所硐室采用不燃材料支護(hù)。為方便設(shè)備檢修，變電所設(shè)備一般呈直列式排列，供配電設(shè)備的觀察窗與蓋體統(tǒng)一朝檢修通道方向，如圖2所示，變電所高低壓配電設(shè)備直列分布于硐室內(nèi)，巡檢機(jī)器人懸吊于檢修通道一側(cè)。

圖2 變電所設(shè)備分布模擬圖及實(shí)景圖

2.2 軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于變電所設(shè)備的呈直列是分布，所以在設(shè)備觀察窗方向裝設(shè)水平直線軌道即可保證機(jī)器對(duì)設(shè)備的巡檢全部覆蓋。由于H型鋼軌道及礦用防爆機(jī)器人質(zhì)量過重，行走過程中晃動(dòng)劇烈等因素，為提升軌道承載能力以及機(jī)器人行走穩(wěn)定性，在煤壁打錨桿固定軌道托架，由托架及支撐件懸吊H型鋼軌道。機(jī)器人行走軌道如圖3所示。供電電纜線槽則固定在軌道上方，在機(jī)器人行走時(shí)，電纜在線槽內(nèi)拖行。圖中①為煤壁，②為錨桿，③為軌道托架，④為軌道穩(wěn)固件，⑤為H型鋼軌道，⑥為供電電纜線槽。錨桿打入煤壁固定軌道托架，軌道托架懸吊H型鋼軌道，并通過穩(wěn)固件支撐，確保機(jī)器人行走過程中軌道不會(huì)晃動(dòng)，機(jī)器人供電纜線由拖線裝置拖動(dòng)在電纜線槽內(nèi)往復(fù)折疊拖行。

圖3 機(jī)器人行走軌道剖視圖

3 機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

井下變電所巡檢機(jī)器人行走于直線軌道，在保證機(jī)器人以預(yù)期速度平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，還要求其具備外觀整潔、結(jié)構(gòu)合理、機(jī)體小巧等特點(diǎn)，基于此，機(jī)器人整體外形接近正方體，機(jī)體由驅(qū)動(dòng)裝置懸吊與H型鋼軌道上，云臺(tái)攝像頭及其升降機(jī)構(gòu)布置于機(jī)體下部，語音對(duì)講裝置安設(shè)行人通道方向，機(jī)器人前進(jìn)與后退方向各安裝一套避障裝置。機(jī)器人整體設(shè)計(jì)如圖4所示，機(jī)器人行走動(dòng)力單元為機(jī)體內(nèi)的直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)直接帶動(dòng)膠輪使其拖動(dòng)機(jī)器人本體在軌道上行走。

圖4 機(jī)器人實(shí)物圖

3.1 機(jī)器人防爆要求

由于煤礦井下作業(yè)空間狹小、電氣設(shè)備多、煤塵濃度高，有毒有害氣體和易燃易爆氣體容易積聚，這些氣體在遇到火源或高溫時(shí)就可能發(fā)生燃燒或爆炸。煤礦井下使用的電氣設(shè)備在運(yùn)行中可能發(fā)生電弧和電火花，所以機(jī)器人系統(tǒng)必須嚴(yán)格執(zhí)行《煤礦安全規(guī)程》2016版、《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備》(GB 3836—2010)對(duì)煤礦井下設(shè)備提出的防爆要求。

3.2 機(jī)器人行走與坐標(biāo)定位

機(jī)器人系統(tǒng)由動(dòng)力模塊驅(qū)動(dòng)實(shí)心膠輪帶動(dòng)機(jī)器人本體在H型鋼軌道上行走，機(jī)器人行走位移監(jiān)測(cè)采用光電脈沖編碼器，H型鋼軌道首端安裝復(fù)位磁鐵，將編碼器位移坐標(biāo)清零。機(jī)器人從軌道首端向末端行走，由編碼器確定機(jī)器人位移量，從而完成坐標(biāo)定位。將變電所設(shè)備與機(jī)器人巡檢軌道坐標(biāo)對(duì)應(yīng)即可確立設(shè)備位置，機(jī)器人系統(tǒng)與設(shè)備聯(lián)動(dòng)巡檢時(shí)只需行走至該坐標(biāo)處便可尋獲此設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行巡檢工作。

3.3 機(jī)器人供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人供電系統(tǒng)主要包括變壓器、遠(yuǎn)程控制模塊、可控開關(guān)以及供電電纜。機(jī)器人供電系統(tǒng)是將礦井動(dòng)力電源通過變壓器降壓后由供電電纜向機(jī)器供電的系統(tǒng)，地面工作站通過控制模塊對(duì)可控開關(guān)的分合閘進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)遠(yuǎn)程停送電功能。機(jī)器人行走過程中由本體的拖線裝置拖動(dòng)供電電纜在電纜線槽內(nèi)與機(jī)器人同步行走，為機(jī)器人持續(xù)供電，并作為電力載波模塊的數(shù)據(jù)傳輸媒介。機(jī)器人供電系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 機(jī)器人供電系統(tǒng)圖

3.4 機(jī)器人通訊系統(tǒng)

變電所機(jī)器人系統(tǒng)與配電柜之間最遠(yuǎn)距離大約為150m，供電線路載荷較小，所以機(jī)器人系統(tǒng)采用電力線載波通訊方式，無需鋪設(shè)通訊纜線或者建立無線通訊基站，成本低，通訊穩(wěn)定，傳輸速率快。電力載波模塊帶寬100M，通訊頻段為2～12MHz(支持頻段可調(diào))。

3.5 機(jī)器人視頻監(jiān)控

機(jī)器人系統(tǒng)搭載高清可見光攝像頭以及全景云臺(tái)，攝像頭檢測(cè)畫面分辨率1920×1080，傳輸速率25FPS。機(jī)器人巡檢過程中行走至變電所待巡檢設(shè)備坐標(biāo)處，全景高清攝像頭旋轉(zhuǎn)至預(yù)置點(diǎn)，對(duì)該設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行視頻巡檢，巡檢結(jié)果上傳到上位機(jī)工作站，由上位機(jī)軟件識(shí)別分析圖像，高清攝像頭巡檢過程則由地面視頻服務(wù)器保存錄像。

4 機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)功能

根據(jù)礦井變電所巡檢人員日常工作任務(wù)結(jié)合變電所智能化巡檢要求，確立礦井變電所智能化巡檢系統(tǒng)具備以下功能：

1)變電所設(shè)備狀態(tài)智能巡檢功能：巡檢機(jī)器人支持全自動(dòng)巡檢模式和遙控巡檢模式。全自動(dòng)巡檢模式包括常規(guī)巡檢和聯(lián)動(dòng)巡檢兩種方式。常規(guī)巡檢方式下，機(jī)器人系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的巡檢任務(wù)內(nèi)容、時(shí)間、路徑等參數(shù)信息，自動(dòng)啟動(dòng)并完成巡檢任務(wù)，常規(guī)巡檢流程如圖6所示；聯(lián)動(dòng)巡檢方式下，由礦井自動(dòng)化系統(tǒng)(變電所的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng))自動(dòng)產(chǎn)生的指令(如高壓柜分合閘、故障等)，機(jī)器人對(duì)巡視點(diǎn)設(shè)備自主完成巡檢任務(wù)，聯(lián)動(dòng)巡檢流程如圖7所示。遙控巡檢模式由操作人員手動(dòng)遙控機(jī)器人，完成巡視工作，遙控巡檢流程如圖8所示。

圖6 機(jī)器人定時(shí)自動(dòng)巡檢流程圖

圖7 機(jī)器人自動(dòng)追蹤供電設(shè)備故障流程圖

圖8 操作員遙控機(jī)器人巡檢流程圖

2)變電所設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)功能：巡檢機(jī)器人將變電所設(shè)備的視頻圖像，瓦斯?jié)舛?，煙霧濃度，等檢測(cè)情況發(fā)送回上位機(jī)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常情況時(shí)巡檢機(jī)器人停止巡檢并駐留在異常設(shè)備坐標(biāo)處，同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)及上位機(jī)發(fā)出報(bào)警，待異常情況消除后，人為控制繼續(xù)巡檢。

3)巡檢機(jī)器人視頻監(jiān)控功能：機(jī)器人系統(tǒng)搭載高清可見光攝像頭以及全景云臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的對(duì)設(shè)備進(jìn)行視頻巡檢。

4)機(jī)器人系統(tǒng)自檢功能：巡檢機(jī)器人具備自檢功能，包括對(duì)機(jī)器人本體電源、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊和感知設(shè)備等部件工作狀態(tài)的檢測(cè)，機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)生異常狀況時(shí)能立即發(fā)出報(bào)警，并上傳故障信息至上位機(jī)工作站。

5)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳通信功能：采用網(wǎng)絡(luò)傳輸方式(網(wǎng)絡(luò)可以依托于礦井已建成的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò))實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與上位機(jī)之間的通訊，實(shí)現(xiàn)巡檢數(shù)據(jù)與自檢數(shù)據(jù)的傳輸，以及上位機(jī)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制命令的傳輸。

6)變電所機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)信息集中管理功能：智能巡檢系統(tǒng)可進(jìn)行巡檢機(jī)器人聯(lián)動(dòng)管理，巡檢機(jī)器人能正確接收和執(zhí)行上位機(jī)的控制指令，實(shí)現(xiàn)高清攝像頭云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，正確反饋機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、供電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備巡檢狀態(tài)等信息，及時(shí)上報(bào)機(jī)器人系統(tǒng)的各類檢測(cè)和報(bào)警信息。

7)系統(tǒng)融合功能：機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可通過協(xié)議轉(zhuǎn)換融入到礦井自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井自動(dòng)化集中控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)的完全接管，方便形成統(tǒng)一的礦井智能化管理平臺(tái)，消除信息孤島。

8)智能終端監(jiān)控軟件：智能終端控制軟件能夠與巡檢機(jī)器人進(jìn)行通信，顯示機(jī)器人發(fā)送的視頻以及各巡檢數(shù)據(jù)，并能夠下發(fā)控制指令，控制機(jī)器人的巡檢方式、運(yùn)動(dòng)方向，設(shè)置各傳感器的報(bào)警閾值等。此軟件平臺(tái)完全融合到礦井自動(dòng)化系統(tǒng)，將現(xiàn)場(chǎng)采集的視頻圖像、環(huán)境數(shù)據(jù)等上傳至服務(wù)器，平臺(tái)提供計(jì)算、存儲(chǔ)、安全資源，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，降低系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本。監(jiān)管部門及相關(guān)負(fù)責(zé)人可通過移動(dòng)端 APP對(duì)巡檢機(jī)器人隨時(shí)訪問，支持現(xiàn)場(chǎng)圖像預(yù)覽、接收現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警信息、視頻錄像回放、巡檢日志查看等功能。通過對(duì)機(jī)器人巡檢畫面圖中特定區(qū)域文字識(shí)別，將識(shí)別結(jié)果顯示在畫面左上角，報(bào)警信息發(fā)送至移動(dòng)終端。

9)人臉識(shí)別功能：將機(jī)器人系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖，在停送電時(shí)對(duì)操作人員面部信息進(jìn)行識(shí)別比對(duì)，只有比對(duì)通過或者系統(tǒng)授權(quán)人員才可以進(jìn)行供配電設(shè)備的操作，從而保證礦井停送電的安全技術(shù)措施的落實(shí)執(zhí)行，操作員人臉識(shí)別授權(quán)流程如圖9所示。

圖9 操作員人臉識(shí)別授權(quán)流程圖

10)語音對(duì)講功能：機(jī)器人本體需要搭載相應(yīng)的高清拾音器和高響度揚(yáng)聲器，在緊急情況下實(shí)現(xiàn)地面工作站與井下機(jī)器人本體之間的半雙工對(duì)講，方便地面指揮人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員的命令下達(dá)。

11)機(jī)器人避障功能：機(jī)器人系統(tǒng)感知運(yùn)行路徑上的障礙物，當(dāng)運(yùn)行路徑前方安全距離內(nèi)(一般為機(jī)器人制動(dòng)距離)出現(xiàn)阻礙機(jī)器人行走的人或設(shè)備時(shí)，機(jī)器人停止巡檢運(yùn)行動(dòng)作，并在上位機(jī)發(fā)出避障報(bào)警，提示報(bào)警信息。

5 結(jié) 論

1)煤礦井下變電所機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)高頻次，可靠的，不依賴人工的巡檢方式，提高了設(shè)備出現(xiàn)電氣故障、火災(zāi)等事故時(shí)的發(fā)現(xiàn)概率，消除人的部分不安全因素。機(jī)器人巡檢系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行反復(fù)巡檢，并實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的連續(xù)、動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)。

2)變電所高低壓配電設(shè)備遠(yuǎn)程停送電后，經(jīng)過機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)視頻信號(hào)的二次確認(rèn)，提高了設(shè)備停送電操作的安全性。通過機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)對(duì)變電所設(shè)備操作人員的面部信息識(shí)別和比對(duì)授權(quán)，可以有效保障礦井停送電安全技術(shù)措施的落實(shí)執(zhí)行。

3)機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)對(duì)礦井變電所全范圍無死角的巡檢，有效監(jiān)控工作人員操作電氣設(shè)備的規(guī)范性，設(shè)備異常狀態(tài)的及時(shí)檢測(cè)，設(shè)備故障信息向相關(guān)人員立即推送，設(shè)備故障判斷與排查的多維度信息記錄，極大程度提高了礦井變電所設(shè)備運(yùn)行的可靠性。