管帶機(jī)智能巡檢與控制技術(shù)應(yīng)用研究

摘? 要：長(zhǎng)距離管帶機(jī)因其距離長(zhǎng)、設(shè)備分散、驅(qū)動(dòng)多等特點(diǎn)存在投入成本高、運(yùn)維難、損耗大等諸多問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，文章提出利用人工智能技術(shù)、分布式驅(qū)動(dòng)功率平衡、分布式IO控制系統(tǒng)等技術(shù)對(duì)長(zhǎng)距離管帶機(jī)進(jìn)行巡檢與控制。通過(guò)案例的實(shí)施設(shè)計(jì)表明智能巡檢與智能控制技術(shù)可以提升長(zhǎng)距離管帶機(jī)的運(yùn)維穩(wěn)定性、智能化、自動(dòng)化，并帶來(lái)了較大的安全、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：智能巡檢;協(xié)同控制;分布式IO;管帶機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP271? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）19-0161-04

Research on Application of Intelligent Inspection and Control Technology for Pipe Belt Machine

ZHANG Hongkai

（Fujian Longjing Environmental Protection Co.， Ltd.， Longyan? 364000， China）

Abstract： The long-distance pipe belt machine has many problems such as high investment cost， difficult operation and maintenance， and large loss due to its characteristics of long distance， scattered equipments， and multiple drives. To solve these problems， using artificial intelligence technology， distributed drive power balance， distributed IO control system and other technologies to inspect and control the long-distance pipe belt machine is proposed in this paper. The implementation design of the case shows that the intelligent inspection and intelligent control technology can improve the operation and maintenance stability， intelligence， and automation of the long-distance pipe belt machine， and brings greater safety， social and economic benefits.

Keywords： intelligent inspection; collaborative control; distributed IO; pipe belt machine

0? 引? 言

管帶機(jī)因其“綠色環(huán)保、布置靈活、經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)”的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。近些年來(lái)管帶機(jī)呈現(xiàn)長(zhǎng)度越來(lái)越大的趨勢(shì)，對(duì)長(zhǎng)距離管帶機(jī)的巡檢與控制提出了新的要求，而目前長(zhǎng)距離管帶機(jī)的傳統(tǒng)巡檢與控制方案存在投入成本高、運(yùn)維難、損耗大等不足。針對(duì)這些問(wèn)題，本文將提供一種智能巡檢與控制技術(shù)，并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目論述采用長(zhǎng)距離管帶機(jī)的智能巡檢、控制技術(shù)將極大提升管帶機(jī)的智能化程度、減少成本投入、減少人工作業(yè)、降低運(yùn)營(yíng)成本，最終達(dá)到增效降本的目的。

1? 長(zhǎng)距離管帶機(jī)的智能巡檢與智能控制技術(shù)

1.1? 智能巡檢技術(shù)

智能巡檢技術(shù)是利用人工智能裝置代替人工實(shí)施巡檢任務(wù)并對(duì)巡檢結(jié)果進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)計(jì)和分析，可以解決因高危巡檢環(huán)境和人工巡檢不可控因素多造成的人身和設(shè)備安全事故等問(wèn)題，為設(shè)備運(yùn)行保駕護(hù)航。

管帶機(jī)智能巡檢主要由搭載多種傳感器的移動(dòng)機(jī)器人本體、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)、云服務(wù)器、后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)組成。

移動(dòng)機(jī)器人本體可以根據(jù)管帶機(jī)巡檢需求集成視覺(jué)攝像頭、紅外成像儀、拾音器、溫濕度儀、危險(xiǎn)有害氣體檢測(cè)儀等多種傳感器。針對(duì)管帶機(jī)的特點(diǎn)機(jī)器人采用掛軌式，沿著管帶機(jī)兩側(cè)固定的軌道行走，軌道采用鋁合金材質(zhì)。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由沿線數(shù)個(gè)基站及光纖組成，在管帶機(jī)沿線打造一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以滿(mǎn)足移動(dòng)機(jī)器人數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。

定位系統(tǒng)主要由移動(dòng)機(jī)器人本體上搭載的RFID、編碼器模塊及軌道上的電子標(biāo)簽組成，可以實(shí)時(shí)定位機(jī)器人本體的位置以及故障發(fā)生的位置。

智能巡檢系統(tǒng)，如圖1所示。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把移動(dòng)機(jī)器人搭載的傳感器及定點(diǎn)監(jiān)測(cè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送回后臺(tái)實(shí)時(shí)顯示，并經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)人工智能分析及預(yù)判發(fā)出報(bào)警或形成巡檢報(bào)告，結(jié)合云服務(wù)器，用戶(hù)可以足不出戶(hù)隨時(shí)隨地監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況。

1.2? 智能控制技術(shù)

智能控制技術(shù)包括頭尾分布式驅(qū)動(dòng)功率平衡控制技術(shù)、分布式IO控制技術(shù)。

1.2.1? 分布式驅(qū)動(dòng)功率平衡控制技術(shù)

長(zhǎng)距離管帶機(jī)牽引力大，一般通過(guò)在頭部、尾部或中部等不同位置布置多臺(tái)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)來(lái)降低牽引力。由于輸送帶是柔性介質(zhì)，多臺(tái)電機(jī)協(xié)同性不好會(huì)造成功率不平衡，將導(dǎo)致輸送帶張力突變，出現(xiàn)打滑、震蕩，甚至頻繁跳機(jī)的現(xiàn)象。

分布式驅(qū)動(dòng)功率平衡控制技術(shù)是一種集自動(dòng)控制、傳動(dòng)技術(shù)、通訊于一體的控制技術(shù)，采用總線形式采集變頻器電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等實(shí)時(shí)參數(shù)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析計(jì)算，通過(guò)特有的“預(yù)張緊措施+S形曲線啟?？刂?功率平衡調(diào)節(jié)”協(xié)同控制策略，對(duì)變頻器轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)分布式驅(qū)動(dòng)功率平衡、平穩(wěn)運(yùn)行的目的。

該系統(tǒng)由協(xié)同控制柜、變頻器、電機(jī)、制動(dòng)器、張緊裝置等裝置構(gòu)成。

1.2.2? 分布式IO控制技術(shù)

分布式IO控制技術(shù)是指通過(guò)以太網(wǎng)、總線等通信模塊集成分散布置的I/O站，以及通過(guò)主站模塊或連接器連接I/O。IO站就是每個(gè)IO系統(tǒng)下連接的單獨(dú)的子站，如所有總線儀表可以連接到一個(gè)IO系統(tǒng)，每一個(gè)儀表就是一個(gè)IO站?？蓪?shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)、DP或RS485等通訊對(duì)遠(yuǎn)程不同類(lèi)型的開(kāi)關(guān)量模擬量進(jìn)行采集傳輸和控制。

2? 智能巡檢技術(shù)與智能控制技術(shù)的應(yīng)用

2.1? 工程概況

某礦廠建設(shè)一套輸煤輸送線，原料通過(guò)管帶機(jī)運(yùn)送至筒倉(cāng)，再通過(guò)皮帶機(jī)轉(zhuǎn)送給火車(chē)，以減少污染提高輸送轉(zhuǎn)運(yùn)效率。本工程含1條管帶機(jī)、7條短皮帶機(jī)及其附屬設(shè)備。其中管帶機(jī)由T6轉(zhuǎn)運(yùn)站至筒倉(cāng)，長(zhǎng)約5.8 km。本工程在T6轉(zhuǎn)運(yùn)站、筒倉(cāng)上下設(shè)置電控制室，給各用電設(shè)備供電。

2.2? 設(shè)計(jì)條件

管帶機(jī)電機(jī)布置為中部三臺(tái)450 kW電機(jī)尾部一臺(tái)450 kW電機(jī)，要求管帶機(jī)采用智能巡檢機(jī)器人巡檢，解決巡檢困難、招工困難的問(wèn)題。管帶機(jī)輸送系統(tǒng)要求采用PLC控制，并納入上位機(jī)監(jiān)控。

2.3? 方案設(shè)計(jì)

2.3.1? 智能巡檢方案設(shè)計(jì)

本工程采用智能巡檢方案對(duì)管帶機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)。利用機(jī)器人本體搭載的高清攝像頭、紅外成像儀及拾音器（設(shè)備的故障往往伴隨著聲音異常）完成對(duì)滾筒、托輥的發(fā)熱、軸承燒壞卡死不工作、皮帶堵塞、撕裂、跑偏等工況進(jìn)行移動(dòng)巡檢。

根據(jù)該項(xiàng)目的線路及巡檢需求，管帶設(shè)置2臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人。

具體實(shí)施方案為：

（1）在管帶機(jī)兩側(cè)各設(shè)置一臺(tái)智能巡檢機(jī)器人，并在管帶機(jī)兩側(cè)各敷設(shè)一條軌道采用鋁合金材質(zhì)。用于管帶機(jī)的巡檢作業(yè)，軌道長(zhǎng)度需覆蓋管帶機(jī)長(zhǎng)度，以便巡檢機(jī)器人對(duì)管帶巡檢的全方面監(jiān)測(cè)。

（2）在管帶機(jī)廊道內(nèi)每200米安裝一臺(tái)通信基站，通信基站配有通訊供電箱，電源箱采用220V供電，基站實(shí)現(xiàn)中控室與巡檢機(jī)器人、管帶機(jī)檢測(cè)設(shè)備的無(wú)線通信。

（3）在集控室設(shè)置一套服務(wù)器及一套后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)，服務(wù)器硬件配置：2U機(jī)架式雙路電腦、CPU十二核心、DDR4 32 GB、硬盤(pán)2.4 TB、GPU AI卡;監(jiān)控平臺(tái)硬件配置：CPU 8核心、DDR4 16 GB、硬盤(pán) 1 TB、集成GPU 。

2.3.2? 智能控制方案設(shè)計(jì)

本工程8條輸送機(jī)布置分散、線路長(zhǎng)，且用電設(shè)備分散，存在幾個(gè)較大的難點(diǎn)：

（1）管帶機(jī)因?yàn)榫€路過(guò)長(zhǎng)尾中四臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩不一樣很容易造成膠帶拖地、翻帶、疊帶等事故。

（2）整個(gè)系統(tǒng)用電設(shè)備分散，若采用傳統(tǒng)的集中控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)所有信號(hào)需單獨(dú)敷設(shè)電纜至控制室，長(zhǎng)距離電纜傳輸將造成信號(hào)衰減或干擾，且敷設(shè)的電纜和施工量將大大增大。

（3）本工程輸送系統(tǒng)跨度大、設(shè)備分散，對(duì)于生產(chǎn)線的設(shè)備、人員管理存在較大難度，容易出現(xiàn)安全事故。

鑒于以上原因，本工程將采用頭尾多驅(qū)協(xié)同控制技術(shù)、分布式IO的PLC控制系統(tǒng)、可視化監(jiān)控管理系統(tǒng)，以滿(mǎn)足工程需要、減少投資成本、提高系統(tǒng)自動(dòng)化程度。

控制方案實(shí)施：

（1）分布式IO的PLC控制系統(tǒng)。本工程控制系統(tǒng)擬采用上位機(jī)+主控CPU+分布式IO站+現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)管理監(jiān)控功能，主控CPU為控制層核心，分布式IO站為現(xiàn)場(chǎng)層;主控CPU與分布式IO站采用花鏈環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)項(xiàng)目特性，控制系統(tǒng)在1#轉(zhuǎn)運(yùn)站、2#轉(zhuǎn)運(yùn)站及3#轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)布置遠(yuǎn)程IO站。

上位機(jī)選用研華610H工控機(jī);組態(tài)軟件選用龍凈monitor軟件，該軟件是一款針對(duì)帶式輸送系統(tǒng)定制的組態(tài)軟件，具有帶式輸送專(zhuān)用的設(shè)備庫(kù)、通訊驅(qū)動(dòng)庫(kù)等，是一款擁有組態(tài)智能、快速、高效的組態(tài)軟件，可便捷快速地完成各種通訊組態(tài)。

PLC是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，采用施耐德公司生產(chǎn)的M580系列大型冗余系統(tǒng);其中CPU選用BME H58 6040，程序內(nèi)存64 MB ，數(shù)據(jù)內(nèi)存4 MB;可以帶31個(gè)遠(yuǎn)程IO站。

通信網(wǎng)絡(luò)：主站與分站之間構(gòu)成菊花鏈環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各站之間通信線路采用抗干擾單模光纖。CPU與上位機(jī)間采用modbus通信協(xié)議，CPU與各IO子站間采用Ethernet/IP通信協(xié)議。

分布式IO站：分布式IO站布置于各配電間，選用施耐德公司自帶的X80 IO站。X80具有豐富的IO卡件及通訊卡件，可以滿(mǎn)足各種設(shè)備的信號(hào)接入?，F(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備（如各類(lèi)保護(hù)裝置，電機(jī)溫度等）的監(jiān)控信號(hào)就近接入分布式IO站，其中變頻器以modbus協(xié)議接入各子站。

（2）分布式驅(qū)動(dòng)功率平衡控制系統(tǒng)。為使管帶機(jī)4臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡，電機(jī)選用4臺(tái)10 kV變頻器控制，變頻器選用施耐德ATV1200C，并結(jié)合PLC、上位機(jī)、電機(jī)、制動(dòng)器、張緊裝置等裝置構(gòu)成分布式多驅(qū)動(dòng)協(xié)同控制系統(tǒng)。

控制步驟為：首先通過(guò)液壓張緊裝置使膠帶實(shí)現(xiàn)張緊的目的，在啟動(dòng)時(shí)讓變頻器以低頻率模式啟動(dòng)，主電機(jī)初始頻率略大于從電機(jī)，運(yùn)行幾秒后從電機(jī)頻率調(diào)整到與中部電機(jī)一致，在同速率情況下運(yùn)行一段時(shí)間后完成預(yù)張緊階段，并使膠帶逐漸達(dá)到最大張力;其次在預(yù)張緊階段完成后，電機(jī)將進(jìn)入S形曲線啟動(dòng)階段，逐步提升至額定轉(zhuǎn)速;最后當(dāng)主電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，四臺(tái)電機(jī)采用主從控制，把中部的其中一臺(tái)電機(jī)設(shè)置為主，其余三臺(tái)為從，主從機(jī)均采用速度給定控制，主機(jī)和從機(jī)的給定相同的速度，同時(shí)把主機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩作為從機(jī)控制轉(zhuǎn)矩，從機(jī)依據(jù)主機(jī)轉(zhuǎn)矩自動(dòng)修正輸出轉(zhuǎn)速，保證輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與主機(jī)保持同步，從而實(shí)現(xiàn)主從機(jī)功率平衡控制。

2.4? 項(xiàng)目實(shí)施情況

通過(guò)以上技術(shù)的實(shí)施很大程度提高了管帶機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化，并極大地減少資源投入，達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)能的效果。具體情況為：

（1）智能巡檢系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工巡檢方式相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）提高巡檢效率：機(jī)器人默認(rèn)巡檢速度0.3米每秒，管帶機(jī)一次巡檢時(shí)間約5.4小時(shí)，每天可以實(shí)現(xiàn)多次巡檢，提高巡檢效率。

2）提高系統(tǒng)的安全性：機(jī)器人可以提前預(yù)判避免人身及設(shè)備的安全事故發(fā)生。

3）節(jié)省維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)：采用智能巡檢實(shí)現(xiàn)高度的巡檢自動(dòng)化、智能化，大量減少人力資源成本。

4）實(shí)時(shí)性好：可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管帶機(jī)核心部件托輥、滾筒、膠帶等的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，機(jī)器人會(huì)發(fā)出報(bào)警并返回故障設(shè)備視覺(jué)及紅外照片回監(jiān)控平臺(tái)，用戶(hù)足不出戶(hù)即可了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況機(jī)器人運(yùn)行畫(huà)面如圖2所示。

（2）分布式IO的PLC控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)集中控制系統(tǒng)相比具有：

靈活性：遠(yuǎn)程IO不受場(chǎng)地限制，布置靈活;

經(jīng)濟(jì)性：遠(yuǎn)程IO采取就近布置，大量減少控制電纜與橋架;

可靠性：通信網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，具有環(huán)冗余功能;現(xiàn)場(chǎng)所有信號(hào)就近接入遠(yuǎn)程IO，信號(hào)傳輸線纜變短避免信號(hào)的衰減及干擾。

（3）頭尾多驅(qū)協(xié)同控制技術(shù)具有“啟停運(yùn)行平穩(wěn)、調(diào)節(jié)周期短、控制效果好”等特點(diǎn)，該技術(shù)的運(yùn)用可有效減少輸送機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行階段產(chǎn)生的沖擊，防止張力突變，延長(zhǎng)輸送帶壽命，同時(shí)提高電機(jī)工作效率，為電機(jī)合理選型提供支撐，達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)能的效果。如圖3所示實(shí)際負(fù)載運(yùn)行時(shí)，管帶機(jī)四臺(tái)電機(jī)電流值分別為25.4 A、25.1 A、24.4 A、23.9 A，差別不到6%，優(yōu)于設(shè)計(jì)值8%，達(dá)到預(yù)期效果。

3? 結(jié)? 論

以上案例的實(shí)施體現(xiàn)了長(zhǎng)距離管帶機(jī)采用智能巡檢與控制技術(shù)的必要性，智能巡檢與控制技術(shù)可提高系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化程度，減少安全事故的發(fā)生;產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效果，減少人力資源及工程投資，最終達(dá)到增效降本的目的;智能巡檢與控制技術(shù)的應(yīng)用能為長(zhǎng)距離管帶機(jī)的建設(shè)與運(yùn)維保駕護(hù)航。

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作者簡(jiǎn)介：張洪凱（1985.01—），男，漢族，福建龍巖人，中級(jí)工程師，本科，研究方向：測(cè)控技術(shù)與儀器。