輸煤棧橋智能巡檢系統(tǒng)研制與應(yīng)用探析

李華才，張勝，周林，李子龍

（國電漢川發(fā)電有限公司，湖北 漢川 431614）

輸煤系統(tǒng)是燃煤火力發(fā)電廠的重要組成部分，負(fù)責(zé)將煤場或卸煤溝的煤炭通過輸煤皮帶，輸送至原煤倉。如果輸煤系統(tǒng)發(fā)生安全事故，將影響機(jī)組上煤，一旦原煤倉的煤被燒空，機(jī)組只能被動停機(jī)，對燃煤電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成極其惡劣的影響。

目前輸煤系統(tǒng)仍然采用人工巡檢的模式，工作勞動強(qiáng)度大，容易巡檢不及時(shí)、不到位；工作現(xiàn)場的條件和環(huán)境惡劣，對人身安全和健康造成了不良影響。因此，有必要結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、人工智能等技術(shù)，嘗試實(shí)現(xiàn)無人輸煤系統(tǒng)，用機(jī)器人巡檢和算法識別代替人的巡檢功能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場危險(xiǎn)、復(fù)雜環(huán)境的安全態(tài)勢感知和智能報(bào)警，提高火電站風(fēng)險(xiǎn)管控和應(yīng)急響應(yīng)能力。

本研究針對燃煤火力發(fā)電站，分析輸煤系統(tǒng)存在的問題，基于輸煤棧道智能巡檢機(jī)器人，打造無人輸煤安全管控系統(tǒng)，動態(tài)感知落煤管堵塞、皮帶撕裂、皮帶跑偏、燃煤體積流量、現(xiàn)場溫度，并及時(shí)、精準(zhǔn)、自動推送報(bào)警，以提高輸煤運(yùn)行過程的安全風(fēng)險(xiǎn)管控和應(yīng)急處置能力。本文的分析有助于了解燃煤火力廠輸煤系統(tǒng)存在的問題，通過設(shè)計(jì)無人輸煤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種危險(xiǎn)復(fù)雜工況的實(shí)時(shí)態(tài)勢感知，及時(shí)推送報(bào)警，降低現(xiàn)場工作人員的勞動強(qiáng)度和危險(xiǎn)性，實(shí)現(xiàn)更安全、更高效的無人輸煤運(yùn)行。

輸煤棧橋智能巡檢系統(tǒng)采用人工智能、機(jī)器深度學(xué)習(xí)、圖像識別、路徑自主規(guī)劃及在線控制相融合以及大數(shù)據(jù)交互引擎技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合智能化智能巡檢設(shè)備，搭載多傳感器融合實(shí)現(xiàn)輸煤系統(tǒng)巡檢智能化、精細(xì)化管理，為輸煤系統(tǒng)隱患“發(fā)現(xiàn)—上報(bào)—流轉(zhuǎn)—處置”提供高效、便捷的流程支持，為輸煤系統(tǒng)安全管理提供強(qiáng)有力的信息化手段，實(shí)現(xiàn)對巡檢內(nèi)容的實(shí)時(shí)把控和安全響應(yīng)。

1 實(shí)施背景

國電漢川發(fā)電有限公司5#～6#機(jī)組的公用輸煤系統(tǒng)8#PA/B/C皮帶輸煤棧橋一直采用人工巡檢方式，運(yùn)維人員需定期對棧橋內(nèi)輸送設(shè)備進(jìn)行動態(tài)和靜態(tài)巡檢，檢查皮帶運(yùn)行狀態(tài)，包括是否存在撕裂、跑偏、脫輥、漏煤、冒煙失火等安全隱患和缺陷。由于輸送轉(zhuǎn)運(yùn)站、皮帶棧橋內(nèi)環(huán)境惡劣，距離較長，在當(dāng)前人工巡檢的模式下，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)問題前的征兆及已經(jīng)出現(xiàn)的問題。輸送系統(tǒng)上煤看倉工作依然采用人工方式，存在作業(yè)人員任務(wù)重、風(fēng)險(xiǎn)高等弊端?，F(xiàn)場作業(yè)人員靠現(xiàn)場觀察筒倉倉位情況，通過對講機(jī)聯(lián)系方式與輸送集控制室聯(lián)系設(shè)備的相關(guān)流程控制，作業(yè)方式原始，作業(yè)效率低，同時(shí)也存在一定作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

2 設(shè)備布置

在輸煤棧橋結(jié)構(gòu)頂部架設(shè)吊掛軌道，軌道采用全封閉形式，覆蓋所有筒倉倉口區(qū)域。軌道一次鋼結(jié)構(gòu)采用橫梁式結(jié)構(gòu)件通過膨脹螺栓固定在混凝土結(jié)構(gòu)層頂面或結(jié)構(gòu)梁上，二次鋼結(jié)構(gòu)采用槽鋼型材，一次鋼結(jié)構(gòu)和二次鋼結(jié)構(gòu)之間采用吊架連接。鋁合金軌道通過C型鉤與二次鋼結(jié)構(gòu)連接，C型鉤與鋁合金軌道通過螺栓抵緊連接，與二次鋼結(jié)構(gòu)通過壓板連接。吊掛軌道能實(shí)現(xiàn)全方位的調(diào)節(jié)，保證軌道的直線度和連接過渡平順。

3 巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)

智能巡檢機(jī)器人由機(jī)器人本體、6自由度多關(guān)節(jié)協(xié)作機(jī)械臂、軌道、自動充電樁、無線通訊系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、上位機(jī)平臺等組成。整套系統(tǒng)各個子部分之間通信采用IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行松散耦合連接，通信協(xié)議采用MQTT、AMQP等穩(wěn)定成熟的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。

巡檢機(jī)器人本體采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電池、機(jī)器人控制箱、電氣系統(tǒng)、動力裝置等均采用快捷設(shè)計(jì)，整機(jī)防護(hù)等級達(dá)到IP65，在車體側(cè)面開設(shè)檢修艙門便于維護(hù)。動力采用伺服驅(qū)動和RFID定位標(biāo)簽位置校準(zhǔn)，供電采用磷酸鐵鋰電池并具備BMS保護(hù)系統(tǒng)，在軌道上設(shè)有充電站，充電方式為帶接觸檢測的滑觸式安全充電，充電設(shè)備能夠應(yīng)用于潮濕粉塵環(huán)境，不充電時(shí)，充電刷板和充電滑觸塊完全不帶電，保證安全。

在巡檢機(jī)器人本體下吊掛安裝有紅外雙光攝像機(jī)、多關(guān)節(jié)協(xié)作機(jī)械臂、機(jī)器視覺防撞傳感器。多關(guān)節(jié)協(xié)作機(jī)械臂采取全封閉隔離艙安裝，機(jī)械臂與機(jī)器人本體采用一套控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。機(jī)械臂前端搭載傳感器系統(tǒng)，傳感器包括煤倉探測雷達(dá)、激光測距傳感器、補(bǔ)光燈、高清半球攝像機(jī)。傳感器主要取代人工觀察煤倉內(nèi)部的物料情況，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的測量煤倉物料的峰值高度、平均高度、體積和重量，給輸煤控制中心提供準(zhǔn)確、及時(shí)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，對系統(tǒng)設(shè)定的上位值、報(bào)警閾值進(jìn)行分析比較，并發(fā)出滿倉信號指示、報(bào)警信號和提示。

現(xiàn)場巡檢機(jī)器人與后臺調(diào)度管理系統(tǒng)之間采用無線網(wǎng)雙網(wǎng)融合的方式進(jìn)行通訊。在輸煤棧橋中，由于部署的巡檢機(jī)器人，搭載了大流量設(shè)備，為了防止因數(shù)據(jù)量過大導(dǎo)致無線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁堵，從而影響對機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制以及其狀態(tài)的實(shí)時(shí)反饋，因此，將無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為兩部分：控制網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)，并配置在不同網(wǎng)段，從而保證對機(jī)器人控制指令的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。無線網(wǎng)絡(luò)支持2.4G和5G雙頻段，實(shí)現(xiàn)巡檢區(qū)域全覆蓋。

巡檢機(jī)器人防撞采用3D機(jī)器視覺傳感器用于機(jī)械臂運(yùn)動全范圍的區(qū)域防撞。采用2D激光掃描傳感器用于巡檢機(jī)器人行走過程中的障礙物防撞。避障系統(tǒng)能自動探測周圍環(huán)境，當(dāng)識別到在巡檢路線上存在障礙物且不能安全通過時(shí)，能自動停車并報(bào)警，并且對靠近機(jī)器人的工作人員或者物體進(jìn)行安全提示，進(jìn)行聲光電報(bào)警。

4 巡檢機(jī)器人功能

巡檢機(jī)器人根據(jù)輸煤棧橋的工作動態(tài)自動生成巡檢任務(wù)，其中包括動態(tài)監(jiān)視犁煤器動作、采集原煤倉料位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和原煤倉配煤情況以及報(bào)警巡檢和日常巡檢任務(wù)。智能巡檢機(jī)器人具備自學(xué)習(xí)智能分析能力，交互式對講、遠(yuǎn)程控制能力，可在授權(quán)后對關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。支持多種巡檢方式，包括人工遠(yuǎn)程操控巡檢、本地遙控巡檢，任務(wù)計(jì)劃巡檢、重點(diǎn)區(qū)域巡檢、定時(shí)定點(diǎn)監(jiān)測、皮帶聯(lián)動巡檢等模式。具備自診斷功能，支持設(shè)備狀態(tài)查詢及歷史數(shù)據(jù)分析，各車載傳感器通過總線上報(bào)自身狀態(tài)以便車載控制器對各種傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

具有可見光與紅外視頻圖像采集功能，當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)堵塞、撕裂、跑偏、溫度超高時(shí)可自動跟蹤鎖定異常位置，將現(xiàn)場畫面第一時(shí)間經(jīng)無線局域網(wǎng)展示在控制臺。通過建立電子地圖來實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，整車實(shí)際運(yùn)行路徑通過路徑規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)自主規(guī)劃路徑的功能，針對設(shè)備故障點(diǎn)可進(jìn)行快速定位巡檢、高頻次巡檢。巡檢機(jī)器人能以毫米級誤差精確實(shí)時(shí)上報(bào)自身所在位置以方便后臺人員在發(fā)現(xiàn)巡檢問題時(shí)及時(shí)定位故障位置。執(zhí)行檢測任務(wù)時(shí)會在電子地圖上顯示出預(yù)規(guī)劃路徑以及整車在該路徑上的實(shí)時(shí)位置，便于人工直接了解巡檢機(jī)器人的狀態(tài)、實(shí)際位置以及巡檢進(jìn)度。

5 巡檢機(jī)器人軟件架構(gòu)

系統(tǒng)與設(shè)備分為三級部署：操作員站、程控中心、輸煤棧橋，每級之間通過光纖或網(wǎng)線進(jìn)行連接。系統(tǒng)由客戶端、專家系統(tǒng)、消息中間件服務(wù)、數(shù)據(jù)庫、智能終端、機(jī)器人控制與調(diào)度、視頻監(jiān)控七個服務(wù)組成。客戶端集中實(shí)時(shí)展示各類傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等?？蓪v史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、生成報(bào)表等；可以通過客戶端軟件實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制、巡檢任務(wù)管理等。

智能終端根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不同，分為兩類，一類是采集各類傳感器數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給專家系統(tǒng)；另一類是采集高清攝像頭實(shí)時(shí)流和工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)抓拍的圖片，完成圖像各類算法分析：膠帶跑偏、堵煤、漏煤、撕裂、缺陷；完成熱成像儀的數(shù)據(jù)采集，對其所探測的設(shè)備表面溫度進(jìn)行分析；并將數(shù)據(jù)發(fā)送給專家系統(tǒng)。機(jī)器人控制與調(diào)度完成對機(jī)器人和機(jī)械臂的遠(yuǎn)程控制，實(shí)時(shí)狀態(tài)（電量、位置等）信息的獲?。煌瓿蓹C(jī)器人巡檢任務(wù)的規(guī)劃以及巡檢點(diǎn)位管理；完成機(jī)械臂前端傳感器數(shù)據(jù)（激光測距儀和雷達(dá)）的采集和分析；并將各類數(shù)據(jù)發(fā)送給專家系統(tǒng)；消息中間件服務(wù)作為整個系統(tǒng)的信息交互樞紐，完成指令、數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)。專家系統(tǒng)（數(shù)據(jù)庫）對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類、存儲。并對各設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)（歷史）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，綜合評價(jià)設(shè)備運(yùn)行效率，檢測設(shè)備是否即將或已經(jīng)發(fā)生運(yùn)行故障。

6 結(jié)語

輸煤棧橋智能巡檢系統(tǒng)以智能巡檢設(shè)備的自動在線監(jiān)控替代人工現(xiàn)場巡檢、監(jiān)護(hù)操控模式，實(shí)現(xiàn)輸煤系統(tǒng)的全自動配煤上倉監(jiān)視、操作監(jiān)護(hù)，優(yōu)化現(xiàn)場人力資源配置，提高輸煤系統(tǒng)的作業(yè)效率及安全性。