礦用智能多參數(shù)巡檢機(jī)器人在黃陵煤礦中的應(yīng)用研究

李 懸，劉 瑞

（陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司 一號(hào)煤礦，陜西 黃陵 727307）

1 概 況

煤礦帶式輸送機(jī)、采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、刮板輸送機(jī)等諸多開采設(shè)備被廣泛的應(yīng)用于井下開采作業(yè)中，且逐漸向自動(dòng)化、智能化方向進(jìn)行發(fā)展，但由于井下環(huán)境惡劣，通訊距離長(zhǎng)，信號(hào)傳輸受干擾性，井下監(jiān)控質(zhì)量較差，攝像頭的覆蓋面積也相對(duì)較小。為此，結(jié)合黃陵一號(hào)煤礦的實(shí)際需求和井下機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景特點(diǎn)，從總體方案、硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等方面開展了高性能、高可靠性的巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)研究，并對(duì)巡檢機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)布置情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 皮帶故障自動(dòng)化巡檢需求

帶式輸送機(jī)是煤礦生產(chǎn)的重要設(shè)備，黃陵一號(hào)煤礦雖設(shè)計(jì)了一些安檢設(shè)施，但整體運(yùn)行存在故障率高、準(zhǔn)確性差等問題，一旦皮帶機(jī)出現(xiàn)了故障問題，會(huì)使得整個(gè)采煤生產(chǎn)線癱瘓。因此，對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是非常重要的。

帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中巡檢工作包括運(yùn)轉(zhuǎn)前、運(yùn)轉(zhuǎn)中和停機(jī)3 個(gè)階段。運(yùn)轉(zhuǎn)前主要對(duì)設(shè)備上的托輥、皮帶磨損程度、制動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)、電機(jī)、張緊裝置等進(jìn)行監(jiān)測(cè)；在設(shè)備運(yùn)行中，主要對(duì)煤炭的輸送狀態(tài)、堆煤現(xiàn)象、皮帶磨損或開裂情況、電機(jī)運(yùn)行異常情況、制動(dòng)剎車異常情況、皮帶帶面的雜物情況等進(jìn)行監(jiān)測(cè)；在設(shè)備停機(jī)后，需再次對(duì)皮帶、托輥、電機(jī)、張緊裝置等進(jìn)行檢查，若出現(xiàn)壞損，應(yīng)及時(shí)維修，保證設(shè)備運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性及安全性。皮帶機(jī)巡檢重點(diǎn)部位如圖1 所示。

圖1 皮帶機(jī)巡檢重點(diǎn)部位Fig. 1 Key parts of belt conveyor inspection

3 皮帶巡檢機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

皮帶多參數(shù)巡檢機(jī)器人包括機(jī)器人軌道（驅(qū)動(dòng)電機(jī)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)等）、機(jī)器人本體（傳感器、攝像頭、防爆外殼、無線部分等）、控制系統(tǒng)等部分，當(dāng)各部分檢測(cè)到相關(guān)信號(hào)后，通過RS485 及以太網(wǎng)傳輸至地面的集中控制中心，控制中心的CPU 及存儲(chǔ)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算及實(shí)時(shí)保存，異常情況及時(shí)預(yù)警值班人員，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。巡檢機(jī)器人裝置對(duì)輸送帶巷道進(jìn)行24 h 移動(dòng)巡檢，建成后將減少人工成本、提高效率。

為減少投入成本，每條巷道采用1 條長(zhǎng)軌安裝方案，巷道長(zhǎng)度小于1 500 m 采用單臺(tái)移動(dòng)多參數(shù)巡檢機(jī)器人；大于1 500 m 采用2 套移動(dòng)多參數(shù)巡檢機(jī)器人裝置，分前后兩段進(jìn)行巡檢。

巡視機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖2 所示，可實(shí)現(xiàn)黃陵一號(hào)煤礦一部皮帶巷、西一二部皮帶巷、二上山皮帶大巷等區(qū)域中皮帶的巡檢工作。

圖2 巡視機(jī)器人總體組成Fig. 2 Overall composition of the patrol robot

4 機(jī)器人中關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)

4.1 移動(dòng)巡檢本體

移動(dòng)巡檢本體是整個(gè)機(jī)器人的核心部分，主要包括交換機(jī)、無線終端、數(shù)據(jù)處理器、電源穩(wěn)壓?jiǎn)卧?、控制單元、溫度傳感器、聲音傳感器、煙霧傳感器、電池電源等，在接線腔外配備了多個(gè)具有防爆功能的高清攝像頭，在較低照度、較高濕度和較大粉塵環(huán)境下，也能清晰、準(zhǔn)確的對(duì)整個(gè)泵房中設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。整個(gè)移動(dòng)巡檢本體硬件如圖3 所示，具有移動(dòng)圖像采集、聲音采集、煙霧和溫度檢測(cè)以及數(shù)據(jù)處理等功能。

圖3 移動(dòng)巡檢本體硬件Fig. 3 Moving inspection ontology hardware

4.2 無線通訊系統(tǒng)

無線通訊系統(tǒng)主要由通訊子站、井下監(jiān)控終端、地面控制中心監(jiān)控終端、地面控制中心交換機(jī)等組成。巡檢機(jī)器人上留有通訊口，可以集成各種具有標(biāo)準(zhǔn)通訊口的檢測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)所的特定檢測(cè)。該系統(tǒng)可以接入煤礦井下的工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)在地面監(jiān)控中心對(duì)井下設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視。

4.3 傳動(dòng)系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人軌道自走型傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括工字鋼軌道、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)輪、支撐輪、張緊機(jī)構(gòu)、萬向節(jié)、柔性吊掛鎖和軌道連接部件等。軌道采用標(biāo)準(zhǔn)化型材，表面防銹處理，利用巷道內(nèi)現(xiàn)有橫梁作為軌道固定架基礎(chǔ)，使用U 型架+ 卸扣實(shí)現(xiàn)軌道吊裝。傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 4 Transmission system structure

4.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控制系統(tǒng)采用模塊設(shè)計(jì)和多層次分布式控制體系結(jié)構(gòu)，主要由主控制子系統(tǒng)、電機(jī)控制子系統(tǒng)、傳感器控制子系統(tǒng)、云臺(tái)控制子系統(tǒng)和其它控制系統(tǒng)構(gòu)成。當(dāng)各控制子系統(tǒng)收到主控制系統(tǒng)發(fā)來的控制指令后，獨(dú)立完成對(duì)模塊的控制，同時(shí)各控制子系統(tǒng)將機(jī)器人系統(tǒng)本體的信息和傳感器監(jiān)測(cè)的信息返回給主控制子系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用工控機(jī)作為上位機(jī)控制系統(tǒng)硬件，控制系統(tǒng)初始化選擇自動(dòng)巡檢模式后，巡檢機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)定的速度、軌跡進(jìn)行巡檢，如圖5 所示。

圖5 機(jī)器人本體控制系統(tǒng)程序流程Fig. 5 Program flowof the robot ontology control system

5 現(xiàn)場(chǎng)布置設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果分析

5.1 巡檢機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案設(shè)計(jì)

將巡檢機(jī)器人布置在黃陵一號(hào)煤礦西一一部皮帶巷。西一一部皮帶巷使用連續(xù)的一條2 700 m 軌道，布設(shè)2 臺(tái)移動(dòng)巡檢本體裝置，機(jī)頭配電室和硐室單獨(dú)使用1 臺(tái)移動(dòng)巡檢本體裝置。每個(gè)驅(qū)動(dòng)室內(nèi)安設(shè)單獨(dú)的固定式多參數(shù)巡檢機(jī)器人裝置。為保證2 700 m 巷道通訊無死角、全覆蓋，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，單個(gè)分站可覆蓋約400 m，擬采用8 套子站實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)巡檢軌跡的通訊覆蓋。為保證軌道安裝牢固，采用3 m 間隔18 mm×1 200mm 以上錨桿吊裝，軌道上側(cè)通過夾塊、夾塊片、螺栓與G80 級(jí)φ8 mm×40 mm 礦用圓環(huán)鏈錨桿連接。西一一部皮帶巷現(xiàn)場(chǎng)配置如圖6 所示。

圖6 西一一部皮帶巷中現(xiàn)場(chǎng)配置分布Fig. 6 Field configuration distribution of the belt roadway

5.2 應(yīng)用效果分析

黃陵一號(hào)煤礦西一一部皮帶巷巡檢機(jī)器人的應(yīng)用情況較好，實(shí)現(xiàn)了巡檢機(jī)器人替代人工對(duì)主運(yùn)輸系統(tǒng)、變電所及水泵房代巡檢工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主運(yùn)輸系統(tǒng)行人側(cè)上下帶面、托輥、環(huán)境溫度、氣體等正常檢測(cè)、故障判斷。實(shí)現(xiàn)了變電所及水泵房電氣參數(shù)、閥門狀態(tài)及儀表識(shí)別等功能。在地面調(diào)度室可實(shí)時(shí)顯示皮帶機(jī)、變電所設(shè)備圖像、巷道內(nèi)圖像等，如圖7 所示。

圖7 西一一部皮帶巷中巡檢系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控Fig. 7 Inspection system on- site monitoring of the belt roadway

6 結(jié) 論

結(jié)合黃陵一號(hào)煤礦的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了巡檢機(jī)器人，提高了礦井設(shè)備的故障排除效率及人員作業(yè)安全，降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中需對(duì)系統(tǒng)及機(jī)器人本體進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性。