露天輸送帶智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計

國能珠海港務(wù)有限公司 劉壽恩

輸送帶在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，尤其是散貨行業(yè)。輸送帶具有結(jié)構(gòu)簡單、運輸效率高等突出優(yōu)點，但也存在故障影響大，故障維修時間長，維修成本高昂等問題。為了降低輸送帶的故障率，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的動態(tài)、科學監(jiān)測，本文以某散貨碼頭為例，對輸送帶的運行特性進行了觀測，對輸送帶典型故障及其成因進行分析，并結(jié)合環(huán)境保護及安全防護等需要，對露天輸送帶智能巡檢系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)進行研究，對各功能部件及使用環(huán)境適應(yīng)性為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 背景

1.1 設(shè)備現(xiàn)狀

某散貨碼頭主要業(yè)務(wù)為煤炭的儲備及中轉(zhuǎn)，年吞吐量將近4000萬噸。該碼頭物料輸送系統(tǒng)共配備34條輸送帶，水平機長超過22公里，帶寬分別為1.6m、2m。由于該碼頭為專業(yè)化碼頭，具有作業(yè)量大、周轉(zhuǎn)率高、設(shè)備使用率高的特點，物料輸送系統(tǒng)，尤其是輸送帶運行的穩(wěn)定性對生產(chǎn)保障具有重要意義。

目前該碼頭所有輸送帶的巡檢采用人工巡檢的方式，均未配備智能化巡檢系統(tǒng)，日常主要通過人工定時、定點巡檢的方式進行輸送帶狀態(tài)監(jiān)測及管理。人工巡檢作業(yè)勞動強度高，監(jiān)測精度低，無法實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的量化分析及判斷，且存在一定的安全隱患。

1.2 開發(fā)目標

通過對輸送帶的運行環(huán)境及工況進行綜合分析，開發(fā)一套輸送帶智能巡檢管理系統(tǒng)，通過惡劣環(huán)境下機器人系統(tǒng)可靠性技術(shù)、圖像/熱像采集與智能分析技術(shù)、機器深度學習技術(shù)、危險預(yù)測產(chǎn)生報警信號技術(shù)、故障診斷與設(shè)備聯(lián)動控制技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)等先進技術(shù)的高度融合，實現(xiàn)輸送帶的全天候、全方位、智能化巡檢管理的目標。

系統(tǒng)應(yīng)具備設(shè)備缺陷智能產(chǎn)生報警信號、設(shè)備狀態(tài)智能巡檢、圖像/熱像智能識別、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)通信、系統(tǒng)集中遠程管理、自主無線充電、自主安全避障、聲音檢測及聲譜分析等功能。并可以通過遠程通信方式向碼頭中控控制系統(tǒng)報警，實現(xiàn)故障狀態(tài)時人工操作選擇停機或自動停機等應(yīng)急處理方式[1]。

2 輸送帶智能巡檢系統(tǒng)的監(jiān)測要素

2.1 環(huán)境及安全監(jiān)測

2.1.1 作業(yè)現(xiàn)場粉塵檢測

輸煤沿線粉塵主要為煤粉，環(huán)境中粉塵濃度過高，存在環(huán)境污染和職業(yè)病風險，對環(huán)境粉塵濃度進行實時監(jiān)測非常重要。巡檢系統(tǒng)應(yīng)配置合適量程的粉塵傳感器，超過標準限值時，智能巡檢系統(tǒng)能主動產(chǎn)生報警信號，實時監(jiān)測粉塵濃度變化，收集粉塵變化大數(shù)據(jù)，輔助作業(yè)現(xiàn)場粉塵治理管理決策。

2.1.2 作業(yè)現(xiàn)場煙霧檢測

由于煤塵堆積、環(huán)境溫度高、設(shè)備故障局部發(fā)熱等因素，輸送帶沿線會存在一定的火災(zāi)風險。為了及時發(fā)現(xiàn)初起火災(zāi)，巡檢系統(tǒng)應(yīng)能檢測現(xiàn)場煙霧濃度，并可對報警限值進行設(shè)定，傳感器檢測煙霧濃度達到限值后會主動產(chǎn)生報警信號，并將現(xiàn)場監(jiān)控視頻紅外測溫數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控平臺，輔助工作人員決策，按需進行局部巡檢。

2.1.3 安全防護

輸送帶在啟動前及運轉(zhuǎn)過程中，一旦發(fā)生人員及異物的闖入，將會造成嚴重后果。巡檢系統(tǒng)應(yīng)能及時判斷輸送帶附近或輸送帶上是否有未經(jīng)允許的人員或其他異物出現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)有人出現(xiàn)在輸送帶被檢測范圍內(nèi)時及時產(chǎn)生報警信號，請求控制室進行人工干預(yù)，實現(xiàn)動態(tài)管理。

2.2 輸送帶的運行狀態(tài)監(jiān)測

2.2.1 輸送帶撕裂監(jiān)測

輸送帶撕裂是輸送帶設(shè)備最嚴重的故障之一，綜合分析，輸送帶縱向撕裂的主要原因為:

（1）物料卡壓導(dǎo)致撕裂。該類型故障一般發(fā)生于溜槽的下部，溜槽的前沿與輸送帶之間的距離較窄，承載力的強度不均勻。如果大塊尖利物料卡在輸送帶和溜槽之間不能脫離，極易造成輸送帶撕裂。

（2）異物穿刺導(dǎo)致撕裂。兩條銜接的輸送帶轉(zhuǎn)運點存在一定的高度差，如果物料中混入的尖銳異物過長，從高處墜落進入下游輸送帶，就會造成輸送帶的整段撕裂。

2.2.2 輸送帶跑偏監(jiān)測

輸送帶在運行過程中，由于落料點變化、物料特性變化等原因，易出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象。輸送帶跑偏易導(dǎo)致物料灑落、輸送帶邊部損傷等后果。

系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)輸送帶跑偏檢測，對輸送帶跑偏進行量化識別，識別出輸送帶偏移量，對輸送帶跑偏趨勢進行提前預(yù)判，輔助人工決策。相關(guān)檢測數(shù)據(jù)也可以作為輸送帶自動糾偏裝置研發(fā)的依據(jù)。

2.2.3 輸送帶傳動、轉(zhuǎn)動件溫度實時監(jiān)測

輸送帶各傳動件、轉(zhuǎn)動件的軸承在長期使用過程中，會逐漸老化，損壞風險也會逐漸增大，系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)對此類部件溫度的實時監(jiān)測，并生成趨勢分析，輔助設(shè)備故障預(yù)判，對于超過閾值設(shè)置的溫度信號能及時發(fā)出警報信號。

2.2.4 噪聲監(jiān)測與聲譜分析

機械部件老化、磨損后，運轉(zhuǎn)噪音一般都會出現(xiàn)變化，聽音也是人工巡檢的一個重要手段。智能巡檢應(yīng)具備噪聲監(jiān)測與聲譜分析的功能，實現(xiàn)噪聲監(jiān)測、聲譜分析，并實現(xiàn)托輥故障定位。

3 輸送帶智能巡檢系統(tǒng)的組成及設(shè)備選型

3.1 智能巡檢機器人

巡檢機器人作為智能巡檢的主要組成部分，在設(shè)計及選型中必應(yīng)充分考慮以下幾點[2]。

3.1.1 使用環(huán)境條件

根據(jù)不同地域的使用環(huán)境，機器人的設(shè)計應(yīng)重點考慮環(huán)境溫度、最大工作風速等環(huán)境因素，由于設(shè)備布置在室外，還需重點考慮設(shè)備的防臺能力，確保機器人在使用環(huán)境中能正常工作。

3.1.2 機器人功能

（1）導(dǎo)航定位。1）機器人應(yīng)具有按照預(yù)先設(shè)定任務(wù)或路線自動行走和停止的功能。2）機器人應(yīng)具備自動巡檢、路徑規(guī)劃功能。

（2）基本檢測功能。1）機器人應(yīng)規(guī)范搭載可見光、紅外檢測功能。2）可見光檢測。機器人配備可見光攝像機，能存儲采集到的視頻。

（3）紅外檢測。1）機器人配備在線式紅外熱成像儀，能對設(shè)備表面及溫度進行采集，并能將紅外視頻及溫度數(shù)據(jù)實時傳輸至本地監(jiān)控系統(tǒng)。2）能存儲采集到的設(shè)備紅外熱圖，并能從紅外熱圖中提取溫度信息，可自動追蹤測量全屏最高溫。

（4）防碰撞功能。機器人前端和后端均應(yīng)安裝避障傳感器，應(yīng)具有障礙物檢測功能，應(yīng)采取合理的避讓策略。

（5）無線自動充電。機器人應(yīng)具備無線自動充電功能，在需要充電時能夠自動返回機器人室，通過與無線充電設(shè)備配合完成自動充電。

（6）輔助照明。機器人應(yīng)具備輔助照明功能，能保證在夜間或陰暗天氣下正常采集數(shù)據(jù)與運行。

（7）防臺模式。機器人可實現(xiàn)在臺風來臨前，機器人在接收到防臺指令后，行走至帶防護外殼及自動門的充電站內(nèi)，充電站門需具有手動加固栓等設(shè)施，避免臺風天氣損壞。

3.2 后端控制系統(tǒng)

3.2.1 人機交互

（1）可擴展性。后臺系統(tǒng)界面滿足應(yīng)用人員需求，直觀簡潔、菜單清晰、操作便捷，便于模塊增加與升級；

（2）機器人控制。應(yīng)提供遙控和自動控制兩種控制方式，并能在兩種控制模式間任意切換，切換時不影響導(dǎo)航功能。

遙控功能可實現(xiàn)對機器人車體、云臺、電源、可見光攝像機和紅外熱像儀的控制操作。

（3）電子地圖。應(yīng)提供二維電子地圖功能，電子地圖中能顯示:巡檢線設(shè)備信息、機器人的位置、路徑及實時運行狀態(tài)。

（4）機器人狀態(tài)信息。能顯示、存儲機器人相關(guān)信息，包括機器人驅(qū)動模塊、機器人電源模塊和機器人所處環(huán)境信息等。

3.2.2 缺陷自動分析

（1） 自動測溫和分析。能自動在包含該設(shè)備的紅外圖像上標注出目標設(shè)備的區(qū)域，并自動對其溫度進行分析。

（2）狀態(tài)自動識別。能對采集到的輸送帶圖像進行分析，自動識別輸送帶運行狀態(tài)，進行自動判別和異常報警。

（3）自動產(chǎn)生報警信號設(shè)置。系統(tǒng)可對產(chǎn)生報警信號事件統(tǒng)一設(shè)定與管理，包括:產(chǎn)生報警信號閥值設(shè)定、產(chǎn)生報警信號生效設(shè)定、產(chǎn)生報警信號確認等。

系統(tǒng)應(yīng)支持二級產(chǎn)生報警信號:機器人本體級產(chǎn)生報警信號、控制系統(tǒng)級產(chǎn)生報警信號。機器人本體檢測到設(shè)備異常時，會進行聲、光報警，在現(xiàn)場全程進行高音預(yù)警，同時將報警信息上報到控制系統(tǒng)，聯(lián)動控制系統(tǒng)進行聲、光報警。

3.3 供電系統(tǒng)

應(yīng)采用分布式充電，充電站應(yīng)為帶防護外殼及自動門的充電站，充電站門具有手動加固栓等設(shè)施。充電站采用交流220V作為電源輸入，具備浪涌防護能力為2000V；充電裝置采用無線充電技術(shù)，不產(chǎn)生火星；系統(tǒng)能安全應(yīng)用于潮濕、粉塵濃度高的環(huán)境，采用U型螺栓安裝在軌道立柱上。

3.4 通訊系統(tǒng)

（1）通訊系統(tǒng)應(yīng)具有良好的漫游能力，保證高清視頻和數(shù)據(jù)傳輸不會中斷、卡頓；

（2）從數(shù)據(jù)接入點到機器人之間的高速數(shù)據(jù)傳輸利用無線網(wǎng)絡(luò)方式；

（3）無線傳輸采用WiFi無線網(wǎng)絡(luò)；

（4）機器人所有的控制信號、視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、現(xiàn)場傳感器采集數(shù)據(jù)及報警信息等均通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸；

（5）機器人通信帶寬需求小于54Mbps，接入網(wǎng)絡(luò)后配合QoS功能，可以保證視頻、音頻等各類數(shù)據(jù)實時可靠傳輸。

（6）外殼應(yīng)采取必要的防靜電及防電磁場干擾措施。

3.5 輔助數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

主要功能:

（1）對輸送帶的設(shè)備振動、溫度狀態(tài)進行監(jiān)測，將信息實時的采集并傳遞到遠程監(jiān)控中心。應(yīng)能接入智能化巡檢管理系統(tǒng)，實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控系統(tǒng)的一體化管理。振動、溫度傳感器及CCD高清相機應(yīng)能與機器人后臺進行雙向信息交互。

（2）可通過機器人實現(xiàn)對振動、溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集與皮帶狀態(tài)變化監(jiān)測任務(wù)，并對數(shù)據(jù)進行集中管理。實現(xiàn)振動、溫度傳感器、CCD高清相機與智能機器人的組合聯(lián)動。

3.6 軌道系統(tǒng)

軌道主要用于承載機器人，軌道應(yīng)采用高強度鋁合金成型，強度高、重量輕，軌道表面采用硬質(zhì)陽極氧化處理，防銹、防腐、耐磨性能好，能滿足潮濕、高溫、鹽霧等環(huán)境的長時間使用。

軌道架設(shè)應(yīng)充分考慮現(xiàn)場輸送帶與電纜槽架分布情況，并兼顧輸煤線路智能巡檢、點檢要求。

4 發(fā)展方向

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展進步，目前在輸送帶智能巡檢巡檢領(lǐng)域不斷取得突破，各類功能需求也正在不斷實現(xiàn)，但也存在檢測精度不高，環(huán)境適應(yīng)性差、設(shè)備耐用性低等問題，需要進一步的開發(fā)完善。

4.1 系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)性

在工業(yè)環(huán)境，尤其是開放式的散貨碼頭，具有高溫、高濕、高鹽等特性，而機器人、傳感器等部件均屬于較精密部件，對使用環(huán)境較敏感。應(yīng)充分考慮環(huán)境因素的影響，并進行系統(tǒng)測試，在提高系統(tǒng)的適用性的同時，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性及壽命，以適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的使用需求。

4.2 檢測精度及可靠性

巡檢系統(tǒng)的檢測精度及可靠性是困擾其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。在露天環(huán)境，對視覺識別檢測影響最大的是自然光的影響。光線的投射方向在不同的監(jiān)測位置亮度差較大，要求系統(tǒng)具有較好的兼容度。另外，輸送帶撕裂檢測的精度主要取決于樣本庫的容量。由于輸送帶撕裂形式的復(fù)雜多樣，系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)持續(xù)深度學習技術(shù)，不斷豐富樣本庫，從而不斷提高系統(tǒng)的檢測精度。