煤礦井下皮帶輸送機(jī)防爆巡檢機(jī)器人研究

龍?jiān)倜龋?夏景剛

（1.中煤科工集團(tuán)上海有限公司， 上海 200000； 2.南京雙京電器集團(tuán)有限公司， 江蘇 南京 211500）

0 引言

我國(guó)提出的碳達(dá)峰、 碳中和目標(biāo)將加速我國(guó)能源轉(zhuǎn)型和能源革命進(jìn)程，同時(shí)也將倒逼煤炭的采、掘、運(yùn)的技術(shù)升級(jí)， 提高經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)質(zhì)量。 國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》， 將重點(diǎn)研發(fā)的煤礦機(jī)器人分為掘進(jìn)、采煤、運(yùn)輸、安控和救援共5 大類、38 種，明確將大力推動(dòng)煤礦現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的少人化和無(wú)人化。 煤礦井下煤炭的運(yùn)輸主要采用帶式輸送機(jī)， 煤礦井下輸送機(jī)安裝巷道窄小，環(huán)境黑暗，經(jīng)常出現(xiàn)托輥損壞、輸送帶斷裂、縱撕、跑偏、打滑、火災(zāi)以及物料堆積等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備及人員的重大損失。 6～8km 長(zhǎng)距離的皮帶運(yùn)輸主要采用人工巡檢方式進(jìn)行， 這種人工投入的方式存在許多的弊端。 主要體現(xiàn)在一是人員多，勞動(dòng)強(qiáng)度大。 二是故障點(diǎn)多，無(wú)法及時(shí)排查。 三是皮帶運(yùn)輸狀態(tài)缺乏實(shí)時(shí)觀察。

巡檢機(jī)器人集機(jī)械、電子、自動(dòng)化、傳感器、計(jì)算機(jī)、移動(dòng)通信和礦用防爆等技術(shù)為一體，是多學(xué)科相互交又、融合的系統(tǒng)，它能實(shí)現(xiàn)從大型設(shè)備（如帶式輸送機(jī)）機(jī)頭到機(jī)尾的全線范圍內(nèi)的移動(dòng)巡檢，連續(xù)采集、存儲(chǔ)、傳輸現(xiàn)場(chǎng)的圖像、聲音、溫度、煙霧等數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析，不但對(duì)設(shè)備的工作環(huán)境進(jìn)行全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障位置并報(bào)警處理， 預(yù)防和減少設(shè)備的故障發(fā)生并有效降低事故的發(fā)生率。 人工智能的運(yùn)用將大大減輕煤礦工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升礦井安全管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障預(yù)警、趨勢(shì)預(yù)判等功能，但煤礦井下環(huán)境惡劣，存在較多的甲烷危險(xiǎn)氣體區(qū)域，機(jī)器人的裝備需要采用隔爆、本質(zhì)安全、澆封等防爆關(guān)鍵技術(shù)處理，機(jī)器人的防爆安全顯得尤為重要[1]。

因此， 對(duì)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控是非常必要的，而替代人工的巡檢機(jī)器人將扮演越來(lái)越重要的角色。

1 巡檢機(jī)器人的組成

礦井防爆軌道式巡檢機(jī)器人通過(guò)固定軌道的方式解決機(jī)器人路徑規(guī)劃、 導(dǎo)航和避障的難題， 提高運(yùn)行穩(wěn)定性。 巡檢機(jī)器人通過(guò)對(duì)設(shè)備早期發(fā)熱（溫度監(jiān)測(cè)）、外觀異常（圖像處理）、聲音異響（噪音檢測(cè)）等進(jìn)行檢測(cè)來(lái)預(yù)防和發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障。 如圖1，長(zhǎng)距離的皮帶輸送中，機(jī)器人通過(guò)掛軌搭載溫濕度、圖像、紅外熱成像、氣體探測(cè)等傳感器，移動(dòng)探測(cè)皮帶的煤炭堆積、溫度、甲烷濃度、粉塵濃度等情況，指揮中心調(diào)看運(yùn)輸機(jī)上的圖像畫(huà)面。機(jī)器人的巡檢需要按照軌道自動(dòng)移動(dòng)行走、定點(diǎn)?？?，避障停車，圖像實(shí)時(shí)通信，災(zāi)害報(bào)警、故障區(qū)域定位等功能[2]。

圖1 軌道式皮帶機(jī)巡檢機(jī)器人

總體設(shè)計(jì)參數(shù)：①最長(zhǎng)巡檢距離＞8km；②最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間＞8h；③巡檢速度≤0.4m/s；④爬坡角度≤20°；⑤機(jī)器人本體重量≤80kg；⑥多參數(shù)采集：溫度、濕度、紅外溫度成像、甲烷濃度、粉塵濃度的參數(shù)采集。

巡檢機(jī)器人采用軌道式包膠滾輪行走結(jié)構(gòu)，48V 磷酸鐵鋰鋰離子電池驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。 巡檢機(jī)器人主要由軌道式行走機(jī)構(gòu)、電池系統(tǒng)、采集與控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)四部分組成，如圖2 所示。

圖2 機(jī)器人系統(tǒng)組成

1.1 軌道式行走機(jī)構(gòu)

皮帶巡檢機(jī)器人對(duì)長(zhǎng)距離的皮帶機(jī)狀態(tài)巡檢，首先應(yīng)確定巡檢機(jī)器人的運(yùn)行和驅(qū)動(dòng)方式。 針對(duì)皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，需要研究出結(jié)構(gòu)牢固、安裝方便、 有利于巡檢機(jī)器人節(jié)能的單軌懸掛軌道運(yùn)行方式。 行走機(jī)構(gòu)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)減速齒輪驅(qū)動(dòng)4個(gè)行走動(dòng)力輪移動(dòng)。 行走機(jī)構(gòu)通過(guò)設(shè)置動(dòng)力輪、頂緊輪、限位槽、定位槽、限位滾輪和定位滾輪起到行走機(jī)構(gòu)啃軌能力更強(qiáng)的作用， 防止在巡檢過(guò)程中機(jī)器人因震動(dòng)劇烈出現(xiàn)傾倒，起到移動(dòng)支點(diǎn)作用，達(dá)到平穩(wěn)前進(jìn)的效果，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬坡、下坡、制動(dòng)、定點(diǎn)停車[3]。

1.2 電池系統(tǒng)

電池系統(tǒng)是機(jī)器人行走動(dòng)力， 巡檢機(jī)器人需要搭載防爆外殼，各類溫濕度、圖像傳感器，通信裝備，增加了自身的負(fù)重，為保證巡航能力，需要研究合適的巡航動(dòng)力，防爆鋰離子電池動(dòng)力在煤礦井下有非常嚴(yán)格的規(guī)定，需要研究其動(dòng)力的安全性以保證機(jī)器人的安全運(yùn)行。 電池系統(tǒng)采用16 個(gè)單體10Ah，3.2V 的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)組成電池模組，配備BMS 充放電管理系統(tǒng)。 BMS 充放電管理系統(tǒng)對(duì)單體電池過(guò)充、過(guò)放、充電過(guò)流、放電過(guò)流保護(hù)和輸出短路保護(hù)。

1.3 采集與控制系統(tǒng)

采集與控制系統(tǒng)是機(jī)器人行走控制的關(guān)鍵， 系統(tǒng)采用STM32 芯片，根據(jù)接收外部信號(hào)控制機(jī)器人的起停、報(bào)警，同時(shí)對(duì)外部本安信號(hào)進(jìn)行隔離， 實(shí)現(xiàn)電路上的安全控制。巡檢機(jī)器人配置了氣體、粉塵、溫濕度、紅外攝像、可見(jiàn)光攝像傳感器，對(duì)各環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在控制系統(tǒng)中需要解決機(jī)器人的快速巡檢、慢速巡檢、定位巡檢、手動(dòng)巡檢的工作模式。 在對(duì)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的故障檢測(cè)上配置了骨傳聲紋傳感器，可對(duì)主電機(jī)進(jìn)行超前預(yù)警監(jiān)控，系統(tǒng)接收骨傳聲紋傳感器的無(wú)線解析信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)多方位的數(shù)據(jù)采集。

1.4 通信系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人的巡檢數(shù)據(jù)傳回、啟?？刂频拳h(huán)節(jié)完全依靠無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)。 通信系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離對(duì)采集的溫濕度、氣體濃度、數(shù)據(jù)與沿路基站進(jìn)行無(wú)線上傳[4]。巡檢機(jī)器人在長(zhǎng)距離的運(yùn)行階段， 在巡檢過(guò)程中需要與經(jīng)過(guò)的各點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)通信，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)上傳，同時(shí)實(shí)現(xiàn)軌跡定位。巡檢機(jī)器人在巡檢過(guò)程中采用Zigbee 的通信方式，與沿線的跑偏、撕裂、溫度等傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，巡檢機(jī)器人利用煤礦井下的4G 的通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸，經(jīng)井下分站傳輸至監(jiān)控中心[5]。

2 多參數(shù)環(huán)境感知技術(shù)

巡檢機(jī)器人在長(zhǎng)距離的運(yùn)行過(guò)程中需要對(duì)巡檢區(qū)域的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，巡檢機(jī)器人搭載照明裝置、傳感器能夠檢測(cè)巷道中的CH4、粉塵濃度、溫濕度、煙霧、異常聲音，搭載紅外熱成像儀對(duì)設(shè)備溫度進(jìn)行采集，以檢查機(jī)械設(shè)備、滾筒、托輥、皮帶上煤炭等物體的溫度，從而自動(dòng)判斷和故障定點(diǎn)報(bào)警，給出故障點(diǎn)的位置。

2.1 溫度感知

溫度是火災(zāi)事故的點(diǎn)燃源，在無(wú)人值守的狀態(tài)下，需要紅外熱成像儀對(duì)皮帶機(jī)上運(yùn)輸煤炭的溫度、 運(yùn)輸部件的溫度、主驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的外部溫度采集，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)巡航檢測(cè)、自動(dòng)預(yù)警。機(jī)器人搭載紅外熱成像和高清攝像的非晶硅雙光譜球機(jī)，集可見(jiàn)光、紅外成像、高性能轉(zhuǎn)臺(tái)，2D FFT 圖像算法于一體。隔爆兼本質(zhì)安全型紅外熱成像儀需要達(dá)到Ex db[ib] I Mb，IP54 的級(jí)別。熱像儀利用在線觀測(cè)模式，根據(jù)皮帶機(jī)內(nèi)設(shè)備的遠(yuǎn)近，調(diào)節(jié)鏡頭焦距，直至成像清晰，觀測(cè)紅外在線圖像觀測(cè)[6]。

2.2 氣體感知

在皮帶運(yùn)輸過(guò)程中， 皮帶上會(huì)存在煤炭堆積釋放出煤層中積累的瓦斯， 以及在狹小的運(yùn)輸巷道中可能存在瓦斯烷的集聚， 在長(zhǎng)距離巡檢中需要對(duì)整個(gè)巷道的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè)， 瓦斯的檢測(cè)采用紅外本質(zhì)安全型氣體傳感器。紅外氣體傳感器通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸承與下層殼體連接，底部設(shè)有氣室，利用吸氣泵將外部氣體吸入，傳感器利用非色散紅外（NDIR）原理對(duì)空氣中存在的CH4 進(jìn)行探測(cè)，紅外氣體傳感器信號(hào)和溫度補(bǔ)償信號(hào)與機(jī)器人主板連接，將信息由機(jī)器人主板統(tǒng)一匯總數(shù)據(jù)[7]。

2.3 粉塵感知

輸巷道有時(shí)會(huì)出現(xiàn)煤粉塵積聚， 當(dāng)煤粉塵達(dá)到爆炸極限濃度時(shí)遇到點(diǎn)燃源也會(huì)造成爆炸事故， 塵濃度檢測(cè)利用光散射理論建立散射光強(qiáng)度與粉塵濃度的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。 選擇合適激光器和光敏元件，通過(guò)光學(xué)結(jié)構(gòu)、氣路通道結(jié)構(gòu)，采集煤粉塵濃度，當(dāng)濃度達(dá)到設(shè)定值時(shí)將控制噴霧系統(tǒng)進(jìn)行除塵，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)噴霧。

3 井下多點(diǎn)交換通信

通過(guò)比較常用的無(wú)線通信技術(shù)，確定使用ZigBee 技術(shù)，并對(duì)井下使用ZigBee 技術(shù)的可行性進(jìn)行分析。 根據(jù)井下復(fù)雜的環(huán)境使用改進(jìn)型的RSSI 定位方法，在計(jì)算移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)間距離時(shí)， 加入?yún)⒖脊?jié)點(diǎn)間距離和RSSI 值作參考，對(duì)被測(cè)RSSI 值進(jìn)行校正，達(dá)到提高精度的目的。 井下系統(tǒng)采用ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的組合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信， 如圖3 所示。 井下系統(tǒng)采用ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的組合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信， 井下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由ZigBee 芯片CC2530 構(gòu)建， 使用ZStack 作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。井下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由井下通信分站、定位參考節(jié)點(diǎn)和定位儀三部分構(gòu)成。 定位參考節(jié)點(diǎn)安裝在巷道壁上采集RSSI值，機(jī)器人巡檢時(shí)將定位信息發(fā)送到井上監(jiān)控中心，監(jiān)控主機(jī)對(duì)定位信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢區(qū)域的圖像、采集數(shù)據(jù)進(jìn)行通信與定位。

圖3 通信網(wǎng)路分布

4 防爆安全技術(shù)

防爆巡檢機(jī)器人按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3836.1—2021、GB/T 3836.2—2021、GB/T 3836.4—2021 進(jìn)行設(shè)計(jì)， 巡檢機(jī)器人集合了多項(xiàng)防爆電池、 防爆傳感器、 防爆傳動(dòng)電機(jī)、防爆通信裝備，為合理的進(jìn)行防爆技術(shù)的融合，需要對(duì)各項(xiàng)防爆設(shè)備進(jìn)行綜合技術(shù)處理， 同時(shí)減輕機(jī)器人的負(fù)重，提升巡檢時(shí)間。 在防爆技術(shù)上將綜合應(yīng)用隔爆型、本質(zhì)安全型、澆封型等防爆措施[8]。

4.1 隔爆腔設(shè)計(jì)

在隔爆腔體上分別設(shè)計(jì)了獨(dú)立的電池腔、主腔、接線腔3 個(gè)腔體，腔體間采用澆封接線端子進(jìn)行過(guò)線連接。在隔爆強(qiáng)度上，電池腔能承受1.5MPa 靜壓1min 能力，其余腔體能承受1.0MPa 靜壓1min 能力， 外殼和焊接部位不能出現(xiàn)形變和滲漏。 隔爆外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。 隔爆外殼采用Q235 材料焊接成，隔爆接合面寬度、間隙、表面粗糙度等參數(shù)應(yīng)符合GB/T 3836.2—2021 要求；對(duì)所有隔爆面應(yīng)涂防銹油或采取其他防銹措施， 外殼內(nèi)腔非配合面應(yīng)涂1321 耐弧漆，隔爆面連接的所有緊固件均應(yīng)有防止自行松脫的措施。

圖4 隔爆外形結(jié)構(gòu)

4.2 本安電路設(shè)計(jì)

在本安電路上采用光耦電路對(duì)外部的開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行隔離，與傳感器通信的RS485 網(wǎng)絡(luò)接口采用NSi8121N1隔離芯片，本安與非安兩端耐壓達(dá)1500V，泄漏電流小于5mA，且兩側(cè)電源分別輸入，本安端電源采用DC-DC 本安電源供電，電路采用了光耦+數(shù)字隔離實(shí)現(xiàn)RS485 電路隔離。 無(wú)線通信上采用了RC 振蕩的隔離網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信號(hào)從隔爆腔到天線外置的安全隔離[9]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)闡述防爆巡檢機(jī)器人在煤礦進(jìn)行應(yīng)用的必要性和前景， 分析煤礦井下皮帶輸送機(jī)防爆巡檢機(jī)器人需要具備的功能，針對(duì)防爆巡檢機(jī)器人的系統(tǒng)組成，重點(diǎn)闡述了巡檢機(jī)器人的多參數(shù)環(huán)境感知技術(shù)、 井下多點(diǎn)交換通信技術(shù)、防爆安全技術(shù)方面的研究。防爆巡檢機(jī)器人的研究創(chuàng)新地解決防爆機(jī)器人井下通信、圖像傳輸、防爆安全等難題，提高了機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)皮帶輸送系統(tǒng)的全面技術(shù)融合， 防爆巡檢機(jī)器人的投入將實(shí)現(xiàn)煤礦井下“無(wú)人化”皮帶輸送技術(shù)的發(fā)展。