帶式輸送機托輥運行狀態(tài)自動巡檢系統(tǒng)的研究

李建芳

（晉能控股裝備制造集團金鼎山西煤機有限責任公司皮帶機制造分公司，山西 晉城 048000）

引言

帶式輸送機是煤礦物料輸送的核心，其運行的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了井下物料運輸的效率和經濟性。輸送機在運行過程中輸送帶置于托輥組上，由托輥組對輸送帶的運行進行校正和支撐，而且托輥組的數量極大，一旦出現故障后極易導致輸送帶的跑偏、磨損加劇甚至起火，嚴重影響了煤礦物料運輸的可靠性。目前多數煤礦均采用人工巡檢的模式，對輸送機各托輥的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，但由于托輥數量大，人工巡檢不僅效率極低而且受輸送帶運輸環(huán)境的影響，人工檢出故障的概率低，也無法及時發(fā)現隱含的故障，因此難以保證輸送機運行的穩(wěn)定性。

本文提出了一種新的帶式輸送機托輥運行狀態(tài)自動巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)用巡檢機器人替代人工沿著輸送機進行巡查，巡檢機器人通過紅外圖像處理技術實現對托輥運行情況的動態(tài)監(jiān)測，然后將監(jiān)測數據通過無線傳輸的方式傳遞給控制中心，實現對托輥故障的準確識別和定位。根據實際應用表明，新的自動巡檢系統(tǒng)對托輥故障的識別率高達96.1%，對提升輸送機的運行穩(wěn)定性和可靠性具有十分重要的意義。

1 自動巡檢系統(tǒng)架構

由于輸送機的輸送距離遠、地質條件較為復雜，對數據傳輸穩(wěn)定性和及時性的要求極高，雖然有線傳輸的方案抗干擾能力強，但其應用靈活性差，在使用過程中極易出現電纜被纏繞等，因此經過對多種數據傳輸方案分析后，確定了采用無線傳輸的模式，整個自動巡檢系統(tǒng)的架構如圖1 所示[1]。

由圖1 可知，該巡檢系統(tǒng)采用了集成控制模式，將礦井上所有輸送機進行智能化巡檢，在系統(tǒng)內設置了多個無線通信分站，根據實際分布情況，每5 個通信分站的數據信息匯總到一個通信基站內，滿足數據傳輸安全性和可靠性的需求。監(jiān)測信息在通信基站內進行轉換后傳輸到調度室服務器內對數據進行分析，判斷各個監(jiān)測數據是否正常，對異常數據進行標定和定位，然后將分析結果傳輸到上位機控制終端，實現對輸送機托輥運行狀態(tài)的遠程自動巡查監(jiān)測。

圖1 自動巡檢系統(tǒng)架構示意圖

2 巡檢機器人設計方案

巡檢機器人是該巡檢系統(tǒng)的核心，為了滿足沿輸送機智能化巡檢的需求，該輸送機巡檢機器人可分為巡檢機器人本體和上位機運算控制系統(tǒng)兩個部分。巡檢機器人本體主要包括機體設備、控制系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測傳感器及數據通信系統(tǒng)，用于保障巡檢機器人沿軌道的正常運行、數據采集及數據傳輸，該巡檢機器人的整體結構如下頁圖2 所示[2]。

圖2 巡檢機器人結構示意圖

行走控制及定位系統(tǒng)主要用于控制巡檢機器人在巡檢軌道上的運行及準確定位。

供電系統(tǒng)主要是指巡檢機器人自身的儲能系統(tǒng)及巡檢路徑上的充電系統(tǒng)，機器人自身的儲能系統(tǒng)主要用于給機器人的行走機構供電，保證行走機構的正常驅動，同時還用于為各類監(jiān)測設備提供穩(wěn)定的電能，保證各監(jiān)測設備的運行可靠性和連續(xù)性，巡檢路徑上的充電系統(tǒng)主要用于為機器人提供緊急充電支持，保證巡檢機器人在巡查過程中的工作連續(xù)性。

通信系統(tǒng)，包括數據系統(tǒng)和無線系統(tǒng)兩個部分，數據系統(tǒng)用于存儲各個傳感器的數字量監(jiān)測信號，并對各監(jiān)測信號進行濾波處理，保證進一步數據分析的準確性。無線系統(tǒng)用于將監(jiān)測的數據信息和視頻信息傳遞到上位機上，保證機器人在巡查過程中數據傳輸的可靠性和連續(xù)性。

信息采集系統(tǒng)，信息采集系統(tǒng)是該巡檢系統(tǒng)的核心，采集系統(tǒng)上布置有粉塵濃度傳感器、溫濕度傳感器等，用于對輸送機周圍的環(huán)境情況進行監(jiān)測，同時在系統(tǒng)內還集成由紅外線視頻監(jiān)測系統(tǒng)，通過可見光視頻監(jiān)控和紅外熱成像監(jiān)測實現對托輥運行狀態(tài)的判斷。

上位機處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是整個巡檢系統(tǒng)的“大腦”，主要用于對所監(jiān)測到的數據信息進行分析處理，對故障位置和狀態(tài)進行判斷、報警。

3 輸送機自動巡檢控制邏輯

為了滿足自動巡檢機器人的智能控制需求，本文提出了一種新的輸送機自動巡檢控制邏輯，其整體控制流程如圖3 所示[3]。

由圖3 可知，該巡檢系統(tǒng)包括自動巡檢控制模式和人工操作巡檢模式。在人工操作巡檢模式下，操作人員控制巡檢機器人行走到指定位置，然后針對性地對異常點信息進行收集和故障監(jiān)測，當監(jiān)測出異常后系統(tǒng)自動進行報警，然后由專業(yè)維修人員處理后消除報警，最后控制巡檢機器人回到起始點。

圖3 智能巡檢控制邏輯

當在自動巡檢控制模式下，則按照預先設定的巡檢邏輯，使巡檢機器人按規(guī)定的巡檢路線、速度、監(jiān)測角度等進行巡檢，在巡檢過程中若發(fā)現故障，則系統(tǒng)根據巡檢機器人自身的行走定位系統(tǒng)確定故障位置，然后進行故障現象、故障原因分析的標定和故障信息上傳，由專業(yè)的維修人員進行維護后進行報完工。同時在巡檢過程中系統(tǒng)自動對電量情況進行監(jiān)測，若系統(tǒng)判定無法完成巡檢則將控制巡檢機器人到最近的充電位置進行電量補充。

4 托輥故障監(jiān)測方案

該巡檢系統(tǒng)的核心是對托輥故障和周圍環(huán)境溫度進行監(jiān)測，對周圍環(huán)境溫度監(jiān)測統(tǒng)各類傳感器即可滿足監(jiān)測精度和可靠性的需求，但由于托輥布置位置和實際工作狀態(tài)不一，因此傳統(tǒng)監(jiān)測方案效率低、可靠性差。

因此項目組首先對托輥常見的故障進行分析，發(fā)現托輥常見的故障主要是安裝偏位、軸承故障、托輥變形等，這些故障的一個通用性的表現是會引起和輸送帶接觸位置的摩擦加劇，在經過多次試驗驗證后，最終采用了可見光視頻監(jiān)測和紅外線熱成像監(jiān)測共同結合的方案，其故障判別理論如圖4 所示[4]。

圖4 紅外線故障監(jiān)測原理

由圖4 可知，紅外線故障監(jiān)測主要包括兩個部分，首先通過紅外線光學鏡頭和光柵將探測物體的紅外熱輻射信號轉換為電壓信號，然后再通過圖像處理芯片，將物體的紅外輻射信號轉換為數字式的視頻圖像信號，根據不同的紅外熱輻射信號即可對各滾筒的運行狀態(tài)進行有效判斷。

5 應用效果分析

該托輥運行狀態(tài)自動巡檢系統(tǒng)應用以來，對其工作穩(wěn)定性進行了跟蹤監(jiān)測，該巡檢機器人的電能供應能滿足自動巡檢1.5 個來回的需求，數據傳輸系統(tǒng)能夠保證在巡檢機器人運行過程中數據信號傳輸的穩(wěn)定性，未出現過因數據傳輸穩(wěn)定性不足而導致的監(jiān)測系統(tǒng)故障。對近3 個月輸送機的故障情況進行統(tǒng)計，共出現故障76 次，其中監(jiān)測系統(tǒng)提前識別報警的故障為73 次，監(jiān)測有效率達到了96.1%，極大地提升了輸送機運行的穩(wěn)定性和可靠性。

6 結論

1）輸送機巡檢機器人可分為巡檢機器人本體和上位機運算控制系統(tǒng)兩個部分，能夠保障巡檢機器人沿軌道的正常運行、數據采集及數據傳輸；

2）巡檢系統(tǒng)包括自動巡檢控制模式和人工操作巡檢模式，能夠滿足不同情況下巡檢靈活性的需求；

3）可見光視頻監(jiān)測和紅外線熱成像監(jiān)測共同結合的方案能夠有效的對托輥的運行狀態(tài)進行判斷；

4）新的自動巡檢系統(tǒng)對托輥故障的識別率高達96.1%，有效地提升了輸送機運行的穩(wěn)定性和可靠性。