基于PAC 的輸煤皮帶巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究

張立峰，武小芳

（鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

1 前言

煤炭是我國(guó)儲(chǔ)量最大的能源。煤礦生產(chǎn)是我國(guó)能源生產(chǎn)中極為重要的一環(huán)。在煤炭生產(chǎn)中。將煤炭從地下輸送到地面或從地面再輸送到化工廠需要諸多皮帶輸送機(jī)。同時(shí)煤炭的加工洗選各個(gè)過(guò)程，需要大量的皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行。皮帶輸送機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜，一般處于狹長(zhǎng)密閉環(huán)境，工作環(huán)境差，對(duì)巡檢工人的身體健康造成了很大的影響。皮帶過(guò)多過(guò)長(zhǎng)，也導(dǎo)致了人工成本提高，同時(shí)帶機(jī)運(yùn)行負(fù)載重，也導(dǎo)致了運(yùn)行過(guò)程中極易出現(xiàn)問(wèn)題，經(jīng)常出現(xiàn)斷帶、撕裂、跑偏、堆煤，甚至火災(zāi)。隨著自動(dòng)化水平提高，通信技術(shù)發(fā)展，以及大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)普及，需要一種更加智能化，并且以人為本的巡檢方式。

國(guó)內(nèi)研究的很多機(jī)器人都是基于地型的履帶式機(jī)器人或輪式機(jī)器人。這些機(jī)器人無(wú)法完全適應(yīng)輸煤皮帶機(jī)的斜坡、臺(tái)階，對(duì)與皮帶機(jī)的高度契合度不高，運(yùn)行軌跡需要提前規(guī)劃，在信號(hào)不良等情況下，無(wú)法完成定位，造成偏離預(yù)設(shè)軌道，出現(xiàn)撞擊等事故。固定懸空軌道巡檢機(jī)器人能解決上述問(wèn)題，本文以一家化工廠18 條中煤皮帶為例。共有輸煤皮帶12 條，運(yùn)焦皮帶6 條，所有皮帶寬度均為1200mm，輸送能力≤400t/h，皮帶輸送機(jī)型號(hào)為TD75 型，總輸送距離約為1500m?，F(xiàn)場(chǎng)皮帶操作工每班9 人，在日常生產(chǎn)中，易發(fā)生皮帶跑偏、打滑、堆煤、撕裂甚至著火等現(xiàn)象，由于巡檢人員較少，輸送距離長(zhǎng)，人員巡檢不及時(shí)，發(fā)生問(wèn)題時(shí)不能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，從而引發(fā)各類事故或加重事故損失。根據(jù)該廠情況，研究并設(shè)計(jì)了一款輸煤皮帶監(jiān)控機(jī)器人。實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的根本功能。其分別安裝于皮帶的兩側(cè)，其中一臺(tái)監(jiān)控皮帶帶面運(yùn)行狀況，一臺(tái)監(jiān)控上下層皮帶間的托輥狀況。通過(guò)機(jī)器人自身攜帶的監(jiān)控設(shè)備可以以動(dòng)態(tài)形式實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的圖像采集、聲音采集、煙霧檢測(cè)、紅外熱成像儀溫度檢測(cè)、有害氣體檢測(cè)等功能。

固定軌道機(jī)器人，避免了GPS 定位信號(hào)弱等問(wèn)題。能夠一直按照軌道運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)跑偏，也不會(huì)出現(xiàn)偏離路線的問(wèn)題，降低了運(yùn)行過(guò)程中的故障概率。軌道兩頭即為充電地點(diǎn)，小車也不存在著，無(wú)法找到充電地點(diǎn)的問(wèn)題。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

皮帶運(yùn)輸機(jī)工作環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，為保證皮帶運(yùn)輸機(jī)正常工作，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)以機(jī)械和電氣為主，具備一定的防止皮帶跑偏，堆煤、煙霧、緞帶撕裂煙霧火災(zāi)，這些在皮帶保護(hù)中已經(jīng)完成。由于人工巡檢和固定攝像頭，無(wú)法做到實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)，所以在新的設(shè)計(jì)中，包含圖像識(shí)別、煙霧報(bào)警、溫度報(bào)警、運(yùn)動(dòng)軌跡分析等功能，從而保證它的圖像清晰和實(shí)時(shí)性。

2.2 增強(qiáng)設(shè)計(jì)

對(duì)指定皮帶機(jī)溫度測(cè)量、環(huán)境溫度測(cè)量；熱成像測(cè)量可以識(shí)別環(huán)境中發(fā)生的初期火災(zāi)并報(bào)警；粉塵濃度測(cè)量、堵煤等異常現(xiàn)象圖像識(shí)別；大塊礦石檢測(cè)、人員侵入、火災(zāi)等能準(zhǔn)時(shí)識(shí)別并報(bào)警，以得到快速處置。皮帶部分溫度過(guò)高、滾輪溫度過(guò)高、支架晃動(dòng)、現(xiàn)場(chǎng)溫濕度、煙霧濃度異樣等平安隱患。能準(zhǔn)時(shí)識(shí)別并預(yù)警，提早實(shí)行措施，避開設(shè)備損壞或更大事故發(fā)生。

設(shè)置管理人員權(quán)限，管理人員可以任意修改機(jī)器人巡檢路線，設(shè)定后機(jī)器人應(yīng)按照新規(guī)劃路線進(jìn)行巡檢。管理人員可以對(duì)機(jī)器人巡檢的項(xiàng)目以及各項(xiàng)目的頻次（間隔時(shí)間）進(jìn)行設(shè)定。

PAC 是可編程自動(dòng)化控制器，它將工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的硬件與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相結(jié)合。以PAC 為控制核心。最大的好處是它的運(yùn)輸量大，實(shí)時(shí)性強(qiáng)， PAC 可以通過(guò)梯形圖編程，也可以通過(guò)fbd 編程或者是c 語(yǔ)言編程，編程效率高。它有豐富的硬件，可以增加數(shù)字量，輸入模塊，輸出模塊，模擬量，輸入模塊，輸出模塊，還可以輸出高速脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。他支持多種工業(yè)總線。

通過(guò)以PAC 為控制核心，控制巡檢機(jī)器人可以工作在正常、爬坡、轉(zhuǎn)彎、靜止、巡邏、自行充電等模式。運(yùn)動(dòng)控制由高速脈沖模塊輸出脈沖，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)帶抱閘步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)運(yùn)行輪完成，PAC 依靠傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)溫度、煙氣成分、粉塵顆粒度、能夠完成現(xiàn)場(chǎng)圖像實(shí)時(shí)回傳，具備超溫報(bào)警、煙霧報(bào)警、空氣質(zhì)量報(bào)警等功能，系統(tǒng)可以通過(guò)通過(guò)云平臺(tái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

以云主機(jī)為通信中心，PAC 與紅外測(cè)溫?cái)z像頭通過(guò)4G 模塊或5G 模塊回傳信息。合理選擇服務(wù)器地點(diǎn)可以大大降低，網(wǎng)絡(luò)延遲，將網(wǎng)絡(luò)延遲控制在30 毫秒左右。4G 模塊或5G 模塊是重要的通信節(jié)點(diǎn)，它可以實(shí)現(xiàn)信息的無(wú)線傳播。與通信網(wǎng)絡(luò)相連，能夠連接到云主機(jī)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云主機(jī)或轉(zhuǎn)存至用戶服務(wù)器。

PAC 結(jié)構(gòu)包括背板、電源、CPU、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、高速脈沖模塊。其他模塊固定在背板模塊上，背板上具備串口和PCI 總線，PCI 總線的傳輸速率為27MBps，IC695 模塊皆以此速度通信。CPU 模塊IC695CPE305 模塊支持32K 數(shù)字量輸入、32K 數(shù)量輸出、32K 模擬量輸入、32K 模擬量輸出，能夠完成大量浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，支持以太網(wǎng)通信。數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸入模塊，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)，包括溫度濕度、信號(hào)，粉塵信號(hào)，煙霧報(bào)警信號(hào)，障礙信號(hào)等等。數(shù)字量輸出模塊，模擬量輸出模塊，負(fù)責(zé)指示燈等被控對(duì)象的控制。高速脈沖模塊IC695 hs c304 負(fù)責(zé)輸出高速脈沖給驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊經(jīng)過(guò)放大信號(hào)之后，輸出給步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)小車的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度可以自行設(shè)置。

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置

本設(shè)計(jì)以云主機(jī)為通信節(jié)點(diǎn)，在云主機(jī)上安裝虛擬網(wǎng)卡，配置虛擬網(wǎng)絡(luò)。虛擬網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)為172.16.0.1；遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)中安裝虛擬網(wǎng)卡，配置IP 地址為172.16.0.2，4G 通訊模塊為172.16.0.3，這樣構(gòu)成了一個(gè)跨區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)。4G 通信模塊DTU 可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)卡進(jìn)行通信，只要皮帶機(jī)工作地點(diǎn)附近有通信基站，就可以保證通信。也可以通過(guò)配置DHCP 等功能，實(shí)現(xiàn)WiFi的連接，從而進(jìn)一步降低通信延遲和運(yùn)行成本。PAC 控制器和網(wǎng)絡(luò)攝像頭通過(guò)4G 通訊模塊的IP 地址為網(wǎng)關(guān)回傳數(shù)據(jù)。這個(gè)還需要配置端口，其中PAC 的通信端口為18245，攝像頭端口為8000。這些設(shè)置需要在DTU 中完成。

監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以為是服務(wù)器或是SCADA 節(jié)點(diǎn)，在其中安裝上位機(jī)組態(tài)軟件iFIX、IO 驅(qū)動(dòng)軟件，其中IO 驅(qū)動(dòng)軟IGS 件配置通道和設(shè)備，包括設(shè)備IP、通道、標(biāo)記，最終采集PAC 中的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括機(jī)器人狀態(tài)、運(yùn)行位置、運(yùn)行速度、溫度、粉塵顆粒度、煙霧分析結(jié)果等等，iFIX 軟件需要配置SCU，在SCU 中通過(guò)OPC 連接IGS，之后運(yùn)行iIFX 工作臺(tái)，在工作臺(tái)中建立數(shù)據(jù)庫(kù)PDB，添加采集的各個(gè)數(shù)據(jù)，將各個(gè)數(shù)據(jù)以動(dòng)畫形式顯示在上位機(jī)畫面之中。同時(shí)建立歷史數(shù)據(jù)庫(kù)將PDB 中的各個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)可以用來(lái)判斷運(yùn)行效率、分析運(yùn)行結(jié)果、故障類型等。

3 各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 視覺系統(tǒng)

視系統(tǒng)負(fù)責(zé)環(huán)境感知，溫度感知，通過(guò)測(cè)溫?cái)z像頭和紅外攝像頭，可以完成皮帶運(yùn)輸機(jī)的圖像監(jiān)視，溫度監(jiān)視。視覺系統(tǒng)為圖像處理系統(tǒng)提供圖像進(jìn)行AI 處理，通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行運(yùn)算，提取圖像特征。與正常運(yùn)行圖像對(duì)比，得出測(cè)量結(jié)果。

3.2 多氣體測(cè)量系統(tǒng)

由多氣體測(cè)量傳感器構(gòu)成，可測(cè)量一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硫化氫、甲烷、氧氣等濃度，設(shè)置溫度預(yù)警值，根據(jù)預(yù)警值進(jìn)行報(bào)警信息、精確位置回傳，就地暫停，發(fā)出聲光報(bào)警。火災(zāi)煙霧中的氣體實(shí)現(xiàn)報(bào)警，回傳火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。

3.3 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

小車的運(yùn)動(dòng)控制算法在PAC 中運(yùn)行，PAC 通過(guò)PAC Machine Edition（PME）軟件編程，該軟件支持多種編程語(yǔ)言，指令中包含大量高級(jí)指令，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的編程。小車運(yùn)動(dòng)的過(guò)程需要記錄光電編碼器的信號(hào)，根據(jù)信號(hào)計(jì)算速度，位移，實(shí)現(xiàn)小車精準(zhǔn)定位。小車的行走通過(guò)同步帶完成，導(dǎo)電橡膠輪避免了靜電聚集，降低了火花產(chǎn)生的概率。

小車可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡檢，該模式下，小車從一側(cè)運(yùn)行到另一側(cè)，根據(jù)設(shè)定的時(shí)間，可以自行調(diào)整速度，也可以手動(dòng)設(shè)置速度。自動(dòng)巡檢模式下，根據(jù)電量的多少會(huì)自動(dòng)在端頭停下充電。小車也可以實(shí)行固定點(diǎn)巡邏，當(dāng)局部地區(qū)故障多發(fā)時(shí)，小車可以常駐該點(diǎn)。也可以以該點(diǎn)為中心，實(shí)現(xiàn)來(lái)回巡邏，巡邏范圍可以手動(dòng)設(shè)置。

3.4 軟件結(jié)構(gòu)

程序的編寫包含幾個(gè)部分，系統(tǒng)檢測(cè)程序，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序，數(shù)據(jù)采集、處理程序，系統(tǒng)開機(jī)完成自檢并恢復(fù)默認(rèn)值，接收到啟動(dòng)信號(hào)后開始啟動(dòng)，根據(jù)程序設(shè)置或存儲(chǔ)值查找定位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)定位，根據(jù)定位信息進(jìn)行工作。數(shù)據(jù)采集程序分為采集前子程序，負(fù)責(zé)將輸入信號(hào)傳遞給中間變量，這樣編程的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)PAC 通道損壞時(shí)，在采集前子程序中改變通道地址，線路改到相應(yīng)通道即可，程序維護(hù)量小。然后對(duì)中間變量進(jìn)行量程變換，將模擬量或開關(guān)量轉(zhuǎn)換成工程量，便于回傳到上位機(jī)后顯示實(shí)際值。然后根據(jù)工程兩只進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理后的值進(jìn)行輸出，用于控制。

3.5 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合皮帶運(yùn)行環(huán)境，小車采用軌道運(yùn)行，軌道材料為工字鋁型材，尺寸為H150×75×5×7。為了更大限度的節(jié)約運(yùn)行空間，小車上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用豎式安裝，采用減速機(jī)用來(lái)增加末端的轉(zhuǎn)矩，爬坡最大值為18°。小車輪子包括主動(dòng)輪，被動(dòng)輪、支撐輪。主動(dòng)輪雙側(cè)布置，各有一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，單臺(tái)功率為200W，兩側(cè)主動(dòng)輪在工字鋁垂面上，將通過(guò)摩擦力帶動(dòng)小車行進(jìn)。每臺(tái)驅(qū)動(dòng)器支撐輪與主動(dòng)輪成90°安裝，行走在工字鋼下兩側(cè)的橫面上，起到支撐、運(yùn)行功能，降低摩擦力，節(jié)約用電。

除動(dòng)力系統(tǒng)外，小車上安裝PAC 主機(jī)，DTU 模塊、鋰電池模塊、視覺模塊、傳感器模塊、煙霧報(bào)警模塊。視覺模塊密閉安裝在機(jī)體內(nèi)，配備防塵鏡頭，避免現(xiàn)場(chǎng)煤塵污染。在機(jī)體外部正反兩個(gè)方向安裝光電傳感器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)障礙物探測(cè)，障礙物出現(xiàn)時(shí)停車，規(guī)劃新的的巡檢路線。如果無(wú)路線可選時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)回傳上位※機(jī)或手機(jī)；如果障礙物消失，5s 后機(jī)器繼續(xù)啟動(dòng)。

4 測(cè)試

巡檢機(jī)器人通過(guò)布設(shè)的軌道進(jìn)行運(yùn)行，巡檢機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)控制軟件設(shè)置巡檢點(diǎn)、巡檢速度、巡檢方向、巡檢周期等參數(shù)，巡檢機(jī)器人配置高清攝像頭、熱成像儀、環(huán)境傳感器以及充電樁，沿軌道運(yùn)行到巡檢點(diǎn)進(jìn)行拍照（或視頻流），并將巡檢視頻或照片以及傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線基站上傳到集中控制室服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器采用先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及圖像識(shí)別技術(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行智能識(shí)別，從達(dá)判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到智能化巡檢的目地；機(jī)器人自主運(yùn)行、智能識(shí)別、自動(dòng)充電、智能報(bào)警、無(wú)人化管理。工作站設(shè)置在集中控制室，運(yùn)維人員可通過(guò)工作站設(shè)置各種參數(shù)的報(bào)警閥值、手動(dòng)控制機(jī)器人以及設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及巡檢方式和周期，機(jī)器人進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行模式后，將全程無(wú)人化運(yùn)行，達(dá)到機(jī)器輔助或換人的目地。

5 結(jié)語(yǔ)

整個(gè)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的巡檢時(shí)間，各自獨(dú)立運(yùn)行。各機(jī)器人能夠獨(dú)立設(shè)置巡檢時(shí)間、巡檢點(diǎn)及巡檢周期，遠(yuǎn)程工作站布署機(jī)器人監(jiān)管平臺(tái)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的圖像展示及數(shù)據(jù)分析和報(bào)警管理。輸煤皮帶機(jī)器人的主要功能有視頻監(jiān)控功能、測(cè)溫成像功能、環(huán)境監(jiān)測(cè)功能、任務(wù)規(guī)劃功能、智能充電功能、巡檢報(bào)表功能、遠(yuǎn)程管理功能、參數(shù)設(shè)定功能、自動(dòng)清掃功能、外接聯(lián)動(dòng)功能、遠(yuǎn)程APP 監(jiān)控功能、智能語(yǔ)音控制功能、雙向語(yǔ)音對(duì)講、具備標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)數(shù)據(jù)接口協(xié)議。輸煤巡檢機(jī)器人提升了巡檢效率，降低了人工巡檢的勞動(dòng)強(qiáng)度，通過(guò)輸煤皮帶巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)，將多個(gè)系統(tǒng)集成于機(jī)器人，并完成了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)是合理的，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。