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★ 智慧矿山 ★

智能带式输送机巡检机器人的研究与应用

赵仁渔 朱 波 张小松 李海潇

(山东新河矿业有限公司,山东省济宁市,272400)

摘 要 主煤流运输系统设备的日常巡检是安全生产的重要环节,针对采用人工巡检或固定摄像头定点监视等传统监控方式存在的巡检人员劳动强度大、全面巡检难度大、环境条件差、隐患型问题难发现、巡检效率低下等问题,研发制造了智能带式输送机巡检机器人以代替人工巡检,并介绍了智能带式输送机巡检机器人项目的研制背景和实施意义;详细阐述了该项目的整体设计与系统设计。通过实际应用表明,智能带式输送机巡检机器人能够实现日常的实际巡检需求,并能提高巡检效果,从根本上减轻了现场巡检人员劳动强度,降低了巡检人员劳动风险,确保主煤流运输系统设备安全可靠运行。

关键词 智能带式输送机 巡检机器人 主煤流运输系统 隐患排查

1 智能带式输送机巡检机器人研制背景

1.1 项目的提出

山东新河矿业有限公司隶属山东能源淄矿集团,生产能力核定120万t/a,采用立井加暗斜井开拓方式。井下主煤流运输系统采用深槽大倾角强力带式输送机,带宽为1000 mm,带强为2500 S,运输垂高为740 m,运输距离约为3000 m,平均坡度为18°。倾角大、运输距离长、巡检人员劳动强度高、管理维护困难成为生产系统的瓶颈,制约着矿井安全生产。设备运行安全与否直接影响到矿井生产中的人身安全与生产效率。设备在长期运行过程中,经常容易发生各种故障,存在极大事故隐患,因此对重点区域的监控非常必要。传统的监控方式通常采用人工巡检或固定摄像头定点监视,这2种方式都存在人工巡查浪费人力、效率低下等问题,并且恶劣条件下巡检人员劳动强度较大,对人身安全存在威胁;固定摄像头定点监视范围有限,需要在运行设备处布置大量摄像头,不仅存在图像切换、监视、存储任务量大,而且存在布线多、功耗大、维护任务艰巨等问题,综合效率低下。

针对上述诸多问题,按照《煤矿机器人重点研发目录》[1]中提到的“鼓励支持煤矿企业与国内外科研单位、机器人制造企业开展合作,大力研发应用煤矿机器人,推进煤炭工业高质量发展的总体要求,实现矿井智能化和减人增效目标”,山东新河矿业有限公司提出在-400胶带暗斜井巷道内研发设计并安装智能带式输送机巡检机器人。机器人主要由矿用带式输送机沿线巡检装置、光纤测温系统、物体视频分析、胶带数据传输系统4部分组成。可实现带式输送机设备全线范围内的移动巡检,能够连续采集、传输、存储现场的图像以及声音、温度、烟雾等数据,并对沿线胶带托辊进行全线温度检测,最终通过巡检机器人+光纤测温[2]+胶带保护组成综合型智能带式输送机自动巡检系统,实现运行数据、保护、视频由本系统地面服务器统一汇总,对设备运行条件综合对比和分析制定完善的控制方案。探索通过机器人技术辅助人工巡检或者代替人工巡检,最大限度地减轻基层员工劳动强度的同时,降低人工巡检的安全风险,实现安全、高效、可靠的巡检模式,提升煤矿企业的机电设备管理水平。

1.2 项目实施的意义

本项目研发的智能带式输送机巡检机器人不仅能将巡检员从恶劣的工作环境中解脱出来,减轻工人的劳动强度,而且能提高巡检质量,实现设备保护由点监护提升到面监护,对煤矿安全生产具有重大意义。同时还能对煤矿机器人行业技术水平的提升起到积极的促进作用。

通过智能带式输送机巡检机器人系统的诊断功能,对设备故障进行预防,减少设备停机时间,可以将故障消灭在萌芽状态,降低机电事故造成的经济损失,延长设备使用寿命,实现良好的社会效益与经济效益。

2 智能带式输送机巡检机器人设计目标

本项目的主要设计目标是对智能带式输送机巡检机器人的研究与应用,并完全代替人工来完成各项巡检工作,降低工人的工作量,提高生产效率,确保生产的可靠稳定运行。智能带式输送机巡检机器人主要包含图像、声音以及各种传感器,图像要求能够清晰的显示现场设备的运行情况,声音要求能够清晰的识别现场的异响,来对故障点准确地定位,搭载的各种传感器要求能够准确及时采集现场各种数据,包含温度、气体浓度等数据,通过这些数据进行智能分析然后判别出故障,准确及时定位故障,把故障导致的事故损失降到最低。在对山东新河矿业有限公司-400胶带暗斜井强力带式输送机人行侧宽度安装机器人驱动装置进行研究后,确定在斜巷安装钢丝绳牵引和轨道相结合的机器人,对带式输送机转动部位、温度、气体浓度、异物图像[3]进行巡检,通过巷道5台基站转发到矿虚拟网并上传到地面后台集控中心进行分析研究。

3 智能带式输送机巡检机器人整体方案设计

根据山东新河矿业有限公司-400胶带暗斜井带式输送机的调研结果,经过对现场考察情况分析后认为,该公司具备智能带式输送机巡检机器人的安装条件,在行人侧安装1台智能巡检机器人对带式输送机进行巡检,钢丝绳牵引采用1台驱动电机,通过变频器控制电机正反转进行机器人的运行行驶控制方式,智能带式输送机巡检机器人沿着机头到机尾的方向往返巡检,并自动返航充电[4]

在巷道顶部架设横梁,通过横梁来吊挂轨道(吊挂方式与猴车类似),由于该巷道部分区域已经架设有横梁,所以可以直接借用该横梁(需要确认横梁间距),其他位置需要打锚杆安装轨道。智能带式输送机巡检机器人本体的斜侧面摄像机用于监测上胶带情况,前端摄像机用于监测带式输送机前进方向的情况,上部摄像机可以检测上胶带带面情况,旋转摄像机用于监测托辊及下胶带,配合烟雾传感器、声音传感器、温度传感器对带式输送机运转情况进行监测。

3.1 机器人本体设计

机器人本体是完成巡检任务进行数据采集与上传的主体,搭载有摄像机、红外热成像仪、补光灯、拾音头、烟雾传感器等探测装置,在传动系统的牵引下,沿带式输送机往复移动进行全方位的监控。低照度宽动态摄像机采用防尘、防水、抗振设计,采集的图像能实时反应带式输送机运行的真实状况,并及时发现故障;带式输送机异常时,故障部位通常会产生较明显的异常声音,通过音频采集,进行分析与判断;烟雾传感器实时监控运输巷道中的烟雾浓度,达到报警值时向控制中心发出报警指令;红外热成像仪及温度探测仪不接触带式输送机而通过测量其发射的红外辐射强度计算出表面温度,快速检测带式输送机的温度,提前预防事故的发生。为了解决移动设备拖动电缆供电不便的问题,机器人本体内部电路采用高能量动力电池组供电和低功耗设计,具有结构紧凑、体积小、重量轻等特点,确保机器人本体一次充电后能连续工作10~12 h。

3.2 传动系统设计

钢丝绳牵引型的传动系统主要包括驱动电动机、减速器、变频器、主驱动轮、机尾传动及张紧装置、托绳轮组、磁力启动器、钢丝绳、位置传感器等,轨道上每隔6~8 m安装1套托绳轮组用于支撑钢丝绳,在钢丝绳的牵引下机器人本体能以最快1 m/s的速度平稳移动,具备调速功能,保证采集数据的有效性;通过安装在机头、机尾的上、下停车传感器和上、下限位(接近开关)传感器实现双重安全保护。

3.3 无线通讯系统设计

无线通讯系统作为远程控制装置与机器人本体之间通讯的媒介,有至关重要的作用,决定了机器人本体是否能实现远程控制。无线通讯系统主要用于搭建无线通讯网络平台,实现整个系统中控制上位机与机器人本体之间的信息传输。同时也允许符合国际标准的其他无线设备接入网络。为了使通讯系统达到通畅和稳定的指标,根据现场情况,每隔200 m左右安装1台防爆基站。在通讯系统稳定运行时,无线带宽最高可达150 M,保证高清视频流畅传输的同时,也能支持其他无线设备的联网访问。

3.4 充电器设计

充电器可以在易燃、易爆环境中充电,无需在现场更换电池并拿到另外地点进行充电。充电器具备充电效率高、发热量小等特点,不存在温升导致设备高温失效的问题,充电闭锁设计完备,可防止不安全操作,保证充电的安全性。

3.5 远程工作站设计

远程工作站作为机器人数据及在线设备数据的分析终端,在控制中心安装高配工作站,通过上位机监控软件对现场采集的所有数据进行深度处理、分析、预警、存档等。同时对机器人本体进行实时控制,实现手动模式、自动模式、跟班模式等客户需要的生产作业流程要求。

远程工作站功能类似于人类的大脑,除了机器人本体的动作控制指令由此发出外,机器人本体所有的视觉、音频等感知信息在此进行分辨。如检测到设备异常时,机器人本体和工作站均会产生声光报警信息,提示用户及时检修,防患于未然。能够形成实时报警记录、历史报警记录并存入数据库中,可按日期、按设备进行随时查询设备信息和存档图片。

3.6 光纤测温系统设计

为了保障带式输送机沿线托辊等转动部件的运行正常,本系统采用技术先进、性能优越的线式光纤测温系统,将感温光纤敷设在上、下胶带托辊之间,感温光纤通道共4条。采用多模测温光纤,测温精度为<±1℃,能够监测8000 m范围内的温度变化,再将光纤接入控制室的监测解调仪上,监测解调仪将携带有温度信息的光信号解调后即可得到带式输送机的分布温度。监测解调仪通过通讯口将数据传送到上位机,生成直观的图文画面供技术人员查询浏览。

4 故障诊断技术的应用

故障诊断技术[5]是一门综合性技术,它涉及现代控制论、信号处理与模式识别、计算机科学、人工智能、电子技术、统计数学等科学,是近30年发展起来的一门新兴技术,不仅可以找出和消除生产系统中的事故隐患、及时发现设备故障,而且能够预防设备恶性事故的发生,避免人员伤亡和巨大的经济损失。特别重要的是,应用故障监控与故障诊断技术,可以将设备维修制度从定期维修转变为预知维修,大大缩减了维修设备时间,大幅度地提高了生产效率,产生良好的经济效益。智能带式输送机巡检机器人通过使用故障诊断技术,具有以下应用效果。

(1)通过对升降装置及红外热成像仪[6]的使用,利用红外热像仪内部的温度检测功能对胶带托辊运行状况进行检测,当温度异常升高时,判断其是否损坏。同时利用可见光摄像仪抓拍的图片对托辊损坏情况进行二次检测。

(2)通过带式输送机机尾安装的固定式拍照设备与机器人本体安装的高清摄像仪相配合,对其所拍摄的胶带照片进行分析,判断胶带带面的损坏情况,同时对大块矸石及铁器和挡煤板进行监护。

(3)通过机器人本体安装的高清摄像仪对上层胶带进行拍照,获取胶带带面与胶带托辊边缘相差的距离,判断胶带是否跑偏。

(4)通过机器人本体安装的高清摄像仪对带式输送机巷道内重点部位进行拍照,判断是否存在管路漏水现象及胶带堆煤现象。

(5)通过机器人本体红外热成像仪的使用,判断带式输送机巷道内是否存在电缆超温或打火的现象。

5 效益分析

5.1 社会效益

项目实施后,主煤流运输系统可以使用智能带式输送机巡检机器人的巡检代替人工巡检。智能带式输送机巡检机器人利用计算机编程技术、无线网络技术等综合性应用系统,实现并集成了带式输送机现有保护和驱动电机振动参数,地面后台集控中心能够对胶带运行状况进行音频分析处理、监控和异常诊断报警,从而提高了巡检效果,降低了设备损坏率,减轻了现场人员劳动强度,降低了劳动风险,确保了主煤流运输系统设备安全可靠运行,提高了带式输送机安全管理水平,具有良好的社会效益。

5.2 经济效益

项目实施后,智能带式输送机巡检机器人完全可以代替人工巡检,减少每班巡检人员2名,每天减少巡检人员6名,按人工成本13万元/a计算,每年可节约人工成本78万元。带式输送机一旦出现异常运行,智能带式输送机巡检机器人则立即报警停机,从而减少了事故。项目实施前,因巡检不到位等原因,造成2次撕带事故,每次撕带100 m,托辊损坏150套,破碎机减速机损坏3台,煤仓堵仓6次,合计影响煤流运行时间90 h。按照胶带单价940元/m、托辊单价117元/套、破碎机减速机单价3.2万元/台、煤流运量500 t/h、吨煤效益5元/t计算,创效约65.81万元。合计直接创造经济效益143.81万元,具有良好的经济效益。

参考文献:

[1] 朱世强,王宣银.机器人技术及其应用[M].杭州:浙江大学出版社,2001.

[2] 石庚辰.微机电控制系统[M].北京:国防工业出版社,2002.

[3] 罗志增,何发昌.机器人触觉技术现状和发展趋势[J].杭州电子工业学院学报,1996,16(3):8-13.

[4] 朱世强,王宣银.机器人技术及其应用[M].杭州:浙江大学出版社,2001.

[5] 李红军.浅析煤矿机电设备故障监测诊断技术[J].中国高新技术企业,2010,4(7):9-2.

[6] 熊艳琴,饶小林.煤矿矿山机电设备检修问题分析[J].科技创新应用,2012,7(10):4-5.

Research and application of intelligent inspection robot for belt conveyor

Zhao Renyu, Zhu Bo, Zhang Xiaosong, Li Haixiao

(Shandong Xinhe Mining Industry Co., Ltd., Jining, Shandong 272400, China)

Abstract The daily inspection of the main coal flow transportation system equipment is an important part of safety production. In view of the problems existing in the traditional monitoring methods of manual inspection or fixed camera fixed-point monitoring, such as high labor intensity of inspectors, difficulty in comprehensive inspection, poor environmental conditions, difficult detection of hidden problems and low inspection efficiency, the intelligent belt conveyor inspection robot was studied to replace the manual inspection, the development background and implementation significance of this project were introduced, and the overall design and system design of the intelligent belt conveyor inspection robot project were elaborated in detail. The practical application showed that the intelligent belt conveyor inspection robot could meet the daily actual inspection requirements, improve the inspection effect, fundamentally reduce the labor intensity and risk of on-site inspection personnel, and ensure the safe and reliable operation of main coal flow transportation system equipment.

Key words intelligent belt conveyor, inspection robot, main coal flow transportation system, hidden danger investigation

中图分类号 TD76

文献标识码 A

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引用格式:赵仁渔,朱波,张小松,等. 智能带式输送机巡检机器人的研究与应用[J].中国煤炭,2020,46(10):40-43.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.10.006

Zhao Renyu, Zhu Bo, Zhang Xiaosong,et al. Research and application of intelligent inspection robot for belt conveyor[J].China Coal,2020,46(10):40-43.doi:10.19880/j.cnki.ccm. 2020.10.006

作者简介:赵仁渔(1981-),男,山东邹城人,现就职于山东新河矿业有限公司任机电副总工程师,主要从事煤矿自动化、智能化系统和煤矿设备全生命方面的研究及应用。E-mail: fhqtianxiao@163.com。

(责任编辑 路 强)