馬騁

神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司 福建 泉州 362700

引言

帶式輸送機(jī)是煤炭生產(chǎn)階段的常用運(yùn)輸裝置之一，其在煤炭資源采掘、生產(chǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)及加工環(huán)節(jié)均有應(yīng)用，和其他常規(guī)運(yùn)輸設(shè)備及運(yùn)輸形式相比較，其有持續(xù)運(yùn)輸量大、運(yùn)載能量高、能順利實(shí)現(xiàn)較長或超長距離持續(xù)運(yùn)送、運(yùn)轉(zhuǎn)效率高、適用工作環(huán)境的能力強(qiáng)、便于實(shí)現(xiàn)智能化控制等諸多優(yōu)勢。帶式輸送機(jī)持續(xù)、安穩(wěn)、正常作業(yè)，是煤炭企業(yè)安全、高效生產(chǎn)的重要保障之一[1]。但眾所周知，煤炭開采、運(yùn)輸環(huán)境條件的復(fù)雜度、惡劣性均處于較高水平，外加運(yùn)輸機(jī)的持續(xù)運(yùn)作工作特征，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中發(fā)生故障的概率較高，不利于煤炭加工、運(yùn)輸活動順利推進(jìn)，甚至對礦工生命安全構(gòu)成威脅。對帶式輸送機(jī)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控、保護(hù)是煤炭生產(chǎn)中需落實(shí)的一項(xiàng)工作內(nèi)容。本課題設(shè)計(jì)開發(fā)出一種巡檢機(jī)器人，用其將傳統(tǒng)人工巡檢方式取代，實(shí)現(xiàn)了對帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的有效、智能化監(jiān)測。

1 機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 是輸煤棧橋巡檢機(jī)器人的構(gòu)成圖[2]。在傳動系統(tǒng)的牽引下，巡檢儀能順著帶式輸送機(jī)巷道往返移動，動態(tài)化收集輸送機(jī)沿線運(yùn)轉(zhuǎn)階段形成的各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并利用由信號轉(zhuǎn)化器建設(shè)出的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至顯示控制箱內(nèi)，在監(jiān)控界面上能動態(tài)化的呈現(xiàn)出整個輸送機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。利用動力電池對巡檢儀提供電能，能夠參照巡檢具體路況與剩余電量，在礦井下實(shí)現(xiàn)智能快捷式充電。

圖1 輸煤棧橋巡檢機(jī)器人的框圖

1.1 傳動系統(tǒng)

該系統(tǒng)在輸送軌道上能智能行走，在礦井下狹窄空間及容易發(fā)生巷道變形的工況下表現(xiàn)出較高的適用性[3]。

1.2 無線通信系統(tǒng)

信號轉(zhuǎn)換器的功能主要是建設(shè)無線通信網(wǎng)絡(luò)平臺，呈現(xiàn)控制箱和巡檢儀之間的信息數(shù)據(jù)傳送情況，也準(zhǔn)許接入那些符合國家標(biāo)準(zhǔn)的它類無線設(shè)備、為確保通信系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)順暢性、安穩(wěn)性，參照輸煤現(xiàn)場巷道的實(shí)際狀況，每間隔250m左右的距離布設(shè)一臺信號轉(zhuǎn)化器，對應(yīng)的防護(hù)級別是IP65，能夠直接被用于有煤塵與淋水的工況條件下，無須布置額外的防護(hù)罩，當(dāng)通信系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段，無線帶寬的最高值能夠達(dá)到300M，不僅確保了高清視頻傳送過程的順暢性，對它類無線設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)訪問行為起到一定支撐作用。信號轉(zhuǎn)化器的性能主要有如下幾點(diǎn)：

1.2.1 射頻與無線性能：轉(zhuǎn)化器自身具備抗干擾的性能，射頻單元2.4GHz，速率峰值300Mbit/s，接收靈敏度最高能抵達(dá)-100dBm，輸出增益最大值27dBm（500mW）。

1.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精細(xì)度較高，為安裝與調(diào)試過程創(chuàng)造了便利條件，光纜、電源、網(wǎng)絡(luò)接口等均應(yīng)用了優(yōu)質(zhì)的防水速插接頭，為設(shè)備狀態(tài)調(diào)試、更換等操作創(chuàng)造了便利條件。

1.2.3 無線網(wǎng)絡(luò)化管理，Web操作界面具備十分強(qiáng)大的功能。

1.3 顯示控制箱

其被安裝在輸送機(jī)機(jī)頭的操控硐室中，動態(tài)呈現(xiàn)視頻圖像、預(yù)警、巡檢儀方位、驅(qū)動電流、電池電量等信息，外放輸煤現(xiàn)場吃阿基的到聲音，自動分析、判斷異常信號，調(diào)控巡檢儀與傳統(tǒng)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，涵蓋了攝像頭方位角與巡檢儀前進(jìn)、后退及暫停等動作情況。工控機(jī)是顯示控制箱的主要構(gòu)成，抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定是其主要特征，僅為15英寸顯示屏上能清晰地呈現(xiàn)出巡檢儀利用無線網(wǎng)絡(luò)傳送的多路實(shí)時視頻，并順利地完成單路和多路視頻之間的切換操作[4]。

1.4 巡檢儀

其能在傳動系統(tǒng)的牽引下，順著輸送機(jī)移動路線實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)測，其上配置了紅外溫度傳感器，通過檢測輸送機(jī)發(fā)射出的紅外輻射強(qiáng)度測算出表層溫度，對設(shè)備火災(zāi)事故能起到一定防控作用，內(nèi)置了動力電池組以及低功耗設(shè)計(jì)，為移動設(shè)備供電過程創(chuàng)造了便利條件。

2 數(shù)據(jù)采集及控制原理

采集視音頻數(shù)據(jù)并呈現(xiàn)出相應(yīng)的圖像：設(shè)計(jì)出的機(jī)器人本體具有采集輸煤現(xiàn)場聲音、圖像信息的功能，并將其完成的存儲在硬盤內(nèi)特定路徑上；調(diào)控三路視頻圖像的呈現(xiàn)情況，也能同步顯示三路成像情況，也能分別顯現(xiàn)出各路視頻圖像狀況。

攝像機(jī)自體具備的前、后轉(zhuǎn)功能可以調(diào)控機(jī)器人自體的第三路攝像機(jī)的視頻采集角，能夠在前、后分別轉(zhuǎn)動60°，即能實(shí)現(xiàn)在120°范疇中轉(zhuǎn)動。比如，卸煤碼頭至鴻山電廠裝設(shè)了C-9B、C-10B一路帶式輸送機(jī)，預(yù)留一路C-9A、C-10A帶式輸送機(jī)，系統(tǒng)攝像機(jī)的自帶的旋轉(zhuǎn)功能可以全面的采集輸送機(jī)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)信息，協(xié)助運(yùn)維人員更精準(zhǔn)的判斷其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

機(jī)器人功能控制牽引系統(tǒng)對機(jī)器人前進(jìn)、后退過程能起到一定驅(qū)動作用，輔助帶式輸送機(jī)沿預(yù)設(shè)線路安全、穩(wěn)定地做往復(fù)運(yùn)動，全面采集輸煤現(xiàn)場形成的各項(xiàng)信息。

數(shù)據(jù)采集功能：設(shè)計(jì)出的機(jī)器人上安裝了溫度、煙霧傳感器，分別負(fù)責(zé)采集生產(chǎn)現(xiàn)場的二路溫度、一路煙霧信號，針對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理后，以無線終端設(shè)備為載體將采集到的數(shù)據(jù)完整的傳送到PLC控制箱內(nèi)[5]。如果判斷出采集到的數(shù)據(jù)超出設(shè)計(jì)的限值，系統(tǒng)將會自動傳送出報(bào)警信號，調(diào)控輸送機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程實(shí)現(xiàn)緊急停車，而后機(jī)器人本體再進(jìn)行探測，對輸送現(xiàn)場發(fā)是否存有火災(zāi)隱患因素做出科學(xué)判斷。

皮帶管理：設(shè)計(jì)出的巡檢機(jī)器人能參照采集系統(tǒng)收集到的圖像信息，能實(shí)現(xiàn)自動化辨識比較，全面監(jiān)測皮帶機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況及環(huán)境條件，對皮帶機(jī)及其重要輔助設(shè)備的健康狀況進(jìn)行科學(xué)測評，并動態(tài)化的生成報(bào)警信息，將其反饋給運(yùn)維管理人員，系統(tǒng)能完整的呈現(xiàn)出皮帶掃描儀的配置參數(shù)及方位監(jiān)測信息、皮帶異常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)相應(yīng)的預(yù)警信息，便于相關(guān)人員快速的查閱皮帶異常數(shù)據(jù)對應(yīng)的圖像。

落煤管運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的控制：在落煤管監(jiān)控頁面上能動態(tài)的呈現(xiàn)出落煤管的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在畫面上對掃描儀監(jiān)測過程能進(jìn)行啟、停操作；頁面上還能呈現(xiàn)出落煤管的基本參數(shù)設(shè)計(jì)情況，結(jié)合煤炭輸送現(xiàn)場狀況對參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)整，并且還具備還原到原始參數(shù)設(shè)置情況的功能。當(dāng)探查到輸煤現(xiàn)場流量異常時，能及時傳送出預(yù)警數(shù)據(jù)，幫助運(yùn)維人員觀察到落煤管異常數(shù)據(jù)對應(yīng)的圖像。

智能辨識與分析：針對輸煤現(xiàn)場不按照規(guī)定要求佩戴安全帽的礦工人員，記錄其違規(guī)行為，發(fā)出報(bào)警信號并記錄相關(guān)信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制軟件是機(jī)器人系統(tǒng)調(diào)控功能實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)，本課題研究中采用模塊化程序去設(shè)計(jì)控制軟件，其囊括了音視頻、本體牽引系統(tǒng)、輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制、中斷程序模塊。

3.1 音視頻控制程序模塊

功能以錄像、靜音、圖像切換、PC關(guān)機(jī)/重啟、攝像機(jī)前后旋轉(zhuǎn)等為主。錄像功能，即將機(jī)器人本體收集到的輸煤現(xiàn)場圖像、聲音統(tǒng)一保存在硬盤特定路徑；靜音功能主要是調(diào)控機(jī)器人自體采集的現(xiàn)場聲音的播放量大小；圖像切調(diào)功能主要是調(diào)控三路視頻圖像的呈現(xiàn)情況，能夠?qū)崿F(xiàn)三路圖像呈現(xiàn)的同步性，也可以對三路攝像機(jī)收集到的視頻圖像進(jìn)行放大處理后單獨(dú)呈現(xiàn)出來[6]。PC關(guān)機(jī)/重啟功能，即控制顯示界面系統(tǒng)的關(guān)機(jī)、重啟動作的現(xiàn)實(shí)狀況。為系統(tǒng)通電以后其便會自動步入至顯示界面，按下“PC關(guān)機(jī)/重啟控制”鍵位，閉合界面，系統(tǒng)自動退離；再次按下以上鍵位，PC斷電，經(jīng)2s后恢復(fù)到最初的通電狀態(tài)，重啟操作后便能進(jìn)入到顯示界面上。攝像機(jī)前、后旋轉(zhuǎn)過程主要是調(diào)控機(jī)器人攝像機(jī)三路采集視頻信息的方位角。前、后轉(zhuǎn)控制信號見形成了閉鎖式關(guān)系，當(dāng)攝像機(jī)對外發(fā)出前轉(zhuǎn)信號后，后轉(zhuǎn)信號將會被儲留在原位不動，以上狀態(tài)持續(xù)到攝像機(jī)前轉(zhuǎn)信號抵消為止，若在4s中攝像機(jī)未形成前轉(zhuǎn)狀態(tài)相關(guān)些反饋信號，那么將會自動消除攝像機(jī)前轉(zhuǎn)控制信號。以此類推，能夠了解到攝像機(jī)后轉(zhuǎn)信號的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。攝像機(jī)視頻方位角在前、后方向分別旋轉(zhuǎn)60°。

3.2 本體牽引控制模塊

主要用于調(diào)節(jié)、控制牽引系統(tǒng)驅(qū)動機(jī)器人自體的前進(jìn)、后退過程，確保其能順著輸送機(jī)方向往返運(yùn)轉(zhuǎn)、全面的采集生產(chǎn)現(xiàn)場形成的數(shù)據(jù)[7]。前進(jìn)、后退兩個控制信號間形成了閉鎖式關(guān)系，若系統(tǒng)前行階段按下了“后退”鍵，則會引起系統(tǒng)逆向發(fā)生閉鎖，緊急剎車，只有在復(fù)位閉鎖信號以后，二次啟動以后，系統(tǒng)方能恢復(fù)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)中。

3.3 運(yùn)行控制模塊

主要是控制輸送機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程，若在輸煤現(xiàn)場采集到的溫度或煙霧數(shù)據(jù)超出警界線值時，即可調(diào)控輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)停車，也可以通過指派人工進(jìn)行控制進(jìn)行急速暫停。為確保系統(tǒng)運(yùn)行過程的安全性、穩(wěn)定性，為本系統(tǒng)內(nèi)置了多路傳感器、軸編碼器、限位開關(guān)等，并且設(shè)計(jì)了相配套的信號輸入解析報(bào)警流程，比如張緊異常、錯向維護(hù)、電機(jī)過流、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程堵塞等，不管是出現(xiàn)以上哪種類型的保護(hù)報(bào)警信號，造成的后果均是一樣的，即系統(tǒng)急停；只有在解除故障問題之后，按下“事故復(fù)位”鍵，清理掉所有故障信號后，才可以再次啟動系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.4 中斷程序模塊

其通過收集軸編碼器運(yùn)轉(zhuǎn)方向信息，動態(tài)獲得機(jī)器人自體的現(xiàn)實(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)方向。在抵達(dá)定時時間以后，則便會即刻觸發(fā)中斷，實(shí)施關(guān)聯(lián)中斷程序INT -0，這樣便能順利獲得機(jī)器人的現(xiàn)實(shí)運(yùn)行方向，基于機(jī)器人自體的運(yùn)轉(zhuǎn)方向設(shè)定系統(tǒng)實(shí)際方向。輸送機(jī)機(jī)頭運(yùn)轉(zhuǎn)時正向前進(jìn)，既機(jī)尾運(yùn)轉(zhuǎn)是逆向后行[8]。按下“前進(jìn)”或“后退”鍵后便能啟動系統(tǒng)，牽引機(jī)器人本體便會隨之運(yùn)轉(zhuǎn)。若機(jī)器人本體的現(xiàn)實(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)方向和調(diào)控指令方向相逆，那么系統(tǒng)將會自動傳送出誤向維護(hù)報(bào)警信號，系統(tǒng)急停；按下“事故復(fù)位”鍵后，便會智能清理掉故障報(bào)警信號，而后就可以重新啟動系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并介紹了一款輸煤棧橋巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，較為詳細(xì)地闡述了其控制系統(tǒng)、運(yùn)行控制原理及實(shí)現(xiàn)本體功能的方法。在該機(jī)器人裝置的協(xié)助下，能夠動態(tài)采集輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)階段形成的各種數(shù)據(jù)信息，及時探查到輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)階段形成的各種問題，針對異常情況及時發(fā)出報(bào)警信息，借此方式使輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定生產(chǎn)有更大保障。目前，本系統(tǒng)已經(jīng)通過權(quán)威機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)性能指標(biāo)檢測值完全符合輸煤現(xiàn)場安全生產(chǎn)的要求。