智能带式输送机巡检机器人在煤矿的运用分析

何勇 王迎春 闫震

摘要：为解决矿用带式输送机人工巡检效率偏低、实时性不足等现实问题，本课题研发设计 出一种24h全天候智能巡检机器人，其集成先进的机电一体化与信息技术，能将传统人工巡检形式取代，明显提升工作效率以及使巡检数据传输时效性得到更大保障。本文主要总结这种机器人设备功能实现、软硬件系统设计、实际应用要求及结构构成等，通过工程实践验证其有效性，值得推广。

关键词：煤矿生产;智能带式输送机;巡检机器人;功能实现;技术应用

引言

矿山巡检是矿山工程实现安全生产的重要基础，巡检内容有排水系统、开采系统、电力网络及矿内外环境等。既往人工巡检模式实施阶段需要投入大量的时间、人力及物力资源，这样方能确保全面了解矿山实况[1]。人工巡检暴露出作业量大、强度高、工效低等不足。近些年中，科技有很大发展进步及矿山生产对安全性提出较高要求，可以用智能巡检机器人替代人工巡检，进而实现对矿山环境的全面管理，最大限度的提升矿山安全管理的数字化、智能化水平。

一、矿用带式输送机常见故障及运行巡检现状

1、横向断裂

在正常工况中，輸送机的输送带会以环状形式持续运转，以上这种作业模式存在着人工制造接头，机械卡扣固定、热硫化接头法是常用的制造形式。因为输送带接头处强度在其他位置之下，故而其发生横向断裂状况的风险相应增加。

2、输送带接头

很多物料内会掺杂着棱角尖锐的块状异物，运输过程很容易划伤或穿透输送带。特别是在两条输送机进行转载的落料位置，煤料内异物下落时易被卡住在导煤槽挡板或托辊架等处，并接受来自处于运转状态下输送带的传动力，造成异物越卡越紧，形成较大的穿透力并纵向撕裂输送带，引起断带情况[2]。

3、跑偏

即输送带运行阶段其中心线和输送机中心线出现偏离的情况，进而造成被运输的物料顺着输送带偏离中心线逆向洒落，且会增加输送带边缘被磨损的风险，进而引起撕边事故。

4、 打滑

打滑，实质上就是输送带传输速度落后于驱动滚筒的转速而出现的异常相对运动。若突发这种故障问题，一方面会造成输送带因传动力不够而丧失效力，另一方面还可能因驱动滚筒与输送带长期相对摩擦造成相应构件出现严重磨损，甚至输送带遭受强烈冲击以后出现疲劳性断裂、温升而引发火灾等。

5、堆煤

当煤料中含水量达到一定值时，会使煤料转变成粘稠的流体态，业内一般将其叫做水煤。以上这种状态特殊的煤料在输送带传输阶段不会对皮带表面形成较大的摩擦力，且煤料在自身重力的作用下，会在输送带上出现相对滑动而大量聚集，进而造成部分位置压力过大，最后引起输送机被损伤的事故。

6、托辊故障

伴随输送带传动过程，托辊自身会长期处于高速转动状态中，自身承受程度不一的磨损或转动卡死带来的损伤，伴随时间推移会引起局部发热与摩擦噪音，当托辊陷入转动卡死状态时，托辊与输送带两者便会形成相对摩擦力，造成托辊构件温升明显引起火灾事故。

二、智能巡检机器人实现功能分析

依照输送机的作业原理，结合矿区生产现场可能出现的各种故障问题及巡检机器人真实工况，机器人需要实现的功能大体上包括如下几部分[3]：

（1）智能行走功能，在轨道上能匀速运动，且在带坡度路段上不会发生打滑、溜车等情况。

（2）自重与体积均要尽可能的小，综合强度要符合矿区现场应用需求。且煤矿生产环境条件极差，空气中粉尘等物质弥漫及高温等，故而对机器人的密封性、抗干扰能力等均提出较高要求。

（3）功耗低，进而使机器人的续航能力得到更大保障。且能智能测出电池电量，自主前往充电桩实现充电过程的智能化。

（4）定位功能，利用这些功能区呈现出输送机故障问题的具体位置。

（5）视觉检查功能，利用机器人更加直观的观察到输送带故障异常状况。

（6）机器人自带的传感器能智能机检测输送机的温度、声音，分析后判断设备是否发生故障、故障类型及严重程度等。

（7）机器人与控制室应用了无线通信方式，这样在控制室便能直接操控巡检机器人的应用过程。

三、软硬件设计

1、硬件系统

（1）工控机：这是整个系统的核心构件，其性能对巡检系统处理数据的时效性起到决定性作用，可以选择ARK-1123L工控机，其正常作业温度-50℃～85℃，具备多种接口，这是和其他装置有效衔接的重要基础。

（2）数据采集装置：图像、声音、温度与方位等均是需要采集的数据类型，工业相机型号H265，配置使用 WM工业拾音器、 MAG32 型红外成像仪分别获取声音、温度信号，RFID的功能以定位为主。

（3）电池能源系统：电池的作用主要为驱动电机设备供电，鉴于煤矿生产环境的特殊性，选择电池产品时需着重分析其使用寿命、可靠性等因素。结合矿用输送机防爆巡检需求，可以选择使用锂电池，其能在0～60℃范围中循环充电，电池容量能确保智能机器人连续运作6h。而对于无线基站的电源，其由矿用电缆统一供电，基于光缆传输无线基站之间的数据，将天线安装在无线基站上，主要用于接收机器人本体上天线传送的监测数据。利用接口RJ45或光缆传输防爆控制箱和邻近的无线基站，储存检测数据是防爆控制箱的主要功能，AC127 V电源供电，无线基站和矿井内交换机相连，利用地面交换机把无线基站传输而来的数据传送到地面监控终端。在本次系统内，暂时将电池充电方式设定成电池井上充电，井下更换形式，电池寿命至少要达到5年。

（4）轨道系统：轨道对巡检机器人的主体结构能起到良好的支撑作用，利用C型轨道作为轨道平台，确保机器人能在轨道区间上实现往复巡检应用。设计时要求轨道承重≥150㎏，严格按照相关运行要求安装轨道固定支架;对轨道进行全面的防锈处理。

2、软件系统

（1）PLC控制软件：以 STEP 7 MicroWIN SP9 V4.0为基础编写PLC控制系统，选用西 门子S7—200PLC作为硬件平台[4]。依照系统功能可把程序细化成视音频、机器人自体牵引系统输送机运行及中断程序控制。

（2）工控机上位机监控界面：利用OCX控件结合组态网的形成共同组建监控界面、其中组态王接口驱动形式表现出多样化特征，比如快捷组态监控界面，能够和PLC、0CX控件及矿区其他接入设备的数据信息与呈现，利用Web发布形式使数台异地上位机能同时访问、查阅监控界面上信息。OCX控件是用VC++语言编写的，能够传输、处理工控机和机器人自体之间的视音频信号、控制数据等，并具备调控有关参数的功能。

四、智能带式输送机巡检机器人应用要求及结构组成

1、应用要求

（1）作业环境湿度大，应考虑湿度对机器人运行稳定性与检测精准度形成的影响。

（2）大型机电设备周边存有电磁与射频干扰，要求巡检机器人系统自身具备较强的抗干扰能力。

（3）作业空间有长度大、起伏转弯不稳定及相对较狭窄等特征，以上这些客观环境因素对巡检机器人的行走速度、最大行走距离、爬坡能力以及转弯半径等均提出较高的要求。

（4）巡视检查运煤廊道运行状态时，要求系统具备较强的智能监控功能，监控指标主要包括设备温度、气体浓度等[5]。

（5）具备较高的安全性，有充电闭锁、环境监测分析、声音收集与双向对讲、本体自动检查、远程操控等诸多功能。

（6）搭建了远程监控平台，能实现对环境和设备持续的移动监测、火灾事故紧急报警与处理功能。

2、结构组成

（1）驱动系统：该系统内设计了左右压紧、水平及垂直旋转机构，能确保巡检机器人多方位巡检过程的稳定性。

（2）图像采集系统：该系统上建造了一体化高性能云台，系统热灵敏度<60mK@300K，fl.0，帧频25Hz，相应波段17μm，图像分辨率50Hz：25fps， 60Hz：30fps（1920×1080），分辨率达400万像素，镜头是4倍光学变焦，f=2.8～12mm，灰度等级≥7级，能设计256个预置点，预制精度<0.05°[6]。

（3）语音对讲及应急广播系统：系统集扩音对讲、语音监听、消防广播与调度功能为一体，能达到现场和调度室之间的交互对话与应急通讯。参照矿区实际应用需求，本系统语音监听范畴5～80㎡，且灵敏度有可调控性，能输出600～1000Ω的非平衡电阻，在1m距离40dB音源下，信噪比85dB，接收频率20～20kHz。

（4）环境检测系统：该系统具有气体、温湿度、烟雾、光照度及火焰检测等功能。对于矿山恶劣作业环境而言，做好气体检测工作具有很大必要性。机器人能连续4种高浓度气体，能够达到超限报警功能。温、湿度检测范围分别是-40℃～+123.8℃、0%～100%RH，测量精度分别达到了±0.5℃与±4.5%RH。烟雾检测灵敏度0.5db/m（±0.1db/m），超限报警浓度为5%obs/m，响应时间≤20s。光照度检测的测量区间0～65535Lux，并可以参照光照情境的差异性实现智能化调控，黑夜、月夜、阴天室内、阴天室外、晴天室内及晴天室内时分别是0.001～0.02、0.02～0.3、5～50、50～500、100～1000Lux[7]。

（5）智能防撞和避障系统：该系统是巡检机器人长期稳定运行的重要基础。本系统内精准探测障碍物与隧道内工作人员，实现精准定位，具备加强的智能防撞与避障功能，遇到障碍时能自动暂停与预警。且从运行安全的视角分析，通过装设安全触边，防控碰撞时对人员与机械设备造成损害。本系统设计的探测距离0`3m，探测角120°，能实时更新自身位置信息，定位精准度达到0.01m。且会布置断定制动功能，当巡检机器人运转阶段，若突遇故障问题引起断电，则机器人会即刻停运，起到良好的保护作用。

五、现场应用及效果

1、现场应用

把巡检机器人用于某煤矿的生产现场中，基于现场工业性试验与应用，巡检机器人能较好的满足输送机运输安全监控的现实需求，系统运行状态优良，检测性能安全、稳定，自身具备较强的故障问题辨识能力，报警动作快速且精准可信。巡检机器人能够达到直观可视化管理。通过构建输送机管理系统，达到了巡检的可视化、一键智能化巡检、智能报警等诸多功能[8]。

机器人系统能实时调取煤矿生产现场画面与监控装置运行参数。在实现视频监控的基础上，于右上角动态、全面的呈现红外摄像机监控图像于最高温度。机器人能够利用操作界面进行实时监控、既往数据及参数规划等诸多功能，这是远程监控巡检机器人的运行状态，有机整合远程在线监控与现场巡检情况，于输送机廊道中建设出无人巡视和处理管理全新模块。

2、效果

本煤矿应用智能巡检机器人之前，人员定额是85人，采用这种机器人设备以后，人员定额减少到25人，每年节约资金在500万元以上。智能巡检机器人明显提升了煤矿现场管理的自动化水平与故障处理效率，明显降低了工作的作业强度与事故造成的经济损失，创造出良好的经济效益。在确保矿区生产安全、稳定性的基础上，智能巡检机器人真正实现了“智能化减人”的目标。

结束语：

本文设计出的巡检机器人能利用各类传感器全面采集矿区设备、工作空间环境等基础数据，并将大数据分析优势充分发挥出来，精准掌握煤矿生产设备的运转状态，提升设备性能的利用效率。机器人还能实现对输送机廊道作业环境与设备的整体化检测，真正实现可视化管理与执行预警，提升巡检功效与精准度，及时处理突发状况，具有较高的推广价值。

参考文献：

[1]梁虎伟. 矿用带式输送机防爆无人巡检智能机器人设计研究[J]. 矿业装备， 2020， No.111（03）：203-204.

[2]侯海英. 皮带机巡检机器人控制系统的设计应用[J]. 科技经济导刊， 2020， v.28;No.706（08）：78-79.

[3]张俊， 马迅飞， 張进铎，等. 基于人工智能学习的巡检监控机器人系统的探索与研究[J]. 计算机时代， 2019， No.329（11）：21-23+28.

[4]赵海明. 矿井带式输送机故障巡检机器人系统的研究[J]. 江西化工， 2020， No.149（03）：293-295.

[5]徐晋伟. 矿山胶带运输智能巡检机器人的探索与应用[J]. 矿业工程， 2020， v.18;No.106（04）：66-68.

[6]郭志. 矿用带式输送机智能监测及故障预警系统研究[J]. 机械工程与自动化， 2020， No.220（03）：156-157+160.

[7]王勇， 张颖辉. 矿用带式输送机智能安全监测保护系统[J]. 机械工程与自动化， 2020， 000（006）：203-204，206.

[8]赵宝宝. 井下带式输送机智能安全监测保护系统应用分析[J]. 石化技术， 2019， v.26（11）：388+394.

作者简介：何勇，1973年4月，男，汉族，广东兴宁人，大学本科，中级职称，机械制造及自动化专业。