馬超 宋立信 崔曉峰 康蘭元 董寶蒼 張劍 韓耀龍

摘要：為確保輸煤皮帶設(shè)備能實(shí)現(xiàn)安全、可靠運(yùn)行，使輸煤現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)盡早實(shí)現(xiàn)智能化，作出研發(fā)與應(yīng)用軌道式機(jī)器人的建議。本課題中設(shè)計(jì)研究的機(jī)器人最大的特征是能協(xié)助人工自動(dòng)巡檢長(zhǎng)距離運(yùn)輸時(shí)的皮帶狀態(tài)，主要介紹機(jī)器人的主要構(gòu)成、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，證實(shí)其合理性，具有一定推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：輸煤系統(tǒng);皮帶設(shè)備;軌道式機(jī)器人;智能化巡檢;實(shí)踐運(yùn)用

引言

火力發(fā)電廠內(nèi)置的輸煤系統(tǒng)有生產(chǎn)區(qū)域大、設(shè)備作業(yè)環(huán)境條件惡劣、故障問(wèn)題擴(kuò)散快等特點(diǎn)，人工排查方法應(yīng)用中暴露出很多不足，比如人力成本高、作業(yè)環(huán)境條件差、信息共享率低等，很難維持及強(qiáng)化設(shè)備運(yùn)行的可靠性。輸煤皮帶自身有易磨損、表面上吸附著易燃易爆粉塵等特征，增加了設(shè)備發(fā)生故障問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)，給火電廠生產(chǎn)運(yùn)行及環(huán)境保護(hù)埋下了隱患因素，電廠應(yīng)加大對(duì)生產(chǎn)管理力度[1]。

電廠既有的信息化管理系統(tǒng)很難滿足智能管理的需求，對(duì)于惡劣、極端環(huán)境下長(zhǎng)距離輸煤皮帶的監(jiān)控方式，長(zhǎng)期停滯在平面化、單一式的現(xiàn)場(chǎng)狀況方面。本文設(shè)計(jì)研發(fā)的機(jī)器人內(nèi)置了數(shù)組輔助監(jiān)測(cè)模塊，進(jìn)而協(xié)助人工即便是在極端環(huán)境下也能順利執(zhí)行皮帶狀態(tài)巡檢任務(wù)。

一、智能巡檢監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

1、系統(tǒng)框架

機(jī)器人系統(tǒng)主要由軌道智能巡檢機(jī)器人、現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)圖像信息收集、控制及數(shù)據(jù)處理分析、人工智能輔助決策四大子系統(tǒng)共同構(gòu)成，其功能有智能化巡視檢查、采集與傳輸數(shù)據(jù)、判斷數(shù)據(jù)運(yùn)行狀態(tài)、預(yù)警信息提醒、查找既往數(shù)據(jù)、生成報(bào)表資料等諸多功能。

巡檢機(jī)器人系統(tǒng)上可以增設(shè)高清攝像鏡頭與紅外成像儀，云臺(tái)在水平方向能實(shí)現(xiàn)360°轉(zhuǎn)動(dòng)、上下方向傾向一定角度，進(jìn)而達(dá)到對(duì)輸煤皮帶整條生產(chǎn)線上所有巡檢裝置及作業(yè)人員的全方位監(jiān)測(cè)，精準(zhǔn)獲得減速電機(jī)、皮帶煤堆表面、電纜槽等溫度異常信息;通過(guò)增設(shè)噪聲檢測(cè)元件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備、托輥等運(yùn)轉(zhuǎn)階段音頻信號(hào)的整體性采集與處置。機(jī)器人視覺(jué)辨識(shí)技術(shù)和數(shù)組皮帶跑偏開(kāi)關(guān)相整合，這是精準(zhǔn)測(cè)量皮帶跑偏位置與位移量的重要基礎(chǔ)。將皮帶撕裂監(jiān)測(cè)儀安裝在皮帶落煤位置下方，用于監(jiān)測(cè)皮帶縱向裂紋、撕裂等異常狀況;視覺(jué)識(shí)別還能整合線速度傳感器，用于監(jiān)測(cè)皮帶運(yùn)行階段出現(xiàn)的打滑問(wèn)題;視覺(jué)辨識(shí)和機(jī)器人采集犁煤器運(yùn)行參數(shù)相結(jié)合，用于辨識(shí)、判斷犁煤器運(yùn)行狀態(tài)正常與否。系統(tǒng)主要由檢測(cè)終端傳感器、遠(yuǎn)距離軌道、巡檢機(jī)器人、無(wú)線傳輸、報(bào)警圖像呈現(xiàn)、人工處置等諸多軟硬件構(gòu)成[2]。

2、長(zhǎng)距離軌道

選擇熱鍍鋅方形鋼管作為巡檢裝置的軌道，可以采用的安裝方法并不唯一，比如膨脹螺絲、靠墻及最頂層電纜支架安裝等，前者軌道被安裝在隧道頂部中間，安裝過(guò)程中要盡量躲避人工爬梯、風(fēng)機(jī)等可能對(duì)軌道路線形成一定阻礙的基礎(chǔ)設(shè)施。如果將軌道布置在電纜支架的最頂層，選用電纜支架作為支撐物體，使軌道朝向隧道中間位置進(jìn)行適當(dāng)延展，在軌道連接件的協(xié)助下使兩根狀態(tài)獨(dú)立的方管緊湊連接，為規(guī)避巡檢機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)階段出現(xiàn)搖擺、晃動(dòng)的情況，則建議安裝軌道時(shí)配合應(yīng)用激光水平儀開(kāi)展測(cè)量活動(dòng)，確保軌道的平直度符合設(shè)計(jì)要求，杜絕出現(xiàn)變形問(wèn)題。由于輸煤生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可能會(huì)存在轉(zhuǎn)彎、上下坡等地形改變情況，故而在測(cè)量彎度、坡度各自具體值，對(duì)局部有針對(duì)性的加工出適宜的彎管，進(jìn)而使軌道水平面的準(zhǔn)確度得到更大保障。

3、巡檢機(jī)器人

機(jī)器人主要由靜音底盤、車廂、升降臂、云臺(tái)等幾大部分構(gòu)成。為確保其運(yùn)行狀態(tài)的安靜性，利用同步輪、同步帶及天然橡膠“輪胎”實(shí)現(xiàn)了消聲 [3]。本課題中設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人內(nèi)置了很多傳感器，比如消防、氧氣、一氧化碳、可燃?xì)怏w、硫化氫、溫濕度以及防碰撞傳感器等，進(jìn)而確保巡檢活動(dòng)安全性，應(yīng)用中取得良好成效。

4、撕裂檢測(cè)

具體是應(yīng)用了光學(xué)三角與回波分析原理成像，配合應(yīng)用精密傳感器裝置，當(dāng)皮帶設(shè)備運(yùn)行階段突發(fā)撕裂問(wèn)題時(shí)，其能通過(guò)非接觸形式檢測(cè)撕裂處裂縫的寬度、深度。半導(dǎo)體激光器傳送出的激光，通過(guò)鏡片后會(huì)被聚焦在被測(cè)物件上，鏡片采集反射光線以后將其投射至CCD上。信號(hào)處理器的作用是利用三角函數(shù)測(cè)算出CCD上光點(diǎn)的具體方位，進(jìn)而獲得被測(cè)物的距離信息。激光器與攝像頭均被規(guī)范的安裝在上皮帶的下方，激光器能將單條帶狀激光發(fā)射到皮帶底部，在皮帶表層上形成反射后以后，攝像頭設(shè)備統(tǒng)一收集，還可以智能化提獲激光條紋中心，基于三角測(cè)距方法規(guī)范的解析皮帶斷面的高度、深度等參數(shù)信息，將其動(dòng)態(tài)化反饋至控制計(jì)算機(jī)內(nèi)。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)化分析及數(shù)據(jù)整體還原后，便能夠獲得皮帶相對(duì)應(yīng)的3D圖像，協(xié)助工作人員更直觀的觀察皮帶的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)其是否發(fā)生撕裂情況作出科學(xué)判斷[4]。

激光測(cè)量過(guò)程中應(yīng)用了諸多精密參數(shù)與算法來(lái)去對(duì)是否發(fā)生縱向撕裂情況作出判斷，其中撕裂檢測(cè)儀能利用激光束高速、全斷面掃查輸煤皮帶底面情況，實(shí)現(xiàn)了24h全天候檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)縱向撕裂或其它皮帶表層損害等不良狀況。執(zhí)行以上過(guò)程中為了徹底消除誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)等不良情況，撕裂檢測(cè)儀利用激光束實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶表層二道整體化掃查，相機(jī)收集圖像相關(guān)信息，獨(dú)立化鑒定，互為檢測(cè)驗(yàn)證，這樣一旦確認(rèn)皮帶發(fā)生撕裂情況時(shí)就快速發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

二、樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

1、爬坡性能檢測(cè)

具體是將測(cè)試軌道搭設(shè)在帶式輸送機(jī)的單側(cè)。利用鋁型材建設(shè)軌道，應(yīng)用鋁型材立柱、橫梁及各類型連接件。因?yàn)闇y(cè)試現(xiàn)場(chǎng)地面沒(méi)有傾斜角，故而通過(guò)調(diào)整立柱高度去構(gòu)建出坡度軌道，用于檢測(cè)機(jī)器人的爬坡性能，檢出軌道的坡度稍稍大于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際坡度值。

在建設(shè)好機(jī)器人軌道以后，還需要逐一檢測(cè)機(jī)器人自身各硬件部分，確保各個(gè)電氣元器件通電無(wú)異常。準(zhǔn)備好硬件以后，就可以檢測(cè)機(jī)器人的爬坡運(yùn)動(dòng)能力。由于無(wú)刷直流電機(jī)的扭矩和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速之間存在正比關(guān)系，故而通過(guò)給電機(jī)設(shè)置不同轉(zhuǎn)速，分別觀測(cè)其上、下坡的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，記錄機(jī)器人單次往復(fù)復(fù)巡檢的運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng) [5]。觀察現(xiàn)實(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人在各設(shè)定轉(zhuǎn)速下均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，未見(jiàn)卡頓現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)證實(shí)本電機(jī)能較好的滿足智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用要求。

2、軟件調(diào)試

軟件調(diào)試主要是調(diào)試下位機(jī)控制軟件的串口通訊，需要測(cè)試的硬件有PC、工控機(jī)、24V 直流電源等。其中，采用USB轉(zhuǎn)RS232 串口線連接PC和POS 驅(qū)動(dòng)器。PC機(jī)上安裝了 Visual Studio 2012，其作用主要是開(kāi)發(fā)與調(diào)試程序。在正式測(cè)試前，應(yīng)結(jié)合串口類型差異組裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件，并且會(huì)基于串口調(diào)試軟件性能過(guò)程，驗(yàn)證通訊成功與否。在使用串口調(diào)試軟件前，需要設(shè)置串口號(hào)、波特率、無(wú)校驗(yàn)位等。通過(guò)調(diào)試過(guò)程，確保系統(tǒng)內(nèi)部電氣線路能排列整齊、方位狀態(tài)穩(wěn)固、走向科學(xué)，能為安裝、維護(hù)過(guò)程創(chuàng)造便利性，并且要配合使用醒目的顏色和標(biāo)志進(jìn)行區(qū)分;電氣系統(tǒng)不能出現(xiàn)漏電現(xiàn)象[6]。機(jī)器人能精準(zhǔn)的接收本地監(jiān)控后臺(tái)發(fā)送的控制指令，達(dá)到云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)、本體運(yùn)動(dòng)、智能充電和設(shè)備狀態(tài)自檢等功能，且還要能精準(zhǔn)的反饋狀態(tài)信息;準(zhǔn)確檢出機(jī)器人自體的各類預(yù)警、告警信息，安全、可靠的上傳。

3、檢測(cè)電池續(xù)航能力

為檢測(cè)驗(yàn)證電池的續(xù)航時(shí)間，對(duì)巡檢機(jī)器人的電池的續(xù)航能力開(kāi)展測(cè)試分析，分析到環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)形成的影響，故而測(cè)試時(shí)盡量選擇氣溫不同的時(shí)段進(jìn)行，因?yàn)闇y(cè)試時(shí)間處于本地夏季，故而續(xù)航測(cè)試時(shí)的最大室外溫度區(qū)間20～37℃，測(cè)試前要先充滿電池電量，當(dāng)電池電量低于20%時(shí)結(jié)束檢測(cè)。統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人能源系統(tǒng)的平均續(xù)航時(shí)長(zhǎng)是10h左右，滿足了機(jī)器人整體設(shè)計(jì)內(nèi)電池續(xù)航時(shí)間≥6h的要求。

三、皮帶巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用情況分析

某電廠5A輸煤皮帶巡檢系統(tǒng)基于安全生產(chǎn)規(guī)程、煤系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)智能化檢測(cè)的現(xiàn)實(shí)需求去設(shè)計(jì)等，當(dāng)下已經(jīng)投入到生產(chǎn)實(shí)踐中[7]。巡檢機(jī)器人的作業(yè)模式主要有智能化巡檢、遠(yuǎn)程控制、人工手動(dòng)巡檢三種，并且對(duì)依照現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)需求編制巡檢計(jì)劃的過(guò)程提供較強(qiáng)大的支持力，進(jìn)而更好的滿足輸煤皮帶現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的需求。如果速度、跑偏、溫濕度等傳感器發(fā)出報(bào)警或通過(guò)測(cè)算預(yù)警參數(shù)的方式發(fā)出報(bào)警信號(hào)時(shí)，能夠優(yōu)先配置機(jī)器人資源，使其快速抵達(dá)指定區(qū)域開(kāi)展巡視檢查活動(dòng)，工作人員可以利用視頻、圖片、傳感器狀態(tài)等情況整體判斷、診斷異常狀況，盡早做出科學(xué)、有效的處理。

智能巡檢系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下功能[8]：持續(xù)追蹤檢測(cè)皮帶跑偏情況、托輥是否發(fā)出異常聲音、煤流反常等生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)，精準(zhǔn)的探查到故障問(wèn)題，并且會(huì)第一時(shí)間對(duì)其作出定性、定量診斷，為設(shè)備運(yùn)行調(diào)控、檢查維護(hù)等工作開(kāi)展提供可靠建議，能較全面的提升設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的可靠性，在這樣的工況下，輸煤系統(tǒng)自動(dòng)化管理水平有很大提升也是毋庸置疑的事實(shí);提升系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)作的精準(zhǔn)性與時(shí)效性，準(zhǔn)確檢出皮帶異常狀況并發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，規(guī)避既往人工現(xiàn)場(chǎng)巡檢中問(wèn)題發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)等情況，降低皮帶大量撒煤、故障停運(yùn)等事故的發(fā)生率，當(dāng)然也明顯減輕了巡檢人員的工作強(qiáng)度，使皮帶運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性得到更大保障。

結(jié)束語(yǔ)：

在科學(xué)技術(shù)日異月新的背景下，各種高端、先進(jìn)產(chǎn)品陸續(xù)被開(kāi)發(fā)，將智能巡檢機(jī)器人用于輸煤皮帶現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，解除了傳統(tǒng)人工巡檢時(shí)暴露出的頻率不足、覆蓋不全面、精準(zhǔn)度偏低及盲點(diǎn)較多等問(wèn)題。但是由于智能機(jī)器人在視覺(jué)判別、噪聲監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域至今尚未實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)分析，故而生產(chǎn)實(shí)踐中人工巡檢工作依然是不可缺少的項(xiàng)目。兩者能實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，明顯提升輸煤現(xiàn)場(chǎng)巡檢工作質(zhì)效，為火電廠安全生產(chǎn)保駕護(hù)航，實(shí)現(xiàn)效益的最大化。

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作者簡(jiǎn)介：

馬超，1986年3月，男，漢族，遼寧阜新人，本科，中級(jí)職稱，自動(dòng)化。