淮北矿业集团潘红艺——《基于机器人控制的新型巡检模式探索》

 

摘要：本文主要介绍巡检机器人在涡北选煤厂岗位巡视中的应用，采用轨道机器人、轮式机器人、定点摄像头以及搭载多功能传感器联动，通过视频识别、传感器检测并结合AI分析，实现对皮带机全套设备设施以及物料、现场洗选设备运行状态、环境进行全方位的实时检测，形成自动控制的无人化新型巡检模式。

关键词：机器人；岗位巡检；智能分析

 

一、现状背景

目前涡北选煤厂的皮带、厂房巡检作业，主要通过人工方式，定期对设备和环境进行评估判断。但由于现场环境恶劣，巡检范围大、距离远，故障类型复杂多样，对于巡检人员的身体素质、责任心、技术水平等提出了较高的要求。且点检手段缺乏、五感定性多；经验判断多、量化预测少；信息孤岛多、信息共享少；掌握状态信息的全面性、状态诊断的准确性、可靠性、维护的经济性均有待提升。主要问题如下：

1.劳动强度大且效率低。对于输煤皮带、厂房设备等巡检，采用传统的人工方式，存在劳动任务繁重、效率较低的问题。

2.巡检质量和人员到位情况无法保证。传统的人工巡检方式，缺乏有效手段规范巡检，导致巡检人员的巡查时间点和进度等的管理都比较困难。此外，由于通常采取定期巡检方式，也无法判断故障发生时间和具体位置。因此，巡检到位率、及时性以及巡检质量难以保证。

3.可能存在漏检、误检。人工巡检受人员的心理素质、责任心、工作经验，以及技术技能水平等的影响较大，存在漏检、误检的可能性。

4.巡检过程难以追溯。在传统的人工巡检方式下，巡检记录通常以纸张形式保存，巡检数据利用率低，难以综合分析、追溯和审核历史巡检数据。因此，也难以在巡检中实现预测性维护，进而对具有潜在问题的设备或状况及时制定特别的应对策略。

5.巡检环境条件恶劣，粉尘大，温度高，人工巡检危险性高。

二、建设需要

随着选煤厂数字化、智能化、无人化建设的逐步完善，为响应集团公司要求，以智能化建设改变职工劳动方式，从保安全、提效率、增效益、改善环境、降低职工劳动强度的需要为出发，智能化建设是促进产业升级的需要，更是企业高质量发展的需要，因此厂内各场景智能巡检机器人建设势在必行，从而有效提升企业形象和无人化建设水平。

三、实施方案

（一）功能需求概述：

1.通过增加皮带巡检机器人、多功能定点摄像头、皮带撕裂监测设备以及机头机尾设备振温监测，形成皮带机完整看护方案，实现周期性皮带状态巡检、关键部位24小时监测、异常及时识别和远程状态掌控，并通过多种采集设备内部的边缘智能算法，进行异常状态联动控制，推进皮带机无人化巡检。

2.在主厂房部署智能巡检机器人，有效形成完整的安防系统，辅助巡视人员，减轻劳动强度，降低人员危险性，提升厂区安防、安全生产和应急管理的智能化水平。

（二）具体方案：

1.皮带机无人化巡检

（1）总体方案

在A302皮带栈桥、2115/2215皮带栈桥、7003/7004皮带栈桥，结合现场皮带设备结构、运行工况和监测需求，配置巡检机器人、多功能定点摄像头（安装在皮带机吊挂处）、皮带撕裂装置、振温监测传感器等智能监测硬件，通过光纤与5G的方式上传至监测系统进行处理与存储，并与厂内控制系统联动闭锁，从而监控设备实时运行状态与异常情况。

（2）主要功能介绍

①　设备在线监测

通过振温在线监测系统对皮带机设备：电机、减速机、联轴器、逆止器、滚筒轴承等进行在线监测，判断其是否存在异常升温、异常振动、电气异常等状态，结合历史记录，诊断设备故障；实现提前发现问题，对设备进行预测性维护，避免非计划停机，减少损失。

②　皮带发热实时监测与分析

通过巡检机器人对皮带由于异常原因发热进行监测，实时检测皮带温度，并结合现场巡检结果给出发热原因，并进行报警。

③　皮带损伤监测与分析

图1  皮带损伤识别

皮带损伤监测需要对皮带损伤：皮带边缘破损、皮带划伤、皮带接头起皮、钢丝绳露出等进行实时监测，并确定其相对位置，辅助人工进行检维修处理。

1）皮带损伤量化识别：需要对皮带损伤的区域、损伤大小进行量化识别，对损伤的严重程度、劣化趋势进行预警。

2）皮带损伤定位：结合皮带长度、皮带运行速度，给出皮带损伤的相对位置，协助人员进行皮带损伤部位的检维修。

3）皮带接头监测：通过皮带纵撕监测设备对皮带接头位置完成检查，通过算法对皮带接头数据进行分析，识别皮带接头起皮、断裂以及钢丝绳露出问题。

④　皮带纵撕监测

在实际生产中由于异物导致的皮带纵撕是极为常见的，因此皮带纵撕的监测以及报警显得尤为重要，需要对突发性的皮带纵撕进行监测识别，能够在纵撕发生的初期做到高准确率的识别，从而避免故障扩大，减少损失。

图2  皮带纵撕监测

1）皮带纵撕识别：对皮带纵撕50cm以上的故障，高准确率识别。

2）皮带停机：结合纵撕的状态，例如异物导致的皮带撕裂，及时完成设备停机，避免撕裂扩大。

⑤　滚筒状态监测与分析

筒皮由于异物、粉尘积累易出现故障，当滚筒发生故障时极易导致皮带划扯、磨损，因此需要对滚筒的状态进行实时监测。

1）滚筒筒皮的状态监测：皮带机在正常运行中由于异物以及灰尘会导致滚筒的包胶出现磨损、积灰现象，当筒皮的包胶出现磨损、就会严重导致滚筒直径变大，从而影响皮带的运行安全，因此需要实时监测筒皮的状态，并完成筒皮的异常状态诊断分析。

2）滚筒状态趋势分析：对于异物磨损筒皮的状态建立趋势图，对筒皮进行趋势分析。

⑥　托辊智能监测

巡检机器人通过可见光图像、红外热像以及声音监测，可以对托辊的运行状态进行分析，识别缺辊、死辊、辊皮磨损、支架变形、调心托辊异常等问题。

图3  托辊识别以及测温

1）托辊异常监测：对托辊的缺辊、死辊、辊皮磨损以及支架变形进行诊断分析。

2）上下托辊完整看护：通过机器人升降臂实现云台在高度方向上的升降，将云台调整到皮带侧下方合适位置，从而实现对上托辊、下托辊的全部托辊监测、识别和看护。

3）调心托辊故障诊断：通过AI算法对调心托辊实现自动识别，结合调心托辊的诊断算法，实现对调心托辊的检查，判断调心托辊功能是否正常、能否正常对皮带跑偏进行纠偏。

4）基于单个托辊的历史数据分析：基于可见光和红外视频，精准识别单个托辊，并构建单个托辊的数据库，实现单个托辊的历史数据记录，从而实现对单个托辊的趋势分析，精准判断当前托辊的状态。

⑦　大块物料、异物实时监测与分析

对皮带输送物料进行实时监测，对其中的大块物料、异物进行识别分析。

1）大块物料识别分析：通过定点摄像头实时监测输送物料情况，监测其中大块物料，并对大块物料进行量化识别，识别尺寸大小，对是否卡堵落料口进行判断，并可联动机器人针对落料口进行指定巡检。

2）异物识别分析：通过定点摄像头实时监测输送物料情况，监测其中异物情况，并对异物进行定性分析，并完成尺寸量化识别，预判是否会卡堵落料口、划伤皮带，进行实时报警。

⑧　料量监测与分析

对皮带输送物料堆形识别和流量检测，判断物料是否对中，并可以判断物料的瞬时体积流量；另外皮带重载跑偏是带式输送机运行时最易出现的故障，对皮带的损伤也最大，料点不正会诱发皮带跑偏，造成洒料，降低输送效率，通过料点是否对中可以指导运行和检修。

1）自动计算皮带料流的瞬时体积。 

2）自动判断落料点是否对中。 

3）通过数据建立皮带效率评价系统。 

⑨　关键部位实时监控

针对皮带机吊挂以及部分关键设备，可通过定点摄像头来进行视频监控，利用AI算法，分析皮带机跑偏情况。非人行道侧或关键部位设置人员安全监测，实时监测人员闯入、未穿工作服、未戴安全帽等异常信息，确保人员、设备以及周围环境的安全。

⑩　皮带机启停机识别

通过识别皮带机的启停机，可识别皮带的运行时长、运行状况，同时在判断到皮带处于停机状态时，和机器人进行联动，在系统上进行皮带机运行状态反馈，并提醒巡检机器人是否需要在皮带机停机状态下进行巡检或者自动控制巡检机器人停止当次巡检，当皮带机运行时再进行巡检。

建立皮带机的运行状态分析体系，建立起相应的皮带机能耗管控体系，实现智能调度。

⑪　设备异响监测

巡检机器人通过麦克风阵列，实现对现场环境噪声的降噪处理，从而实现对设备异音的精准采集，实现对托辊、滚筒、电机等关键设备因故障导致的异响分析，实现设备运行状态判断与告警，从而达到及时发现故障、避免故障扩大的目的。

⑫　环境状态实时监测

巡检机器人能够根据现场实际需求，搭载相应的环境检测装置，监测巡检区域中的温度、湿度、粉尘以及烟雾等环境状态。巡检机器人将实时采集的环境信息传输到后台管理系统中，为工作人员提供现场环境信息。当巡检机器人监测到有环境信息异常时，后台管理系统将进行报警，提醒运维人员及时处理。

（3）机器人其他功能介绍

①　火情监测

机器人通过自身的红外热像镜头和烟雾传感器，能够及时地发现火情，并对火情状态进行智能判断，进行紧急报警，提醒人员进行紧急处理。

②　对讲与喊话功能

智能巡检机器人具备双向语音传输功能，可以实现设备现场工作人员通过机器人与后台监控系统的操作人员进行对讲与喊话。实时通报现场情况，实时进行现场作业指导。

③　自主充电

巡检机器人采用电池供电，具备定点自动充电功能。自带电池电量检测电路，且可人工设置电量报警下限，一旦机器人检测到电池电量低于设置值时则会自动停止当前巡检任务，自主运行到充电点进行充电。

④　智能运行安全保护策略

1）灯光语音提醒

巡检机器人在运行中需要通过灯光、语音进行提示，现场人员可进行避让。

2）多重自主避障

智能巡检机器人具备非接触式及接触式双重避障设计，可实时对机器人运行的前后方障碍物实时识别，当监测到障碍物后会立即停止并进行声光报警。

3）一键急停功能

机器人本体配备急停开关，同时在后台监控系统也支持远程一键急停。

4）防脱落、防打滑设计

机器人具备防脱轨设计，防止机器人掉落造成损坏。

机器人通过链条链轮结构设计，避免长时间运行后的打滑问题。

5）智能自锁功能

在断电、失速、超速等紧急情况下，机器人能够在轨道上实现自锁，不会在轨道上自行运动。

⑤　自清洁功能

1）轨道自清洁

巡检机器人配备轨道除尘刷，可及时清洁轨道上的灰尘，避免轨道脏污，影响机器人巡检效率。

2）设备自清洁

巡检机器人具备定点自清洁功能，配备专用定点维护仓，可对设备表面、镜头部位进行除尘清理。

镜头部位增加镜头毛刷，对镜头进行实时清扫，保证镜片在巡检过程中的清洁。

⑥　智能巡检策略配置

智能巡检机器人可进行定时巡检、定点巡检、指定任务临时巡检、遥控巡检多种巡检方式。

定时巡检：定时巡检可以根据设定好的路径以及指定的巡检点按照间隔设定时间进行自动巡检，从而实现替代人工的巡检方式，巡检过程中结合动态监测和定点监测两种模式进行监测，机器人在沿轨道运行过程中会实时对皮带机进行监测，当机器人到达指定巡检点后可准确停车，并按设定动作检测后再重新启动进行动态监测，从而实现对皮带机运行状态的完整检查，自动记录并保存采集数据，结合过往数据，形成趋势报告。

定点巡检：定点巡检可以根据指定的路径和指定的巡检目标点进行自动巡检，设定好当次定点位置或者路径长度，启动自动巡检即可使机器人自动完成一次巡检。

指定任务临时巡检：通过指定巡检设备、巡检点，并可对路程中巡检点设置巡检要求，从而实现对特定设备、特定位置的快速巡检，方便技术人员快速对目标位置检测。

遥控巡检：操作人员可以通过PC端软件和APP遥控机器人，控制机器人行驶到待检测位置，远程遥控机器人云台动作、摄像机调焦，从而实现对待检测设备的点检。

⑦　机器人自检及报警功能

机器人可对自身状态进行检查，自检项包含：联网状态，电池模块、驱动模块、云台、检测设备、传感器模块等；以上任一部件故障，均能在本地监控后台进行报警提示，方便人员进行维修。

⑧　报警立即查验功能

多种监测设备可与机器人进行联动，当定点检测设备发现设备故障后，可及时调度机器人到相应故障部位进行二次查验，将现场实时状态传递给后台人员，帮助进行判断现场状态。

⑨　多种监护模式

机器人可以实现一对一、一对多的皮带看护模式，针对皮带廊仅有一条皮带机场景，可实现一对一的看护；针对皮带廊有两条皮带机场景，可实现一对多的看护模式；同时对于搭接的皮带、多条皮带并行场景，均可通过轨道的灵活部署，从而实现一台机器人对多条皮带的看护。

（4）多功能定点摄像头

①　筒皮状态实时监测

通过定点摄像头可以完成对筒皮状态的实时监测，避免异物导致的筒皮破损、粉状物料导致的筒皮变形等异常状态，并实现预测性维护，避免非计划性停机。

②　机器人联动

通过与机器人的联动，从而实现对现场环境进行声光报警，提醒人员规避，在皮带机停机后再进入现场进行处理；定点摄像头监测异常后，可联动机器人到异常部位进行精细化巡检。

（5）皮带撕裂监测

①　皮带纵撕监测

在实际生产中由于异物导致的皮带纵撕是极为常见的，因此皮带纵撕的监测以及报警显得尤为重要，需要对突发性的皮带纵撕进行监测识别，能够在纵撕发生的初期做到高准确率的识别，从而避免故障扩大，减少损失。

1）皮带纵撕识别：

对皮带纵撕50cm以上的故障，高准确率识别。

②　皮带损伤定位

结合皮带长度，需要能够定位皮带损伤的具体位置，从而辅助人工进行皮带损伤部位的检维修。

③　机器人联动

结合机器人的故障立即查验功能，可引导人员快速到故障部位。

（6）振温监测

①　工况识别

考虑现场关键皮带存在一定工况波动，无线传感器集成电机工况监测，避免工况波动引起的误报警情况。

②　无线传输

传感器到采集站采用无线方式进行传输，避免了铺线布线烦恼，提升现场安全性；且采用防爆锂电池供电，电池容量≧19Ah，标准状态下无线监测器的电池寿命不低于2年。

③　边缘计算部署

传感器、采集站内置边缘算法，可实现各类异常指标的计算处理分析，实现报警前置；支持异常报警触发智能加采+优先回传等智能化策略。

④　黑匣子

支持故障黑匣子功能，自动保存故障前一段时间的数据。

⑤　机器人联动

当在线监测发现早期故障后，可通过机器人定期进行巡检，及时跟进状态变化，检查异音、温度等情况发生。

（7）电气检测

采用电机动态电气监测技术，监测电机电流电压的波形和频谱数据，可监测皮带机电机过压、欠压、相不平衡、谐波畸变、定子绕组匝间短路、转子条断裂、定转子偏心、气隙不均等电气故障。

2.厂房内巡检机器人

（1）总体要求

巡检机器人：支持厂房内巡检作业、上下电梯功能，根据不同场景，设置温度、声音、跑冒滴漏巡视等功能，构建模拟人工巡检感知体系，配合云控平台，形成巡视记录，现场异常报警与集控系统联动，实现多终端统一协同，做到设备运维、任务调度、数据分析、成果管理全流程云端一站式管理。

 

 

 

工作流程

巡检机器人：

（2）机器人其他功能介绍

①　机器人自检及报警功能

机器人可对自身状态进行检查，自检项包含：联网状态，电池模块、驱动模块、云台、检测设备、传感器模块等；以上任一部件故障，均能在本地监控后台进行报警提示，方便人员进行维修。

②　对讲与喊话功能

智能巡检机器人具备双向语音传输功能，可以实现设备现场工作人员通过机器人与后台监控系统的操作人员进行对讲与喊话。实时通报现场情况，实时进行现场作业指导。

③　自主充电

巡检机器人采用电池供电，具备定点自动充电功能。自带电池电量检测电路，且可人工设置电量报警下限，一旦机器人检测到电池电量低于设置值时则会自动停止当前巡检任务，自主运行到充电点进行充电。

④　智能运行安全保护策略

1）灯光语音提醒

巡检机器人在运行中需要通过灯光、语音进行提示，现场人员可进行避让。

2）多重自主避障

智能巡检机器人具备非接触式及接触式双重避障设计，可实时对机器人运行的前后方障碍物实时识别，当监测到障碍物后会立即停止并进行声光报警。

3）一键急停功能

机器人本体配备急停开关，同时在后台监控系统也支持远程一键急停。

⑤　机器人联动

当巡检监测发现设备或环境隐患后，可通过机器人与后台集控系统联动报警，及时通知人工进行核实，处理问题。

4.系统与平台的对应

（1）接口和协议与管控一体化平台对接。

（2）设备联动控制接入厂生产集控系统，与现有设备实现联动控制。

四、预期效果

1.实现皮带机与厂房巡检无人化，提高自动化水平，降低职工劳动强度。

2.可根据生产实际需求合理规划机器人业务，使得各场景业务效果得到有效保障。

3.减少车间人员使用量，使“无人则安，少人则安 ”理念得以落实，预计岗位可以分流巡检人员3人左右。

4.在保障巡检区域安全的同时，将人员从繁琐的工作中解脱出来，提升巡检效率，减少了事故台时的发生。预计可减少万吨台时率约0.05h/万吨，保证生产连续性，促进产率提升0.01%，提高了生产效率和产品质量。

  按照原煤入洗量500万吨/年，精煤与副产品的价格差按照1200元/吨，则每年创效：500万（吨）×0.01%×1200（元）=60（万元）

 

参考文献

[1]张建民.工业机器人.北京：北京理工大学出版社，1988 

[2]孙恒 陈作模 葛文杰.机械原理（第八版）.高等教育出版社

[3]秦大同，谢里阳.机电系统设计[M].北京：化学工业出版社，2013.3

[4]马希青.机械制图（第一版）.机械工业出版社