基于轨道式机器人的输煤皮带智能巡检监测系统的研发与应用

2020.10 EPEM
189
专业论文
Professional papers 基于轨道式机器人的输煤皮带智能巡检
监测系统的研发与应用
国电南宁发电有限责任公司 张 晖 杨晓衡 臧彦廷
摘要：提出一种轨道式机器人协助人工对长距离皮带状态进行自智能巡检的软硬件解决方案，介绍某公司输煤皮带运行智能巡检监测系统的主要构成和应用情况等。

关键词：轨道式机器人；自动巡检；设备集成
火力发电厂的输煤系统由于生产区域大、
设备运行环节恶劣、设备类型单一、
故障扩散速度快等特点，目前基于人
工方式排查缺陷难度大、需要投入人力多、工作环境差、信息交换不及时等问题，制约了设备异常、缺陷、故障的早期识别及预警，降低了设备的可靠性。

输煤系统相关设备本身具有易磨损、系统存在易燃易爆粉尘的特点，设备故障率较高且属于易燃易爆场所，因此给电厂的安全生产及环保带来了隐患，是燃煤火电厂生产管理的难题。

输煤系统巡检目前存在的问题有：现场高效率、准确巡检难度大；现场设备巡视工作过分依赖人工、不能及时有效发现问题；现有监测手段有限、已有监测设备未充分发挥作用；原有的电厂信息管理系统无法满足智能化需求。

针对恶劣环境下长距离输煤系统现场监测方式仍停留在平面化、单一化的现场情况，本文提出采用智能轨道机器人及融合多组辅助监测模块的形式协助人工在恶劣环境下完成长距离皮带状态自动巡检监测任务，因而研发基于轨道式智能机器人的皮带运行状态巡检监测系统[1]。

1 智能巡检监测系统的主要构成
1.1 系统框架
输煤皮带智能巡检机器人系统包括轨道智能巡检机器人系统、现场实时图像数据采集系统、控制系统及数据处理分析平台、人工智能辅助决策平台四大部分，能完成智能巡检，数据采集传输、设备运行状态判断，预警提醒、历史数据查询、报表生成等多种功能[2]。

智能巡检机器人系统可搭载高清摄像镜头和红外成像仪，云台可水平360度转动、上下倾斜适当角度，实现对输煤皮带整线对巡检设备和人员的多方位监测，以及准确捕捉减速电机、犁煤器电机、皮带煤堆表面、动力电缆槽等异常温度；搭载噪声检测元件，实现对整线运转设备、托辊等的音频采集和分析；机器人视觉判别技术结合多组皮带跑偏开关，实现对皮带跑偏发生位置和位移量的准确检测；在皮带落煤处下方装设纵向皮带撕裂监测装置，实现对皮带纵向撕裂及纵向裂纹等异常的监测；机器人视觉识别技术结合线速度传感器，实现对皮带打滑监测；机器人采集犁煤器运行参数结合视觉判别，识别犁煤器运行状态是否正常[3]。

因此本文将巡检系统分为检测终端传感器、长距离轨道、智能巡检机器人、无线传输、报警图像提示、人工处理等软硬件模块（图1）。

1.2 长距离轨道
图1 系统框架
190 EPEM 2020.
10
专业论文
Professional papers
采用热镀锌方形钢管作为智能巡检装置的轨道，安装方式分为隧道顶部预埋件（或膨胀螺丝）安装、靠墙安装和最上层电缆支架安装三种方式，前者轨道位于隧道顶部中间部位，安装时避开了人工爬梯或风机等阻碍轨道路线的设施[4]。

把轨道架设在电缆支架最上层，利用电缆支架作为支撑，将轨道向隧道中间适当延伸，通过轨道连接件使两根方管连接紧密牢，为避免智能巡检机器人运行时晃动，轨道安装时采用激光水平仪进行测量，确保轨道平直无变形。

因地形变化会有转弯和上下坡，对弯度和坡度进行测量后针对具体位置加工了合适的弯管确保了轨道水平面的精度。

1.3 智能巡检机器人
智能巡检机器人包括静音底盘、车厢、升降臂、云台等组成。

采用了同步轮、同步带和天然橡胶“轮胎”确保其运行时安静无声（图3）。

智能巡检机器人的定位芯片和金属定位片位置如图4所示。

智能巡检机器人包括各种传感器，如消防传感器、氧气传感器、一氧化碳传感器、可燃气体传感器、硫化氢传感器、温湿度传感器、防撞传感器、倾斜传感器、风速传感器、浸水传感器等确保其巡检质量[5]。

1.4 撕裂检测
采用光学三角原理和回波分析原理成像，使用非接触测量皮带撕裂裂缝宽度和深度的精密传感器。

半导体激光器发出的激光经镜片聚焦到被测物体上，反射光线被镜片收集后投射到CCD 上。

信号处理器
通过三角函数计算CCD 上的光电位置得到被测物的距离信息。

激光器和摄像头分别装置在上皮带的下侧，激光器向皮带底部发射一条带状激光，在皮带表面反射后由摄像头采集，并自动提取激光条纹中心，根据三角测距法分析皮带断面的高度和深度参数，实时输出到控制计算机。

经计算机软件分析和数据还原，得到皮带3D 图像，可直观判断皮带是否发生撕裂现象。

激光测量技术使用多种精密参数和算法来判断纵向撕裂的真实性，输煤皮带撕裂检测装置对输煤皮带底面用激光束高速、全断面扫描，24小时全天候检测是否有纵向撕裂发生或其它皮带表面损伤，为彻底根除误报现象，输煤皮带撕裂检测装置使用激光束扫描皮带表面，相机采集图像信息，独立鉴定，相互验证，确保确认了皮带撕裂发生进而报警[6]。

2 皮带巡检系统的应用情况
国电南宁电厂5A 输煤皮带智能巡检系统结合电力安全生产规程及输煤系统运行状态智能检测的需求而完成并投入正常运行，现场运行效果如图5所示。

智能巡检机器人可实现自动巡检、远程控制、手动巡检三种模式，并支持按需求定制巡检计划满足现场检测要求，当速度、跑偏、温度等传感器报警或通过预警参数计算报警时，机器人将第一时间优先到指定位置进行巡检，人工可通过视频、图片、传感器状态综合判断异常情况并及时处理。

输煤系统智能巡检监测系统可实现：持续跟踪检测皮带跑偏、托辊异音、煤流异常等重要生产运行参数，准确发现及时诊断，为运行调整、检修维护提供建议，提高设备运行稳定性，提升输煤智能
化管理水平；提高系统报警准确性和及时性，针对皮带异常进行有效检测报警，避免因人工巡检发现不及时、保护误动、拒动等造成皮带大量撒煤、故障停运等事故，降低巡检人员工作强度，保障皮带
安全经济运行。

图2 轨道支撑件及连接件
图3 巡检机器人示意图
图4 定位片位置示意图
图5 可见光、红外摄像、机器人
2020.10 EPEM
191
专业论文
Professional papers
3 结语
当前已有智能设备技术发展情况下，采用智能巡检机器人协助人工在恶劣环境下执行自动巡检监测作业是可行的，有效弥补人工巡检过程中频率低、覆盖范围少、准确度差、盲点多等缺点。

但鉴于智能机器人在视觉判断、噪声监测等方面无法实现实时监测分析，人工巡检监测工作仍不可或缺。

两者互为补充，可大大提升现场巡检质量和效率。

长距离输送、粉尘浓度较高、湿气较重的环境，对智能巡检机器人系统的各个部件运行稳定性提出更高要求，系统对传感器融合能力的要求也在逐渐提高。

为实现智能巡检机器人系统对环境、对象的信息具有实时性感知、识别、分析，智能巡检监测方案优化与完善仍有更大探索和挖掘的空间。

在运用人工智能（AI）、边缘计算技术和大数据技术的基础上，结合提供实时、高效、安全的数据，可为实现智能机器人巡检监测系统的进一步成长、
自主学习及未来的大数据应用打下坚实基础。

参考文献
[1]马颂德,张正友.计算机视觉--计算理论与算法基础[M].北京:科学出版社,2003.
[2]王丹,赵恒永,汪须忠.软件自动化生产线的研究与应用[J].计算机工程与设计,2005,12.
[3]子禹,邓万涛,等.基于面向对象的软件需求分析规范及实施方法研究[J].小型微型计算机系统,1998,7.
[4]士明,马秀军,唐建志.基于WebService 的远程监控[J].科学技术与工程,2010,19.
[5]赵争鸣,刘方,陈凯楠.电动汽车无线充电技术研究综述[J].电工技术学报,2016,20.
[6]阳明,袁辉建.远程电力设备在线红外测温系统[J].测控技术,2013,11.
（上接177页）
35kV/60MVar STATCOM 为例验证上述控制的合理性，该STATCOM 通过220kV/35kV 变压器接入220kV 系统，稳态闭环电压控制的波形如图5所示。

图5波形分别为35kV 侧三相线电压U SYS 、STATCOM 输出三相角内电流I S 、STATCOM 输
出总无功功率Q 以及高压侧电压有效值U GYC 。

该工程投运后，在现场开展了电压环控制验证试验，要求稳态响应时间在30ms 左右，试验波形如图6所示。

同时，为了验证该STATCOM 具备所需的故障穿越能力，能够在电网故障时对系统电压进行有效支撑，在220kV 输电线路上开展B 相人工接地短路试验，系统电压、STATCOM 输出电流以及STATCOM 输出无功波形如图7所示。

图7实验表明，STATCOM 在220kV 电网故障时能快速输出容性无功功率以支撑系统电压，响应时间小于30ms，故障恢复后能够快速稳定，对电网冲击很小。

实验表明STATCOM 综合控制策略合理，响应时间满足暂态过程的快速控制
要求。

参考文献
[1]Chavarria J,Biel D,Guinjoan F.Energy-balance control of PV cascaded multilevel grid-connected inverters under level-shifted and phase-shifted PW Ms[J ].I EEE Tra nsact ion on I ndust r ia l Electronics,2013,1.
[2]张崇巍,张兴.PWM 整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2003.
[3]杭丽君.一种可再生能源并网逆变器的多谐振PR 电流控制技术[J].中国电机工程学报,2012,12.[4]吴小丹,王翀,等.应用于直流换流站的百兆乏STATCOM 控制策略[J].电力电子技术,2016,50.[5]梅红明.角型链式STATCOM 的环流控制方法[J].中国电机工程学报
,2014,36.
图6 STATCOM 现场测试电压调节波形
图7 220kV 人工B 相接地试验波形。