煤矿井下变电所机器人智能巡检系统的设计和应用
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煤矿井下变电所机器人智能巡检系统的
设计和应用
摘要:本文分析介绍了煤矿井下变电所机器人智能巡检系统实现的目标、实
现的功能、结构与原理、机器人行走轨道系统的设计布置,以及机器人系统的设计。
关键词:煤矿井下变电所;智能机器人;巡检系统;设计与应用
引言:煤矿井下变电所都布置高低压配电柜、变压器、馈电开关等设备,以
保障煤矿安全生产的需要,也是一个核心场所。
许多煤矿对变电所进行综合自动
化技术的不断升级、改造,以实现远程集中监控,其根本目的也就是保障安全生产。
设计运用机器人智能巡检系统,所能实现的功能就远超于升级改造了。
即使
传统的监控方式,通常采用人工巡检或固定摄像头定点监视,这都存在较大的安
全管理漏洞。
人工巡检浪费人力,效率低下,易巡检不全面和不及时问题,还对
人身安全有威胁;固定摄像头定点监视范围有限,投入较多的摄像头,在图像切换、监视、存储上量大,布线也多,功耗大,维护困难等。
1.煤矿井下变电所机器人智能巡检系统实现的目标
井下运用机器人作业,实现的目标主要在以下几点:①巷道掘进、巷道支护、采煤和运输等作业;②利用机器人日常监测和维护,并对环境、设备进行监测。
③矿难事故处理和救援,机器人可进入事故现场进行环境探测、受灾人员搜救、
事故处理等作业。
总之,运用机器人智能巡检系统,可增加变电所设备事故探知
能力,提高设备操作的安全性,提升运行管理水平。
2.机器人智能巡检系统实现的功能
按照变电所智能化巡检要求,结合巡检人员日常工作任务,设计系统的功能:①设备状态智能巡检。
其巡检机器人支持全自动巡检和遥控巡检模式。
全自动包
括常规巡检与联动巡检。
常规巡检时,机器人系统按预先设定的任务内容、时间、路径等参数信息,自动启动并完成;联动巡检时,因自动化系统产生的指令(如
分合闸、故障等),机器人对巡视点设备自主完成巡检任务。
遥控巡检可由操作
手动遥控完成。
②设备状态检测。
其巡检机器人将视频图像,瓦斯和烟雾浓度等
检测信息发回上位机。
出现异常情况时,停止巡检并驻留在异常设备坐标处,同
时在现场和上位机发出报警,待消除后可人为控制继续巡检。
③视频监控。
系统
搭载高清可见光摄像头和全景云台,可实现运动过程中的视频巡检。
④系统自检。
具备自检功能,含机器人本体电源、动力驱动模块、通信模块和感知设备等的检测,系统发生异常状况时能立即报警,并上传故障信息到上位机工作站。
⑤数据
远传通信。
采用网络传输方式实现机器人与上位机间的通讯,实现巡检和自检数
据的传输,以及上位机对系统运动控制命令的传输。
⑥信息集中管理。
智能巡检
系统可进行巡检机器人联动管理,机器人能正确接收和执行上位机的控制指令,
并实现高清摄像头云台转动,正确反馈机器人运动状态、供电系统状态和设备巡
检状态等信息,及时上报各类检测和报警信息。
⑦系统融合。
巡检系统的数据可
通过协议转换融入到自动化控制系统,实现自动化集中控制系统对机器人智能巡
检系统的完全接管,形成统一的智能化管理平台。
⑧智能终端监控软件。
智能终
端控制软件能与巡检机器人通信,显示机器人发送的视频及各类巡检数据,并能
下发控制指令,控制巡检方式、运动方向,设置各传感器的报警阈值等。
该软件
平台完全融合到煤矿自动化系统。
现场采集的各类信息上传至服务器,平台可计算、存储、安全资源,保障系统稳定运行。
监管人员可通过移动端APP对巡检机
器人随时访问,支持查看现场等情况。
报警信息能发送到移动终端。
⑨人脸识别。
将系统与供配电联锁,停送电时对操作者面部信息识别比对,通过或系统授权人
才可供配电设备操作,这能保证安全技术措施的落实。
⑩语音对讲。
机器人本体
搭载相应的高清拾音器和扬声器,在紧急状态时地面工作站与其可半双工对讲,
方便指挥及命令下达。
⑾机器人避障。
在系统感知运行路径上的障碍物,前方安
全距离内,停止巡检,并在上位机发出避障报警、提示。
3.煤矿井下变电所机器人智能巡检系统结构与原理
井下机器人智能巡检系统,它主要由供电、通讯、行走轨道、地面工作站、
机器人系统所构成与工作原理(见图1所示)。
①变电所设备。
高压供电柜、低
压配电设备、PLC系统、工业网络及设备等组成变电所设备。
其中高压供电柜是
向各采区高压供电电缆馈出的设备;低压配电设备主要是照明信号综合保护装置、馈电开关、启动器等;PLC系统则是实现数据采集上传和远程集中控制设备;工
业网络则是数据采集传输、远程监控、通信联络的主通道。
②机器人供电系统。
其由变压器、远程控制模块、可控开关和供电电缆组成。
机器人供电系统则是将
动力电源通过变压器降压后由电缆向机器供电的系统,地面工作站通过控制模块
对可控开关的分合闸控制,进而实现对机器人系统远程停送电。
③通讯系统。
包
括电力载波模块、以太网模块和交换机。
电力载波模块是利用供电缆线实现机器
人系统数据传输,以太网模块转换为EtherNet/IP协议,交换机进入工业网络上
传到地面数据存储服务器。
④行走轨道系统。
包括H型钢轨道、轨道托架、机器
人供电电缆线槽、限位磁铁装置。
轨道托架能将H型钢轨道悬架在煤壁,起支撑
和吊挂;H型钢轨道用于承载机器人沿固定线路平稳运行;电缆线槽则是机器人
供电缆线在槽内折叠拖动行走的;限位磁铁则是安装在H型钢轨道首末端的永磁铁,为识别位置提供磁信号,防止滑出轨道。
⑤地面工作站。
含远程操作软件平台、数据存储服务器。
前者是机器人远程监控的人机界面,可实时查看运行状态
和巡检数据,可调取服务器历史存储数据和调整机器人程序与参数,并可对机器
人实施远程接管。
⑥机器人系统。
含高清摄像头和云台、行走动力模块、缆线拖
动装置、电力载波模块、气体检测仪器、防撞避障等。
高清摄像头和云台包含高
清可见光摄像头、红外热成像摄像头和360°全景旋转云台,是该系统的感知装置;行走动力模块含驱动电机、胶轮和编码器,驱动电机是机器人行走动力源,
胶轮是带动机器人在轨道平稳行走的装置,而编码器是监测机器人行走距离确定
坐标位置的装置;电力载波模块是利用供电缆线实现数据传输的模块;气体检测
仪是对变电所现场环境中CH4、CO、O2等浓度检测,数据可通过电力载波模块上
传地面;避障装置则是探测行走路线上障碍物的,在前方有障碍时立即停止驱动
电机运行,以避免碰撞,保障安全。
4.机器人行走轨道系统的设计布置
①设备分布。
井下变电所设备一般呈直列式排列,供配电设备的观察窗与盖
体统一朝检修通道方向。
高低压配电设备直列分布,巡检机器人可悬吊在检修通
道一侧。
②轨道系统设计。
在设备观察窗方向安装水平直线轨道,机器对设备巡
检可全覆盖。
因H型钢轨和防爆机器人质量大,行走中易晃动,可在煤壁打锚杆
固定轨道托架,以支撑悬吊钢轨,保证稳定运行。
5.机器人系统的设计
机器人前进与后退方向各安装一套避障装置。
对此机器人系统设计需要注意
的问题如下:①防爆要求。
机器人系统在井下作业,必须严格执行《煤矿安全规程》和《爆炸性气体环境用电气设备》规定,符合防爆要求。
②行走与坐标定位。
本机器人系统由动力模块驱动实心胶轮带动其本体在H型钢轨上行走,位移监测
采用光电脉冲编码器,轨道首端安装复位磁铁,将编码器位移坐标清零。
从轨道
首端向末端行走,由编码器确定位移量,进而完成坐标定位。
③供电系统设计。
它包括变压器、远程控制模块、可控开关和供电电缆。
动力电源通过变压器降压
后供给机器人供电的系统,地面站通过控制模块对可控开关的分合闸进行控制,
以实现对机器人系统远程停送电功能。
机器人供电系统见图2所示。
④机器人通
讯系统。
机器人系统与配电柜间最远距离约150m,线路载荷小,机器人系统可采
用电力线载波通讯方式,不要铺设通讯缆线或无线通讯基站。
电力载波模块带宽100M,频段为2~12MHz。
⑤机器人视频监控。
机器人系统搭载高清可见光摄像头
和全景云台。
巡检中行走到待巡检设备坐标处,全景高清摄像头会旋转至预置点,对设备运行状态信息视频巡检,结果上传到上位机工作站,软件识别分析。
高清
摄像头巡检过程,是由地面视频服务器保存录像的。
结束语:①机器人智能巡检系统运行安全可靠,能自主巡检,进而提高了设
备出故障的发现概率。
可实现反复巡检,设备状态连续、动态的数据采集和存储。
②停送电后的变电所高低压配电设备,经过巡检系统视频信号的二次确认,大大
提高了安全性。
同时,可对操作人员的面部信息识别和比对,以保障停送电安全。
③系统可对变电所全范围无死角巡检,能有效监控操作的规范性。
异常状态的检测,可将信息及时向相关人员推送,故障判断和排查的多维度信息记录,在很大
程度上提高了设备运行的安全可靠性,避免不必要的损失。
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