矿用皮带机自动巡检装置设计与研究.pdf

第5期（总第2 40 期）2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O M A T I O NNo.5Oct.文章编号：16 7 2-6 413（2 0 2 3)0 5-0 19 5-0 2矿用皮带机自动巡检装置设计与研究王月清（山西焦煤西山煤电西铭矿，山西太原0 30 0 52）摘要：皮带机作为煤矿主要运输设备，需长时间连续运行，且工作负荷较大，极易发生皮带跑偏、断裂等事故，严重影响煤矿生产安全及效率。针对上述问题，提出了一种矿用皮带机自动巡检装置设计方案，采用多传感器融合技术及视觉检测系统实现对皮带机运行及环境参数的实时检测及皮带跑偏等故障的诊断，从而取代效率低下的人工巡视，可有效提高皮带机运行安全性及可靠性。关键词：矿用皮带机；自动巡检装置；控制系统；跑偏中图分类号：TP274文献标识码：B0引言矿用皮带机主要负责将井下原煤由综采面运输到提升井口，同时还可运送其他物资物料，是煤矿生产中最重要的运输设备。由于皮带机需要长时间高负荷运行，极易发生皮带跑偏、断裂、打滑等故障，存在极大安全隐患，因此需要按照规程每日进行巡检，保证其安全稳定运行-。传统巡检方式采用人工定时往返巡检，不仅费时费力，效率低下，而且部分皮带断裂等故障难以通过肉眼准确识别，极易发生漏检问题，给皮带机运行留下极大安全隐患。为此，本文提出了一种矿用皮带机智能巡检装置设计方案，通过多传感器融合技术及视觉检测系统替代人工巡检，实时采集皮带机运行状态参数及沿线环境数据，实现对皮带跑偏等故障的自动判断及报警，不仅大大降低了操作人员的劳动强度，同时也有效提高了巡检效率及可靠性。1皮带机自动巡检装置实施方案1.1自动巡检装置功能分析该自动巡检装置的设计目标是代替人工巡检完成对皮带机运行参数采集、工作环境状态监测及皮带跑偏等故障的检测识别，在设计过程中需针对井下通信状况差、巡检途中充电困难、因巷道复杂导致的定位精度差等问题进行充分考虑并提出相应解决方案。结合上述要求，井下皮带机自动巡检装置需具备以下功能：（1）皮带机运行状态及工作环境参数采集功能。自动巡检装置通过配备温湿度、气体检测、超声波测距等多种传感器对皮带机工况及周围环境参数进行实时检测，当出现超限异常时立即报警。（2）远程控制及通信功能。自动巡检装置通过无线网络可实现与地面监控平台的数据实时传输，通过对上位机控制系统的设计可在地面对巡检现场进行远程监控并实时显示监测数据。（3）高精度图像采集处理功能。通过对机器视觉系统的设计实现现场图像的高精度采集，针对皮带跑偏等故障采用数字图像处理技术进行图像特征提取。收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 7；修订日期：2 0 2 3-0 6-2 9作者简介：王月清（198 2-），男，山西静乐人，助理工程师，本科，主要从事煤矿智能化建设方面的工作。（4）完善的运动及定位功能。自动巡检装置采用巷道顶部运动方案，通过无极钢绳及伺服电机提供动力，并通过轴编码器实现装置的精确定位。1.2具体实施方案自动巡检装置的核心设计内容分别为运动系统、动力系统及定位系统三部分，下面针对这三个部分对其具体实施方案分别进行阐述。1.2.1自动巡检装置运动系统实施方案目前市面上常见的自动巡检设备以滚轮式、导轨式及履带式三种运动方式为主，由于本设备应用场景为井下狭窄巷道及上下坡、拐角处较多的路面，且巡检路线障碍物较多，滚轮式巡检设备在地面行走过程中易发生侧翻、碰撞等事故，因此难以满足要求；履带式巡检设备拥有更好的地面适应能力，但易对巷道沿线电缆及通风管路造成损坏；导轨式巡检设备悬挂于皮带机上方行驶，可最大程度地避免因地面障碍物较多及路面不平坦所带来的问题，同时针对皮带机的巡检路线较为固定，采用钢绳悬空牵引的方式更便于装置定位，因此本文选用钢绳导轨式运动方案对自动巡检装置进行设计。1.2.2自动巡检装置动力系统实施方案自动巡检装置的动力通常由以步进电机、直流电机或伺服电机等组成的电力拖动系统提供，受井下巷道复杂环境影响，在上、下坡及拐角处对电机调速性能要求较高，步进电机及直流电机因失步现象及负荷波动引起的转速变化剧烈等问题无法实现精确调速控制。而伺服电机因其具备闭环控制方式及大输出扭矩可有效解决上述问题，为巡检装置提供良好的调速性能，因此本文采用伺服电机作为巡检装置的动力源。1.2.3自动巡检装置定位系统实施方案目前巡检设备多采用GPS定位及RFID射频识别定位方式，由于皮带机巡检路线较长且深入井下，GPS信号无法全面覆盖，安装射频收发器的成本较高，因此两种定位方案均不适用于皮带机巡检装置。自动巡检:196本文采用转速定位法对巡检装置进行定位，将轴编码器安装于伺服电机上，通过编码器采集的电机转速及转向参数计算得到自动巡检装置当前位置，实现实时定位。2自动巡检装置及其控制系统设计按照实施方案具体要求，本文对自动巡检装置整体结构及电机、传感器等硬件设备进行设计与选型，自动巡检装置通过滚轮及无极钢绳悬挂于皮带机上方，通过调整伺服电机的正反转为无极钢绳提供向前或向后的牵引力，由钢绳牵引巡检机构前进或后退，其机械结构如图1所示。固定滚轮工移动巡检机构尾轮高清摄像头照明光源图1、皮带机自动巡检装置机械结构由图1可知，整个自动巡检装置由移动巡检机构、无极钢绳、驱动轮、尾轮、固定滚轮组成的运动轨道及伺服电机牵引机构组成。其中牵引机构由伺服电机、轴编码器、单片机控制器等设备构成，可通过上位机远程控制电机转速及转向，驱动巡检机构移动，轴编码器用于转速测量从而实现移动巡检机构定位。移动巡检机构是实现皮带机巡检功能的主要装置，主要由单片机主控模块、各类传感器组成的数据采集模块和高清摄像头及光源组成的现场图像采集模块组成，用于实现皮带机运行画面、环境参数及皮带机运行参数的实时采集，其硬件组成如图2 所示。移动巡检机构数据采集模块图像采集模块温湿度传感器烟雾传感器器图2.移动巡检机构硬件结构组成示意图自动巡检装置的远程控制及现场数据实时显示由其控制系统完成，自动巡检控制系统按照功能及部署位置可分为地面调控中心及现场监控部分。其中地面调控中心由上位机、应用服务器、以太网交换机及打印机等外围设备组成，通过上位机可实现巡检装置的远程控制及现场采集数据实时显示功能。现场监控部分由井下主控计算机、无线基站、路由器及自动巡检装置等组成，巡检装置通过无线网络与井下主控计算机实现通信，主控计算机通过工业以太网与地面调控中心上位机实现采集数据与控制指令的上传下达，自动巡检控制系统结构如图3所示。3针对皮带跑偏检测的图像处理研究Design and Study of Automatic Patrol Inspection Device for Mining Belt Conveyor(Ximing Mine,Shanxi Coking Coal Xishan Coal Electricity,Taiyuan 030052,China)Abstract:As the main transport equipment of coal mine,belt conveyor needs to operate continuously for a long time,and its workingload is large.It is very easy to cause belt deviation,fracture and other accidents,which seriously affect the safety and efficiency ofcoal mine production,To solve the above problems,this paper proposes a design scheme of automatic patrol inspection device formining belt conveyor,which adopts multi-sensor fusion technology and vision inspection system to realize real-time detection of beltconveyor operation and environmental parameters and diagnosis of belt deviation and other faults,thus replacing inefficient manualinspection,and effectively improving the safety and reliability of belt conveyor operation.Keywords:mining belt conveyor;automatic patrol inspection device;control system;deviation机械工程与自动化本文采用皮带机现场运行图像采集的方式对皮带跑偏等故障进行判断检测。将自动巡检装置运动轨道悬挂于皮带边缘上方，使皮带边缘位于巡检装置摄像头的视野中心，当皮带发生跑偏时，通过摄像头监测画面即可直接观测到皮带偏移方向及偏移量。为进一步提高成像清晰度并提取出皮带跑偏的具体图像特征，本文设计的图像采集处理方案为：首先对皮带机运行图像做灰度化处理，将图像每个像素点的RGB值统一为同一个灰度值，灰度化后的图像由三通道变为单通道，便于后期进一步的数据处理。灰度权值采用加权平均法获取，灰度值加权公式如下：伺服电机Gray(i,j)=0.212 6R(i,j)+0.7152G(i,j)+轴编钢绳无极工To瓦斯传感器超声波测距仪2023年第5期0.072 2B(i,j):码器其中;R(i,j)、G(i,j)、Bi,j)分别为图像中红、绿、蓝三基色分量；Gray(i,j)为灰度值。在对图像进行灰度驱动轮化处理后，进一步采用中值滤波法对图像进行滤波去噪，可在有效滤除高频细线状噪声及孤立噪点的同时基本保留图像的边缘特征，十分适用于皮带边缘跑偏检测场合，其计算公式如下：g(,y)=median(f(-k,-l)l(k,D)EW):其中：g(c,y)和f(,y)分别为处理后图像及原始图像；W为以点（，y)为领域的像素点的二维集合；k、l分别为距离中心像素的水平和垂直偏移量。地面控制中心服务器上位机外设交换机工业以太网井下主控计算机路由器无线基站单片机主控模块高清防爆摄像头高亮度照明光源装置图3自动巡检控制系统结构示意图4结束语本文提出了一种针对煤矿井下皮带机的自动巡检装置设计方案，通过钢绳悬挂式设计有效避免了巷道复杂地面情况给巡检带来的困难，可实时采集皮带机沿线工况及环境数据，并对用于跑偏检测的图像进行灰度化及滤波处理，进一步提高了检测精度，对于提高井下皮带机安全稳定运行具有一定意义。参考文献：1冯书文.带式输送机自动巡检机器人研究与应用 J.矿业装备，2 0 2 2(3）：2 6 9-2 7 1.2崔融融.带式输送机故障自动巡检机器人系统设计 .煤矿机械，2 0 2 1,42(3）：15-18.3张行，李伟，武倩平，等.新型带式输送机巡检机构系统设计.制造业自动化，2 0 15,37（6)：7 9-8 2.WANG Yue-qing