露天煤矿高压电气柜操作机器人.pdf

露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月国家 关于加快煤矿智能化发展的指导意见 中明确指出，煤矿智能化发展的任务和目标是煤矿生产全方位多维度信息融合感知，促进数字化“人机环管”高效协同，重点突破我国煤矿综掘的智能化快速掘进技术及装备，提高煤矿生产效率，推进绿色发展，实现煤矿智能化生产1。相关研究人员还进行了掘进机远程监控系统设计与位姿检测精度研究，煤矿掘进机器人虚拟仿真与远程控制系统研究，煤矿掘进机器人系统智能并行协同控制方法等研究。杨文娟等2研究了机器人基于激光成像特征的掘进机位姿视觉检测系统；张凯等3基于机器视觉技术，解决掘进机空间位姿的检测；葛世荣4对煤矿机器人现状及发展方向给出了相关指导意见；褚成成等5研究了煤矿救援机器人语音交互单元。对于煤矿地面生产系统，设备停送电作业危险性较大，作业次数较多，停送电工作出现了高频次、高集中、高强度、高风险的局面，加之停送电操作作业的特殊性，给停送电操作人员带来较大的安全风险，成为地面生产系统一大事故隐患。基于此，为了保证每一次停送电作业人员的安全，提高工作效率自主设计研发“开关柜智能操作机器人”6-8。1机器人结构设计人工停送电操作时不仅有安全风险，还存在以露天煤矿高压电气柜操作机器人翟昱博（神华北电胜利能源有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000）摘要：为了提升露天煤矿高压电气柜操作的安全性，杜绝人工误入带电间隔，以及能够全面巡检高压柜实时参数状态，研发了开关柜智能操作机器人；机器人通过4个驱动电机实现设备360毅自由移动，并在高精度传感器定位传感器的辅助下，实现对高压柜按钮精准定位。通过现场试验表明：机器人实现了高压柜远程停送电精准操作，提升了作业安全，提高作业效率。关键词：高压电气柜；机器人；高精度传感器；精准耦合；远程操作中图分类号：TD67文献标志码：B文章编号：1671-9816（2023）03-0044-04Operating robot of high voltage electrical cabinet in open-pit coal mineZHAI Yubo（Shenhua Beidian Shengli Energy Co.,Ltd.,Xilinhot 026000,China)Abstract:In order to improve the safety of the operation of the high voltage gas cabinet in the open pit coal mine,to prevent themanual error into the live interval,and to comprehensively inspect the real-time parameter status of the high voltage cabinet,theintelligent operation robot of the switch cabinet is developed.The robot through four drive motor equipment 360 degrees freemovement,and under the aid of high precision sensor positioning sensor,realize accurate positioning of high voltage cabinet button,through the field test shows that:the robot implements the high voltage cabinet remote stop sending accurate operation,improve theoperation safety,improve the operation efficiency.Key words:high voltage electrical cabinet;robot;high-precision sensor;accurately coupling;remote operation移动扫码阅读收稿日期：2022-06-08责任编辑：张夙作者简介：翟昱博（1995），男，内蒙古锡林郭勒人，硕士，2021 年毕业于白俄罗斯布列斯特国立技术大学，从事矿山设备电气设备维修方面的技术工作。DOI:10.13235/ki.ltcm.2023.03.012翟昱博.露天煤矿高压电气柜操作机器人 J.露天采矿技术，2023，38（3）：44原47.ZHAI Yubo.Operating robot of high voltage electrical cabinetin open-pit coal mine允.Opencast MiningTechnology,2023,38（3）:44原47.44露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月下几个问题：淤高频次的人工停送电操作，存在较大的安全风险；于停送电作业流程均需在线下完成，时常出现“申请难”、“找人难”、“审批难”，效率低下；盂现有的远程电动分合闸技术双热备，电气开关仍然属于待机状态，不是真正意义的冷备用，不符合电气安全操作规程。针对上述问题，进行机器人相关结构的设计。电气开关远程智能操作机器人设计遵循以下原则：淤不改变应用场所的所原有结构；于不改变操作对象的原有机构；盂整个作业过程均在实时监控下自行完成；榆线上一键申请、一键操作。开关柜智能操作机器人包括行走机构、执行机构和控制系统。行走机构包括2个前驱电机和2个后驱电机，前驱电机和后驱电机通过支架与车身底部固定连接，前驱电机和后驱电机的电机轴上固定连接有车轮。行走机构利用变频器对前驱电机和后驱电机进行驱动，驱动电机安装有制动器，保证在机器人到达指定位置时停车位置精确，不会因为惯性或执行动作时由于反作用力造成的位置偏移。电源部分包括充电逆变器与蓄电池、充电插口与充电桩，充电插头与充电桩通过弹簧自适应连接,行走机构结构如图1。车身上设有无轨纠偏装置6，通过行走机构移动到指定位置，转动节杆伸入高压配电柜的开关柜与开关钮配合后旋转，主要功能对高压动力柜进行冷备用热备用的转换，通过机器人代替人力，在完成大量停送电工作,又能保证作业人员安全,确保万无一失。无轨纠偏装置包括安装板、定滑轮和磁铁；安装板与车身底部固定连接，安装板远离车身一侧设有定滑轮，定滑轮水平设置，安装板远离车身一侧设有磁铁，磁铁最右侧与定滑轮最右侧的水平间距为2耀3 mm,如果机器人将要朝向高压配电柜一侧偏移，定滑轮会抵住高压配电柜下方，防止本装置向高压配电柜一侧偏移；如果机器人将要朝向远离高压配电柜一侧偏移，磁铁的磁力与高压配电柜之间的吸引力，会避免本装置向远离高压配电柜一侧偏移，保证机器人按既定轨迹行走。转动节杆为可伸缩限矩结构，节杆上设有机械扭矩限制器。转动节杆为可伸缩结构，插口与高压配电柜的开关相配合时，可避免插入时存在的微小误差使转动节杆损坏，节杆上设有机械扭矩限制器7，避免转动时产生误差，损坏插口和高压配电柜的开关。操作机构结构图如图2。控制系统包括：PLC和扩展模块，障碍激光传感器、减速激光传感器、电磁传感器、4个柜号识别激光传感器、前后激光传感器、编码器，后退零点传感器、下行零点传感器、上下定位传感器、高压接触器位置传感器。高压配电柜上吸附有用于辅助传感器精准定位的反射点。该系统在充电桩处接受指令，搜索任务目标，发现目标后，对任务目标进行状态检测，分析当前工作任务状态，分析正确，进入任务执行阶段，操作机构进行对位，判断转换开关是否为零，若为零，摇动手车，通过灯光传感器及视频识别系统判断手车位置，手车到位，转换开关位置，作业任务完成后自动返回充电桩。系统操作流程图如图3。2机器人主要功能1）热备转冷备。机器人接收到操作指令后，通过行走机构移动，搜寻到该任务所对应的高压柜并完成横向定位，然后启动检测机构，对对应高压柜进行当前状态及柜号检测，把检测结果上传至控制系统，控制系统根据任务指令与当前高压柜检测结果进行图 2操作机构结构图1耦合机构；2自适应机构。图 1行走机构结构图1前驱电机；2车轮；3步进驱动器；4后驱电机；5无轨纠偏装置。45露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月图 3系统操作流程图逻辑分析，判断该任务是否可以执行。无错误时开始执行操作动作，首先把转换开关由“远方”位转动至“零”位，然后通过纵向移动升降台搜寻检测位，完成纵向定位，前移操作台对操作杆与操作孔进行耦合，操作杆与操作孔达到满耦合后开始逆时针旋转，摇动高压柜接触器小车由工作位至试验位移动，当接触器小车到达试验位时，高压柜智能操控装置小车指示灯由垂直红色变水平绿色，检测台灯光检测系统识别到指示灯变化后，立即把检测结果上传至控制系统，控制系统判断接触器小车已到达试验位，立即停止操作杆转动，然后收回检测台与操作台。当检测台与操作台回到原点后，升降台再收回操作杆至升降台原点，检测台、操作台、升降台全部返回原点，控制系统根据任务指令进行判断该设备是否单驱或多驱，如果是多驱则启动行走机构移动，搜寻下一台高压柜，继续进行操作，如果是单驱则启动行走机构返回机器人原点，人机界面提示任务完成并进行充电。2）冷备转热备。机器人接收到操作指令后，通过行走机构移动，搜寻到该任务所对应的高压柜并完成横向定位，然后启动检测机构，对对应高压柜进行当前状态及柜号检测，把检测结果上传至控制系统，控制系统根据任务指令与当前高压柜检测结果进行逻辑分析，判断该任务是否可以执行。无错误时开始执行操作动作，首先通过纵向移动升降台搜寻检测位，完成纵向定位，前移操作台对操作杆与操作孔进行耦合，操作杆与操作孔达到满耦合后开始顺时针旋转8，摇动高压柜接触器小车由试验位至工作位移动，当接触器小车到达工作位时，高压柜智能操控装置小车指示灯由垂直绿色变水平红色，检测台灯光检测系统识别到指示灯变化后，立即把检测结果上传至控制系统，控制系统判断接触器小车已到达工作位，立即停止操作杆转动，把转换开关由“零”转动46露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月J.ElectronicJournalofGeotechnicalEngineering,2014,19:185-194.2 WINES D.A comparison of slope stability analyses intwoandthreedimensions J .JournaloftheSouthernAfricanInstitute of Mining and Metallurgy,2016,116（缘）:399-406.3 王东，姜聚宇，韩新平，等援褐煤露天矿端帮开采边坡支撑煤柱稳定性研究 允 援中国安全科学学报，圆园员苑，圆苑（员圆）：远圆原远苑援源 焦晓亮，周永利，田宇，等援基于端帮开采的边坡稳定性及巷道布置形式优化研究 允 援煤矿安全，圆园圆员，缘圆（愿）：圆猿猿原圆猿愿援缘 董慧援 端帮采煤对露天矿边坡稳定性影响研究 阅 援阜新：辽宁工程技术大学，圆园员源援远 丁鑫品，李绍臣，王俊，等.露天矿端帮煤柱回收井工开采工作面推进方向的优化 允 援煤炭学报，2013，38（11）：1923-1928.苑 侯成恒援安家岭矿端帮煤开采边坡稳定性分析与控制允 援煤矿安全，圆园圆圆，缘猿（苑）：圆猿缘原圆源园援愿 李奇奇，康庆微援新疆天池能源南露天矿南端帮边坡稳定性研究 允 援露天采矿技术，圆园员怨，猿源（源）：缘怨原远猿援怨 张鹏援 露天煤矿高边坡风险评价模型的构建及应用研究 阅 援北京：中国矿业大学（北京），圆园员8援员园 黄天爽，赵铭芳，轩峰，等援端帮开采技术在露天煤矿的应用 允 援露天采矿技术，圆园圆园，猿缘（缘）：远怨原苑员援员员CHE 在澡葬燥曾怎藻，YANG 匀燥灶早援 粤责责造蚤糟葬贼蚤燥灶 燥枣 燥责藻灶原责蚤贼葬灶凿 怎灶凿藻则早则燥怎灶凿 皂蚤灶蚤灶早 贼藻糟澡灶燥造燥早赠 枣燥则 则藻泽蚤凿怎葬造 糟燥葬造 燥枣藻灶凿 泽造燥责藻泽 允 援 酝蚤灶蚤灶早 杂糟蚤藻灶糟藻 葬灶凿 栽藻糟澡灶燥造燥早赠，圆园员园，圆园（圆）：圆远远原圆苑园援（上接第43页）至“远方”位，然后收回检测台与操作台，当检测台与操作台回到原点后，升降台再收回操作杆至升降台原点，检测台、操作台、升降台全部返回原点，控制系统根据任务指令进行判断该设备是否单驱或多驱，如果是多驱则启动行走机构移动，搜寻下一台高压柜，继续进行操作，如果是单驱则启动行走机构返回机器人原点，人机界面提示任务完成并进行充电。3）故障报警。机器人共设有8组故障报警和1组报警提示：分别为机器人搜寻目标失败、柜号识别错误、逻辑错误、输入指令错误、检测台过位、操作台过位、升降台过位、手车到位故障、手车卡涩报警。淤机器人搜寻目标失败：在规定的时间内未搜寻到目标，执行回原点且人机画面提示故障原因；于柜号识别错误：搜寻到目标后，检测到柜号与输入任务设备不对应，执行回原点且人机画面提示故障原因；盂逻辑错误：搜寻到目标状态与输入任务逻辑不符，执行回原点且人机画面提示故障原因；榆输入指令错误：不管任何任务，只要检测到接触器小车处于合位时，不允许任何操作，执行回原点且人机画面提示故障原因；虞过位：过位传感器有信号进入控制系统，执行回原点且人机画面提示故障原因；愚手车到位故障：操作杆转动圈数超过既定数且未检测到到位信号，记忆并执行回原点且人机画面提示故障原因；舆手车卡涩报警：操作杆转动圈数超过既定数，能检测到到位信号，记忆并任务完成后提示报警内容。4）视频采集存储功能。机器人具有实时视频采集存储功能，远程可以清晰查看现场配电柜运作状态，远程操作时，发现异常可立即采取紧急停止命令。3结语以停送电机器人为研究背景，机器人实现功能为研究基础，重点研究了机器人控制机构的设计以及操作程序，达到了机器人精准操作的目的。远程智能操作机器人系统能够实现并行协同智能控制，便于现场人员对机器人的控制管理，促进了煤矿机器人的智能化发展。参考文献：员 王国法，任怀伟，赵国瑞，等援煤矿智能化十大“痛点”解析及对策 允 援工矿自动化，圆园圆员，源苑（远）：员原员员援圆 杨文娟，张旭辉，马宏伟，等援悬臂式掘进机机身及截割头位姿视觉测量系统研究 允 援煤炭科学技术，圆园员怨，源苑（远）：缘园原缘苑援猿 张凯，田原，贾曲援机器视觉在煤机装备中的应用现状与趋势 允 援煤矿机械，圆园圆园，源员（员圆）：员圆猿原员圆缘援源 葛世荣援煤矿机器人现状及发展方向 允 援中国煤炭，圆园员怨，源缘（苑）：员愿原圆苑援缘 褚成成，葛世荣，朱华，等援煤矿救援机器人语音交互单元设计 允 援煤矿机械，圆园员园，猿员（源）：员原猿援远 张敏骏，臧富雨，吉晓冬，等援掘进机远程监控系统设计与位姿检测精度验 允 援煤炭科学技术，圆园员愿，源远（员圆）：源愿原缘猿援苑 张旭辉，陈利，马宏伟，等援煤矿掘进机器人拟仿真与远程控制系统 允 援工矿自动化，圆园员远，源圆（员圆）：苑愿原愿猿援愿 马宏伟，王鹏，王世斌，等援煤矿掘进机器人系统智能并行协同控制方法 允 援煤炭学报，圆园圆员，源远（苑）：圆园缘苑原圆园远苑援47