皮带运输机巡检机器人数据处理系统设计与实现.pdf

第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()皮带运输机巡检机器人数据处理系统设计与实现魏学平(山西焦煤集团有限责任公司 东曲煤矿,山西太原 )摘要:数据处理系统是皮带运输机巡检机器人控制系统的核心,为保证巡检机器人安全、高效、稳定运行,在分析皮带运输机巡检机器人特征的基础上,设计了基于S TM 控制器的巡检机器人数据处理系统.重点介绍了数据处理系统的总体设计以及软、硬件设计方案,并进行了试验室验证.验证结果表明:设计并实现的巡检机器人数据处理系统满足设计要求,可保障皮带运输机巡检机器人高效、安全运行.关键词:皮带运输机;巡检机器人;数据处理系统中图分类号:T P T P 文献标识码:A收稿日期:;修订日期:作者简介:魏学平(),男,甘肃榆中人,助理工程师,本科.引言皮带运输机具有连续运输量大、运载能力强、运输距离长的特点,广泛应用于煤矿、港口码头等行业.皮带运输机安全、高效、连续、稳定运行是煤矿开采、转运等工作的重要保障,用于煤矿井下的皮带运输机运行环境恶劣,运行强度大、时间长,安全问题尤其突出.因此,对皮带运输机运行状态进行巡检、故障预警、过程监测、环境参数采集对于提升煤矿安全作业系数、保障煤矿井下安全生产具有重要意义.皮带运输机巡检机器人可代替人工巡检,改善人工巡检效率低、检查不及时等问题.皮带运输机巡检机器人本体可分为数据采集系统、定位系统、供能系统和通讯系统等.数据采集系统是皮带运输机巡检机器人本体的关键系统之一,负责采集运行巷道信息、完成实时监控功能.本文根据皮带运输机巡检机器人的特征,设计了基于S TM 控制器的巡检机器人数据处理系统,实现巡检机器人的安全、高效、稳定运行.皮带运输机巡检机器人特征分析皮带运输机巡检机器人具有运行空间狭小、地形复杂、距离长、环境恶劣、干扰信号多、布线困难等特点.皮带运输机巡检机器人工作时,需周期性地巡检的项目有:输送带打滑、托辊故障、运输巷道环境、堆煤与大矸石风险、机架故障、驱动装置异常、跑偏/横断/纵撕等.根据不同巡检项目的特征,巡检方法有烟雾检测、温度检测、湿度检测、气体检测、视频监控、图像识别和声音采集等,.对检测指标设置报警阈值,将报警阈值与皮带运输机的故障特征进行关联,实现有效发现安全隐患、完成巡检任务的目的.皮带运输机巡检机器人数据处理系统总体设计设计皮带运输机巡检机器人数据处理系统时需满足适应性强、可靠性高、模块化及煤矿井下安全规程的原则.皮带运输机巡检机器人数据处理系统总体结构框图如图所示.以S TM F R C T 单片机为主控制器,扩展温湿度传感器、矿用摄像仪、振动传感器以及不同类型的气体传感器,实时采集数据并传送至主控制器,并在本地显示屏进行实时显示;还可通过W I F I无线传送模块将采集到的数据无线传送至远端上位机,在上位机开发的客户端中进行实时显示;同时还需设计控制器 V、V供电电路.图皮带运输机巡检机器人数据处理系统总体结构框图数据处理系统硬件设计皮带运输机巡检机器人数据处理系统的核心硬件包括 控 制 器 以 及 甲 烷、烟 雾、温 湿 度 传 感 器 等.S TM F R C T 控制器采用A RM C o r t e xTM M 内核,内部集成了A D C转换电路、定时器电路、液晶显示电路、多种UA R T、S P I、IC等通讯电 路,支持I S P、J T AG接口,具有低功耗、高性能、低成本的优点,满足皮带运输机巡 检机器人数 据处理系统 设计要求.皮带运输机巡检机器人数据处理系统采用的传感器见表.甲烷传感器以串口通讯模式与控制器进行数据交互,具有分辨率高、响应快、功耗低的特点.一氧化碳传感器以三线制接线方式与控制器连接,设计低漂移放大电路对C O传感器输出信号进行放大,接入控制器电压采集通道.烟雾传感器以二线制接线方式与控制器连接,设计烟雾传感器输出信号采集与转换电路,将电导率转换成与该气体浓度相对应的输出电压信号,接入控制器电压采集通道.二氧化碳传感器以UA R T异步串行通讯模式与控制器进行数据交互,具有相应速度快、抗水汽干扰的特点.温湿度传感器以IC通讯模式与控制器进行数据交互,采用P T F E薄膜防护罩,防水防尘等级较高,保证了传感器的精度和性能.振动传感器可直接安装于皮带运输机表面,直接感应托辊振动,输出为mA mA电流信号,正比于测量振动大小.上述传感器的供电电压均为D CV,所有传感器数据由S TM F R C T 控制器的A D C模块进行处理.矿用红外摄像仪为 万像素,在低环境照度下画面清晰,并可将采集到的实时图像转换为T C P/I P信号传送至控制器.表皮带运输机巡检机器人数据处理系统采用的传感器名称型号工作原理用途甲烷传感器MH D红外吸收气体检测技术采集巷道内甲烷数据一氧化碳传感器ME C O还原释放电荷并产生电流,电流大小与C O浓度成正比采集巷道内C O数据烟雾传感器MQ 气敏材料导电率与浓度、输出电阻关系原理采集巷道内烟雾数据二氧化碳传感器MH Z 非色散红外原理检测方案采集巷道内C O数据温湿度传感器S HT 金属膨胀及湿敏电阻原理采集巷道内温湿度数据矿用红外摄像仪K B A (C)全彩A I摄像固件采集带面异物、损伤等振动传感器D Z X E X 压电元件感应振动原理采集托辊振动数据数据处理系统软件设计皮带运输机巡检机器人数据处理系统软件设计基于K e i lV i s i o n 软件开发环境,采用C语言编程实现,并完成编辑、编译、连接和调试等软件开发流程.数据处理系统软件需完成的功能有:传感器信号的采集、分析与处理;A D C电压采集和模数转换;IC通讯、UA R T通讯连接的建立与维护;数据本地存储以及本地显示;W I F I无线通讯及数据透传.根据数据处理系统需完成的功能进行软件模块划分,主要有主程序模块、传感器数据分析与处理模块、通讯模块、显示屏模块和上位机模块等.主程序流程如图所示,传感器数据分析与处理流程如图所示.图主程序流程图传感器数据分析与处理流程数据处理系统试验为验证设计的皮带运输机巡检机器人数据处理系统的正确性,搭建了试验平台,对传感器数据采集与处理、数据传输、客户端数据显示等功能进行了测试.皮带运 输 机 巡 检 机 器 人 数 据 处 理 系 统 试 验 平 台 由S TM 控制器、本地显示屏、W I F I模块以及C O、烟雾、温湿度、甲烷、C O传感器组成,如图所示,本地显示屏显示的各传感器数据信息采集如图所示,模拟的上位机客户端显示界面如图所示.图中,H为湿度,T为温度,S MO为烟雾.该数据采集系统能够实时、稳定地采集各传感器数据信息,数据准确率达 ,满足皮带运输机巡检机器人数据采集系统设计要求.模拟的上位机客户端显示界面距数据采集系统约 m,经W I F I无线模块传输后,远程上位机接收到的数据与客户端显示的数据一致.图皮带运输机巡检机器人数据处理系统试验平台图各传感器数据信息采集测试结语本文根据皮带运输机巡检机器人运行特点,设计了一种基于S TM 控制器的巡检机器人数据处理系统,解决了传统巡检机器人数据处理延时长,无法实现远程传输的问题.搭建试验室环境测试平台,对设计并实现的巡检机器人数据处理系统进行了试验,试验结果表明,该巡检机器人数据处理系统可保障皮带运 年第期魏学平:皮带运输机巡检机器人数据处理系统设计与实现输机安全、高效、稳定运行.图上位机客户端显示界面参考文献:肖华明,孙士娇,曹连民矿用带式输送机新技术应用前景分析J工矿自动化,():江新奇,刘敬玉,李忠飞,等煤矿巡检机器人智能传感与控制系统设计研究J煤炭工程,():张树生,马静雅,岑强,等煤矿综采工作面巡检机器人系统研究J煤炭科学技术,():张涛,吴高镇带式输送机故障巡检机器人系统设计J工矿自动化,():方崇全煤矿带式输送机巡检机器人关键技术研究J煤炭科学技术,():李鑫,寇子明,梁富伟,等长距离复杂工况带式输送机巡检机器人系统J煤炭工程,():D e s i g na n dI m p l e m e n t a t i o no fD a t aP r o c e s s i n gS y s t e mf o rB e l tC o n v e y o r I n s p e c t i o nR o b o tWE IX u e p i n g(D o n g q uC o a lM i n e,S h a n x iC o k i n gC o a lG r o u pC o,L t d,T a i y u a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ed a t ap r o c e s s i n gs y s t e mi s t h ec o r eo f t h ec o n t r o l s y s t e mo f t h e i n s p e c t i o nr o b o t f o rb e l t c o n v e y o r I no r d e r t oe n s u r et h es a f e,e f f i c i e n t a n ds t a b l eo p e r a t i o no f t h e i n s p e c t i o nr o b o t,t h ed a t ap r o c e s s i n gs y s t e mo f t h e i n s p e c t i o nr o b o tb a s e do nS TM c o n t r o l l e r i sd e s i g n e db a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e i n s p e c t i o nr o b o t f o rb e l tc o n v e y o r T h eo v e r a l ld e s i g na n ds o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h ed a t ap r o c e s s i n gs y s t e m a r ei n t r o d u c e d,a n dt h el a b o r a t o r yv e r i f i c a t i o ni sc o m p l e t e d T h ev e r i f i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e dd a t ap r o c e s s i n gs y s t e m o ft h ei n s p e c t i o nr o b o t m e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dc a ne n s u r e t h ee f f i c i e n t a n ds a f eo p e r a t i o no f t h e i n s p e c t i o nr o b o to f t h eb e l t c o n v e y o r K e y w o r d s:b e l t c o n v e y o r;i n s p e c t i o nr o b o t;d a t ap r o c e s s i n gs y s t e m(上接第 页)陈婷,李永科,邓小红,等基于微控制器的语音电子秤设计J信息通信,():张波,王晨阳,徐传旭,等基于S T C C 和HX 的电子秤设计J现代信息科技,():,梁小洁,张薇,罗重阳,等基于单片机的电子秤设计J电子设计工程,():唐凯基于单片机的语音播报电子秤设计J电子制作,():,D e s i g no fP o r t a b l eE l e c t r o n i cS c a l eB a s e do nS i n g l eC h i pM i c r o c o m p u t e rT O N G M i n(S h a a n x i I n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,X i a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h et r a d i t i o n a ld e s k t o pe l e c t r o n i cs c a l ei sl a r g ei ns i z e,h i g hi nc o s t,i n c o n v e n i e n tt oc a r r y,a n dt h e r ea r e m a n yi n c o n v e n i e n c e s i na c t u a l u s e Ap o r t a b l ee l e c t r o n i cs c a l eb a s e do ns i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r i sd e s i g n e d T h er e s i s t a n c es t r a i nt y p ew e i g h i n gs e n s o r i su s e dt oc o l l e c t t h es i g n a l,w h i c h i sa m p l i f i e db y t h ev o l t a g ea m p l i f i e r c i r c u i t,a n dt h e nt h ed i g i t a l s i g n a l i ss e n t t ot h e s i n g l e c h i pc o m p u t e r t h r o u g hA/Dc o n v e r s i o n T h e s i n g l e c h i pc o m p u t e r c a l c u l a t e s t h ew e i g h t o f t h e c u r r e n t i t e ma f t e r c a l c u l a t i o na n dd i s p l a y s t h er e s u l t s A f t e rc o m p r e h e n s i v ed e b u g g i n g,t h es y s t e mr u n ss t a b l ya n dr e l i a b l y,w h i c hh a sc e r t a i nr e f e r e n c ef o rt h ed e s i g no f s i m i l a rp r o d u c t s K e y w o r d s:s i n g l ec h i pc o m p u t e r;e l e c t r o n i cs c a l e;p r o t a b l e(上接第 页)D e s i g no f I n t e l l i g e n t S u b s t a t i o nM o n i t o r i n gS y s t e mi nC o a lM i n eJ I A N GX i a o x i n g(D o n g q uC o a lM i n e,S h a n x iC o k i n gC o a lX i s h a nC o a lE l e c t r i c i t yC o,L t d,G u j i a o ,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h ev i e wo ft h ep r o b l e mt h a to p e r a t i o na n d m a i n t e n a n c eo fc o a lm i n es u b s t a t i o ns t i l ln e e d m a n u a lp a r t i c i p a t i o n,am o n i t o r i n gs y s t e mo fc o a lm i n ei n t e l l i g e n ts u b s t a t i o ni n t e g r a t i n gc o n t r o l,m o n i t o r i n g,c o mm u n i c a t i o na n dp r o t e c t i o ni sd e s i g n e d B a s e do n t h e a n a l y s i so f t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so f i n t e l l i g e n t s u b s t a t i o ns y s t e mi nc o a lm i n e,t h ep a p e r f o c u s e so n t h ed e s i g ns c h e m eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fs u b s t a t i o n m o n i t o r i n gs y s t e m w i t hS TM F V C T c o n t r o l l e ra st h ec o r e U s i n gt h ef o u r l a y e rs t r u c t u r ed e s i g n,t h em o n i t o r i n gd a t ao f t h es u b s t a t i o nc a nb eu p l o a d e dt ot h em o n i t o r i n gt e r m i n a l t h r o u g ht h eW I F I/Gn e t w o r k,w h i c hc a nr e a l i z e t h er e m o t em o n i t o r i n go f t h eWE Bw e bp a g e,r e a l i z e t h eu n a t t e n d e do f t h e s u b s t a t i o n,a n d f i n a l l yc o m p l e t e t h e t e s tv e r i f i c a t i o n T h ev e r i f i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e di n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e mo fc o a lm i n es u b s t a t i o nm e e t s t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s,a c h i e v e s t h ep u r p o s eo fu n a t t e n d e d,a n d i m p r o v e s t h e i n t e l l i g e n t l e v e l o f t h es u b s t a t i o n K e y w o r d s:s u b s t a t i o n;i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l s y s t e m;h a r d w a r e;s o f t w a r e机 械 工 程 与 自 动 化 年第期