露天输送带智能巡检系统设计

国能珠海港务有限公司 刘寿恩

输送带在工业领域被广泛应用，尤其是散货行业。输送带具有结构简单、运输效率高等突出优点，但也存在故障影响大，故障维修时间长，维修成本高昂等问题。为了降低输送带的故障率，实现设备状态的动态、科学监测，本文以某散货码头为例，对输送带的运行特性进行了观测，对输送带典型故障及其成因进行分析，并结合环境保护及安全防护等需要，对露天输送带智能巡检系统的功能及结构进行研究，对各功能部件及使用环境适应性为系统的优化设计提供参考。

1 背景

1.1 设备现状

某散货码头主要业务为煤炭的储备及中转，年吞吐量将近4000万吨。该码头物料输送系统共配备34条输送带，水平机长超过22公里，带宽分别为1.6m、2m。由于该码头为专业化码头，具有作业量大、周转率高、设备使用率高的特点，物料输送系统，尤其是输送带运行的稳定性对生产保障具有重要意义。

目前该码头所有输送带的巡检采用人工巡检的方式，均未配备智能化巡检系统，日常主要通过人工定时、定点巡检的方式进行输送带状态监测及管理。人工巡检作业劳动强度高，监测精度低，无法实现设备状态的量化分析及判断，且存在一定的安全隐患。

1.2 开发目标

通过对输送带的运行环境及工况进行综合分析，开发一套输送带智能巡检管理系统，通过恶劣环境下机器人系统可靠性技术、图像/热像采集与智能分析技术、机器深度学习技术、危险预测产生报警信号技术、故障诊断与设备联动控制技术、多传感器信息融合技术等先进技术的高度融合，实现输送带的全天候、全方位、智能化巡检管理的目标。

系统应具备设备缺陷智能产生报警信号、设备状态智能巡检、图像/热像智能识别、大数据分析、数据通信、系统集中远程管理、自主无线充电、自主安全避障、声音检测及声谱分析等功能。并可以通过远程通信方式向码头中控控制系统报警，实现故障状态时人工操作选择停机或自动停机等应急处理方式[1]。

2 输送带智能巡检系统的监测要素

2.1 环境及安全监测

2.1.1 作业现场粉尘检测

输煤沿线粉尘主要为煤粉，环境中粉尘浓度过高，存在环境污染和职业病风险，对环境粉尘浓度进行实时监测非常重要。巡检系统应配置合适量程的粉尘传感器，超过标准限值时，智能巡检系统能主动产生报警信号，实时监测粉尘浓度变化，收集粉尘变化大数据，辅助作业现场粉尘治理管理决策。

2.1.2 作业现场烟雾检测

由于煤尘堆积、环境温度高、设备故障局部发热等因素，输送带沿线会存在一定的火灾风险。为了及时发现初起火灾，巡检系统应能检测现场烟雾浓度，并可对报警限值进行设定，传感器检测烟雾浓度达到限值后会主动产生报警信号，并将现场监控视频红外测温数据发送至监控平台，辅助工作人员决策，按需进行局部巡检。

2.1.3 安全防护

输送带在启动前及运转过程中，一旦发生人员及异物的闯入，将会造成严重后果。巡检系统应能及时判断输送带附近或输送带上是否有未经允许的人员或其他异物出现，发现有人出现在输送带被检测范围内时及时产生报警信号，请求控制室进行人工干预，实现动态管理。

2.2 输送带的运行状态监测

2.2.1 输送带撕裂监测

输送带撕裂是输送带设备最严重的故障之一，综合分析，输送带纵向撕裂的主要原因为:

（1）物料卡压导致撕裂。该类型故障一般发生于溜槽的下部，溜槽的前沿与输送带之间的距离较窄，承载力的强度不均匀。如果大块尖利物料卡在输送带和溜槽之间不能脱离，极易造成输送带撕裂。

（2）异物穿刺导致撕裂。两条衔接的输送带转运点存在一定的高度差，如果物料中混入的尖锐异物过长，从高处坠落进入下游输送带，就会造成输送带的整段撕裂。

2.2.2 输送带跑偏监测

输送带在运行过程中，由于落料点变化、物料特性变化等原因，易出现跑偏现象。输送带跑偏易导致物料洒落、输送带边部损伤等后果。

系统应能实现输送带跑偏检测，对输送带跑偏进行量化识别，识别出输送带偏移量，对输送带跑偏趋势进行提前预判，辅助人工决策。相关检测数据也可以作为输送带自动纠偏装置研发的依据。

2.2.3 输送带传动、转动件温度实时监测

输送带各传动件、转动件的轴承在长期使用过程中，会逐渐老化，损坏风险也会逐渐增大，系统应能实现对此类部件温度的实时监测，并生成趋势分析，辅助设备故障预判，对于超过阈值设置的温度信号能及时发出警报信号。

2.2.4 噪声监测与声谱分析

机械部件老化、磨损后，运转噪音一般都会出现变化，听音也是人工巡检的一个重要手段。智能巡检应具备噪声监测与声谱分析的功能，实现噪声监测、声谱分析，并实现托辊故障定位。

3 输送带智能巡检系统的组成及设备选型

3.1 智能巡检机器人

巡检机器人作为智能巡检的主要组成部分，在设计及选型中必应充分考虑以下几点[2]。

3.1.1 使用环境条件

根据不同地域的使用环境，机器人的设计应重点考虑环境温度、最大工作风速等环境因素，由于设备布置在室外，还需重点考虑设备的防台能力，确保机器人在使用环境中能正常工作。

3.1.2 机器人功能

（1）导航定位。1）机器人应具有按照预先设定任务或路线自动行走和停止的功能。2）机器人应具备自动巡检、路径规划功能。

（2）基本检测功能。1）机器人应规范搭载可见光、红外检测功能。2）可见光检测。机器人配备可见光摄像机，能存储采集到的视频。

（3）红外检测。1）机器人配备在线式红外热成像仪，能对设备表面及温度进行采集，并能将红外视频及温度数据实时传输至本地监控系统。2）能存储采集到的设备红外热图，并能从红外热图中提取温度信息，可自动追踪测量全屏最高温。

（4）防碰撞功能。机器人前端和后端均应安装避障传感器，应具有障碍物检测功能，应采取合理的避让策略。

（5）无线自动充电。机器人应具备无线自动充电功能，在需要充电时能够自动返回机器人室，通过与无线充电设备配合完成自动充电。

（6）辅助照明。机器人应具备辅助照明功能，能保证在夜间或阴暗天气下正常采集数据与运行。

（7）防台模式。机器人可实现在台风来临前，机器人在接收到防台指令后，行走至带防护外壳及自动门的充电站内，充电站门需具有手动加固栓等设施，避免台风天气损坏。

3.2 后端控制系统

3.2.1 人机交互

（1）可扩展性。后台系统界面满足应用人员需求，直观简洁、菜单清晰、操作便捷，便于模块增加与升级；

（2）机器人控制。应提供遥控和自动控制两种控制方式，并能在两种控制模式间任意切换，切换时不影响导航功能。

遥控功能可实现对机器人车体、云台、电源、可见光摄像机和红外热像仪的控制操作。

（3）电子地图。应提供二维电子地图功能，电子地图中能显示:巡检线设备信息、机器人的位置、路径及实时运行状态。

（4）机器人状态信息。能显示、存储机器人相关信息，包括机器人驱动模块、机器人电源模块和机器人所处环境信息等。

3.2.2 缺陷自动分析

（1） 自动测温和分析。能自动在包含该设备的红外图像上标注出目标设备的区域，并自动对其温度进行分析。

（2）状态自动识别。能对采集到的输送带图像进行分析，自动识别输送带运行状态，进行自动判别和异常报警。

（3）自动产生报警信号设置。系统可对产生报警信号事件统一设定与管理，包括:产生报警信号阀值设定、产生报警信号生效设定、产生报警信号确认等。

系统应支持二级产生报警信号:机器人本体级产生报警信号、控制系统级产生报警信号。机器人本体检测到设备异常时，会进行声、光报警，在现场全程进行高音预警，同时将报警信息上报到控制系统，联动控制系统进行声、光报警。

3.3 供电系统

应采用分布式充电，充电站应为带防护外壳及自动门的充电站，充电站门具有手动加固栓等设施。充电站采用交流220V作为电源输入，具备浪涌防护能力为2000V；充电装置采用无线充电技术，不产生火星；系统能安全应用于潮湿、粉尘浓度高的环境，采用U型螺栓安装在轨道立柱上。

3.4 通讯系统

（1）通讯系统应具有良好的漫游能力，保证高清视频和数据传输不会中断、卡顿；

（2）从数据接入点到机器人之间的高速数据传输利用无线网络方式；

（3）无线传输采用WiFi无线网络；

（4）机器人所有的控制信号、视频数据、音频数据、现场传感器采集数据及报警信息等均通过无线网络传输；

（5）机器人通信带宽需求小于54Mbps，接入网络后配合QoS功能，可以保证视频、音频等各类数据实时可靠传输。

（6）外壳应采取必要的防静电及防电磁场干扰措施。

3.5 辅助数据采集系统

主要功能:

（1）对输送带的设备振动、温度状态进行监测，将信息实时的采集并传递到远程监控中心。应能接入智能化巡检管理系统，实现统一监控系统的一体化管理。振动、温度传感器及CCD高清相机应能与机器人后台进行双向信息交互。

（2）可通过机器人实现对振动、温度传感器的数据采集与皮带状态变化监测任务，并对数据进行集中管理。实现振动、温度传感器、CCD高清相机与智能机器人的组合联动。

3.6 轨道系统

轨道主要用于承载机器人，轨道应采用高强度铝合金成型，强度高、重量轻，轨道表面采用硬质阳极氧化处理，防锈、防腐、耐磨性能好，能满足潮湿、高温、盐雾等环境的长时间使用。

轨道架设应充分考虑现场输送带与电缆槽架分布情况，并兼顾输煤线路智能巡检、点检要求。

4 发展方向

随着技术的不断发展进步，目前在输送带智能巡检巡检领域不断取得突破，各类功能需求也正在不断实现，但也存在检测精度不高，环境适应性差、设备耐用性低等问题，需要进一步的开发完善。

4.1 系统对环境的适应性

在工业环境，尤其是开放式的散货码头，具有高温、高湿、高盐等特性，而机器人、传感器等部件均属于较精密部件，对使用环境较敏感。应充分考虑环境因素的影响，并进行系统测试，在提高系统的适用性的同时，提升系统的稳定性及寿命，以适应工业环境的使用需求。

4.2 检测精度及可靠性

巡检系统的检测精度及可靠性是困扰其推广应用的关键因素。在露天环境，对视觉识别检测影响最大的是自然光的影响。光线的投射方向在不同的监测位置亮度差较大，要求系统具有较好的兼容度。另外，输送带撕裂检测的精度主要取决于样本库的容量。由于输送带撕裂形式的复杂多样，系统应能实现持续深度学习技术，不断丰富样本库，从而不断提高系统的检测精度。