修振平1，罗蒙蒙2，周立群1，黄腾1，岳益锋2
1.福建华电可门发电有限公司 福建 福州 350512
2..华电电力科学研究院有限公司 浙江 杭州 310030
摘要：随着技术的发展，巡检机器人在各行业的应用愈加成熟，但由于火电厂输煤系统环境及运行的特殊性，巡检机器人在其应用中受到一定的局限性，本文从巡检机器人的应用现状出发，结合输煤系统特定的环境，探讨巡检机器人在输煤系统巡检过程中的功能实现，存在的问题及未来的发展趋势，对巡检机器人在火电行业的推广和应用具有一定的借鉴意义。
关键词：巡检机器人；输煤系统；功能；应用
1 概述
在火电企业生产中，输煤系统带式输送机因结构简单，运转安全稳定，输送力大，是为锅炉输送燃料的最重要的运输设备，在火电厂普遍应用。但由于皮带运行周期长、高负荷运转且受输煤廊道现场环境及燃料性质的影响，带式输送机在运转过程中经常会产生各种故障，如皮带打滑、跑偏，滚筒、托辊故障，皮带撕裂等等[1]。带式输送机的故障会严重影响火电企业的生产效率，因此为确保输煤系统安全、稳定、高效运行，火电厂通常从加强输煤系统巡检频率出发，期望能在故障初期及时发现端倪，但由于输煤区域较广，皮带运行期间环境过于恶劣，采用人工巡检的方式不仅效率低下，不能及时发现皮带故障，而且对巡检人员的身心健康也有不利影响。
目前我国火电企业的生产模式正处于升级阶段，亟需利用自动化、智能化手段来降低检修维护成本，同时火电企业已逐步开展了燃料智能化方面的建设，显现了信息化、数字化的特征[2]。因此在现有信息化的基础上，进一步进行智能化改造，提升关键设备运行及维护的智能化水平，对降低现场工作人员的工作强度、提高故障预判效率，进而降低输煤系统设备故障率是必要的。采用智能巡检机器人代替人工完成输煤系统的设备巡检工作，不仅可将工作人员从恶劣的环境中解放出来，而且通过传感器及相关算法的组合，可完成多种巡检任务，同时提高巡检效率，因此智能巡检机器人在火电企业输煤系统的投入应用，为提高企业燃料管理水平、推动现有的生产模式向数字化、智能化方向发展以及确保输煤系统的的安全、稳定、高效运行具有重要意义[3,4]。
2 智能巡检机器人的发展现状
据国际标准化组织对机器人的定义，可理解为工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。目前随着科技水平的快速发展，社会的智能化程度在逐渐加深，智能机器人的种类、数量和功能也越来越多，在各个行业中都在逐步代替人工工作，应用愈加广泛，如搬运机器人、喷漆机器人、清扫机器人、救援机器人等等。诸多企业、高校和科研院所仍在加快智能机器人方面的研究，以期能将其投入到更多传统行业中应用，提高其生产效率[5]。
就当前市场上存在的智能机器人而言，普遍由以下几部分组成：机器人本体、传感器搭载平台、供电平台、轨道平台及智能控制系统。当前智能机器人融合和诸多先进技术，如定位导航技术、无线充电技术、热成像技术、图像识别技术、噪声拾取技术、信息无线传输技术等等，定位导航技术根据不同的工作模式及适应的不同工作环境，常用的有视觉识别导航技术、电磁射频识别导航技术、激光导航技术等等[6]，同时根据定位系统实现对机器人巡检里程的精确性定位，将定位信息实时上传通过GIS地图实现机器人的精确定位的目的，定位系统通常采用磁轨迹及RFID标签来实现自主定位。
为满足不同用户的需求，实现各种功能，智能机器人传感器集成平台能够融合不同传感器[7]，如高清摄像头，能够采集巡检区域的高清图像和视频；热成像仪，可采集关键点位的温度信息；噪声拾取器，可识别异常噪声；气体浓度检测仪。可检测环境SO2、NOx、粉尘等污染物浓度。不同传感器的集成可实现不同功能，但会受机器人本体搭载量的限制而有所取舍。智能机器人的供电方式主要有有线和无线两种方式，有线充电技术主要是在固定的地点对机器人进行充电，技术上最容易实现，但裸露的充电接口容易出现老化问题，存在安全性风险；无线充电技术即非接触式充电方式，实现机器人无线充电，其本体需携带一定数量的电池组，因此为了保证其续航能力，携带的电池组会增加其本体的重量。智能控制系统是机器人自动巡检工作得以实现的核心，通过该系统可实现机器人的远程控制、巡检任务的设定、告警预警信息的处理、及数据的采集和处理等。信息采集完成后，采用无线传输技术，将数据远程传输至后台终端，后台终端通过对接收到的数据进行统计、分析，按照需求加以利用，为管理者和决策者提高高效、高价值数据[8]。
3 适用于输煤系统的智能巡检机器人关键技术
智能巡检机器人通常应用于巡检路线明确且平整或周围环境不存在粉尘浓度过大且较潮湿的电气室、变电站等场所，而火电厂输煤系统巡检步道通常为阶梯式，其廊道存在一定的倾角，同时输送褐煤时，扬尘问题较严重，为缓解扬尘带来的问题，工作人员经常性采用晒水方式冲洗廊道，因此恶劣的输煤系统环境严重限制了巡检机器人在该领域的应用，唯有针对性集成新技术，方可提高巡检机器人在输煤系统应用的可靠性。
3.1传感器多功能集成平台的研发
输煤系统正常作业及设备稳定性运行，是输煤系统巡检工作人员巡检的主要目的，因此，智能巡检机器人若要替换巡检工作人员，需能完成巡检的基本作业。
智能巡检机器人可通过在本体上挂载红外热成像仪、视频采集设备、温控检测设备、气体探测设备、噪声拾取设备等传感器对关键作业区域进行视频智能识别和行为模式的智能分析，实现仪器仪表读数、设备运行状态的智能识别，温度变化、发热物体（电机、减速器、滚筒轴承等）状态的自动识别等。
（1）可见光与红外视频图像采集
通过搭载红外热像仪及可见光高清摄像机，实现可见光与红外视频图像采集功能，机器人可自动移动到指定位置，控制云台自由转动，拍摄栈道内电机、减速器、滚筒轴承等关键点位的高清图像和红外热成像，实现对设备状态的实时视频检测，并将采集到的信息经无线局域网实时传输到主控室，通过红外视频及相关温度测量数据建立红外热成像温度监测系统，对筒、托辊、电机、减速器等关键点处的温度进行监测，并显示影像中温度的最高点位置及温度，实现设备运行过程的温度检测，出现异常情况能及时报警，亦可通过主控室的工作人员根据图像判断出电厂巡检区域内的各种设备是否安全。
（2）环境检测信息采集
输煤廊道内部的环境是判断输煤系统安全、稳定运行的依据之一，也是保证进入输煤系统作业员工人身安全的前提，因此对输煤廊道环境进行实时检测是很有必要的。智能巡检机器人可通过挂在温度传感器和气体检测仪等设备，实时检测廊道内部温度，识别巡检环境空间中的气体成分，检测数值实时上传控制平台，当识别气体超标定值时报警提示，移动巡检装置停留报警位置等待处理。
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（3）噪声信息采集
输煤皮带滚筒或托辊轴承故障初期，一是表现在轴承温度过高，二是表现在轴承运行声音出现异常，因此可通过采集输煤系统设备运行的声音，判断设备运行情况。通过在智能巡检机器人搭载灵敏度较高的噪声拾取器，进行设备声音采集，并进行声音频谱分析，识别尖锐声音、超值分贝声音、新增声音，如发现异常则自动报警。
（4）振动信息采集
输煤皮带电机、减速器的振动检测是日常输煤系统巡检人员的工作之一，人工巡检常用点检方式进行，工作量大且易疏漏。通过在智能巡检机器人搭载无线测振传感器，进行接触式或者基于激光测振可进行非接触式振动检测。振动数据通过无线方式传输至数据服务器，进行振动频谱分析，判断设备当前运行状态。
3.2输煤系统巡检机器人无线通讯技术探究
受输煤廊道空间地形限制，巡检机器人仅能采用轨道式安装方式，巡检过程中数据的传输无法通过有线方式进行，因此需设计合理的无线通讯方案实现数据的高速、稳定性传输。
智能巡检机器人采用无线通讯方式，本体上的工控机及挂在的传感器通过以太网方式连接到无线集线器上，并在输煤廊道内部布置多个无线路由器组成局域网，实现整个巡检系统内的设备及传感器间的相互访问，并实现网络带宽间的负载平衡。为保证机器人巡检过程中采集数据通讯的顺畅性，设计在输煤廊道内每100-150米铺设1套无线AP系统，并进行全向覆盖，机器人外置支持移动切换无线接入点的全向双频天线，在巷道内实现与接入点的无线信号覆盖，并能移动切换信号传输，保证巡检机器人移动过程中采集的视频及其他数据实时回传的稳定性，依据设计方案定向传输最远距离可达2Km，传输速率最大可达到100Mbps。
3.3轨道式巡检机器人供电技术探究
输煤系统由粉尘浓度较高，对设备的供电方式要求较高，轨道式巡检机器人由于巡检距离较远，无法采用拖缆等有线方式进行供电，因此需要寻求一个安全性较高的无线充电方式。
智能巡检机器人采用自带电池与分布式接触充电系统相结合的方式进行供电，电池可采用锂离子电池和磷酸铁锂电池，两者相比而言，磷酸铁锂电池在价格、耐高温，安全稳定性及循环性能具有更好的优势，因此宜选用磷酸铁锂电池。接触式充电系统即是直接通过物理对接方式进行充电，使用连接器和导线进行电能传输，在轨道固定位置布置充电桩，机器人本体携带有充电模块，充电过程中将充电模块与轨道布置的充电桩进行对接，完成电能的传输。设备安装中，为提高在粉尘浓度较大的环境下充电的安全性，需在轨道上安装充电隔离装置，即充电时，机器人运行至隔离装置进行充电，隔离装置具有防爆功能。。
为保证智能巡检机器人的稳定运行，避免因电量问题影响机器人的运转，根据轨道的长度及机器人的耗电性能，提前在控制系统设置电量值，若电量低于设置值，则机器人自动启动防航功能，回到充电位置，安全限位开关打开后，由控制器向电源控制端发送充电命令，方可启动充电操作。
3.4巡检机器人定位技术探究
输煤系统智能巡检机器人的巡检工作之一，是判断电机、减速器、液力耦合器、滚筒、托辊等转动设备是否正常运行，因此对机器人的定位功能提出了较高的要求。常见的轨道巡检机器人的定位方法有视觉定位方法，如基于磁性标记的定位技术、基于激光的定位技术等，或借助里程计、方向计、超声波、射频识别传感器定位等。
为提高定位精度，在巡检机器人驱动轮上安装高精度绝对值编码器，通过自动记录驱动轮的正反转的圈数，实时更新轨道式智能巡检机器人的位置。但若是仅采用绝对值编码器，由于系统会产生累计误差，因此为修正误差，同时提高定位精度，采用绝对值编码器与射频设别（RFID）定位技术相结合的方式，即在轨道像个一定的距离安装RFID标签（基准点），机器人本体安装读写头，在机器人运行过程中，根据RFID标签信息对机器人定位信息进行修正，采用该方式定位精度可达到±5mm。
4 现存问题分析及发展趋势
4.1巡检机器人存在的问题
（1）供电安全问题：接触式充电方式需将金属插头插入到充电站，存在接头外漏，产生电火花的可能性，因此在输煤系统粉尘浓度较大的环境下，采用非接触式充电方式安全性无法保证。
（2）网络安全问题：因轨道式智能巡检机器人数据传输采用无线方式最为适当，但无线传输方式在生产型企业中对其安全性要求较高。目前无线传输无法做到完全封闭及物理隔离，存在一定的数据安全隐患。
（3）功能集成有限：目前巡检机器人主要可实现红外测温、视频监控及环境监测功能，搭载的噪声拾取器虽可采集噪音数据，但由于背景声音噪杂，对其异常声音的分类、判断及处理功能仍无法在现场应用，其次巡检机器人缺少对输煤皮带的跑偏、撕裂、撒煤的异常现象的判断。
4.2发展趋势
由于输煤系统环境复杂，巡检作业多样，因此若替换人工巡检工作，多技术集成必是输煤系统巡检机器人发展趋势之一，一是解决安全性充电问题，需积极探索非接触式充电技术，采用非物理对接方式进行供电；二是针对巡检机器人无线网络安全系统进行专项设计，确保在无线网络收到攻击并被入侵成功的情况下，机器人巡检系统仍能在运维层面保证网络的绝对安全；三是集成图像识别技术及人工智能算法，实现对输煤皮带跑偏、撕裂、撒煤等异常情况的精确判断。
5 结论及建议
（1）巡检机器人在输煤系统中可实现对输煤环境的温湿度、气体、视频信息的采集，电机、减速器、滚筒、托辊等运转设备的温度、振动信息的监测，以及噪音数据的拾取，有利于提高输煤系统巡检效率，减少人工巡检工作量，降低设备故障率，确保输煤系统安全、稳定、高效运行。
（2）输煤系统巡检机器人在供电安全、网络安全、功能集成上需进一步探索研究，以满足高粉尘环境下的安全供电，网络攻击下的数据安全稳定传输，以及巡检过程中，对皮带撕裂、跑偏、撒煤等异常情况的自动判断。
参考文献：
[1] 王兴法,薛伟,曾阳,等.火力发电厂输煤系统运行故障分析[J].技术应用,2019,26（1）：142-143.
[2] 刘首明,胡春才,舒开太.电厂智能燃料系统建设简析[J]. 能源研究与管理，2018（4）：114-116.
[3] 董文清.智能机器人的现状与发展［J］.机械制造,2019,57（1）：36-38.
[4] 陶永,王田苗,刘辉,等.智能机器人研究现状及发展趋势的思考与建议［J］.高技术通讯，2019，29（2）：149-163.
[5] 梁永强.智能巡检机器人应用现状及问题探析［J］.山东电力技术,2018,45（2）：31-34.
[6] 李华军.移动机器人的非接触充电装置及策略[D].硕士论文,青岛:青岛科技大学,2018.
[7] 邓方远.隧道巡检机器人关键技术研究[D].硕士论文，北京:华北电力大学,2013.
[8] 聂珍,马宏伟.煤矿巡检机器人巷道气体环境智能检测系统设计[J].工矿自动化，2020,46（6）：17-22.
作者简介：修振平（1973-），男，福建长汀人，本科，主要从事电厂燃煤管理工作。
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