无人巡检系统在煤炭码头皮带机中的应用 | 港口科技

文摘   2024-11-15 14:16   上海  
摘要

针对煤炭码头皮带机系统主要采用人工巡检及事后维修方式的现状,为了切实提高巡检效率、降低巡检安全风险,利用机器视觉、温振遥测等自动化技术,设计建设无人巡检系统。无人巡检系统主要包括智能巡检机器人、撕裂监测装置、堵煤检测装置、测温测振装置、摄像机组监测装置、无线网络系统和集控平台等部分。智能巡检机器人的选型充分考虑煤炭输送皮带机系统的特点,采用轨道式方案。皮带撕裂监测和堵煤监测通过布设高速光学摄像机及激光设备并利用图像识别技术实现。转运站等设备复杂区域补充布置摄像机组监测装置,减少巡检盲区。无人巡检系统能实现视频监控、红外测温、环境监测、图像识别、设备管理、自动巡检等功能。通过应用该系统,可实现传统巡检及运维模式的转型升级,达到提高皮带机系统运行效率、保障码头安全生产的目的。


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引言

煤炭作为全球重要能源资源之一,在能源供应和工业生产中占有举足轻重的地位。煤炭码头作为煤炭物流链的关键节点,其皮带输送机是连接船舶与陆地存储设施之间不可或缺的输送设备。传统的皮带机巡检工作依赖人工进行,但由于皮带机数量多、分布广,且现场环境恶劣,导致人工巡检不仅劳动强度大、效率低,而且存在安全隐患。随着无人化技术的不断发展,将无人巡检系统应用于煤炭码头皮带机的日常运维中已变得可行。通过在输煤皮带机沿线部署智能巡检机器人、高清智能摄像头、红外热成像摄像头、拾音器、智能非接触式皮带保护终端等智能装备,即可主动采集设备图像、声音、温度、振动等数据,完成设备运行状态、超温、环境安全监测等远程监控任务,实现对输煤生产区域的自动巡检。无人巡检系统还具有强大的数据处理分析能力,可对采集的数据进行快速处理和分析,及时发现潜在的故障或异常情况。无人巡检系统能够有效提升巡检效率,减少安全事故,降低运营成本,具有重要的经济价值和社会意义。

国际上对无人巡检系统的研究起步较早,已经形成一套较为成熟的理论和技术体系。欧美等发达国家通过集成先进的自动控制技术、机器视觉技术、数据分析技术等,实现对皮带机状态的实时监控和智能维护。国内在这一领域的研究和应用虽起步较晚,但近年来发展迅速,一些大型煤炭企业已开始尝试引入无人巡检系统,并取得初步成效。然而,从整体来看,国内外关于无人巡检系统应用于煤炭码头皮带机的研究还不够深入,特别是在系统集成、智能化水平、应对复杂环境能力等方面仍有较大的提升空间。

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系统方案

1.1 方案选择

无人巡检系统的应用场景非常广泛,尤其适用于需要长时间、高频率巡检的工业生产环境。煤炭码头具有皮带机数量多、距离长、分布广、人工巡检困难等特征,无人巡检系统的应用将有效解决上述问题。

无人巡检系统的核心设备为智能巡检机器人。智能巡检机器人按其驱动方式分类主要包括轮式、履带式、悬线式和轨道式等,其中轨道式驱动方式适用于距离长、监测目标及巡检路线固定的场景。

煤炭码头皮带机通常布置在专用的输送廊道中,巡检路线固定,且输送廊道中还布置有皮带机辅助设备及相关的水电管线等,导致巡检通道空间十分有限。因此,考虑选择轨道式驱动方式的智能巡检机器人,将运行轨道设置在待巡检输煤皮带机上方,这样不仅不会影响输送廊道内各设备的正常运行,而且可最大限度地实现无死角、无盲点的巡检。

1.2 系统组成

煤炭码头皮带机无人巡检系统主要由智能巡检机器人、撕裂监测装置、堵煤检测装置、测温测振装置、摄像机组监测装置、无线网络系统和集控平台等组成。煤炭码头皮带机无人巡检系统总体架构见图1。

1.2.1 智能巡检机器人

智能巡检机器人本体搭载双目摄像机(包括可见光摄像头、红外热成像摄像头)、环境监测传感器、双向语音系统、声光报警系统、智能化辅助单元等,实现设备运行状态监测(温度检测、异响检测)、环境监测(可燃气体、温度、湿度、粉尘等环境信息)、智能辅助巡检(自动巡检、自动充电、自主学习、双向语音和人机交互、精确定位、轨道清扫、停泊位预热等)等功能。[2] 智能巡检机器人具备不低于IP65的防护等级,且选用的材料耐腐蚀,适合皮带机廊道恶劣的工况环境。智能巡检机器人运行于专用的工字钢轨道上,轨道设置在待巡检输煤皮带机上方,轨道与皮带机间距大于1.5 m为宜,保证双目摄像机视野能够覆盖整段输煤皮带机线路。智能巡检机器人动力由设置在皮带机两端的充电维护平台提供。智能巡检机器人主要配置示意图见图2。

1.2.2 撕裂监测装置

智能巡检机器人工作时的监测内容主要为皮带机上的输料状态。皮带撕裂通常发生在煤料的下部,智能巡检机器人往往无法第一时间发现。通过在落煤口位置增加皮带撕裂智能监测单元对撕裂进行定点监测和智能识别,一旦发现撕裂情况可立即报警。皮带撕裂智能监测单元主要由定点高速电荷耦合器件(Charge-Coupled Device,CCD)光学相机、激光发射器、人工智能缘处理器、通信配电模块及其他附件等组成,结合人工智能图像识别技术对皮带可能出现的撕裂状况进行监测。皮带撕裂智能监测单元实物安装图见图3。

1.2.3 堵煤监测装置

堵煤监测装置主要包括高速CCD光学相机、激光雷达及辅助设备等。在落料口上方布置2个高速CCD光学相机,同时沿落料口周围布置激光雷达,激光覆盖整个煤面。高速CCD光学相机抓取激光雷达在煤面上形成的光斑图像,并将图像信息传送至立体视觉处理器,立体视觉处理器利用光斑在2幅图像中的视差计算煤面到监测装置的距离变化。当测距小于设定数值时,立体视觉处理器便生成堵煤报警信号并传至后方监控人员,提醒其采取相应措施。

1.2.4 测温测振装置

分别在皮带机驱动电机、减速箱等部位设置温振传感器,实时监测驱动电机和减速机等设备的振动、温度情况。传感器采集到的源数据传输至无线数据采集器中,经过硬件的信号放大、滤波处理后传至后方软件平台进行数据分析。传送的数据主要包括温度、振幅、振频、振动波形等,用户可通过集控平台设置温度、振幅、频率等参数的报警阈值。集控平台自动进行分析诊断,超过报警阈值即生成报警信息并通知监控人员确认。

1.2.5 摄像机组监测装置

皮带机头部和尾部往往梁柱较多、空间狭窄,且该区域辅助设备众多、管线纵横交错,导致巡检机器人覆盖皮带机头部、尾部的难度大幅增加。为了拓展巡检机器人的视角,在皮带机头部和尾部可增设固定点摄像机组,主要包括高清智能摄像头、红外热成像摄像头等,利用集控平台的图像识别技术和红外测温算法进行智能监测。

1.2.6 无线网络系统

智能巡检机器人通过无线网络与集控平台进行双向通信。无线网络采用5.8G网桥通信方式,该通信方式具备稳定可靠的无线网络链路和云链路,支持视频、语音和多协议数据同时传输,单个基站的带宽和接入容量大,具备良好的应用扩展能力,能极大降低数据丢包概率和数据传输时延。这些优势为智能巡检机器人在行驶中稳定传输视频、语音及控制命令提供有力保障。

1.2.7 集控平台

集控平台主要由硬件和监控软件等2部分组成。硬件部分主要包括服务器、计算机、交换机、通信接口转换设备等。监控软件主要包括机器人巡检、视频摄像、红外监控、定点监测、系统管理等模块。集控平台利用网络技术把各子系统集成为一个整体,并通过大数据分析算法及建模等方法,实现各子系统资源共享、信息互通、联动反应、协调运行。集控平台具备一定的接口扩展能力,可提供与煤炭码头其他应用管理系统联网的接口。集控平台总体架构见图4。

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系统功能

2.1 功能概述

皮带机无人巡检系统聚焦设备运行监测及区域巡检需求,具备环境感知、行为识别、超温报警、跑偏识别、撕裂识别、撒煤漏煤识别、落料口堵煤感知、驱动电机和减速机温振监测等功能。皮带机无人巡检系统主要功能见表1。

2.2 红外热成像测温功能

皮带机在长期运行中会存在磨损老化、托辊发热、煤炭自燃等风险,严重时可能会出现火灾事故。[3] 因此,提前预判各部位温度变化趋势、及时采取降温措施十分必要。智能巡检机器人通过搭载的双目摄像机(包括可见光摄像头、红外热成像摄像头)对输煤皮带机全线进行扫描,可以有效观测到皮带机上煤炭的温度分布情况,且双目摄像机具备可见光与红外光同时显示的双光路特性,更有利于查看现场情况和分辨报警的具体区域。当智能巡检机器人监测到皮带机温度大于设定值时,集控平台自动启动相应位置的喷淋装置进行降温。皮带机红外热成像画面见图5。

2.3 视频监控和图像识别功能

集控平台采用深度学习目标检测方法,对现场摄像机上传的实时监控影像进行特定场景下的指定物体检测,能够第一时间判断皮带机是否出现异常现象。例如:针对输煤皮带落煤口及输送线路局部发生煤炭撒落的情况,通过收集现场图片素材,建立模型数据库;当智能巡检机器人工作时,采集的实时图片与模型数据库中的图片素材进行比对,即可判断是否出现落煤、撒煤情况。皮带机沿线局部撒煤检测画面见图6。

2.4 环境检测功能

若皮带机输送系统局部温湿度较高,煤炭出现自燃的风险将大幅增加。智能巡检机器人搭载温湿度传感器和烟雾传感器,可对皮带机和现场环境进行实时监测。当出现数值异常时,向集控平台发送监测数据并及时发出警报信号。由于输煤廊道内设备布置紧凑、空间相对封闭、空气流通不佳,容易积聚可燃及其他毒害气体,智能巡检机器人搭载四合一气体(O2、H2S、CO、CH4)传感器,实时检测输煤廊道内空气中的氧含量、可燃气体及其他毒害气体质量分数。智能巡检机器人还配置有PM2.5、PM10空气颗粒物实时检测装置,集控平台可随时全面掌握输煤廊道内的环境情况,保障人员安全和设备稳定运行。

2.5 自动巡检功能

机器人自动巡检功能具有高度智能化的特点,配备的高清摄像头能够实时拍摄和记录巡检过程中的各项细节。当巡检机器人在工作过程中发现异常情况时,能够立即发出警报并自动记录异常情况。巡检机器人还可以通过集控平台进行远程操控,工作人员可借助操作界面实时查看设备的运行状态、机器人的巡检路径和巡检时对应的画面等内容。自动巡检实时告警画面见图7。

2.6 集控平台功能

集控平台具有图像处理、通信数据加密、智能视觉算法、机器人控制、智能运维、设备管理等功能。集控平台界面配置有机器人概览、机器人监控、告警记录、巡检数据、巡检记录、任务中心、机器人管理等多个功能模块。工作人员通过平台可全面掌握可见光/红外热成像监控视频、车体信息、地图定位信息、巡检信息、巡检环境信息、任务信息等。集控平台机器人巡检界面截图见图8。

集控平台主要功能如下:

  • 具有手动和自动等2种控制模式,且2种模式可任意切换。当选择手动控制模式时,操作人员可在平台界面上对机器人车体、云台、摄像机和红外热成像仪等进行手动操作;当选择自动控制模式时,系统依照设定的巡检任务和流程,通过巡检机器人各功能单元的配合,实现对设备的自动检测功能。

  • 巡检机器人在执行任务的过程中能够将记录的图像及视频信息通过无线网络实时回传,并自动标记拍摄地点和时间等。平台支持巡检数据统计分析及巡检报表生成,且支持异常报警和系统日志记录。

  • 平台可显示、存储巡检机器人相关信息,主要包括机器人驱动诊断信息、告警信息、电源低电量信息和低电量联动信息等。

  • 平台可展示各巡检点上采集到的设备红外热图,并能从红外热图中提取相关设备的温度信息。平台可展示巡检时采集的可见光和红外视频,且支持视频的播放、停止、全屏显示等功能。平台还可将巡检任务中采集到的可见光图像、红外图像、噪声数据、气体检测含量等信息存储在数据库中。

  • 平台可将采集到的图像信息与数据库模型中的信息进行自动识别比对,对设备的运行状态及环境情况进行全方位监控,诊断设备的健康状态,同时可显示设备异常的报警数据。

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应用效果

在广东某煤炭码头项目中通过皮带机系统实现码头与陆域堆场之间的煤炭转运。该煤炭码头具有皮带机分布范围广、粉尘大、工作环境恶劣等特点。为了提高皮带机运行效率、保障生产安全,配置皮带机无人巡检系统。现场设备布置示例见图9,现场设备安装情况见图10。


皮带机无人巡检系统投入使用后运行良好,达到预期效果。该系统克服了传统人工巡检的弊端,方便维护和管理,提高了巡检效率,主要优点如下:

  • 降低人力成本。传统的皮带机巡检需要人工进行,而无人巡检系统可以自动完成巡检任务,大幅降低人员现场操作的风险,同时节省人力和物力成本。

  • 提高巡检效率。无人巡检系统可以按照预设的路线和时间进行巡检,避免人工巡检时可能出现的疏漏和延误,从而提高巡检效率。

  • 提升巡检质量。无人巡检系统可以全方位地对设备进行检测,主要包括设备的运行状态、温度、湿度、噪声等参数,能够及时发现潜在的问题,从而提高巡检质量。

  • 增强设备安全性。通过无人巡检系统对皮带机进行实时监测,可以及时发现并处理潜在的安全隐患,从而降低设备事故发生的概率。


文章发于《港口科技》2024年第7期;
文标题:无人巡检系统在煤炭码头皮带机中的应用
者:张焕荣,吕晓威;中交第四航务工程勘察设计院有限公司港航与海洋事业部




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