隨著(zhù)煤炭綜采技術(shù)的不斷成熟，采煤裝備可靠性不斷提高，以及信息化技術(shù)在煤礦的廣泛應用，實(shí)現煤礦井下工作面少人、無(wú)人化開(kāi)采已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。不斷提高刮板輸送機元部件機械可靠性的同時(shí)，需實(shí)現信息化升級，通過(guò)信息融合管控技術(shù)，在關(guān)鍵零部件的健康監測、運行姿態(tài)自主控制等領(lǐng)域取得突破。刮板輸送機是煤礦井下綜采工作面的主要運輸設備，隨著(zhù)煤炭開(kāi)采技術(shù)現代化的發(fā)展和可控變頻調速技術(shù)的推廣應用，刮板輸送機的機械結構和驅動(dòng)技術(shù)越來(lái)越完善，自動(dòng)化水平和主動(dòng)控制精度也越來(lái)越高。雖然在電機、減速器、鏈輪軸組、刮板鏈等易損壞的高故障零部件加裝了狀態(tài)監測和壽命預估系統，但從整體上來(lái)看，刮板輸送機還遠未實(shí)現智能化，尚未建立起完整的閉環(huán)信息感知系統；目前僅能實(shí)現幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的故障預警，且刮板輸送機的調速控制理論研究尚不完善，控制精度仍需進(jìn)一步提高。

　　21世紀初期，我國刮板輸送機行業(yè)已從過(guò)去對進(jìn)口刮板輸送機進(jìn)行研究借鑒，來(lái)提高國產(chǎn)制造水平的階段進(jìn)入了自主創(chuàng )新研發(fā)階段，研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的智能控制刮板輸送機。2010年，礦用高壓變頻拖動(dòng)技術(shù)及產(chǎn)品開(kāi)始在國內重型、超重型刮板輸送機上進(jìn)行應用，實(shí)現了設備可控軟啟動(dòng)及多點(diǎn)驅動(dòng)平衡控制；2014年，天地奔牛實(shí)業(yè)集團有限研制出行業(yè)內首套基于多參數、分級調速的智能控制刮板輸送機，該套設備通過(guò)激光雷達圖形掃描、電機轉矩監測、采煤機裝載量檢測等多個(gè)信號源作為輸入條件，綜合判定刮板輸送機的實(shí)時(shí)裝載量；該套智能控制刮板輸送機采用四級程序控制增減速算法改變其運行速度，并采用人工示教建立初始控制模型，實(shí)現了刮板輸送機可根據實(shí)時(shí)裝載量進(jìn)行物料輸送速度的準確調整；2015年4月，基于多參數、分級調速的智能控制刮板輸送機在國能寧夏煤業(yè)集團梅花井煤礦投入使用；2016年10月，在國能寧夏煤業(yè)集團梅花井煤礦的開(kāi)采工作面完成3 000 m的推進(jìn)，原煤產(chǎn)量800萬(wàn)t，期間輸送機的刮板、接鏈環(huán)、鏈輪軸組均沒(méi)有更換，關(guān)鍵零部件磨損明顯減小，功耗降低10%~15%，磨損降低25%~35%，壽命延長(cháng)1.20~1.44倍，環(huán)節手藝及現存問(wèn)題為梅花井煤礦帶來(lái)了顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。

　　目前，煤炭行業(yè)各制造廠(chǎng)家開(kāi)始關(guān)注刮板輸送設備智能控制技術(shù)的研究，并協(xié)同礦用變頻驅動(dòng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和煤炭企業(yè)，不斷對刮板輸送機設備智能控制技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行應用試驗、不斷優(yōu)化完善相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品。刮板輸送設備智能控制技術(shù)已成為智能化采煤工作面設備配套的基本要求。此外，歐美國家刮板輸送機智能控制技術(shù)已從初的只采用變頻一體機進(jìn)行軟啟動(dòng)的單一控制方式，轉為重視變頻技術(shù)產(chǎn)品的調速應用。如JOY的OptiDriveAFC自動(dòng)控制系統，該更強調在實(shí)現生產(chǎn)節能降耗、提高產(chǎn)品使用壽命的同時(shí)，實(shí)現刮板輸送機鏈條和負載的適應性控制。

　　刮板輸送機采用智能調速控制后，在保證設備工作能力滿(mǎn)足使用要求的同時(shí)，減少了刮板輸送機的運轉里程，降低了電量消耗，有效降低了設備磨損，延長(cháng)了使用壽命；此外，智能調速控制技術(shù)也減輕了部分井下勞動(dòng)者的工作強度，實(shí)現部分崗位少人或無(wú)人值守，減少了煤礦開(kāi)采實(shí)際的井下作業(yè)人數。但由于刮板輸送機惡劣的工作環(huán)境和運行狀況，目前國內多數煤炭企業(yè)在建設智能化采煤工作面時(shí)并沒(méi)有要求刮板輸送機完整配備各項功能，仍以實(shí)現對設備的運行狀態(tài)監測、鏈條張力的自動(dòng)控制為主。

　　個(gè)功能。刮板輸送機智能控制系統中包含若干子系統，可實(shí)現不同的功能。在實(shí)際使用中，對于刮板輸送機智能控制，起關(guān)鍵作用的是工況感知系統、智能調速系統和健康管理系統；各系統通過(guò)自身通信網(wǎng)絡(luò )將數據傳輸到智能控制平臺，實(shí)現刮板輸送機的可控軟啟動(dòng)、鏈條張力主動(dòng)調控、多驅動(dòng)點(diǎn)功率協(xié)調、智能變頻調速、低速檢修狀態(tài)保持、關(guān)鍵零部件健康診斷及剩余壽命預測、多設備信息融合協(xié)同控制等功能，在保證滿(mǎn)足工作面生產(chǎn)能力需求的同時(shí)，可有效降低設備空轉時(shí)間和損耗，節約能源，提高工作面生產(chǎn)效率。刮板輸送機的智能控制是指通過(guò)對驅動(dòng)系統力、速度、加速度的主動(dòng)干預和調控，使刮板輸送機在啟動(dòng)、停車(chē)，增減速、恒速，輕、重、超載等不同運動(dòng)或負載狀態(tài)時(shí)均能保持較高的效率和較好的狀態(tài)，從而提高煤炭輸送效率，減少設備故障和無(wú)效磨損。

　　刮板輸送機工況感知系統采用多源信息融合技術(shù)，實(shí)時(shí)感知設備運行時(shí)各相關(guān)傳動(dòng)部件狀態(tài)疊加后的矢量化信息，為刮板輸送機智能監控系統的可靠運行提供基礎。工況感知系統通過(guò)狀態(tài)分析模型或比對歷史數據庫等方式，判斷關(guān)鍵零部件的健康狀態(tài)，并可向用戶(hù)提供刮板輸送機的剩余有效使用時(shí)間，同時(shí)向用戶(hù)提供本地報警和數據上傳服務(wù)，并在刮板輸送機出現故障的早期或故障前提醒用戶(hù)及時(shí)介入進(jìn)行處置，從而降低事故發(fā)生的概率和維修時(shí)間及成本。

　　采煤工作面所有裝備的信息系統都是集成信息網(wǎng)絡(luò )的一部分，只有將其合并在一起，相互支撐、相互印證才能有效提高工作面信息采集的準確度，保證所有數據的置信度，為工作面信息系統的有效運行提供基礎。

　　在刮板輸送機煤量實(shí)時(shí)掃描技術(shù)的研究基礎上，卸車(chē)機通過(guò)綜合采煤機、刮板輸送機的相關(guān)參數，確定了刮板輸送機瞬時(shí)煤量和平均煤量的計算方法，并結合物料實(shí)際輸送效果建立智能煤流控制模型。同時(shí)，智能調速系統根據刮板輸送機實(shí)際裝載量及后級設備的輸送煤量得出載荷與鏈速的關(guān)系，確定調速策略，實(shí)現刮板輸送機、轉載機的高效智能控制。

　　刮板輸送機的自動(dòng)調速控制技術(shù)的實(shí)際應用效果與各參數權重取值有較大關(guān)系。初國外某基于其技術(shù)優(yōu)勢，提出了基于變頻器的直接轉矩控制技術(shù)，設想通過(guò)采集刮板輸送機電機的轉矩參數，結合檢測轉載機上的輸出煤量來(lái)控制刮板輸送機的鏈速，但對于刮板輸送機，這樣的控制并不能滿(mǎn)足需求，且控制器只做到了3檔的分級調速；由于采煤機的位置信息容易丟失，且在實(shí)際使用時(shí)智能控制器也可能與采煤機沒(méi)有實(shí)現可靠的信息交換，當刮板輸送機轉矩對應在低速檔時(shí)，采煤機在機頭割三角煤時(shí)會(huì )出現機頭堆煤溢煤的情況，所以在實(shí)際使用時(shí)，需要準確獲取采煤機的實(shí)時(shí)位置信息。通過(guò)刮板輸送機智能控制系統綜合其他信息，可以計算出某一時(shí)刻采煤機理論上的瞬時(shí)落煤量和刮板輸送機整機的煤流覆存量，將這2個(gè)參數綜合后與刮板輸送機輸出轉矩對應的理論負載比較得出實(shí)際負載情況，刮板輸送機智能控制多源信息需求情況如圖3所示。

　　研究表明，智能調速系統可完成相對準確的調速控制，目前控制器可實(shí)現5檔調速控制，調速控制更加精細化。通過(guò)對多套智能刮板輸送機應用總結，前期在不控制采煤機速度的情況下，根據刮板輸送機平均采煤量，結合采煤機不同位置及自身負載判斷，實(shí)際刮板輸送機智能運行的調速范圍為額定速度的50％~100％，可降低刮板輸送機20％~30％的自身機械損耗。另外，通過(guò)調速控制可使刮板輸送機實(shí)現物料少慢運轉，物料多快運轉；通過(guò)轉矩、加速度控制可降低刮板鏈受到的載荷，尤其是沖擊載荷；通過(guò)調速控制可有效降低刮板輸送機磨損和斷鏈故障概率，據統計，通過(guò)智能調速控制后，刮板輸送機使用壽命將延長(cháng)20%~35%，首年度配件使用量降低50%以上。

　　由于刮板輸送機自身的結構特點(diǎn)以及刮板鏈長(cháng)距離的工作運行模式，目前國內礦用刮板輸送機只在減速器、電機、鏈輪軸組等少量部件上配置了多種專(zhuān)用傳感器，由工況監測系統將處理后的信息發(fā)送至設備健康管理系統。澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織曾研究設計出可對刮板鏈組進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線(xiàn)監測的鏈條張力測量傳感器。目前，我國還在研發(fā)用以支持刮板輸送機鏈條健康管理的相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品。健康管理系統實(shí)時(shí)感知基于時(shí)間維（工作時(shí)長(cháng)）和負荷維（工作強度）的刮板輸送設備運行狀態(tài)矢量信息，對工況數據進(jìn)行記錄存儲及分析處理，采用基于多信息互檢、融合技術(shù)，通過(guò)集成經(jīng)驗數據和故障推理算法的數學(xué)模型運算，為用戶(hù)提供故障預警、處置意見(jiàn)和維護保養建議，用戶(hù)可以此為依據，更快、更安全地處理設備故障；同時(shí)，可根據關(guān)鍵零部件等效壽命的測算數據提示，提前儲備相關(guān)配件，實(shí)現配件庫低庫存動(dòng)態(tài)管理。健康管理子系統是一個(gè)需要精準設計計算、關(guān)鍵指標提取、檢測檢驗知識，以及使用經(jīng)驗、歷史數據分析等多種知識、技術(shù)的復雜預測系統；健康管理子系統應用模擬仿真、人工智能、大數據分析等技術(shù)，融合一個(gè)或多個(gè)行業(yè)專(zhuān)家積累的知識、經(jīng)驗及邏輯推理，模擬專(zhuān)家做決策的過(guò)程來(lái)解決設備的典型故障。此外，由于井工裝備的標準化程度低，不同機型的數據差異較大，井工環(huán)境復雜多樣，煤機裝備的基礎數據積累量少等原因，煤機裝備中能利用健康管理系統準確識別故障、預測壽命的零部件數量不多，因此，限制了煤機裝備可靠性進(jìn)一步的提升。

　　精準、詳實(shí)的數據是提高刮板輸送機控制精度和置信度的基礎。只有增加刮板輸送機工況信息采集密度、細化信息顆粒度，以及與刮板輸送機前、后端（環(huán)境數據、采煤機數據、輸送機數據）煤機裝備保持信息的實(shí)時(shí)無(wú)縫交互，才能提高刮板輸送機的智能化控制水平。而現實(shí)情況是，大部分煤礦井下環(huán)境差，信息采集、傳輸系統的可靠性和耐用度不能滿(mǎn)足使用要求；工作面設備、通信系統由多個(gè)供應商分別提供，信息網(wǎng)絡(luò )整合不到位，數據的可信度低；且未對工作面設備的數據標準、電磁兼容、數據共享提出要求，無(wú)法形成可信的數據池等。上述問(wèn)題導致工況感知系統不能發(fā)揮出其應有作用，限制了智能技術(shù)的長(cháng)期、穩定、可靠的應用。

　　井工煤機裝備智能化應以工作面整體效益化為目標，刮板輸送機智能化的目標也應與之一致。在刮板輸送機性能允許的邊界內，刮板輸送機首先需要滿(mǎn)足工作面效益的目標，接受外部控制，而不能以自身化運行；要實(shí)現工作面化控制，需有一套高于工作面單機控制的上層控制系統，協(xié)調各煤機運行。

　　理想的工作面多機智能協(xié)同系統，應基于工作面安全、效益、產(chǎn)量目標等設定參數，向各個(gè)煤機發(fā)送基于時(shí)間同步（規定的時(shí)間達到規定的運行狀態(tài)）的指令信息，各單機判斷該指令是否在控制界限內然后執行。在實(shí)際應用中，由于缺乏整體規劃及統一的數據平臺，且煤機裝備信息化水平參差不齊、接口兼容性差、信息編碼不統一、沒(méi)有明確的層級控制關(guān)系等問(wèn)題，導致工作面效益化無(wú)法實(shí)現。井工開(kāi)采裝備是個(gè)協(xié)同作業(yè)群，每個(gè)煤機裝備需要其他裝備提供相關(guān)的工況及運行參數；此外，由于部分供應商不對外開(kāi)放通信接口，造成了煤機裝備重復采集相同的數據或無(wú)法獲取高質(zhì)量數據，從而導致數據質(zhì)量差、無(wú)效數據多、通信阻塞、延時(shí)長(cháng)等諸多問(wèn)題。要解決上述問(wèn)題，需將工作面生產(chǎn)作為一個(gè)完整的組織體系進(jìn)行研究，由上至下定義整個(gè)體系的架構、邏輯、優(yōu)先級及控制權等。

　　缺乏對智能決策系統的研究，卸車(chē)機導致無(wú)法形成有效的大數據平臺，數據復用度低。由于各個(gè)煤礦的地質(zhì)條件及開(kāi)采工藝等差異較大，不同煤礦對刮板輸送機的工作方式及評價(jià)標準認識不統一，造成刮板輸送機智能決策系統在A(yíng)礦學(xué)習與訓練后形成的自主分析與決策知識無(wú)法復制到B礦，即使是少量工況相似度較高的煤礦，由于使用了不同的煤機組合（供應商不同）等原因，不能直接復制決策系統；每開(kāi)采一個(gè)新工作面，都需重新學(xué)習刮板輸送機的智能決策系統，并且需要經(jīng)歷較長(cháng)的人工干預期。

　　煤礦開(kāi)采是一個(gè)復雜的過(guò)程，包括片幫、冒頂、切割或破碎矸石、頂底板處置等突發(fā)且不可控的因素，上述因素均會(huì )對刮板輸送機的可靠性及穩定運行造成影響。目前，尚無(wú)可靠的技術(shù)手段來(lái)準確預測上述突發(fā)情況，且刮板輸送機的控制系統尚不具備應對上述問(wèn)題的能力。

　　煤炭智能化開(kāi)采尚處于初級階段，大部分煤礦企業(yè)還未做好充分準備。雖然我國目前已實(shí)現了600多個(gè)工作面的智能采掘，但其綜合信息化和智能設備的使用、管理、保障能力還有待提高，且作為信息化和智能化建設的基礎，相關(guān)專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人才缺口巨大；此外，智能化設備和信息化系統可靠性低、未明晰的問(wèn)題多、分刮板輸送機警能節制可參考的處理經(jīng)驗少，亟需一支高技能、高素質(zhì)且強有力的運維團隊長(cháng)期扎根生產(chǎn)一線(xiàn)，在實(shí)踐中不斷磨合、催熟新技術(shù)的應用，以及不斷提高系統成熟度和功能適配性。目前的情況是，煤炭開(kāi)采屬于高危工作，工作環(huán)境差、勞動(dòng)強度高、人才吸收能力弱，況且信息化、智能化方面的人才屬于稀缺人才?；谏鲜鲆蛩?，造成煤機裝備智能化在推進(jìn)和實(shí)踐的過(guò)程中，運維隊伍能力差，對智能化開(kāi)采設備認識不到位等問(wèn)題，從而導致智能裝備使用效果差，遲滯了煤機裝備智能化技術(shù)的發(fā)展。

　　煤炭開(kāi)采智能化雖在多個(gè)技術(shù)方向上取得了一系列突破性成果，但同時(shí)也造成了各自為戰，本就稀缺的專(zhuān)業(yè)技術(shù)力量存在更加分散，技術(shù)規劃和標準散亂，數據共享性和通用性差等問(wèn)題。亟待集行業(yè)之力，聚焦于部分工況條件好、基礎工作扎實(shí)、管理優(yōu)秀的現代化優(yōu)質(zhì)煤礦，集合業(yè)界優(yōu)秀人才，從頂層設計、標準規范、卸車(chē)機架構規劃、采煤工藝設計、設備配置等方面全局制定藍圖；組織優(yōu)秀的實(shí)施、服務(wù)團隊，熟悉工作面生產(chǎn)全流程，做好每一步的實(shí)踐工作，才有可能使煤炭開(kāi)采智能化技術(shù)得到發(fā)展。

　　目前刮板輸送機感知技術(shù)多為工況狀態(tài)感知，且僅限于減速器、電機、鏈輪軸組、刮板鏈等少數關(guān)鍵元部件，不能夠完整地反映出刮板輸送機的實(shí)時(shí)狀態(tài)。未來(lái)將在刮板輸送機全姿態(tài)感知技術(shù)方面進(jìn)行研究，結合無(wú)線(xiàn)感知技術(shù)、視覺(jué)感知技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，在提升數據準確性的同時(shí)，提升專(zhuān)業(yè)化信息采集的顆粒度，將刮板輸送機絕大部分重要零部件的運行及健康信息納入感知系統。未來(lái)還將進(jìn)一步研究專(zhuān)用傳感器以檢測刮板輸送機的走向、傾角、錯口量等參數，以及綜合采煤機位置、導向、截割軌跡，以及支架的位置、傾角、推移缸位移等信息，實(shí)現配套“三機”的自動(dòng)化協(xié)作，使刮板輸送機S彎或調直、采煤機進(jìn)刀、支架對齊等動(dòng)作不再需要人工干預。未來(lái)，刮板輸送機全姿態(tài)感知技術(shù)將為整體工作面的智能化集中控制及智能決策提供更加完善和更高精度的底層數據支撐，使刮板輸送機智能輸送系統更加準確、高效、穩定。

　　未來(lái)，刮板輸送機智能輸送系統將把完善數字化網(wǎng)絡(luò )平臺相關(guān)功能、提升數據傳輸容量及傳輸速率作為重點(diǎn)研究對象，結合5G通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數據庫技術(shù)，提升數據傳輸容量及傳輸速率，終利用各類(lèi)高速率、低延時(shí)的通信技術(shù)，為刮板輸送機智能運輸系統搭建通信高速橋梁，為實(shí)現刮板輸送機遠程實(shí)時(shí)運維和全壽命周期管理打下基礎。

　　刮板輸送機全生命周期管理技術(shù)是刮板輸送機智能輸送技術(shù)發(fā)展的重要組成部分之一，刮板輸送機全生命周期管理是通過(guò)射頻標簽、大數據、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)對刮板輸送機的設計、生產(chǎn)、檢驗、運維及報廢等環(huán)節進(jìn)行全生命周期數據記錄、存儲、分析及挖掘，使刮板輸送機智能輸送決策更加科學(xué)化，服務(wù)效能化，從而提升刮板輸送機智能輸送技術(shù)的可靠性及先進(jìn)性。

　　未來(lái)，利用虛擬現實(shí)技術(shù)、數字孿生技術(shù)，將在地面控制中心重現井下采煤工作面設備運行場(chǎng)景。刮板輸送機在井下運行時(shí)，操作人員將在虛擬平臺中完成一系列作業(yè)流程，對刮板輸送機進(jìn)行精準操控，實(shí)現井下刮板輸送機智能運行無(wú)人值守，運行故障提前預判，精準高效處理井下設備故障，為煤炭智能生產(chǎn)提供科學(xué)技術(shù)保障，實(shí)現煤礦井下智能化、無(wú)人化開(kāi)采。

　　刮板輸送機智能監控技術(shù)的發(fā)展將秉承“綠色、安全、高效、智能”的礦山理念，結合互聯(lián)網(wǎng)、云平臺、大數據分析等技術(shù)手段逐步完成數據收集及價(jià)值的提取挖掘工作。刮板輸送設備要結合數據價(jià)值提取，推進(jìn)設備優(yōu)化與改進(jìn)、建立刮板輸送設備專(zhuān)用的故障庫、決策庫，實(shí)現故障診斷、壽命預估、運行趨勢分析等功能，為促進(jìn)國家能源發(fā)展實(shí)現全行業(yè)的設備數據統計與數據共享。
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