刘庆华

高级工程师，硕士，现任宁夏天地奔牛实业集团有限公司副总经理

主要从事煤矿输送设备技术研发和技术管理工作。先后主持或作为主要成员完成了“中厚偏薄煤层综采工作面超重型成套输送设备”“7 m超大采高综采成套技术与装备”“年产1 200万t综采工作面超重型成套输送设备”“变频驱动刮板输送机”等项目。负责的“智能控制刮板输送机”重大技术创新项目，解决了井工开采运输机械研制中的刮板输送机装载量实时检测、装煤量预测算法模型、变频调速模型、链张力主动调节等10余项技术难题。先后获得全国劳动模范、宁夏回族自治区劳动模范、全国重型机械行业优秀科技工作者、首届宁夏创新争先优秀科技工作者等荣誉称号。获国家能源科技进步奖、中国煤炭工业科学技术奖、自治区科学技术进步奖等各类科技奖等20余项。获得授权专利86项，其中发明专利13项。

随着煤炭综采技术的不断成熟，采煤装备可靠性不断提高，以及信息化技术在煤矿的广泛应用，实现煤矿井下工作面少人、无人化开采已成为行业发展的必然趋势。不断提高刮板输送机元部件机械可靠性的同时，需实现信息化升级，通过信息融合管控技术，在关键零部件的健康监测、运行姿态自主控制等领域取得突破。刮板输送机是煤矿井下综采工作面的主要运输设备，随着煤炭开采技术现代化的发展和可控变频调速技术的推广应用，刮板输送机的机械结构和驱动技术越来越完善，自动化水平和主动控制精度也越来越高。虽然在电机、减速器、链轮轴组、刮板链等易损坏的高故障零部件加装了状态监测和寿命预估系统，但从整体上来看，刮板输送机还远未实现智能化，尚未建立起完整的闭环信息感知系统；目前仅能实现几个关键点的故障预警，且刮板输送机的调速控制理论研究尚不完善，控制精度仍需进一步提高。

首套年产2 000万t 智能综采输送装备

刮板输送机智能化技术发展及应用现状

刮板输送机智能化技术发展历程

21世纪初期，我国刮板输送机行业已从过去对进口刮板输送机进行研究借鉴，来提高国产制造水平的阶段进入了自主创新研发阶段，研发了具有自主知识产权的智能控制刮板输送机。2010年，矿用高压变频拖动技术及产品开始在国内重型、超重型刮板输送机上进行应用，实现了设备可控软启动及多点驱动平衡控制；2014年，天地奔牛实业集团有限公司研制出行业内首套基于多参数、分级调速的智能控制刮板输送机，该套设备通过激光雷达图形扫描、电机转矩监测、采煤机装载量检测等多个信号源作为输入条件，综合判定刮板输送机的实时装载量；该套智能控制刮板输送机采用四级程序控制增减速算法改变其运行速度，并采用人工示教建立初始控制模型，实现了刮板输送机可根据实时装载量进行物料输送速度的准确调整；2015年4月，基于多参数、分级调速的智能控制刮板输送机在国能宁夏煤业集团梅花井煤矿投入使用；2016年10月，在国能宁夏煤业集团梅花井煤矿的开采工作面完成3 000 m的推进，原煤产量800万t，期间输送机的刮板、接链环、链轮轴组均没有更换，关键零部件磨损明显减小，功耗降低10% ~ 15%，磨损降低25% ~ 35%，寿命延长1.20 ~ 1.44倍，为梅花井煤矿带来了显著的经济效益。

目前，煤炭行业各制造厂家开始关注刮板输送设备智能控制技术的研究，并协同矿用变频驱动产品开发公司和煤炭企业，不断对刮板输送机设备智能控制技术相关产品进行应用试验、不断优化完善相关技术产品。刮板输送设备智能控制技术已成为智能化采煤工作面设备配套的基本要求。此外，欧美国家刮板输送机智能控制技术已从最初的只采用变频一体机进行软启动的单一控制方式，转为重视变频技术产品的调速应用。如JOY公司的OptiDriveAFC自动控制系统，该公司更强调在实现生产节能降耗、提高产品使用寿命的同时，实现刮板输送机链条和负载的适应性控制。

图1 刮板输送设备智能控制系统架构

刮板输送机智能化技术应用现状

刮板输送机采用智能调速控制后，在保证设备工作能力满足使用要求的同时，减少了刮板输送机的运转里程，降低了电量消耗，有效降低了设备磨损，延长了使用寿命；此外，智能调速控制技术也减轻了部分井下劳动者的工作强度，实现部分岗位少人或无人值守，减少了煤矿开采实际的井下作业人数。但由于刮板输送机恶劣的工作环境和运行状况，目前国内多数煤炭企业在建设智能化采煤工作面时并没有要求刮板输送机完整配备各项功能，仍以实现对设备的运行状态监测、链条张力的自动控制为主。

刮板输送机智能控制关键技术

刮板输送机智能控制系统架构如图1所示，主要包含设备监控和设备健康管理2个功能。刮板输送机智能控制系统中包含若干子系统，可实现不同的功能。在实际使用中，对于刮板输送机智能控制，起关键作用的是工况感知系统、智能调速系统和健康管理系统；各系统通过自身通信网络将数据传输到智能控制平台，实现刮板输送机的可控软启动、链条张力主动调控、多驱动点功率协调、智能变频调速、低速检修状态保持、关键零部件健康诊断及剩余寿命预测、多设备信息融合协同控制等功能，在保证满足工作面生产能力需求的同时，可有效降低设备空转时间和损耗，节约能源，提高工作面生产效率。刮板输送机的智能控制是指通过对驱动系统力、速度、加速度的主动干预和调控，使刮板输送机在启动、停车，增减速、恒速，轻、重、超载等不同运动或负载状态时均能保持较高的效率和较好的状态，从而提高煤炭输送效率，减少设备故障和无效磨损。

智能控制刮板输送机（图2）在变频软启动的基础上实现了刮板链运行速度与刮板输送机装载量的自动调整成正比，可以避免刮板输送机在轻载或空载时，刮板链仍以额定刮板链速运行，对刮板链及其运行轨道产生不必要的磨损及拖动时对能源的消耗；智能控制刮板输送机可有效降低设备磨损、延长使用寿命和节约能源。

图2 首套智能控制刮板输送机

工况感知系统

刮板输送机工况感知系统采用多源信息融合技术，实时感知设备运行时各相关传动部件状态叠加后的矢量化信息，为刮板输送机智能监控系统的可靠运行提供基础。工况感知系统通过状态分析模型或比对历史数据库等方式，判断关键零部件的健康状态，并可向用户提供刮板输送机的剩余有效使用时间，同时向用户提供本地报警和数据上传服务，并在刮板输送机出现故障的早期或故障前提醒用户及时介入进行处置，从而降低事故发生的概率和维修时间及成本。

采煤工作面所有装备的信息系统都是集成信息网络的一部分，只有将其合并在一起，相互支撑、相互印证才能有效提高工作面信息采集的准确度，保证所有数据的置信度，为工作面信息系统的有效运行提供基础。

智能调速系统

在刮板输送机煤量实时扫描技术的研究基础上，通过综合采煤机、刮板输送机的相关参数，确定了刮板输送机瞬时煤量和平均煤量的计算方法，并结合物料实际输送效果建立智能煤流控制模型。同时，智能调速系统根据刮板输送机实际装载量及后级设备的输送煤量得出载荷与链速的关系，确定调速策略，实现刮板输送机、转载机的高效智能控制。

刮板输送机的自动调速控制技术的实际应用效果与各参数权重取值有较大关系。最初国外某公司基于其技术优势，提出了基于变频器的直接转矩控制技术，设想通过采集刮板输送机电机的转矩参数，结合检测转载机上的输出煤量来控制刮板输送机的链速，但对于刮板输送机，这样的控制并不能满足需求，且控制器只做到了3档的分级调速；由于采煤机的位置信息容易丢失，且在实际使用时智能控制器也可能与采煤机没有实现可靠的信息交换，当刮板输送机转矩对应在低速档时，采煤机在机头割三角煤时会出现机头堆煤溢煤的情况，所以在实际使用时，需要准确获取采煤机的实时位置信息。通过刮板输送机智能控制系统综合其他信息，可以计算出某一时刻采煤机理论上的瞬时落煤量和刮板输送机整机的煤流覆存量，将这2个参数综合后与刮板输送机输出转矩对应的理论负载比较得出实际负载情况，刮板输送机智能控制多源信息需求情况如图3所示。

图3 刮板输送机智能控制多源信息需求情况

智能调速系统采用神经元调速算法，各运行输入参数形成多条神经元，通过软件自学习功能，自行优化神经元参数的加权系数，实现刮板输送机最优调速策略，使刮板链以最少的运行里程及时将综采工作面内的原煤运走，最大限度地降低了设备磨损程度；在较大的负载范围内，刮板输送机的链速与其装载的原煤成正比。

研究表明，智能调速系统可完成相对准确的调速控制，目前控制器可实现5档调速控制，调速控制更加精细化。通过对多套智能刮板输送机应用总结，前期在不控制采煤机速度的情况下，根据刮板输送机平均采煤量，结合采煤机不同位置及自身负载判断，实际刮板输送机智能运行的调速范围为额定速度的50％ ~ 100％，可降低刮板输送机20％ ~30％的自身机械损耗。另外，通过调速控制可使刮板输送机实现物料少慢运转，物料多快运转；通过转矩、加速度控制可降低刮板链受到的载荷，尤其是冲击载荷；通过调速控制可有效降低刮板输送机磨损和断链故障概率，据统计，通过智能调速控制后，刮板输送机使用寿命将延长20% ~ 35%，首年度配件使用量降低50%以上。

健康管理系统

由于刮板输送机自身的结构特点以及刮板链长距离的工作运行模式，目前国内矿用刮板输送机只在减速器、电机、链轮轴组等少量部件上配置了多种专用传感器，由工况监测系统将处理后的信息发送至设备健康管理系统。 澳大利亚联邦科学与工业研究组织曾研究设计出可对刮板链组进行实时、在线监测的链条张力测量传感器。目前，我国还在研发用以支持刮板输送机链条健康管理的相关技术产品。

健康管理系统实时感知基于时间维（工作时长）和负荷维（工作强度）的刮板输送设备运行状态矢量信息，对工况数据进行记录存储及分析处理，采用基于多信息互检、融合技术，通过集成经验数据和故障推理算法的数学模型运算，为用户提供故障预警、处置意见和维护保养建议，用户可以此为依据，更快、更安全地处理设备故障；同时，可根据关键零部件等效寿命的测算数据提示，提前储备相关配件，实现配件库低库存动态管理。健康管理子系统是一个需要精准设计计算、关键指标提取、检测检验知识，以及使用经验、历史数据分析等多种知识、技术的复杂预测系统；健康管理子系统应用模拟仿真、人工智能、大数据分析等技术，融合一个或多个行业专家积累的知识、经验及逻辑推理，模拟专家做决策的过程来解决设备的典型故障。此外，由于井工装备的标准化程度低，不同机型的数据差异较大，井工环境复杂多样，煤机装备的基础数据积累量少等原因，煤机装备中能利用健康管理系统准确识别故障、预测寿命的零部件数量不多，因此，限制了煤机装备可靠性进一步的提升。

刮板输送机智能化技术存在的问题

工况感知系统数据治理不到位

精准、详实的数据是提高刮板输送机控制精度和置信度的基础。只有增加刮板输送机工况信息采集密度、细化信息颗粒度，以及与刮板输送机前、后端（环境数据、采煤机数据、输送机数据）煤机装备保持信息的实时无缝交互，才能提高刮板输送机的智能化控制水平。而现实情况是，大部分煤矿井下环境差，信息采集、传输系统的可靠性和耐用度不能满足使用要求；工作面设备、通信系统由多个供应商分别提供，信息网络整合不到位，数据的可信度低；且未对工作面设备的数据标准、电磁兼容、数据共享提出要求，无法形成可信的数据池等。上述问题导致工况感知系统不能发挥出其应有作用，限制了智能技术的长期、稳定、可靠的应用。

数据交互及多机协同控制缺乏顶层管控

井工煤机装备智能化应以工作面整体效益最优化为目标，刮板输送机智能化的目标也应与之一致。 在刮板输送机性能允许的边界内，刮板输送机首先需要满足工作面效益最优的目标，接受外部控制，而不能以自身最优化运行；要实现工作面最优化控制，需有一套高于工作面单机控制的上层控制系统，协调各煤机运行。

理想的工作面多机智能协同系统，应基于工作面安全、效益、产量目标等设定参数，向各个煤机发送基于时间同步（规定的时间达到规定的运行状态）的指令信息，各单机判断该指令是否在控制界限内然后执行。在实际应用中，由于缺乏整体规划及统一的数据平台，且煤机装备信息化水平参差不齐、接口兼容性差、信息编码不统一、没有明确的层级控制关系等问题，导致工作面效益最优化无法实现。井工开采装备是个协同作业群，每个煤机装备需要其他装备提供相关的工况及运行参数；此外，由于部分供应商不对外开放通信接口，造成了煤机装备重复采集相同的数据或无法获取高质量数据，从而导致数据质量差、无效数据多、通信阻塞、延时长等诸多问题。要解决上述问题，需将工作面生产作为一个完整的组织体系进行研究，由上至下定义整个体系的架构、逻辑、优先级及控制权等。

智能决策系统缺乏研究

缺乏对智能决策系统的研究，导致无法形成有效的大数据平台，数据复用度低。由于各个煤矿的地质条件及开采工艺等差异较大，不同煤矿对刮板输送机的工作方式及评价标准认识不统一，造成刮板输送机智能决策系统在A矿学习与训练后形成的自主分析与决策知识无法复制到B矿，即使是少量工况相似度较高的煤矿，由于使用了不同的煤机组合（供应商不同）等原因，不能直接复制决策系统；每开采一个新工作面，都需重新学习刮板输送机的智能决策系统，并且需要经历较长的人工干预期。

煤矿开采是一个复杂的过程，包括片帮、冒顶、切割或破碎矸石、顶底板处置等突发且不可控的因素，上述因素均会对刮板输送机的可靠性及稳定运行造成影响。目前，尚无可靠的技术手段来准确预测上述突发情况，且刮板输送机的控制系统尚不具备应对上述问题的能力。

运维团队缺乏及研发力量分散

煤炭智能化开采尚处于初级阶段，大部分煤矿企业还未做好充分准备。虽然我国目前已实现了600多个工作面的智能采掘，但其综合信息化和智能设备的使用、管理、保障能力还有待提高，且作为信息化和智能化建设的基础，相关专业的技术人才缺口巨大；此外，智能化设备和信息化系统可靠性低、未明晰的问题多、可参考的处理经验少，亟需一支高技能、高素质且强有力的运维团队长期扎根生产一线，在实践中不断磨合、催熟新技术的应用，以及不断提高系统成熟度和功能适配性。目前的情况是，煤炭开采属于高危工作，工作环境差、劳动强度高、人才吸收能力弱，况且信息化、智能化方面的人才属于稀缺人才。基于上述因素，造成煤机装备智能化在推进和实践的过程中，运维队伍能力差，对智能化开采设备认识不到位等问题，从而导致智能装备使用效果差，迟滞了煤机装备智能化技术的发展。

煤炭开采智能化虽在多个技术方向上取得了一系列突破性成果，但同时也造成了各自为战，本就稀缺的专业技术力量存在更加分散，技术规划和标准散乱，数据共享性和通用性差等问题。亟待集行业之力，聚焦于部分工况条件好、基础工作扎实、管理优秀的现代化优质煤矿，集合业界优秀人才，从顶层设计、标准规范、架构规划、采煤工艺设计、设备配置等方面全局制定蓝图；组织优秀的实施、服务团队，熟悉工作面生产全流程，做好每一步的实践工作，才有可能使煤炭开采智能化技术得到发展。

刮板输送机智能输送技术展望

刮板输送机全姿态感知技术研究

目前刮板输送机感知技术多为工况状态感知，且仅限于减速器、电机、链轮轴组、刮板链等少数关键元部件，不能够完整地反映出刮板输送机的实时状态。未来将在刮板输送机全姿态感知技术方面进行研究，结合无线感知技术、视觉感知技术及物联网技术等，在提升数据准确性的同时，提升专业化信息采集的颗粒度，将刮板输送机绝大部分重要零部件的运行及健康信息纳入感知系统。未来还将进一步研究专用传感器以检测刮板输送机的走向、倾角、错口量等参数，以及综合采煤机位置、导向、截割轨迹，以及支架的位置、倾角、推移缸位移等信息，实现配套“三机”的自动化协作，使刮板输送机S弯或调直、采煤机进刀、支架对齐等动作不再需要人工干预。未来，刮板输送机全姿态感知技术将为整体工作面的智能化集中控制及智能决策提供更加完善和更高精度的底层数据支撑，使刮板输送机智能输送系统更加准确、高效、稳定。

完善数字化网络传输平台

未来，刮板输送机智能输送系统将把完善数字化网络平台相关功能、提升数据传输容量及传输速率作为重点研究对象，结合5G通信技术、物联网技术和数据库技术，提升数据传输容量及传输速率，最终利用各类高速率、低延时的通信技术，为助理编辑：李艾稣刮板输送机智能运输系统搭建通信高速桥梁，为实现刮板输送机远程实时运维和全寿命周期管理打下基础。

刮板输送机全生命周期管理技术

刮板输送机全生命周期管理技术是刮板输送机智能输送技术发展的重要组成部分之一，刮板输送机全生命周期管理是通过射频标签、大数据、物联网等技术对刮板输送机的设计、生产、检验、运维及报废等环节进行全生命周期数据记录、存储、分析及挖掘，使刮板输送机智能输送决策更加科学化，服务效能最大化，从而提升刮板输送机智能输送技术的可靠性及先进性。

刮板输送机数字孪生技术

未来，利用虚拟现实技术、数字孪生技术，将在地面控制中心重现井下采煤工作面设备运行场景。刮板输送机在井下运行时，操作人员将在虚拟平台中完成一系列作业流程，对刮板输送机进行精准操控，实现井下刮板输送机智能运行无人值守，运行故障提前预判，精准高效处理井下设备故障，为煤炭智能生产提供科学技术保障，实现煤矿井下智能化、无人化开采。

结 语

刮板输送机智能监控技术的发展将秉承“绿色、安全、高效、智能”的矿山理念，结合互联网、云平台、大数据分析等技术手段逐步完成数据收集及价值的提取挖掘工作。刮板输送设备要结合数据价值提取，推进设备优化与改进、建立刮板输送设备专用的故障库、决策库，实现故障诊断、寿命预估、运行趋势分析等功能，为促进国家能源发展实现全行业的设备数据统计与数据共享。