采煤工作面刮板輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)研究

摘要：刮板輸送機(jī)是煤礦井工開采煤炭運(yùn)輸?shù)暮诵脑O(shè)備，其智能化水平直接影響工作面智能化程度。分析指出目前刮板輸送機(jī)智能化技術(shù)仍存在工況感知數(shù)據(jù)治理不到位、數(shù)據(jù)交互及多機(jī)協(xié)同控制缺乏頂層管控、設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)不到位、智能化技術(shù)應(yīng)用不足等問題。基于礦鴻操作系統(tǒng)統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議等優(yōu)勢(shì)，開發(fā)了采煤工作面刮板輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)架構(gòu)，重點(diǎn)闡述了該系統(tǒng)中刮板輸送機(jī)工況感知和自適應(yīng)控制這2 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：以啞鈴狀態(tài)監(jiān)測(cè)和斷鏈故障監(jiān)測(cè)為例，介紹了刮板輸送機(jī)工況感知技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法；通過分析刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流數(shù)據(jù)，結(jié)合采煤機(jī)采高、截深、行走速度、位置等采集數(shù)據(jù)，得出刮板輸送機(jī)運(yùn)煤量計(jì)算公式，由此設(shè)計(jì)了基于負(fù)載狀態(tài)的刮板輸送機(jī)智能調(diào)速控制策略；分析了刮板輸送機(jī)鏈條與張力的關(guān)系，通過計(jì)算鏈條伸長(zhǎng)量并與設(shè)定值作比較，控制油缸伸出（縮回）動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)鏈條張緊自動(dòng)控制。在煤礦現(xiàn)場(chǎng)對(duì)基于礦鴻操作系統(tǒng)的刮板輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集刮板輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、故障信息、負(fù)載等關(guān)鍵參數(shù)并進(jìn)行分析處理，數(shù)據(jù)精度高，穩(wěn)定性好，故障診斷準(zhǔn)確性高，且實(shí)現(xiàn)了刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)、液壓支架等設(shè)備的互聯(lián)互通、相互協(xié)作，數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)僅為5～10 ms。

關(guān)鍵詞：采煤工作面；刮板輸送機(jī)；礦鴻操作系統(tǒng)；分布式軟總線；工況感知；智能調(diào)速；鏈條張緊自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TD634.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

煤炭智能開采是人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、智能裝備等新技術(shù)與傳統(tǒng)煤炭開采方式的深度融合。國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截至2024 年4 月底， 全國累計(jì)建成智能化采煤工作面1 922 個(gè)，智能化掘進(jìn)工作面2 154 個(gè)，煤礦智能化建設(shè)已進(jìn)入加快發(fā)展、縱深推進(jìn)新階段，煤炭生產(chǎn)效率、安全性提升幅度顯著，井下各生產(chǎn)環(huán)節(jié)、采掘關(guān)鍵危險(xiǎn)場(chǎng)所參與人數(shù)明顯減少[1-2]。刮板輸送機(jī)作為煤礦井工開采煤炭運(yùn)輸?shù)暮诵模渲悄芑街苯佑绊懝ぷ髅婵傮w建設(shè)的智能化程度[3-4]。經(jīng)過多年的智能化技術(shù)積累和各種新技術(shù)在礦井的不斷嘗試，刮板輸送機(jī)在智能化方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但實(shí)踐應(yīng)用中在感知數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)交互、協(xié)同控制等方面仍有諸多問題。

礦鴻操作系統(tǒng)是工業(yè)領(lǐng)域的商用物聯(lián)網(wǎng)操作平臺(tái)，目的是在礦業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)萬物互聯(lián)，打破多種協(xié)議、繁雜設(shè)備的連接鴻溝，目前已在煤礦井下設(shè)備監(jiān)測(cè)與管理[5-8]、智能開采[9-10]等場(chǎng)景下應(yīng)用。本文針對(duì)刮板輸送機(jī)智能化發(fā)展過程中面臨的問題，設(shè)計(jì)了基于礦鴻操作系統(tǒng)的刮板輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)，旨在為工作面其他設(shè)備的智能化建設(shè)提供借鑒。

1 刮板輸送機(jī)智能化發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段刮板輸送機(jī)智能化主要體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面。

1） 信息化和自動(dòng)化融合應(yīng)用。刮板輸送機(jī)智能化發(fā)展進(jìn)程與信息化、自動(dòng)化技術(shù)的融合密不可分，通過信息融合管控及傳感技術(shù)，刮板輸送機(jī)在關(guān)鍵零部件健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)行姿態(tài)自主控制等領(lǐng)域取得了突破。這種融合使得刮板輸送機(jī)能更加精確地控制物料輸送過程，提高生產(chǎn)效率，減少人工服務(wù)頻次[11-12]。

2） 節(jié)能環(huán)保需求推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新。隨著國家碳中和、碳達(dá)峰相關(guān)政策的發(fā)布，煤炭采選行業(yè)對(duì)節(jié)能環(huán)保日益重視。刮板輸送機(jī)制造商在不斷努力研發(fā)符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備的同時(shí)，通過引入先進(jìn)的智能化控制技術(shù)和節(jié)能環(huán)保技術(shù)，如變頻控制、智能調(diào)速等，確保刮板輸送機(jī)的高效性，同時(shí)降低設(shè)備運(yùn)行能耗，減少對(duì)環(huán)境的有害影響[13]。

3） 智能化控制系統(tǒng)不斷完善。目前刮板輸送機(jī)智能化控制系統(tǒng)包含設(shè)備監(jiān)控、設(shè)備健康管理等功能模塊，通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芸刂破脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)的可控軟啟動(dòng)、鏈條張力主動(dòng)調(diào)控、多驅(qū)動(dòng)點(diǎn)功率協(xié)調(diào)、智能變頻調(diào)速等功能。

4） 智能化促進(jìn)多種煤炭運(yùn)輸解決方案的涌現(xiàn)。近年來，在行業(yè)智能化技術(shù)發(fā)展的助力下，針對(duì)不同礦井地質(zhì)條件、不同用戶使用習(xí)慣，涌現(xiàn)出刮板輸送機(jī)個(gè)性化定制產(chǎn)品，如SGZ1400/3000+2000 型智能異構(gòu)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)、500 m 中厚煤層超長(zhǎng)運(yùn)距智能刮板輸送機(jī)[14]、10 m 采高智能刮板輸送機(jī)等，促進(jìn)了煤礦生產(chǎn)率的提高，降低了生產(chǎn)成本。

在實(shí)際應(yīng)用中，刮板輸送機(jī)智能化技術(shù)仍存在諸多問題，具體體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面。

1） 工況感知數(shù)據(jù)治理不到位。數(shù)據(jù)是設(shè)備智能化的基礎(chǔ)，高準(zhǔn)確率、高精度的數(shù)據(jù)是提高刮板輸送機(jī)控制精度的依據(jù)。然而，煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，很多信息采集與傳輸系統(tǒng)的可靠性差、準(zhǔn)確度低，與智能化終端設(shè)備使用要求不匹配。實(shí)踐中工作面設(shè)備、通信系統(tǒng)由多個(gè)供應(yīng)商提供，信息網(wǎng)絡(luò)整合難度高，數(shù)據(jù)可信度低，工作面設(shè)備的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一，且難以實(shí)現(xiàn)電磁兼容和數(shù)據(jù)共享，無法形成可信的數(shù)據(jù)池。

2） 數(shù)據(jù)交互及多機(jī)協(xié)同控制缺乏頂層管控。煤炭開采裝備的智能化應(yīng)以提升礦井整體效益為目標(biāo)[15-16]，而刮板輸送機(jī)的智能化目標(biāo)也應(yīng)如此。當(dāng)前工作面集控系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了對(duì)各設(shè)備的集中顯示和控制，但對(duì)單機(jī)設(shè)備的數(shù)據(jù)需求不明確，對(duì)多機(jī)系統(tǒng)控制策略缺乏頂層管控經(jīng)驗(yàn)，造成設(shè)備之間數(shù)據(jù)交互的實(shí)時(shí)性難以完全掌控，設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)挖掘浮淺，工作面總體協(xié)調(diào)管控效果有待提高。

3） 設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)不到位。在惡劣環(huán)境下，刮板輸送機(jī)智能化產(chǎn)品需及時(shí)維護(hù)和保養(yǎng)，以便高效地為煤礦生產(chǎn)服務(wù)。然而，在現(xiàn)實(shí)中設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)與生產(chǎn)效率經(jīng)常形成矛盾，為了提高產(chǎn)量，常出現(xiàn)智能化產(chǎn)品損壞棄用、延期保養(yǎng)、有檢查才保養(yǎng)甚至不維護(hù)、不保養(yǎng)的現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備故障率高，影響智能化控制效果。

4） 智能化技術(shù)應(yīng)用不足。由于井下工作環(huán)境惡劣，人工智能、視頻識(shí)別、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中應(yīng)用不足[17]，與其他行業(yè)相比差距明顯，智能化控制水平仍存在很大的提升空間。