馮景浦，王 盼，張學(xué)剛

(寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，寧夏 銀川 750000)

0 引言

刮板輸送設(shè)備是成套煤炭開采裝備不可或缺的組成部分，也是煤礦井工開采煤炭輸送的關(guān)鍵裝備。隨著煤礦開采技術(shù)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，刮板輸送設(shè)備的自動(dòng)化程度越來越高，其控制系統(tǒng)逐步向數(shù)字化、智能化邁進(jìn)。文中重點(diǎn)對(duì)刮板輸送設(shè)備智能化控制系統(tǒng)現(xiàn)狀及其控制系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，以期對(duì)這一關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備的研究前景作出判斷。

1 刮板輸送設(shè)備智能控制發(fā)展的現(xiàn)狀

隨著智能化無人開采的深入發(fā)展，更多機(jī)械化、信息化的短板被補(bǔ)充完善，圖像智能識(shí)別、智能控制等關(guān)鍵核心技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)越來越熱[1]。刮板輸送設(shè)備在智能化開采的大環(huán)境下，高可靠性、高安全型、數(shù)字化、智能化發(fā)展的需求將越來越迫切。

自變頻技術(shù)在煤礦設(shè)備驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用以來，刮板輸送設(shè)備的控制技術(shù)逐步提升[2]。2014年成功研制了世界首套智能控制刮板輸送機(jī)[3]，現(xiàn)階段刮板輸送設(shè)備智能控制系統(tǒng)已融合了工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、鏈條自動(dòng)張緊控制系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)等智能控制相關(guān)內(nèi)容，形成了最新的智能控制系統(tǒng)[4]。

典型的控制模式如圖1所示。刮板輸送機(jī)、刮板轉(zhuǎn)載機(jī)、順槽破碎機(jī)因配套功率不同，其驅(qū)動(dòng)方式也不相同。重載刮板輸送機(jī)、刮板轉(zhuǎn)載機(jī)主流采用變頻驅(qū)動(dòng)(變頻器或變頻一體機(jī))而破碎機(jī)多采用單、雙速電機(jī)，依靠組合開關(guān)控制。整個(gè)刮板輸送設(shè)備的控制核心集中在集控中心。

圖1 智能控制系統(tǒng)典型應(yīng)用結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of intelligent control system

當(dāng)前，刮板輸送設(shè)備的工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是針對(duì)電機(jī)、減速器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)和減速器保護(hù)功能。同時(shí)控制系統(tǒng)融合的鏈條自動(dòng)張緊控制系統(tǒng)，主要是在解決鏈條因塑性變形帶來的頻繁截鏈問題的基礎(chǔ)上，拓展實(shí)現(xiàn)根據(jù)鏈條預(yù)緊力大小，自動(dòng)調(diào)整鏈條松緊程度，使其始終處于松緊合適的狀態(tài)，減少鏈條磨損[5]。由于受鏈條張力難以測(cè)量、液壓元件保壓性能以及工作面條件等相關(guān)因素的影響，鏈條自動(dòng)張緊控制系統(tǒng)推廣應(yīng)用緩慢。

故障診斷方面因數(shù)據(jù)樣本、故障模型、故障庫等數(shù)據(jù)積累不足，同時(shí)刮板輸送設(shè)備的關(guān)鍵零部件(如：鏈輪、減速器等)失效機(jī)理、故障特征判斷等理論研究不夠成熟，現(xiàn)階段還不能完全通過在礦井設(shè)備關(guān)鍵部件布置的傳感器，監(jiān)測(cè)并提取關(guān)鍵特征，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理，提示維護(hù)維修與指導(dǎo)建議的功能。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心還不能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況監(jiān)測(cè)的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的健康評(píng)估與診斷，提出維修維護(hù)的建議，進(jìn)而直接提升智能控制系統(tǒng)的先進(jìn)性。

近年來，大數(shù)據(jù)、5G、邊緣計(jì)算等技術(shù)逐步在煤炭行業(yè)應(yīng)用。在新技術(shù)推動(dòng)的發(fā)展潮流中，刮板輸送設(shè)備的智能控制系統(tǒng)將會(huì)借勢(shì)進(jìn)一步發(fā)展[7-10]。

2 刮板輸送設(shè)備智能控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

未來刮板輸送設(shè)備的智能控制系統(tǒng)將會(huì)隨著科學(xué)技術(shù)以及行業(yè)內(nèi)科學(xué)技術(shù)應(yīng)用水平的發(fā)展，逐步發(fā)展成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型、結(jié)構(gòu)單元型、多級(jí)協(xié)同型以及超前預(yù)判型等新一代智能控制系統(tǒng)[11]。

2.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型智能控制系統(tǒng)

隨著大數(shù)據(jù)的應(yīng)用發(fā)展，刮板輸送設(shè)備將持續(xù)重視數(shù)據(jù)的重要性。新形勢(shì)下刮板輸送設(shè)備將從“數(shù)據(jù)感知—數(shù)據(jù)傳輸—依據(jù)數(shù)據(jù)決策”3個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)力，升級(jí)現(xiàn)有工況監(jiān)測(cè)內(nèi)容，將數(shù)據(jù)運(yùn)行狀態(tài)及設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的狀態(tài)數(shù)據(jù)化、公式化、模型化，打造數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型的智能控制系統(tǒng)。

“數(shù)據(jù)感知”環(huán)節(jié)著重從數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化、拓展數(shù)據(jù)樣本、提升感知手段等3個(gè)方面發(fā)展。將結(jié)合圖像識(shí)別、超聲波、無線傳輸?shù)认冗M(jìn)技術(shù)進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)感知的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和關(guān)聯(lián)性。

“數(shù)據(jù)傳輸”環(huán)節(jié)著重從信號(hào)傳輸手段、傳輸機(jī)理、傳輸實(shí)時(shí)性以及跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享等4個(gè)方面發(fā)展。將融合5G、WiFi、ZigBee等新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，打破數(shù)據(jù)傳輸壁壘，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、高效性和易維護(hù)性。

“數(shù)據(jù)決策”環(huán)節(jié)著重從數(shù)據(jù) “庫”的建設(shè)、決策模型等方面發(fā)展。結(jié)合數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、模型演化等手段搭建各種“庫”和決策模型，實(shí)現(xiàn)依據(jù)數(shù)據(jù)科學(xué)性決策，建立刮板輸送設(shè)備“決策大腦”。在云計(jì)算、邊緣計(jì)算引進(jìn)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，搭建數(shù)據(jù)分析中心，支持時(shí)序數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、指令信息等多類型數(shù)據(jù)的分析。同時(shí)，開發(fā)數(shù)據(jù)交互接口為設(shè)備控制節(jié)點(diǎn)提供最合理的決策。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型智能控制系統(tǒng)基本特征包括：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與傳輸、支持邊緣計(jì)算和云計(jì)算等。

2.2 結(jié)構(gòu)單元型智能控制系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)單元型的智能控制系統(tǒng)是將刮板輸送設(shè)備的控制系統(tǒng)單元化。將刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制整合成一個(gè)單元型的控制系統(tǒng)。單元化的控制系統(tǒng)可獨(dú)立運(yùn)行，也可根據(jù)需要串、并聯(lián)成網(wǎng)狀控制系統(tǒng)，具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、互聯(lián)互通等優(yōu)勢(shì)。

單元型控制系統(tǒng)著重打破系統(tǒng)間壁壘，以模塊化組建控制系統(tǒng)，是集刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)的啟?？刂啤⒅悄苷{(diào)速、功率平衡、鏈條自動(dòng)張緊控制、工況監(jiān)測(cè)、健康管理系統(tǒng)等內(nèi)容于一體的獨(dú)立單元。同時(shí)借助先進(jìn)技術(shù)使刮板輸送設(shè)備控制系統(tǒng)的精確度更高、專注程度更強(qiáng)，核心技術(shù)更加凸顯，形成以高效、便捷為核心的單元型智能控制系統(tǒng)。

單元型智能控制系統(tǒng)基本特征包括：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)化、保持核心模塊不動(dòng)支持自由組態(tài)拼接、支持?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、支持?jǐn)?shù)據(jù)邊緣計(jì)算等。

2.3 多級(jí)協(xié)同型智能控制系統(tǒng)

多級(jí)協(xié)同型的智能控制系統(tǒng)是將刮板設(shè)備的控制系統(tǒng)融入到井下大規(guī)模設(shè)備群協(xié)同控制內(nèi)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間信息互通、共享，邏輯串、并聯(lián)合理，保證割煤、運(yùn)煤、移架“三機(jī)”協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)、智能運(yùn)行，達(dá)到協(xié)同控制的目的。

多級(jí)協(xié)同型控制系統(tǒng)重點(diǎn)是在數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，解決高速通信問題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息高速交換。同時(shí)，合理規(guī)劃邏輯優(yōu)先級(jí)的排序，強(qiáng)化閉鎖、聯(lián)鎖機(jī)制，實(shí)現(xiàn)刮板輸送設(shè)備、采煤機(jī)、液壓支架、泵站、變頻器、組合開關(guān)等多設(shè)備多信息耦合，雙向交流、協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，解決工作面區(qū)域內(nèi)成套裝備的差異化、精細(xì)化控制難題，達(dá)到煤礦井下多級(jí)協(xié)同控制的目的。

多級(jí)協(xié)同型控制系統(tǒng)基本特征包括：數(shù)據(jù)高速傳輸、信息互通、信息共享、信息耦合、支持閉鎖/聯(lián)鎖、支持控制邏輯串/并組合等[12-13]。

2.4 超前預(yù)判型控制系統(tǒng)

在數(shù)據(jù)的大量積累、各種故障模型、控制模型相對(duì)準(zhǔn)確和完善的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)超前預(yù)判、影響程度超前預(yù)判等內(nèi)容的主動(dòng)式超前預(yù)判型的控制系統(tǒng)。

超前預(yù)判就是在刮板輸送設(shè)備運(yùn)行的每一個(gè)時(shí)序內(nèi)，根據(jù)感知的相關(guān)參數(shù)狀態(tài)，可以預(yù)知、預(yù)判下一時(shí)序或以后某個(gè)時(shí)序?qū)?huì)發(fā)生的情況，并能根據(jù)將會(huì)發(fā)生的情況提前控制、調(diào)整，避免該情況的發(fā)生。該控制系統(tǒng)模式的實(shí)現(xiàn)將使刮板輸送設(shè)備的控制水平提升至一個(gè)新的高度。

超前預(yù)判型控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)煤炭開采智能化、少人化的重要條件。其核心內(nèi)容是建立工作面設(shè)備系統(tǒng)復(fù)合型運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)模型以及設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)價(jià)方法。通過設(shè)備故障特征、設(shè)備零部件失效機(jī)理、大數(shù)據(jù)分析以及多信息耦合決策模型，綜合設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)預(yù)判設(shè)備下一時(shí)刻可能出現(xiàn)的異常狀態(tài)，在當(dāng)前時(shí)刻做出調(diào)整，有效降低設(shè)備出現(xiàn)故障的頻率，提高設(shè)備運(yùn)行效率[14]。

超前預(yù)判型控制系統(tǒng)基本特征包括：多數(shù)據(jù)信息耦合、數(shù)據(jù)信息互通共享、邊緣計(jì)算、故障模型、可靠的設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)價(jià)方法、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)、大數(shù)據(jù)分析決策、AI算法等。

3 結(jié)語

新技術(shù)的發(fā)展勢(shì)必帶來刮板輸送設(shè)備控制系統(tǒng)的變革。在煤炭裝備向高端化、智能化發(fā)展的大勢(shì)下，未來的刮板輸送設(shè)備智能控制系統(tǒng)一定具備智能化程度高、可靠性高、易運(yùn)維、少人、安全等特點(diǎn)，控制系統(tǒng)先逐步由變頻驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)融合，在信息互通、共享的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展單元控制和協(xié)同控制。最終在大數(shù)據(jù)、5G、云計(jì)算等技術(shù)的應(yīng)用下發(fā)展成超前預(yù)判性的智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦井下開采智能化、少人化的目標(biāo)。