帶式輸送機智能運維管理平臺研究與設計

聶永朝，馮寶忠，楊 洋

(寧夏天地西北煤機有限公司，寧夏回族自治區石嘴山市，753000)

2020年，國家發改委等8部門印發的《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》指出，各類煤礦要分階段、分步驟實現智能化[1]。煤礦開采、運輸的智能化是煤炭行業發展的核心技術支撐，帶式輸送機輸送系統通常擔負著煤礦的主運輸任務，它的智能化是實現煤礦智能化必不可缺的一環。帶式輸送機輸送系統通常由多條不同參數的帶式輸送機搭接而成，現階段帶式輸送機輸送系統常常由于其中一條帶式輸送機或其中的關鍵設備故障導致系統停運，而且整個帶式輸送機輸送系統基本沒有形成協調控制的概念，運輸效率較低。因此，煤礦帶式輸送機智能化探索與實踐對于智能煤礦的建設具有現實意義，且實施也迫在眉睫。

為了給煤礦用戶提供更智能、更綠色、更安全的輸送系統，筆者根據國內帶式輸送機現狀及煤礦智能化需求，研究與設計了帶式輸送機智能運維管理平臺，利用“設備感知管理+互聯網”的模式，實現帶式輸送機透明輸送，平臺將帶式輸送機本體及各子系統的有效信息進行融合分析診斷，并形成決策性輸出，通過可視化、無人化的安全高效運行，大幅度降低運營成本、提高管理水平，引領帶式輸送機行業深層次變革。

1 帶式輸送機智能運維管理平臺設計

該平臺遵循透明原則，能夠使監控采集層內各子系統間信息共享，保證運量帶面透明、運行數據透明、調控節能透明，3個“透明”層層遞進、相輔相成，授權用戶可以迅速直觀地進行監控，最終為用戶提供更智能、更綠色、更安全的輸送系統。

1.1 平臺數據架構設計

要使帶式輸送機運維管理平臺能夠處理全部采集層的數據，并對外提供各種接口，其關鍵技術就是解決數據標準化的問題[2]。目前，不同廠商提供的礦用設備數據接口、協議標準千差萬別，軟件平臺使用的技術棧也迥然不同，造成各系統間形成壁壘導致數據堵塞隔離，為帶式輸送機運維管理平臺的數據接入工作帶來較大阻力。因此，本系統選用智能型網關對終端設備的數據進行接入，智能型網關支持各種通信協議，通過OPC標準與上位系統互通，OPC規范了接口函數，不管終端數據以何種方式傳送，用戶都可以使用統一的方式訪問控制，使得運維管理平臺可以較方便地采集各子系統設備的信息，還可滿足子系統之間對數據共享的需求，從而支撐帶式輸送機系統數據融合聯動，為智能化控制奠定可靠基礎。帶式輸送機智能運維管理平臺數據架構如圖1所示。

煤礦帶式輸送機智能化控制主要體現在有效信息的獲取和智能算法上，只有全面有效的信息作為基礎，才能保證算法的可靠性，從而達到帶式輸送機智能運維管理平臺透明運行的目的。同時，平臺的各網絡、各層級、各子系統之間均采用安全防范措施，以確保網絡的安全性能，并對核心設備數據進行冗余存儲，提高平臺運行的穩定可靠性。

圖1 帶式輸送機智能運維管理平臺系統數據架構

1.2 平臺功能架構設計

該平臺采用B/S架構，對帶式輸送機輸送系統設備進行智能綜合管理和監控，包括逆止器逆止力矩監測及閾值報警、驅動部故障診斷與健康管理、膠帶縱向撕裂狀態顯示、托輥噪聲分析、人員安全防護及帶式輸送機系統節能調速與協調聯動等，該平臺將各個子系統的數據進行融合、分析、決策、輸出，形成完善的歷史數據報表(含運行參數、曲線圖和報警記錄)，當帶式輸送機系統出現問題時，平臺可快速鎖定問題，縮短故障停機時間。帶式輸送機智能運維管理平臺功能架構如圖2所示。

圖2 帶式輸送機智能運維管理平臺功能架構

2 關鍵子系統監測技術分析

帶式輸送機正常運行時由逆止器、張緊裝置、驅動部(電機、減速器及滾筒)、膠帶、上下托輥及連續載荷等單元構成，為了實現帶式輸送機智能運維管理平臺的透明化，首先須采集這些單元中的有效信息，下面將分別對各個單元進行分析，并選擇其有效信息與采集途徑。

2.1 逆止器力矩在線監測

逆止器是為防止傾斜上運帶式輸送機有載停車時發生倒轉或順滑現象，經對制動力矩核算增設的逆止裝置[3]。隨著煤炭行業的迅猛發展，工藝上對傾斜上運帶式輸送機的大傾角、大運量、長距離、高帶速等特性提出了更高的要求，因此在大傾角、大運量上運帶式輸送機中如何保證安全、高效生產、降低事故的發生顯得尤為重要，而逆止器則是大傾角帶式輸送機安全運行的最后也是最重要的一道防線。

逆止器應能保證在任何情況下作用在逆止器上的力矩均小于逆止器的最大力矩，特別是在帶式輸送機非正常停車時出現的最大逆轉力工況(如：滿載啟動時意外斷電或瞬時運量過大停機等)。

2.1.1力矩在線監測

現有逆止器只在銘牌上標注額定逆止力矩，但對于使用過程中的力矩數值不能實時監測；如果逆止器損壞或帶式輸送機發生倒轉、順滑現象，無法進行事故原因分析，這將對帶式輸送機的正常使用產生直接影響。針對此種現象，應對逆止器力矩和溫度進行實時數據采集，此項的實施可以解決的問題如下：

(1)為帶式輸送機逆止力矩的計算和裝置選型提供大量的現場工程數據，便于改進算法和制造升級；

(2)對監測的逆止器力矩及溫度進行數據分析和處理，同時設置閾值，進行數據比較和報警，提示操作人員及時處理，進而對事故進行提前預判。

2.1.2力矩在線監測關鍵技術

為了能夠實時監測到逆止器的逆止力矩，可采用以下辦法：

(1)增設扭應力不介入式轉矩測力裝置；

(2)使用測力儀測定防轉臂支撐點的阻力；

(3)在逆止器力臂和底座間加裝輪輻式壓力傳感器。

從逆止器的工作原理及結構來看，無論哪種方式，逆止力監測設備的安裝位置包括2種，第一種是安裝在內外圈之間，第二種是安裝在轉臂和底座之間，相比較而言，第二種方式安裝簡單且便于第三方集成。

2.2 張緊裝置按需調節數據固化

張緊裝置是帶式輸送機系統的必備裝置，它不僅為帶式輸送機正常運行提供合適的張力和摩擦力，還使膠帶在托輥間保持適合的垂度。在使用過程中，若張緊力調節過大，會促使機械結構變形甚至鋼絲繩崩斷；若張緊力調節過小，則會引起膠帶打滑或跑偏事故。因此，張緊裝置張力調節的性能優劣直接影響到帶式輸送機的運行狀況和膠帶、機架、滾筒等部件的使用壽命。

2.2.1張緊力按需調節

現階段張緊裝置的計算選型都是滿足帶式輸送機在最大、最惡劣工況下的張力大小，其使用過程僅在帶式輸送機啟動、運行、停止這3種狀態下進行了簡單設定。而在實際應用中，帶式輸送機運行所需張緊力的大小跟載荷、長度及巷道的坡度有直接關聯，下面以帶式輸送機(參數：帶寬為1 200 mm、帶速為4.5 m/s、功率為2×630 kW、傾角為-13°～10°)輸送長度變化為例[4]，計算實際所需張緊力大小見表1。

表1 張緊力隨帶式輸送機輸送長度變化

由表1的數據分析可知，僅在帶式輸送機長度改變這一條件下，按實際所需張緊力運行就極大地提高了機架、膠帶及張緊滾筒軸承使用壽命，且現階段大多數帶式輸送機都存在不匹配的問題，因此載荷大小也是影響張緊力大小的重要因素之一。

2.2.2張緊力按需調節解決途徑

為了保證帶式輸送機安全、可靠、高效運行，張緊裝置需能根據外部參數的變化實現張緊力分段可調，滿足這一條件的產品目前雖然有永磁變頻張緊、變頻張緊及液壓張緊這3類，但其生產廠家絕大多數都不是帶式輸送機主機制造商，不具備帶式輸送機的設計計算能力，因此在帶式輸送機運行過程中張緊力調節依據的數據沒有可靠來源。

因此，要求主機廠家在設計階段根據帶式輸送機的長度、巷道坡度及載荷變化得到的一系列不同張緊力數據進行處理，為了保證工程的可靠性，進行分段實施調節，并將張緊力調節數據庫固化在主控設備程序中，在帶式輸送機運行時，主控設備程序對長度、坡度及連續載荷進行實時跟蹤并與數據庫進行比對，比對后將實際所需張緊力大小發送至張緊裝置進行調節。

2.3 元部件故障診斷與狀態評估

帶式輸送機需進行在線監測的主要元部件有驅動單元、滾筒、膠帶、托輥等，元部件故障診斷與狀態評估系統可將帶式輸送機的事故性、計劃性維修轉變為預測性維修，不但可以減輕工作人員的勞動強度、及時發現問題、降低事故風險、避免事故擴大化、大大降低生產過程中的非正常停機時間，而且能夠擺脫人工故障數據記錄和數據分析難以形成系統性的制約。

元部件故障診斷與狀態評估還可以正確有效地揭示潛在故障的發生、發展和轉移，智能診斷出設備的故障原因與故障嚴重程度，并可評估設備的實際壽命周期，為設備合理維護保養和優化備品備件庫提供科學管理依據，建立設備的故障現象、故障原因、故障措施的知識庫體系，實現知識傳承和知識共享[5]，實現診斷結果自動生成健康報表。

2.3.1驅動單元及滾筒診斷關鍵技術

目前，驅動單元及滾筒多采用振動加溫度傳感器作為底層數據采集的單元，系統將采集的數據進行FFT頻譜、包絡譜、瀑布圖、特征頻率幅度及熱譜分析，與海量的積累數據比對，從而診斷出轉子不平衡、齒輪嚙合故障、機器不對中、組件共振、軸承故障等不同的故障。

2.3.2膠帶縱向撕裂診斷關鍵技術

膠帶約占帶式輸送機36%左右的成本，對它的縱向撕裂檢測尤為重要[6]，現階段主要有以下5類技術類型：

(1)壓敏電阻傳感器類型。該類型原理是利用膠帶縱向撕裂或橫向斷裂時產生的落煤，當落煤壓到壓敏電阻傳感器上，傳感器兩輸出端之間的電阻就會由大于1 MΩ改變為小于或等于2 kΩ，從而對膠帶撕裂狀態進行判別。

(2)導電橡膠傳感器類型。壓力可使導電橡膠中的鋁鍍銀、銀等導電顆粒接觸，達到良好的導電性能[6]，利用這一原理，將導電橡膠模壓成適合帶式輸送機帶寬的槽型感知器，當膠帶被異物穿透后，隨膠帶運行而擠壓感知器，使其導電。

(3)無源觸點開關類型。這種形式類似于拉線開關，整個裝置由機械開關、定滑輪及懸掛在上膠帶下方的鋼絲繩構成，當膠帶被異物穿透觸動鋼絲繩后帶動開關動作。

(4)異物視覺監測及縱向撕裂系統。該系統首先實現的功能是預防，系統基于智能視頻分析技術，當生產過程中下料倉口堆煤或有異物突然出現并停留超過設定時間，發出報警，防止異物卡住造成堆煤和膠帶撕裂故障，防患于未然；該系統其次實現的功能是阻止擴大，當視頻漏檢發生異物穿刺膠帶撕裂時，利用激光檢測光幕信號觸發[7]。

(5)膠帶縱向撕裂識別監測系統。該系統用特種光感攝像機對膠帶表面進行拍攝成像，通過結構光束在膠帶表面呈現一條與膠帶表面完全相符的輪廓線，然后利用圖像實時算法對拍攝圖像中的輪廓線變化進行判斷膠帶縱向撕裂狀態。

由縱向撕裂裝置基本工作原理可知，前3種類型的檢測手段均是通過膠帶發生縱向撕裂事故后物料灑落進行識別，但事實上是95%以上膠帶縱向撕裂時不會漏撒物料，而是在膠帶的張力下呈現出重疊或緊閉狀態，即使有漏撒現象，膠帶在運行中漏撒到傳感器的物料也較少，從而導致發生縱向撕裂事故后傳感器不能準確判斷或失效。

后2種基于圖像、視頻分析技術的膠帶縱撕監測系統，均不依賴于落煤進行檢測，它們通過對特種攝像機采集的圖像進行分析處理，并對膠帶的斷面高度和深度進行校驗，從而判斷膠帶的縱向撕裂狀態。系統具有靈敏度高、響應速度快的特性，做到了提前感知，避免損失擴大。

2.3.3托輥診斷關鍵技術

托輥是承載帶式輸送機膠帶和載荷的部件，雖然單件成本較低，但數量最多，約占輸送機成本的20%左右，保障托輥的正常運行非常必要，因為如果托輥旋轉阻力過大，不但會影響系統動力，嚴重時還會造成膠帶撕裂和溫度超限，從而引發火災。

為了能夠實時監測到托輥的運行狀態從而進行故障診斷，目前解決思路主要分為3類：一是在托輥自身加裝溫度、速度及振動傳感器進行監測，難點是電源和成本問題；二是采用巡檢機器人的方法，由巡檢機器人搭載聲吶及紅外攝像儀采集噪音和溫度信號進行診斷，主要問題是巡檢軌道的安裝不能使攝像儀完全采集到全部托輥；三是利用光纖或感溫電纜進行全線敷設，采集托輥周圍環境溫度，并輔助固定在機架上的聲吶進行噪聲監測，從而診斷托輥故障。

2.4 危險區域人員防護管理系統

危險區域人員防護管理系統采用智能機器視覺分析技術，對轉運站、帶式輸送機人行通道、料倉等高危地段進行實時監測，當設定區域內有人員活動或違章作業時，設備無法啟動或關聯停車，并同步將事發區域的圖像上傳至控制室，同時現場語音報警箱以聲光警告的方式提醒逗留人員離開，人員離開后設備方可正常啟動。使用該系統的目是將各類事故消滅在萌芽狀態，確保人員安全。危險區域人員防護管理系統組成如圖3所示。

2.5 煤流體積監測系統

2.5.1煤流體積監測系統功能

對于帶式輸送機而言，功率消耗主要來自于2個因素，一是空載運行消耗功率，二是輸送載荷消耗功率。21世紀德國標準化委員會發布的帶式輸送機設計標準DIN22101-2002指出，運行阻力和帶速是決定帶式輸送機功率消耗的主要因素，經過多方論證得出通過降低帶速來提高物料填充率的方法是能夠節能的[8]，而要達到這一目的，重中之重是要保證運量信息透明，也就是煤流體積監測系統所要實現的功能[9]。

2.5.2煤流體積監測系統關鍵技術

帶式輸送機的煤流特性(運動體、厚度無規律、色差)決定了不同監測手段的實施效果，目前國內帶式輸送機煤流斷面掃描監測主要有基于AI圖像分析技術、超聲波測距以及面陣激光雷達等3種手段，較精確的是采用雙目攝像儀的AI圖像分析技術[2]，它通過對視頻流中相鄰兩幀圖像像素的分布特征確定邊界，并補充了深度信息，利用AI識別算法估算瞬時煤流量，精度較高；超聲波測距僅測量煤面最高點，通過堆積角、托輥長度、托輥夾角等參數推算截面積，進而估算煤量，因此精度較差；面陣激光雷達采集基于時間飛行原理，使用“時空”分割的方法，分次分批把數據采集上來，通過時空組合形成一段時間內采集面積范圍的距離集合從而計算出煤量體積，但是由于煤炭的黑度較大，因此光線可能被大量吸收，測距反射波較弱，需設計多種輔助測量手段。基于以上分析，本文選擇基于AI圖像分析技術的雙目攝像機作為運量透明的實現手段。

圖3 危險區域人員防護管理系統組成

3 帶式輸送機調控節能分析

現階段帶式輸送機輸送系統低效率、高能耗的主要原因如下：

(1)冗余。煤炭企業開采過程中出煤量存在較大的不確定性，設計方常考慮確保在極端條件下帶式輸送機輸送系統的安全運行，因此設計選型冗余量較大；

(2)空載。系統“逆起順停”，過程空載時間較長，導致高耗能；

(3)恒速。帶式輸送機輸送系統一直處于高轉速運行，與載荷沒有形成匹配關系，導致運行過程中輕載能耗較大，且加快了設備的磨損，降低設備使用壽命[10]。

為了解決上述3個問題，在得到帶式輸送機輸送系統運量和速度實時信息后，對帶式輸送機輸送系統設備進行協調控制，主要體現在起、停時的“順逆煤流自適應”以及運行過程中速度與運量匹配的“自調節”，從而減少電能損耗和機械磨損，提高設備壽命。為了保證帶式輸送機輸送系統運行的可靠性，在運量或速度信息不明確時，平臺還可自動或手動切換調控節能功能的投入或退出，真正達到調控節能透明。

4 應用分析

2020年6月，帶式輸送機智能運維管理平臺在國家能源集團察哈素煤礦(以下簡稱察哈素煤礦)主運系統成功運用，帶式輸送機智能運維管理平臺主界面如圖4所示，察哈素煤礦主運系統帶式輸送機參數見表2，其搭接關系如圖5所示。

通過表2和圖5分析可知，察哈素煤礦主運系統內的帶式輸送機明顯存在設計運量不匹配問題，而且主運系統帶式輸送機搭接數量較多、長度較長，因此非常適用帶式輸送機智能運維管理平臺中的調控節能功能。

察哈素煤礦主運系統正常運行時，帶式輸送機智能運維管理平臺僅投入調控節能中的順煤流啟動一項就可為用戶節約電能1067(kW·h)/d，如在運行中同步投入調速功能，使帶式輸送機裝載率達到90%以上時，還可節約電能1309(kW·h)/d，帶式輸送機運維管理平臺提高了運輸效率，達到了節能運行目標，同時實現了帶式輸送機主運系統設備信息的透明化，為用戶構建智慧礦山奠定了主運數據透明基礎。

圖4 帶式輸送機智能運維管理平臺主界面

表2 主運系統帶式輸送機參數

圖5 察哈素煤礦主運帶式輸送機搭接關系

5 結語

通過對帶式輸送機各個單元關鍵監測技術進行分析，帶式輸送機智能運維管理平臺能夠獲取帶透明輸送最重要也是最基礎的運量物料透明與運行數據透明數據，該平臺通過對這些數據進行顯示并融合分析，實現帶式輸送機系統調控節透明。帶式輸送機智能運維管理平臺打破了各個子系統的信息孤島，并針對煤礦現實需求增添了逆止器力矩監測、張緊裝置按需調節數據固化及托輥故障診斷等子系統，完成了帶式輸送機輸送系統的可控可視、實時監測、預警報警、系統聯動、趨勢判研、安全節能等功能，實現了帶式輸送機輸送系統透明輸送。