带式输送机智能运维管理平台研究与设计

聂永朝，冯宝忠，杨 洋

(宁夏天地西北煤机有限公司，宁夏回族自治区石嘴山市，753000)

2020年，国家发改委等8部门印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》指出，各类煤矿要分阶段、分步骤实现智能化[1]。煤矿开采、运输的智能化是煤炭行业发展的核心技术支撑，带式输送机输送系统通常担负着煤矿的主运输任务，它的智能化是实现煤矿智能化必不可缺的一环。带式输送机输送系统通常由多条不同参数的带式输送机搭接而成，现阶段带式输送机输送系统常常由于其中一条带式输送机或其中的关键设备故障导致系统停运，而且整个带式输送机输送系统基本没有形成协调控制的概念，运输效率较低。因此，煤矿带式输送机智能化探索与实践对于智能煤矿的建设具有现实意义，且实施也迫在眉睫。

为了给煤矿用户提供更智能、更绿色、更安全的输送系统，笔者根据国内带式输送机现状及煤矿智能化需求，研究与设计了带式输送机智能运维管理平台，利用“设备感知管理+互联网”的模式，实现带式输送机透明输送，平台将带式输送机本体及各子系统的有效信息进行融合分析诊断，并形成决策性输出，通过可视化、无人化的安全高效运行，大幅度降低运营成本、提高管理水平，引领带式输送机行业深层次变革。

1 带式输送机智能运维管理平台设计

该平台遵循透明原则，能够使监控采集层内各子系统间信息共享，保证运量带面透明、运行数据透明、调控节能透明，3个“透明”层层递进、相辅相成，授权用户可以迅速直观地进行监控，最终为用户提供更智能、更绿色、更安全的输送系统。

1.1 平台数据架构设计

要使带式输送机运维管理平台能够处理全部采集层的数据，并对外提供各种接口，其关键技术就是解决数据标准化的问题[2]。目前，不同厂商提供的矿用设备数据接口、协议标准千差万别，软件平台使用的技术栈也迥然不同，造成各系统间形成壁垒导致数据堵塞隔离，为带式输送机运维管理平台的数据接入工作带来较大阻力。因此，本系统选用智能型网关对终端设备的数据进行接入，智能型网关支持各种通信协议，通过OPC标准与上位系统互通，OPC规范了接口函数，不管终端数据以何种方式传送，用户都可以使用统一的方式访问控制，使得运维管理平台可以较方便地采集各子系统设备的信息，还可满足子系统之间对数据共享的需求，从而支撑带式输送机系统数据融合联动，为智能化控制奠定可靠基础。带式输送机智能运维管理平台数据架构如图1所示。

煤矿带式输送机智能化控制主要体现在有效信息的获取和智能算法上，只有全面有效的信息作为基础，才能保证算法的可靠性，从而达到带式输送机智能运维管理平台透明运行的目的。同时，平台的各网络、各层级、各子系统之间均采用安全防范措施，以确保网络的安全性能，并对核心设备数据进行冗余存储，提高平台运行的稳定可靠性。

图1 带式输送机智能运维管理平台系统数据架构

1.2 平台功能架构设计

该平台采用B/S架构，对带式输送机输送系统设备进行智能综合管理和监控，包括逆止器逆止力矩监测及阈值报警、驱动部故障诊断与健康管理、胶带纵向撕裂状态显示、托辊噪声分析、人员安全防护及带式输送机系统节能调速与协调联动等，该平台将各个子系统的数据进行融合、分析、决策、输出，形成完善的历史数据报表(含运行参数、曲线图和报警记录)，当带式输送机系统出现问题时，平台可快速锁定问题，缩短故障停机时间。带式输送机智能运维管理平台功能架构如图2所示。

图2 带式输送机智能运维管理平台功能架构

2 关键子系统监测技术分析

带式输送机正常运行时由逆止器、张紧装置、驱动部(电机、减速器及滚筒)、胶带、上下托辊及连续载荷等单元构成，为了实现带式输送机智能运维管理平台的透明化，首先须采集这些单元中的有效信息，下面将分别对各个单元进行分析，并选择其有效信息与采集途径。

2.1 逆止器力矩在线监测

逆止器是为防止倾斜上运带式输送机有载停车时发生倒转或顺滑现象，经对制动力矩核算增设的逆止装置[3]。随着煤炭行业的迅猛发展，工艺上对倾斜上运带式输送机的大倾角、大运量、长距离、高带速等特性提出了更高的要求，因此在大倾角、大运量上运带式输送机中如何保证安全、高效生产、降低事故的发生显得尤为重要，而逆止器则是大倾角带式输送机安全运行的最后也是最重要的一道防线。

逆止器应能保证在任何情况下作用在逆止器上的力矩均小于逆止器的最大力矩，特别是在带式输送机非正常停车时出现的最大逆转力工况(如：满载启动时意外断电或瞬时运量过大停机等)。

2.1.1力矩在线监测

现有逆止器只在铭牌上标注额定逆止力矩，但对于使用过程中的力矩数值不能实时监测；如果逆止器损坏或带式输送机发生倒转、顺滑现象，无法进行事故原因分析，这将对带式输送机的正常使用产生直接影响。针对此种现象，应对逆止器力矩和温度进行实时数据采集，此项的实施可以解决的问题如下：

(1)为带式输送机逆止力矩的计算和装置选型提供大量的现场工程数据，便于改进算法和制造升级；

(2)对监测的逆止器力矩及温度进行数据分析和处理，同时设置阈值，进行数据比较和报警，提示操作人员及时处理，进而对事故进行提前预判。

2.1.2力矩在线监测关键技术

为了能够实时监测到逆止器的逆止力矩，可采用以下办法：

(1)增设扭应力不介入式转矩测力装置；

(2)使用测力仪测定防转臂支撑点的阻力；

(3)在逆止器力臂和底座间加装轮辐式压力传感器。

从逆止器的工作原理及结构来看，无论哪种方式，逆止力监测设备的安装位置包括2种，第一种是安装在内外圈之间，第二种是安装在转臂和底座之间，相比较而言，第二种方式安装简单且便于第三方集成。

2.2 张紧装置按需调节数据固化

张紧装置是带式输送机系统的必备装置，它不仅为带式输送机正常运行提供合适的张力和摩擦力，还使胶带在托辊间保持适合的垂度。在使用过程中，若张紧力调节过大，会促使机械结构变形甚至钢丝绳崩断；若张紧力调节过小，则会引起胶带打滑或跑偏事故。因此，张紧装置张力调节的性能优劣直接影响到带式输送机的运行状况和胶带、机架、滚筒等部件的使用寿命。

2.2.1张紧力按需调节

现阶段张紧装置的计算选型都是满足带式输送机在最大、最恶劣工况下的张力大小，其使用过程仅在带式输送机启动、运行、停止这3种状态下进行了简单设定。而在实际应用中，带式输送机运行所需张紧力的大小跟载荷、长度及巷道的坡度有直接关联，下面以带式输送机(参数：带宽为1 200 mm、带速为4.5 m/s、功率为2×630 kW、倾角为-13°～10°)输送长度变化为例[4]，计算实际所需张紧力大小见表1。

表1 张紧力随带式输送机输送长度变化

由表1的数据分析可知，仅在带式输送机长度改变这一条件下，按实际所需张紧力运行就极大地提高了机架、胶带及张紧滚筒轴承使用寿命，且现阶段大多数带式输送机都存在不匹配的问题，因此载荷大小也是影响张紧力大小的重要因素之一。

2.2.2张紧力按需调节解决途径

为了保证带式输送机安全、可靠、高效运行，张紧装置需能根据外部参数的变化实现张紧力分段可调，满足这一条件的产品目前虽然有永磁变频张紧、变频张紧及液压张紧这3类，但其生产厂家绝大多数都不是带式输送机主机制造商，不具备带式输送机的设计计算能力，因此在带式输送机运行过程中张紧力调节依据的数据没有可靠来源。

因此，要求主机厂家在设计阶段根据带式输送机的长度、巷道坡度及载荷变化得到的一系列不同张紧力数据进行处理，为了保证工程的可靠性，进行分段实施调节，并将张紧力调节数据库固化在主控设备程序中，在带式输送机运行时，主控设备程序对长度、坡度及连续载荷进行实时跟踪并与数据库进行比对，比对后将实际所需张紧力大小发送至张紧装置进行调节。

2.3 元部件故障诊断与状态评估

带式输送机需进行在线监测的主要元部件有驱动单元、滚筒、胶带、托辊等，元部件故障诊断与状态评估系统可将带式输送机的事故性、计划性维修转变为预测性维修，不但可以减轻工作人员的劳动强度、及时发现问题、降低事故风险、避免事故扩大化、大大降低生产过程中的非正常停机时间，而且能够摆脱人工故障数据记录和数据分析难以形成系统性的制约。

元部件故障诊断与状态评估还可以正确有效地揭示潜在故障的发生、发展和转移，智能诊断出设备的故障原因与故障严重程度，并可评估设备的实际寿命周期，为设备合理维护保养和优化备品备件库提供科学管理依据，建立设备的故障现象、故障原因、故障措施的知识库体系，实现知识传承和知识共享[5]，实现诊断结果自动生成健康报表。

2.3.1驱动单元及滚筒诊断关键技术

目前，驱动单元及滚筒多采用振动加温度传感器作为底层数据采集的单元，系统将采集的数据进行FFT频谱、包络谱、瀑布图、特征频率幅度及热谱分析，与海量的积累数据比对，从而诊断出转子不平衡、齿轮啮合故障、机器不对中、组件共振、轴承故障等不同的故障。

2.3.2胶带纵向撕裂诊断关键技术

胶带约占带式输送机36%左右的成本，对它的纵向撕裂检测尤为重要[6]，现阶段主要有以下5类技术类型：

(1)压敏电阻传感器类型。该类型原理是利用胶带纵向撕裂或横向断裂时产生的落煤，当落煤压到压敏电阻传感器上，传感器两输出端之间的电阻就会由大于1 MΩ改变为小于或等于2 kΩ，从而对胶带撕裂状态进行判别。

(2)导电橡胶传感器类型。压力可使导电橡胶中的铝镀银、银等导电颗粒接触，达到良好的导电性能[6]，利用这一原理，将导电橡胶模压成适合带式输送机带宽的槽型感知器，当胶带被异物穿透后，随胶带运行而挤压感知器，使其导电。

(3)无源触点开关类型。这种形式类似于拉线开关，整个装置由机械开关、定滑轮及悬挂在上胶带下方的钢丝绳构成，当胶带被异物穿透触动钢丝绳后带动开关动作。

(4)异物视觉监测及纵向撕裂系统。该系统首先实现的功能是预防，系统基于智能视频分析技术，当生产过程中下料仓口堆煤或有异物突然出现并停留超过设定时间，发出报警，防止异物卡住造成堆煤和胶带撕裂故障，防患于未然；该系统其次实现的功能是阻止扩大，当视频漏检发生异物穿刺胶带撕裂时，利用激光检测光幕信号触发[7]。

(5)胶带纵向撕裂识别监测系统。该系统用特种光感摄像机对胶带表面进行拍摄成像，通过结构光束在胶带表面呈现一条与胶带表面完全相符的轮廓线，然后利用图像实时算法对拍摄图像中的轮廓线变化进行判断胶带纵向撕裂状态。

由纵向撕裂装置基本工作原理可知，前3种类型的检测手段均是通过胶带发生纵向撕裂事故后物料洒落进行识别，但事实上是95%以上胶带纵向撕裂时不会漏撒物料，而是在胶带的张力下呈现出重叠或紧闭状态，即使有漏撒现象，胶带在运行中漏撒到传感器的物料也较少，从而导致发生纵向撕裂事故后传感器不能准确判断或失效。

后2种基于图像、视频分析技术的胶带纵撕监测系统，均不依赖于落煤进行检测，它们通过对特种摄像机采集的图像进行分析处理，并对胶带的断面高度和深度进行校验，从而判断胶带的纵向撕裂状态。系统具有灵敏度高、响应速度快的特性，做到了提前感知，避免损失扩大。

2.3.3托辊诊断关键技术

托辊是承载带式输送机胶带和载荷的部件，虽然单件成本较低，但数量最多，约占输送机成本的20%左右，保障托辊的正常运行非常必要，因为如果托辊旋转阻力过大，不但会影响系统动力，严重时还会造成胶带撕裂和温度超限，从而引发火灾。

为了能够实时监测到托辊的运行状态从而进行故障诊断，目前解决思路主要分为3类：一是在托辊自身加装温度、速度及振动传感器进行监测，难点是电源和成本问题；二是采用巡检机器人的方法，由巡检机器人搭载声呐及红外摄像仪采集噪音和温度信号进行诊断，主要问题是巡检轨道的安装不能使摄像仪完全采集到全部托辊；三是利用光纤或感温电缆进行全线敷设，采集托辊周围环境温度，并辅助固定在机架上的声呐进行噪声监测，从而诊断托辊故障。

2.4 危险区域人员防护管理系统

危险区域人员防护管理系统采用智能机器视觉分析技术，对转运站、带式输送机人行通道、料仓等高危地段进行实时监测，当设定区域内有人员活动或违章作业时，设备无法启动或关联停车，并同步将事发区域的图像上传至控制室，同时现场语音报警箱以声光警告的方式提醒逗留人员离开，人员离开后设备方可正常启动。使用该系统的目是将各类事故消灭在萌芽状态，确保人员安全。危险区域人员防护管理系统组成如图3所示。

2.5 煤流体积监测系统

2.5.1煤流体积监测系统功能

对于带式输送机而言，功率消耗主要来自于2个因素，一是空载运行消耗功率，二是输送载荷消耗功率。21世纪德国标准化委员会发布的带式输送机设计标准DIN22101-2002指出，运行阻力和带速是决定带式输送机功率消耗的主要因素，经过多方论证得出通过降低带速来提高物料填充率的方法是能够节能的[8]，而要达到这一目的，重中之重是要保证运量信息透明，也就是煤流体积监测系统所要实现的功能[9]。

2.5.2煤流体积监测系统关键技术

带式输送机的煤流特性(运动体、厚度无规律、色差)决定了不同监测手段的实施效果，目前国内带式输送机煤流断面扫描监测主要有基于AI图像分析技术、超声波测距以及面阵激光雷达等3种手段，较精确的是采用双目摄像仪的AI图像分析技术[2]，它通过对视频流中相邻两帧图像像素的分布特征确定边界，并补充了深度信息，利用AI识别算法估算瞬时煤流量，精度较高；超声波测距仅测量煤面最高点，通过堆积角、托辊长度、托辊夹角等参数推算截面积，进而估算煤量，因此精度较差；面阵激光雷达采集基于时间飞行原理，使用“时空”分割的方法，分次分批把数据采集上来，通过时空组合形成一段时间内采集面积范围的距离集合从而计算出煤量体积，但是由于煤炭的黑度较大，因此光线可能被大量吸收，测距反射波较弱，需设计多种辅助测量手段。基于以上分析，本文选择基于AI图像分析技术的双目摄像机作为运量透明的实现手段。

图3 危险区域人员防护管理系统组成

3 带式输送机调控节能分析

现阶段带式输送机输送系统低效率、高能耗的主要原因如下：

(1)冗余。煤炭企业开采过程中出煤量存在较大的不确定性，设计方常考虑确保在极端条件下带式输送机输送系统的安全运行，因此设计选型冗余量较大；

(2)空载。系统“逆起顺停”，过程空载时间较长，导致高耗能；

(3)恒速。带式输送机输送系统一直处于高转速运行，与载荷没有形成匹配关系，导致运行过程中轻载能耗较大，且加快了设备的磨损，降低设备使用寿命[10]。

为了解决上述3个问题，在得到带式输送机输送系统运量和速度实时信息后，对带式输送机输送系统设备进行协调控制，主要体现在起、停时的“顺逆煤流自适应”以及运行过程中速度与运量匹配的“自调节”，从而减少电能损耗和机械磨损，提高设备寿命。为了保证带式输送机输送系统运行的可靠性，在运量或速度信息不明确时，平台还可自动或手动切换调控节能功能的投入或退出，真正达到调控节能透明。

4 应用分析

2020年6月，带式输送机智能运维管理平台在国家能源集团察哈素煤矿(以下简称察哈素煤矿)主运系统成功运用，带式输送机智能运维管理平台主界面如图4所示，察哈素煤矿主运系统带式输送机参数见表2，其搭接关系如图5所示。

通过表2和图5分析可知，察哈素煤矿主运系统内的带式输送机明显存在设计运量不匹配问题，而且主运系统带式输送机搭接数量较多、长度较长，因此非常适用带式输送机智能运维管理平台中的调控节能功能。

察哈素煤矿主运系统正常运行时，带式输送机智能运维管理平台仅投入调控节能中的顺煤流启动一项就可为用户节约电能1067(kW·h)/d，如在运行中同步投入调速功能，使带式输送机装载率达到90%以上时，还可节约电能1309(kW·h)/d，带式输送机运维管理平台提高了运输效率，达到了节能运行目标，同时实现了带式输送机主运系统设备信息的透明化，为用户构建智慧矿山奠定了主运数据透明基础。

图4 带式输送机智能运维管理平台主界面

表2 主运系统带式输送机参数

图5 察哈素煤矿主运带式输送机搭接关系

5 结语

通过对带式输送机各个单元关键监测技术进行分析，带式输送机智能运维管理平台能够获取带透明输送最重要也是最基础的运量物料透明与运行数据透明数据，该平台通过对这些数据进行显示并融合分析，实现带式输送机系统调控节透明。带式输送机智能运维管理平台打破了各个子系统的信息孤岛，并针对煤矿现实需求增添了逆止器力矩监测、张紧装置按需调节数据固化及托辊故障诊断等子系统，完成了带式输送机输送系统的可控可视、实时监测、预警报警、系统联动、趋势判研、安全节能等功能，实现了带式输送机输送系统透明输送。