带式输送机的智能化发展是响应国家政策导向，也是煤炭行业发展的内在需求。通过在晋能控股煤业集团塔山煤矿、同忻煤矿和中煤华晋集团王家岭矿、国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿等企业的走访和调研发现，带式输送机作为煤矿生产运输环节的重要装备，已大量配置变频调速装置、自动化集中控制系统、综合保护装置、自动监测装置等，实现了自动化作业；但是还存在运行效率低、检测不准确或不及时、设备自检和诊断水平低、通信可靠性差、标准化程度低和运行维护无人化或少人化水平低等问题。
近年来，随着仿真技术、永磁直接驱动技术、图像分析技术、控制技术和信息技术在带式输送机上的应用，中煤科工集团上海有限公司研发了一批节能高效装备、先进检测设备和智能分析设备，大幅提高了煤矿带式输送机的智能化水平。在仿真技术上，开发了带式输送机动态分析软件，可以模拟带式输送机各类工况下的张力分布情况，优化带式输送机的机械设计；在永磁直驱技术上，陆续推出6、10 kV矿用高压永磁驱动变频器，并已在晋能控股煤业集团塔山煤矿1070 大巷带式输送机上投入使用，同时进行了永磁驱动滚筒的研发；在图像处理技术上，推出基于双目视觉的煤量检测仪，实现了输送带煤量检测，并结合带式输送机节能原理开发了智能调速算法，已在国能包头能源有限责任公司李家壕煤矿智能主煤流项目上推广应用；在带式输送机控制技术上，研发了煤流均衡控制系统，解决了多个采煤工作面出煤不均的问题，并获得中国煤炭工业协会科技进步奖；在信息技术上，开发了基于云平台的带式输送机故障诊断系统，实现了带式输送机关键传动部件的故障预警和检修维护指导。
带式输送机动态分析技术
带式输送机包括驱动系统、输送带、托辊（运行阻力）、张紧系统等组件，是一个复杂的机电系统。带式输送机动态分析技术是通过构建输送带动态分析力学模型和带式输送机动态分析数学模型，利用关系数学表达式的方式模拟和分析带式输送机的实际工况，最终达到优化设计和优化带式输送机运行的效果。
由于输送带内部结构形式具有多样性、离散性等特点，目前还没有一个能准确表达输送带黏弹性特性的力学模型。为此，依据输送带力学特性，同时兼顾模型参数的检定、方程求解的难易和计算精度，通过构建动态试验台，完成对各种输送带弹性模量、阻尼系数的测定，并将温度变化、加载历程等参数加入，建立最接近于输送带实际特性，并能不断修正的力学模型。带式输送机动态分析数学模型是首先对输送机纵向方向离散化处理，建立各微元段的数学表达式，然后利用有限元原理分析并得出输送机的动力学模型。
利用带式输送机动态分析技术，不仅可以优化带式输送机的整体布置，提升设备的可靠性，而且可以大幅降低输送机系统动张力，配合可靠的软启动装置，如选取合适的软启动和停机曲线，输送带的安全系数可大幅降低。对于整芯输送带，许用安全系数可取7~9。中煤科工集团上海有限公司研制的输送带压陷阻力测试装置，不仅可以用于带式输送机动力学行为研究及动态分析结果的试验验证，而且还可用于低阻力输送带的产品性能检测，为制定我国低阻力输送带标准提供数据支撑。
带式输送机动态分析软件如图1 所示，可推动我国带式输送机行业的设计水平和产业发展，推动大型煤炭高产高效装备的快速发展，为我国大型煤矿基地的进一步大型化、集约化提供有利的技术支持。
永磁变频驱动技术
矿用带式输送机采用永磁直驱技术，可以提高驱动系统效率，驱动系统总体传动效率由原来的75%~85%提高到90%~95%，降低了维护成本。驱动部发出的噪声大幅降低，改善了井下工作环境。
永磁变频驱动系统中，永磁同步电机的定子绕组通入三相交流电源会产生一个旋转的磁场，转子磁场会随着这个旋转磁场以同步转速转动，相互作用，形成电磁转矩以驱动电机旋转。永磁直驱系统的控制电路如图2 所示，分为转速环和电流环的双闭环控制。
近年来，永磁变频驱动系统在煤矿带式输送机得到推广和应用，但多集中在低电压、小功率等应用， 为此， 中煤科工集团上海有限公司开发了BPJV-1600/6K高压隔爆兼本安型变频驱动装置（图3），供电电压为6 kV、额定容量为1 600 kW，满足煤矿井下大型巷道带式输送机的驱动需求。2021 年已在晋能控股煤业集团塔山煤矿1070 大巷带式输送机上安装使用，在电网极不稳定的情况下，仍能维持恒定的直流母线电压，输出电压稳定。采用速度闭环控制，可以实现精准的永磁同步电动机转子磁极定位，电动机速度控制精度小于0.1%、转矩脉动小于0.2%。采用四象限拓扑结构，具有可控制动功能。负载能量可通过有源逆变回馈电网，既有节能的效果，又可以控制带式输送机更加快速停止，能满足带式输送机紧急停车要求，大幅提高了安全性能，且停车过程输送带张力变化均匀，机械冲击小，可延长整机使用寿命，减少电网冲击。
中煤科工集团上海有限公司研发的BPBJV-2000/10 矿用隔爆兼本质安全型变电变频器如图4 所示，最高功率可达2 000 kW，输入电压为10 kV，可用于煤矿带式输送机、刮板输送机、风机和水泵等高压大功率设备。目前正在进行多功率系列化设计和生产。
图像分析技术
图像分析过程主要有图像采集、图像分割、图像识别和图像解释4 个部分。图像采集是将实物转变为计算机能处理的图像；图像分割是将实物图像分割为图像基元，应用像点技术计算出边缘、体积等数据；图像识别是将已知图像模型与识别的图像比较和匹配；图像解释是根据灰度、纹理、轮廓线辨识出实物的走向。图像分析技术的在煤矿输送带运输系统沿线多个场景得到推广应用，如输送带的撕裂、异物检测、带面损伤和人员安全的检测。通过视频方式或结合结构光、激光这种非接触的检测方式，具有安装方便、成本较低、效率高等特点。
针对煤矿井下光线较暗、煤料分布不均等特点，中煤科工集团上海有限公司设计了一款基于机器视觉的矿用煤量检测仪（图5）， 在输送带上方安装YBM127 矿用隔爆型煤量检测仪，用于检测输送带上煤料量，并通过现场配置的控制箱实现报警和调速控制。
智能调速系统主要由矿用煤量检测仪、矿用PLC控制箱、光电转换器、线缆组成，如图6 所示。该系统调速策略是采用高、中、低、怠速4 档，有效避免了调速过程中出现的堆煤和带式输送机打滑问题；控制策略是系统有故障自检功能，同时与其他系统进行数据交换，确保输送带运输系统可以实现自动调速运行和无调速运行2 种方式的切换。
煤流均衡控制技术
煤流均衡控制技术从控制工艺、控制系统和控制软件3 个方面展开技术攻关。采用基于以太网技术的煤流量实时监测技术，实现煤流运输系统沿线设备数据的采集；采用基于组态软件和实时数据库的煤流量实时数据分析处理技术，构建带式输送机的运量模型，并实现可视化显示；采用基于实时数据处理和数据循环运算技术的煤流量预测技术，实现煤流运输系统各级带式输送机运量的实时预测和分析处理，使输送机工作在最佳负荷附近。利用变频器控制技术实现“煤多快转、煤少慢转、无煤待机”的输送机运行状态，并可实现整条煤炭运输系统沿线的均衡分布，减少设备损坏、节能减排和增产增效。
主运输协同控制系统是煤流均衡控制技术的一个典型应用，是利用现场总线技术、可编程控制器、煤流控制工艺等，实现主运输系统各设备协同工作、一键启动，达到无人化或少人化运行。图7为察哈素煤矿主运输系统监控界面，其主运设备共计9 条带式输送机，合计长度12 000 m，总装机功率22 020 kW， 带速3.15 ~5.60 m/s， 带式输送机运量2 000 ~5 000 t/h。项目现状是煤矿主运输系统各级设备集控系统差，无法实现一键启动，造成岗位多和人员多等问题，为此，在主运输系统沿线布置料流和转速传感器、控制分站、煤量检测装置，通过顺逆煤流自适应启停控制，减少带式输送机的空载运行时间和值班人员；通过煤量检测，实现自适应调速，实现节能、延长设备使用寿命；通过布置分站箱，将沿线煤仓、给煤机、除铁器、破碎机等设备加入集控，提高了系统运行的可靠性和可视化程度。
故障诊断技术
针对带式输送机电机、轴承、齿轮箱等被监测对象进行各类型传感器合理布置，主要包括现有带式输送机保护系统所应用的传感器及故障智能诊断所需要的加速度、振动、温度等传感器。以三驱动带式输送机为例，其振动、温度和转速传感器的布置如图8 所示。
针对带式输送机各传感信号的非平稳性、非线性和耦合性，采用预处理—特征提取—特征量化—故障诊断分析流程。在预处理阶段采用解调滤波、双树复小波降噪或奇异值分解降噪等技术，消除带式输送机工况噪声干扰；在特征提取阶段采用先进时频分析，实现非平稳信号的准确分解，消除非平稳特性；在特征量化阶段采用非线性特征量化方法，实现故障特征量化提取；在故障识别阶段采用多传感器特征融合、神经网络、欧式距离判别等算法，最终实现带式输送机故障位置、类型以及故障程度的准确诊断。
带式输送机智能运维辅助决策系统是带式输送机故障诊断技术的一个针对应用的定制开发，是对带式输送机运行状态的在线与离线监测、分析及智能控制平台，如图9 所示。系统监控对象有输送带、电机、变频器、滚筒、保护控制装置等，通过各类控制、运行、监测数据的采集和分析，实现对带式输送机及相关设备的故障预警、维修建议和数据监视。并通过配置APP，及时将设备故障、异常状况的地点、发生时间、处理建议等信息发送至作业人员，解决带式输送机发生故障排查耗时、时间滞后、效率低等问题。
（1） 带式输送机智能运维辅助决策系统可实现对带式输送机运输系统的分解，根据机械和电气2个类别进行拆分。针对滚筒、电机、减速器、托辊等不同类型设备，制订不同的检修计划和内容，同时根据月、周、日等时间周期生成检修任务单。
（2） 带式输送机智能运维辅助决策系统可对带式输送机在运转过程中出现的故障进行闭环管理，保证运输系统的安全可靠运行。并通过OPC方式接入运输系统控制设备的数据，统计带式输送机的运行、故障、带载情况，从而形成输送带运输系统设备的完好率、运转率、停机率等信息，方便相关作业部门制定或改进巡检工作计划。
（3） 带式输送机智能运维辅助决策系统可建立1 套管理查询平台，提供带式输送机信息管理模块，对每条带式输送机的主要性能参数及重要部件进行管理，方便带式输送机数据信息的分析、查询。
（4） 带式输送机智能运维辅助决策系统的巡检
管理模块可分为系统自动提配和人员具体巡检。系统自动提配以带式输送机为主类，针对每个部件生成一次巡检计划，使下井巡检人员能有一个更好的工作步骤。人员具体巡检是针对井下具体带式输送机的部件，以带式输送机为主键，下井后对其做详细巡检，上井后对带式输送机的具体部件情况描述。
巡检人员根据检查表对井下设备进行巡检和检修，针对发现的问题进入问题故障闭环控制系统，通过职能科室或责任人的复检和确认保证设备确实达到了检修的目的，且设备的性能恢复，设备的可靠性得到保障。对已经处理的巡检中发现的故障、隐患及处理过程进行归档，形成煤矿专属的输送带运输系统故障库、知识库。问题的描述、原因分析、解决过程和经验教训全部记录归档，并及时登记到带式输送机安全信息管理系统的数据库中，为以后处理同等事故提供良好的预案，同时为输送带运输系统安全、高效运行储备知识技术基础。
技术展望
（1） 当前煤矿带式输送机运行属于粗放型，无法实现最优化运行。如带式输送机根据煤料的自动调速，由于人员操作习惯、生产任务安排、设备可靠性等原因无法做到常态化运行，同时无法统计节能率，以及滚筒、电机和托辊的无效损耗率。因此根据《带式输送机设计计算方法》，从计算带式输送机的主要阻力、物料的有效填充系数，结合张力控制、驱动控制和启停控制，使带式输送机运行在最佳节能区间，并形成一个可量化的节能效果评价体系，如满槽率、吨煤耗电量、输送带磨损统计等。因此，亟需提高设备可靠性、修订人员操作规程，并建立一个节能降耗效果评价体系。
（2） 随着采煤工作面持续推进，巷道带式输送机长度会随之缩短，载荷量也随之变小，所以巷道带式输送机是一种长度和料流的双重变化，且对张紧的响应速度要求很高的变载荷带式输送机。但是现有带式输送机采用恒张紧力方式，虽然可以有效地防止打滑，但是无形中增加了输送带带强，以及机架和托辊强度，设备无效损耗增加，从而降低了设备使用寿命，未来随着控制工艺的优化，以及永磁张紧技术和带式输送机动态分析技术的发展，必然可以实现带式输送机张紧力的动态调节。
（3） 带式输送机在智能化发展过程中，特别是基于视频、音频和振动、加速度的新型监测设备、传感器，以及一些基于该类传感器的控制系统、安全检测系统逐步在市场上推广应用，同时针对这些新型检测设备或系统的煤炭行业标准也在逐步建立，新的煤炭行业标准必然会整体提高行业的智能化水平。
