我国于2015年出台制造强国中长期发展战略规划《中国制造2025》，全面部署并推进我国制造强国战略的实施，坚持创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展，加快我国从制造大国向制造强国转变。2020年2月，国家发展改革委、国家能源局等八部委联合发布的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》提出了煤矿智能化发展目标，即到2021年，建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿，初步形成煤矿开拓设计、地质保障、生产、安全等主要环节的信息化传输、自动化运行技术体系，基本实现掘进工作面减人提效、综采工作面内少人或无人操作、井下和露天煤矿固定岗位的无人值守与远程监控；到2025年，大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化，形成煤矿智能化建设技术规范与标准体系，实现开拓设计、地质保障、采掘（剥）、运输、通风、洗选、物流等系统的智能化决策和自动化协同运行，井下重点岗位机器人作业，露天煤矿实现智能连续作业和无人化运输；到2035年，各类煤矿基本实现智能化，构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统，建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。2020年 9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会上宣布，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放量力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，这是我国首次明确提出“碳达峰”“碳中和”的“双碳”目标。
宁夏天地奔牛实业集团有限公司（以下简称天地奔牛公司）作为刮板输送装备行业的主要研发、制造基地之一，围绕《中国制造2025》《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》和“双碳”目标，紧跟行业发展步伐，适应国家发展战略，进行智能制造和智能装备的创新，实现产业升级和可持续发展。“双碳”目标的提出，为刮板输送装备行业带来了机遇和挑战。
图1 SGZ1100/3×1600 450m超长工作面刮板输送机
“双碳”目标带来的挑战与机遇
“双碳”目标带来的挑战
（1）刮板输送装备行业发展面临不利的外部环境在“双碳”目标下，“去煤化”被反复提及，且部分地方已开始实施较为激进的产能调整政策。
刮板输送装备是煤炭开采工作面的核心装备之一，其市场增量与煤炭产量密切相关。过于激进的政策与“去煤化”的持续发酵势必会影响到刮板输送装备行业的发展前景和市场环境。在适应国家发展战略的前提下，如何应对这些变化，以及如何进行产业升级并寻求新的增长点，实现可持续、高质量发展成为刮板输送装备行业发展面临的一项挑战。
（2）刮板输送装备行业发展面临较多的约束条件在“双碳”目标和生态红线的要求下，需实现煤炭开采与生态保护的协同发展。煤炭开采必须进行绿色开发，建设智能矿山必须坚持绿色、安全、高效、智能的新发展理念，持续推进技术革新，逐渐淘汰落后产能。从2016年开展供给侧结构性改革以来，全国煤矿数量大幅减少，煤炭产量稳步提升，大型煤矿的组建为实现新发展理念创造了可靠的基础。过去较粗放的发展模式已不可持续，智能化发展是煤炭行业的大势所趋，具体到刮板输送装备行业，如何贯彻执行并设计制造出符合新发展理念的智能化刮板输送装备，并融入未来的智能矿山成为刮板输送装备行业发展面临的另一项挑战。
“双碳”目标带来的机遇
“双碳”目标的提出，对促进我国经济发展、能源结构调整、改善生态环境及实现可持续发展具有高瞻远瞩的战略意义。“双碳”目标的提出，促使整个煤机行业尽快实现转型升级，提高产品品质，增强产品可靠性，提升装备智能化程度。刮板输送装备行业在面对这一趋势及挑战的同时，应积极主动出击，以“双智”（智能制造、智能装备）促进提质增效，推进产业升级，实现可持续、高质量发展。
图2 刮板输送装备中部槽智能化焊接生产线
图3 智能控制系统调速节能示意
（1）以智能制造促进提质增效随着“中国制造2025”战略的深入实施，智能制造在汽车、家电、食品等行业已经初步显现其质量与效率优势。智能制造的发展是实现“双碳”
目标的关键，以天地奔牛公司实施的智能制造转型战略为例，首先实施精益化升级，通过停用燃煤锅炉，利用天然气等绿色能源替代煤炭等能源，并引入低能耗设备、开发低能耗工艺、实施精准排产、精简物料流程等方法，提高整体制造效率和能源利用效率，从源头上减少能源消耗。每年可节省燃煤约16 000 t，预计每年减少碳排放量2 078 t、SO2排放量约229 t、氮氧化合物排放量约115 t。
实施智能制造转型是刮板输送装备从过剩的中低端市场向紧缺的成套、大型、高端化产品市场转型的机会。目前，刮板输送装备行业制造水平参差不齐，总体仍以机械、电气控制设备为主，只有在关键工序或零部件的生产制造中应用数控机床、自动化生产线等先进制造设备。现有条件下若想建立差异化竞争优势，并在高端产品市场取得先机，必须借助智能制造手段：一是以物联网、协作机器人、机器视觉等新兴技术赋能刮板输送装备制造过程，保障产品零部件加工精度，提升产品品质。天地奔牛公司研发的刮板输送装备中部槽智能化焊接生产线（图2），可大幅提高中部槽焊接效率和焊接质量；二是利用人工智能通过全自动化、动态监控等方式提高各生产环节的效率，以实现提质增效的目的。
（2）以智能装备推进产业升级随着《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》的发布和实施，各省（区、市）也相继发布了适合各区域情况的智能化煤矿建设和验收规范，全国各产煤地区积极主动进行智能化煤矿探索和建设。据统计，截至2021年底，全国智能化采掘工作面已达到687个，其中采煤工作面431个，其中主要采掘装备“三机一架”等均已实现自动化，部分实现智能化功能，如工作面一键启停及远程控制、记忆截割、自动调直、故障诊断等已取得较好的应用效果。结合“双碳”目标，煤炭开采行业加快智能化煤矿、智能化采掘工作面的建设进度，积极进行探索和技术革新，利用新兴通信技术、数据处理技术、先进控制技术等实现产业升级、少人减人、绿色开采，以保障“双碳”目标的顺利实现。
智能化采掘装备是智能化采掘工作面的核心及基础，“双碳”目标的提出可以促进煤机装备向更加低碳、高效、智能的方向发展。以天地奔牛公司设计开发的刮板输送装备智能控制系统为例，通过应用分级调速控制、自动张紧、水电闭锁等技术，使刮板输送装备整体功耗可降低10%～15%，对链轮、中部槽等部件的磨损降低25%～35%，整体寿命延长1.20～1.44倍，吨煤开采能耗降低0.100～。智能控制系统调速节能如图3所示。
刮板输送装备行业需顺应产业发展趋势，利用专业优势，整合新兴技术，提高装备智能化水平，向成套、大型、高端、智能化方向发展，实现煤矿减人、少人的智能开采，节约能源，提升效率，保障安全，提供远程智能服务，以智能装备、智能服务推进产业升级，实现可持续、高质量发展。
图4 刮板输送装备智能制造的实现路径
刮板输送装备的“双智”策略与实现路径
依托智能制造的政策契机，重新合理规划刮板输送装备制造流程与工艺，引进自动化生产线与高端制造装备，从设计源头入手，配备数字化设计工具，逐步实现从设计到生产加工制造的智能化，实现装备柔性、智能、可追溯的生产制造过程。利用智能矿山建设的机遇，从顶层规划入手，规划布局装备智能化路线，依靠装备智能化核心技术，逐步完善装备的智能功能，实现从单纯的装备制造向综合智能服务升级。
提升刮板输送装备智能制造水平
（1）制造向智能化发展刮板输送装备制造过程涉及下料、焊接、热处理、机械加工、装配及测试等环节，工艺路线长且工序种类繁杂。在整套刮板输送装备制造过程中主要存在以下3点问题：①制造精度不够且设备数据不透明，无法通过数据找出影响制造精度的根本问题；②生产过程的数据传递主要依靠传统方式，数据来源渠道多，数据更新不及时；③缺乏支撑质量追溯体系的有效手段，无法为刮板输送装备升级提供依据。
随着智能制造技术的推广普及，人与设备之间、设备与设备之间可以通过智能化技术实现互联互通，大数据、云计算、物联网等技术的加入更使得制造过程“全自动运行”成为可能。刮板输送装备制造过程只有向智能化发展，才能实现其质量追溯，在质量、成本、交货期限上获得更精确的管理和提升，促进刮板输送装备研发的升级和刮板输送装备可靠性的提升。
（2）智能制造的实现路径刮板输送装备智能制造的实现路径如图4所示，具体实现步骤分为以下4步：1）精益化升级：补短板，提升自动化水平实现刮板输送装备的智能制造，精益化是第一步。通过精益化管理，在现有资源的基础上优化工艺布局，立足自动化技术基础，结合实际生产需求，利用数控机床、自动化单元、柔性产线、焊接机器人等先进制造设备替换产能落后的设备设施，提高关键工序的自动化水平，逐步推进刮板输送装备制造过程向自动化发展。
2）数字化改造：数据的采集和处理通过与数控系统、PLC系统以及机床电控部分的智能化集成，普通设备加装无线数据采集卡、网关等方式，对设备的开机率、主轴运转率、主轴负载率、NC运行率、故障等关键数据进行自动化采集，保障数据的实时性和准确性。通过将传感器布置在刮板输送装备制造过程的各个部分，可将工业过程各主要参数数字化，为实现刮板输送装备智能制造筑牢数据基础。
3）网络化协同：人与人、人与设备、设备与设备之间的互联互通推进生产环节MDC、DNC、MES等信息化系统的应用，通过各类通信设备将传感器采集的工业数据以低延迟、低丢包率的优势，在人与人、人与设备、设备与设备之间传输。把准确的数据以正确的方式在正确的时间传递给正确的人和设备，互联一切可数字化的实物。对刮板输送装备制造过程进行信息化管控，打通数据壁垒，将制造过程进行数据处理、汇总、分析后，通过工业APP的方式展现。以数据驱动实现制造过程网络化协同，以数据的自动流动不断优化制造资源的配置效率，提高全要素生产率，使生产过程更加透明、可视、可控。
4）智能化生产：自感知、自决策、自执行的刮板输送装备制造生产线随着通信协议的逐渐标准化，无线通信技术的应用日趋成熟，依托图像、语音、视觉、机器学习等人工智能技术，刮板输送装备制造过程在网络化协同的基础上可实现智能化生产。人工智能的发展使数据挖掘和分析技术跳出了传统分析技术的限制，工业通信将传感器采集到的工业数据低延迟、低丢包率地传输至云端，并进行海量数据的汇聚、提炼、模型计算等，快速做出决策反馈，实现生产计划智能排产、生产设备预测性维护、生产人员最优化配置，各类先进制造设备在云端大数据决策的驱动下进行有序生产。
图5 刮板输送装备智能化实现路径
提升刮板输送装备智能化水平
（1）装备向智能化发展近年来，国内输送装备已在重型、超重型、智能化方面实现突破，其总装机功率、运输能力、最高日产量、自动化程度等指标已不低于国外产品，国产品牌已全面占领国内市场。天地奔牛公司于2014年设计开发完成的行业内首套智能刮板输送装备，利用高压变频技术实现了软启动、分级调速、功率协同等功能，并且在链条自动张紧技术上取得了突破，可完全替代同类进口产品；但刮板输送装备智能化水平受制于恶劣的工况条件，与真正的智能化尚有很大差距。
要实现装备的智能化，首先要提高装备的自动化、信息化、数字化水平，进行工业互联网、大数据、5G等新技术的开发应用，引入视觉、激光、雷达等先进监测手段，全面增加刮板输送装备工况数据的采集样本，保障数据的实时性、准确性。同时建立“互联网＋服务”的远程服务体系，实现刮板输送装备的全寿命周期管理，最终可实现智能化刮板输送装备自主感知、自主学习、自主决策及自主执行。
（2）智能装备的实现路径刮板输送装备智能化实现路径如图5所示，具体实现步骤分为以下2步：
第1步，采集与传输：实现刮板输送装备整机的数字化。
1）逐步提高数据采集的频率。目前，刮板输送装备的数据采集频率一般约为1 s，要实现刮板输送装备的数字化，1 s的采集频率远远不够。数据采集的频率应当以人在远端操控设备时感觉不到延迟为准，人的最低一级条件反射反应时间约为50 ms，因此刮板输送装备数字化数据的采集频率应为或更低一些。
2）逐步提升数据采集密度，即尽可能完整、全面地采集刮板输送装备各部件、各类型的关键数据。目前，刮板输送装备以实现对温度、压力、流量、振动、油质等数据的采集，后续还将增加对应力、磨损、位姿、环境等信息数据的采集。
3）逐步提升数据传输速率。当数据采集频率为时，整体数据量会成倍增加，数据采集密度也会不断提升，需要传输的数据量将是现有数据量的上万倍之多。需利用5G通信技术，搭建数据传输的“高速公路”，使数据的上传与下行时间大幅缩短，为数据分析及远程控制提供强有力的条件。
第2步，分析与决策：实现智能刮板输送装备。
在实现刮板输送装备数字化的基础上，综合刮板输送装备自身及采煤工作面的其他参数数据，通过大数据和算法优化，利用边缘计算、云计算等数据处理技术，实现一体化的数据分析与决策系统，并支撑实现刮板输送装备的自主感知、自主学习、自主决策、自主执行的智能化功能，最终使其融入未来的智能化采煤工作面。
实现“双智”的关键技术
云计算、边缘计算、工业互联网、物联网、先进传感器、先进通信技术、数字孪生等是实现刮板输送装备“双智”的关键技术。
云计算技术包含云平台、大数据和人工智能技术，其核心是提高数据的利用率，从而更高效地对数据进行处理，如调取足够的GPU资源来实现深度学习算法或其他人工智能算法，这是实现刮板输送装备“双智”的基础。边缘计算则可帮助刮板输送装备在制造过程和使用过程中，先对一部分数据进行预处理，以降低一体化数据分析与决策系统的负载，必要时可以立即做出控制决策。物联网、先进传感器、先进通信技术等均可为刮板输送装备的数据采集与传输提供基础条件。刮板输送装备智能化的终极目标是实现数字孪生。
结 语
在“双碳”目标的驱动下，刮板输送装备制造企业应勇于迎接挑战，抓住发展机遇，以智能制造和智能装备为抓手，真正地为客户提供价值，以创新引领行业发展，打造中国自己的高端品牌为目标。天地奔牛公司始终以成为世界一流的智能化煤机装备服务商为企业愿景，致力于为世界各大煤炭企业提供品质一流的专用装备和服务。在“双碳”
目标和“双智”发展背景下，天地奔牛公司将持续以科技创新为内驱，推动煤炭行业向更加安全、绿色、高效、低碳方向发展，为确保我国能源产业稳定运行贡献智慧与力量，以保障民生、服务社会。
