分級(jí)破碎機(jī)智能化技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向

李 朋，張明遠(yuǎn)，王保強(qiáng)

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012；3.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012；4.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013)

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，煤炭工業(yè)迎來(lái)了從機(jī)械化自動(dòng)化時(shí)代向數(shù)字化智能化時(shí)代跨越的歷史機(jī)遇[1]。通過(guò)科技進(jìn)步實(shí)現(xiàn)煤炭安全智能、清潔高效利用是我國(guó)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的方向[2]。人工智能與工業(yè)領(lǐng)域的深度融合正持續(xù)釋放新動(dòng)能，影響著煤炭的生產(chǎn)利用方式，推動(dòng)煤礦智能化建設(shè)和發(fā)展[3]。目前，選煤工業(yè)智能化處于初級(jí)階段，將來(lái)選煤工業(yè)智能化的發(fā)展必須要先實(shí)現(xiàn)單機(jī)設(shè)備的智能化升級(jí)[4]。作為實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用的重要設(shè)備，分級(jí)破碎機(jī)需提升智能化水平，力求實(shí)現(xiàn)智能升級(jí)。本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制、智能化技術(shù)發(fā)展以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)方面探索分級(jí)破碎機(jī)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，提出對(duì)未來(lái)分級(jí)破碎機(jī)智能化的展望與思考。

1 分級(jí)破碎機(jī)結(jié)構(gòu)

分級(jí)破碎機(jī)廣泛應(yīng)用于煤礦井下、選煤廠、露天礦的煤炭破碎作業(yè)。其主要由破碎齒輥、機(jī)殼、軸承座蓋、底座、傳動(dòng)系統(tǒng)等部件組成[5]。分級(jí)破碎機(jī)采用電機(jī)、液力耦合器、減速機(jī)相聯(lián)接的驅(qū)動(dòng)方式，分為單驅(qū)動(dòng)方式和雙驅(qū)動(dòng)方式兩種，液力耦合器可以有效抑制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)扭振或力矩峰值，使啟動(dòng)運(yùn)行更加平穩(wěn)且具有過(guò)載保護(hù)的作用。

分級(jí)破碎機(jī)的主要工作部件是兩個(gè)平行布置的破碎齒輥，齒輥的直徑和長(zhǎng)度根據(jù)生產(chǎn)能力確定。破碎齒輥兩端設(shè)有偏心軸承杯粒度調(diào)整機(jī)構(gòu)，使兩個(gè)破碎齒輥的中心距實(shí)現(xiàn)剛性可調(diào)，控制產(chǎn)品粒度的大小。齒輥安裝于軸承座蓋上，軸承座蓋與破碎機(jī)腔體采用分離式設(shè)計(jì)，軸承座蓋置于機(jī)殼外，能夠?qū)崿F(xiàn)靈活拆裝，方便檢修[6]。

2 分級(jí)破碎機(jī)智能化技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 自動(dòng)控制技術(shù)

自動(dòng)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)分級(jí)破碎機(jī)智能化的核心。分級(jí)破碎機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)由PLC、傳感器、變頻器、人機(jī)交互界面等構(gòu)成[7]。自動(dòng)控制系統(tǒng)是將智能控制和設(shè)備保護(hù)集成于一體，具有故障預(yù)警、在線監(jiān)測(cè)、報(bào)警、設(shè)備反轉(zhuǎn)、關(guān)閉給料等多項(xiàng)功能，不僅提高了生產(chǎn)過(guò)程的安全性和有效性，還提高了破碎機(jī)連續(xù)高效運(yùn)行的能力。

目前，分級(jí)破碎機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)本質(zhì)是利用模糊控制理論及信息通信技術(shù)，通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)的電流、減速機(jī)油溫等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控來(lái)判定分級(jí)破碎機(jī)的負(fù)載狀態(tài)，依據(jù)負(fù)載狀態(tài)控制給料機(jī)的入料量，避免出現(xiàn)重載、過(guò)載等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)堵料自動(dòng)停止給料，反轉(zhuǎn)清除堵料后繼續(xù)運(yùn)行，保證分級(jí)破碎機(jī)的穩(wěn)定工作，如圖1所示。

圖1 分級(jí)破碎機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖

模糊控制的參考量為電機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流與額定電流的差值E，以及差值的變化率EC，模糊輸出量用來(lái)調(diào)節(jié)破碎機(jī)齒輥轉(zhuǎn)速及上級(jí)給料系統(tǒng)的給料量U，建立基于模糊自適應(yīng)PID的控制模型[8]。并基于PLC控制技術(shù)和可視化技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成圖像，實(shí)現(xiàn)分級(jí)破碎機(jī)運(yùn)行狀態(tài)可視化顯示，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行參數(shù)。在破碎機(jī)過(guò)載、失速等異常情況下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)控上級(jí)給料系統(tǒng)入料速度，或停止破碎機(jī)運(yùn)行同時(shí)輸出聲光報(bào)警信號(hào)。

2.2 自動(dòng)潤(rùn)滑技術(shù)

自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)是一種基于微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的智能化可編程數(shù)字控制裝置，將設(shè)備潤(rùn)滑和系統(tǒng)控制進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，開(kāi)發(fā)出的自動(dòng)潤(rùn)滑模塊，如圖2所示。自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)主要由供油系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。供油系統(tǒng)采用電動(dòng)柱塞潤(rùn)滑泵，通過(guò)供油管路向分級(jí)破碎機(jī)的主軸承提供潤(rùn)滑油。控制系統(tǒng)采用PLC和人機(jī)交互界面，控制潤(rùn)滑泵的供油動(dòng)作，控制模式分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式[9]，并可實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換。

圖2 自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

自動(dòng)潤(rùn)滑模式可根據(jù)破碎機(jī)實(shí)際使用工況和工作環(huán)境設(shè)置累積工作時(shí)間和供油時(shí)間確定供油量，通過(guò)配置相應(yīng)的控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定時(shí)、定量在線多點(diǎn)潤(rùn)滑，保證合適穩(wěn)定供油。為了達(dá)到更好的潤(rùn)滑效果，潤(rùn)滑油的供油遵循少量多次的原則。控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)破碎機(jī)的實(shí)際有效運(yùn)行時(shí)間判斷是否需要加注潤(rùn)滑油以及加油量，并在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)控制潤(rùn)滑泵加入定量的潤(rùn)滑油，有效防止?jié)櫥蛔慊蜻^(guò)潤(rùn)滑。

2.3 自動(dòng)移位技術(shù)

分級(jí)破碎機(jī)的自動(dòng)移位裝置與底座連接在一起，形成自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，并與自動(dòng)控制系統(tǒng)融為一體，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)控制移位，提高了破碎機(jī)的生產(chǎn)適應(yīng)性，如圖3所示。自動(dòng)移位裝置由電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪組成。當(dāng)破碎機(jī)停車檢修或出現(xiàn)故障需要維修時(shí)，可以通過(guò)自動(dòng)移位裝置快速將破碎機(jī)從入料溜槽下方水平移出，縮短現(xiàn)場(chǎng)停車檢修時(shí)間，改善破碎機(jī)的生產(chǎn)適應(yīng)性，而在工作時(shí)間分級(jí)破碎機(jī)可固定在水平軌道上，確保設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行。

圖3 自動(dòng)移位裝置

2.4 主軸轉(zhuǎn)速測(cè)控技術(shù)

主軸轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置可對(duì)破碎齒輥轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)傳輸至自動(dòng)控制系統(tǒng)。其實(shí)現(xiàn)手段是將失速傳感器安裝在齒輥軸承杯外側(cè)的保護(hù)罩內(nèi)，而磁性感應(yīng)裝置固定在齒輥軸端的圓盤上，并隨齒輥轉(zhuǎn)動(dòng)[10]。當(dāng)齒輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，失速傳感器可以通過(guò)磁性感應(yīng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，并將信號(hào)反饋至自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)將信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，與系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輥轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)。主軸轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置采樣頻率高、準(zhǔn)確性高、響應(yīng)快。

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，分級(jí)破碎機(jī)的齒輥轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小，基本保持不變。若破碎機(jī)出現(xiàn)過(guò)載或有異物進(jìn)入破碎腔造成齒輥堵轉(zhuǎn)、卡死時(shí)，破碎齒輥轉(zhuǎn)速降低，當(dāng)破碎齒輥失速在允許變化范圍內(nèi)進(jìn)行故障預(yù)警，超出變化范圍系統(tǒng)輸出保護(hù)信號(hào)，如停止給料、自動(dòng)停車等動(dòng)作，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，避免傳動(dòng)系統(tǒng)因沖擊受到損害。

3 應(yīng)用實(shí)踐

采用自動(dòng)控制技術(shù)、自動(dòng)潤(rùn)滑技術(shù)等開(kāi)發(fā)的分級(jí)破碎機(jī)已在多家大型煤炭企業(yè)投入使用。分級(jí)破碎機(jī)的自動(dòng)控制及保護(hù)系統(tǒng)與給料系統(tǒng)協(xié)同調(diào)控，降低了破碎機(jī)的卡堵率，提高了破碎機(jī)運(yùn)行效果，起到了減員增效的作用。分級(jí)破碎機(jī)采用集中自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)保證了設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中定時(shí)定量給予潤(rùn)滑油，滿足設(shè)備的潤(rùn)滑需求，大大減少了潤(rùn)滑油的使用量，保證了良好的潤(rùn)滑狀態(tài)，降低了設(shè)備故障率及維修費(fèi)用，最終達(dá)到提高營(yíng)運(yùn)收益的最佳效果。

4 分級(jí)破碎機(jī)智能化發(fā)展方向

4.1 智能感知

對(duì)于智能化分級(jí)破碎機(jī)，分級(jí)破碎是一個(gè)隨入料量不斷動(dòng)態(tài)變化，且與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)耦合作用的復(fù)雜過(guò)程。因此，需要研發(fā)關(guān)鍵傳感、檢測(cè)環(huán)節(jié)的智能感知元件和控制元件，將各類傳感元件有效組合，采用多信息融合算法，增強(qiáng)智能感知的靈活性和及時(shí)性，實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)測(cè)精度的提升，使傳感檢測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，全面了解破碎過(guò)程中設(shè)備系統(tǒng)的狀態(tài)變化情況。以此為基礎(chǔ)，采集破碎過(guò)程物料位置、齒輥轉(zhuǎn)速、減速器輸入輸出軸的溫度、電機(jī)電流、主軸承溫度等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)反饋至控制中心，與上下級(jí)控制系統(tǒng)融合，消除分級(jí)破碎機(jī)與其他設(shè)備之間的信息屏障，建立面向分級(jí)破碎全過(guò)程的三維精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模型，為智能化控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障，實(shí)現(xiàn)破碎機(jī)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)化、管理信息化、控制智能化[11]。

4.2 智能決策

智能分析決策機(jī)制不僅可以為分級(jí)破碎機(jī)的穩(wěn)定工作提供邏輯控制基礎(chǔ)，而且可以為上級(jí)給料系統(tǒng)以及后續(xù)工藝裝備提供自適應(yīng)的智能協(xié)同控制關(guān)聯(lián)規(guī)則，以便實(shí)現(xiàn)全生產(chǎn)系統(tǒng)的智能決策與控制。智能化生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合、技術(shù)集成，解決當(dāng)前生產(chǎn)過(guò)程中數(shù)據(jù)利用率低、控制決策缺乏智能的問(wèn)題[12]。

智能化分級(jí)破碎機(jī)的智能決策功能是基于感知信息的智能破碎能力和可靠運(yùn)行分析決策能力。利用智能感知采集數(shù)據(jù)分析處理平臺(tái)，分析入料量、齒輥結(jié)構(gòu)、齒輥轉(zhuǎn)速的相互作用機(jī)理及耦合關(guān)系，提出入料特性、齒輥轉(zhuǎn)速、破碎效率及產(chǎn)品粒度相結(jié)合的自適應(yīng)破碎效果控制方法，建立工藝控制參數(shù)優(yōu)化準(zhǔn)則及產(chǎn)品出料粒度預(yù)測(cè)模型，形成智能分析、自主學(xué)習(xí)的智能破碎決策系統(tǒng)。

4.3 智能執(zhí)行

智能執(zhí)行是實(shí)現(xiàn)分級(jí)破碎機(jī)“無(wú)人化”生產(chǎn)要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。智能執(zhí)行通過(guò)接收決策指令，在無(wú)人操作模式下自主執(zhí)行來(lái)完成動(dòng)作要求，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自主運(yùn)行。以破碎機(jī)智能潤(rùn)滑系統(tǒng)為例，進(jìn)行智能執(zhí)行系統(tǒng)架構(gòu)和流程分析，如圖4所示。

圖4 智能潤(rùn)滑系統(tǒng)工作流程

在破碎機(jī)主軸承部位設(shè)置溫度傳感器、主軸轉(zhuǎn)速傳感器等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承運(yùn)行狀態(tài)并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至智能潤(rùn)滑診斷系統(tǒng)，智能潤(rùn)滑診斷系統(tǒng)進(jìn)行分析處理后對(duì)軸承是否需要注油及所需注油量做出決策指令，并將指令發(fā)送到潤(rùn)滑泵，潤(rùn)滑泵根據(jù)決策指令對(duì)主軸承進(jìn)行注油潤(rùn)滑。整個(gè)潤(rùn)滑過(guò)程實(shí)現(xiàn)自主感知、自主分析、自主決策、自主執(zhí)行。

4.4 智能健康管理

分級(jí)破碎機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的前提條件是設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。由于設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)，設(shè)備故障率就成為了影響智能化分級(jí)破碎機(jī)發(fā)展的瓶頸?？煽康慕】倒芾砟芰κ侵悄芑旨?jí)破碎機(jī)運(yùn)行的基礎(chǔ)，因此，建立多數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與健康評(píng)估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)故障定性、定量、定位診斷是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)[13]。智能健康管理系統(tǒng)應(yīng)具備故障的監(jiān)測(cè)及警告、故障診斷與健康管理、遠(yuǎn)程專家輔助[14]，并且分級(jí)破碎機(jī)的智能健康管理系統(tǒng)能與現(xiàn)場(chǎng)整套智能洗選工藝管理系統(tǒng)對(duì)接整合。

基于分級(jí)破碎機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、給料系統(tǒng)設(shè)備信息、環(huán)境信息以及歷史故障記錄等數(shù)據(jù)，建立破碎機(jī)全壽命周期健康狀況數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)分級(jí)破碎機(jī)關(guān)鍵性能指標(biāo)和運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判別，挖掘數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和因素，揭示不同關(guān)聯(lián)因素影響下破碎機(jī)的狀態(tài)規(guī)律，并預(yù)測(cè)破碎機(jī)的潛在故障點(diǎn)，指導(dǎo)健康管理系統(tǒng)進(jìn)行故障查找及排除，有效預(yù)防設(shè)備非計(jì)劃停機(jī)，保障正常的生產(chǎn)秩序。

遠(yuǎn)程專家輔助系統(tǒng)就是通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)破碎機(jī)上安裝運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)通信技術(shù)傳輸至遠(yuǎn)程專家數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)破碎機(jī)進(jìn)行故障檢測(cè)和故障診斷，并根據(jù)健康管理系統(tǒng)中存儲(chǔ)的破碎機(jī)健康準(zhǔn)則確定故障類型后提出故障解決方案，如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程專家輔助系統(tǒng)

5 結(jié) 語(yǔ)

智能礦山已成為當(dāng)前煤炭領(lǐng)域技術(shù)變革的方向，人工智能技術(shù)推動(dòng)選煤裝備從自動(dòng)化、數(shù)字化向智能化加速躍升轉(zhuǎn)型?？煽啃允茄b備穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，智能化是減人提效的必由之路，分級(jí)破碎機(jī)的智能化還處于初級(jí)階段，未來(lái)還有很長(zhǎng)的路要走，要循序漸進(jìn)，持續(xù)創(chuàng)新，要全方位推動(dòng)智能化技術(shù)在分級(jí)破碎領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。