智能控制系統設計與實現

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摘要：為解決王莊煤礦裝車站控制系統存在的智能化水平落后，裝車速度慢、裝車精度低的問題，對王莊煤礦原裝車站控制系統進行優化升級，設計裝車站智能控制系統。重點介紹了以EPEC3724控制器為核心的新裝車站智能控制系統設計思路、軟硬件組成以及實現，詳細分析了主從控制單元、智能控制平臺、智能監測平臺以及人機交互平臺的功能，以CAN總線通信實現各平臺之間的數據傳送，最后完成該裝車站智能控制系統的試驗驗證。試驗驗證結果表明，優化后的煤礦裝車站智能控制系統可將單列裝車時間控制在52～57min之間，裝車精度控制在0%～0.41%之間，提升了裝車站的智能化水平，提高了裝車站的裝車速度和裝車精度，具有顯著的經濟社會效益。

關鍵詞：EPEC控制器；CAN總線通信；智能化；煤礦裝車站

煤礦裝車站由機械、液壓、電氣三大系統組成，典型外形為鋼架支撐的工業塔樓結構，從上到下依次由儲煤倉、緩沖倉、定量倉以及裝車溜槽四大關鍵部分組成，具有結構復雜、體積龐大、控制要求高的特點。煤礦老式裝車站運行時需人工記錄待裝列車車廂型號，根據不同的車廂型號輸入裝煤參數，工作強度大，且在裝車過程中頻繁發生超重、欠重、偏載、撒煤、行車冗余、監視失效等問題，裝車效率低、裝車質量差，成為制約煤炭銷售中的主要問題［1-3］。因此，研究高效、快速、精細化、智能化的煤礦裝車系統成為亟待解決的課題。目前，煤礦裝車控制系統關注的焦點為提升裝車速度、裝車精度以及裝車設備間的協同控制。有的煤礦企業采用裝車、稱重過程同步進行的快速裝車系統，邊稱重邊裝車或者預裝車后稱重，引入RBF、BP神經網絡預測控制，提升了稱重精度。但這種煤礦快速裝車系統存在的主要問題有［4］：①系統控制精度差：傳感器測量精度低，控制系統應對裝車過程中的突發情況能力不足；同時，人工操作時完全依靠個人經驗，無法達到高精度裝車需求。②裝車系統中的儀器儀表落后、陳舊，無法保證裝車系統的安全性、可靠性。③控制模式落后，無法對裝車系統自動控制，撞車過程中數據也不能自動處理。為解決前述問題，以煤礦裝車站為研究對象，利用智能控制技術、傳感器技術、通信技術以及監測監控技術為手段，通過對原快速裝車控制系統進行優化，達到裝車站控制系統智能、快速、安全、穩定、精確運行的目的。

1系統設計

為滿足煤礦煤料快速、精確運輸需求，優化后的裝車站控制系統設計目標為：①采用主、從控制技術，能夠快速、精確處理裝車系統控制單元、監測單元數據，并對控制指令、監測異常數據做出快速響應。②優化儲煤倉、定量倉、緩沖倉間的控制邏輯關系，完善協同控制流程。③實現快速裝車過程的自動控制、人工控制模式以及兩種控制模式間的無縫切換。④實現裝車站智能監測平臺的優化。煤礦裝車站智能控制系統設計框圖如圖1所示，由主從控制單元、智能控制平臺、智能監測平臺以及人機交互平臺四部分組成。主從控制單元為裝車站智能控制系統核心，負責采集人機交互平臺信號、裝車站系統內傳感器信號、給煤機信號等，根據裝車站工藝流程完成裝車系統控制；同時將裝車站系統運行過程中的所有數據傳送至智能監測平臺。智能控制平臺需完成裝車車廂位置、車廂型號、行車速度的智能識別與采集，完成給煤機、緩沖倉、定量倉、溜槽等設備的智能控制。智能監測平臺需完成傳感器數據、指示燈數據、系統參數設置、模擬量數據以及故障數據的實時顯示并完成聲光語音報警［5-6］。人機交互平臺為裝車站智能控制系統的智能遠端操作平臺，通過該平臺可實現裝車站系統的遠程、智能控制，降低裝車站工作人員的勞動強度，保障裝車站系統數據的實時、精確。

2硬件設計

煤礦裝車站智能控制系統硬件包括給煤機、減速器、電動機、緩沖倉、定量倉、裝車溜槽等機械部件，也包括控制器、傳感器、變頻器、監測平臺以及開關按鈕等電氣元器件。該煤礦裝車站選用的給煤機為往復式給煤機，由新鄉市中鑫機械設備有限公司生產型號為GZW-4（K4），其額定功率為30kW，額定電壓為660/1140V，處理能力為800～1200t/h；配置的減速器為江蘇泰隆生產的型號為ZLY-250-IX-12.5，傳動比為12.5，中心距為430mm；配置的電動機為臥龍電氣南陽防爆公司的型號為YB3-250M-6隔爆型三相異步變頻電動機，額定功率為37kW，額定電壓為660/1140V，額定轉速為985r/min。選用的主從控制器均為EPEC3724，與原S7-200型控制器相比，在響應速度、處理能力、擴展能力、組網能力等方面具有較大優勢，滿足優化設計的快速裝車控制系統設計需求［7-8］。為實時監測快速裝車系統運行狀態，需在裝車站控制系統中安裝溫度傳感器、速度傳感器、位移傳感器、稱重傳感器以及傾角傳感器等。其中稱重傳感器為核心設備，安裝與定量倉四角，選用的型號為CYB-606S。該稱重傳感器采用半浮動方式可方便地與定量倉相連，稱重精度可達±0.1%，量程范圍為0～300kg～100t，輸出信號為4～20mA電流信號。位移傳感器選用的型號為GS471滾珠軸承式數字傳感器，量程范圍為0～30mm，分辨率可達10μm。監控平臺選用的型號為西門子SM7090B型人機界面，該人機界面支持CAN、CANopen、Modbus以及TCP/IP等多種通信模式，具備RAM1024M以及SD卡超大空間存儲能力，滿足快速裝車系統數據存儲要求。

3軟件設計

煤礦裝車站智能控制系統控制軟件基于CodeSys3.5軟件平臺進行編程實現，采用ST語言進行編寫。在進行軟件程序設計時，需根據裝車站系統設計框圖以及主、從控制器端口地址分配表進行編寫。

3.1CAN總線通信程序

需設計并編寫主、從控制器CAN總線通信、主控制器與人機交互平臺CAN總線通信程序、主控制器與智能監測平臺CAN總線通信，依次定義為CAN1、CAN2以及CAN3通信口。

3.2傳感器數據采集程序

主控制器的模擬量接口與裝車站控制系統的溫度、位移、重量、速度、壓力等傳感器進行物理連接后，周期性采集傳感器數據并完成軟件濾波、A/D轉換、數據正確性判斷、邏輯處理并傳送至智能監控平臺。

3.3緩沖倉、定量倉、裝車溜槽協同控制程序

裝車站裝車過程中緩沖倉、定量倉、裝車溜槽間的控制邏輯為：啟動給煤機后，煤料持續裝入緩沖倉。當緩沖倉內安裝的煤料料位傳感器提示達到緩沖倉最高位置后，緩沖倉發送hcStop指令給主控制器。主控制器接收到hcStop指令后停止給煤機，同時發送hczdStart指令啟動緩沖倉四級閘門控制將煤料轉送至定量倉。定量倉內的煤料稱重傳感器實時監測煤料重量，當定量倉內的煤料重量達到設定值valueDC后，觸發主控制器發送hczdStop停止緩沖倉卸煤并關閉緩沖倉閘門。主控制器檢測待裝列車是否在指定位置，如果在，則控制裝車溜槽升降并達到合適位置，同時控制定量倉二級閘門控制煤料經裝車溜槽卸入待裝列車車廂。

3.4人機交互平臺程序

人機交互平臺可完成裝車站裝車系統的遠程智能控制，主控制器以CAN總線通信模式與人機交互平臺完成控制指令、狀態信息的傳送。主控制器內部需處理的人機交互平臺的控制指令有給煤機啟動/停止、緩沖倉四級閘門控制啟動/停止、定量倉二級閘門控制啟動/停止、裝車溜槽升降控制、系統急停、系統復位等；需處理的裝車站系統狀態信息有給煤機狀態、緩沖倉煤料高度、定量倉煤料重量、裝車溜槽實時高度等。

4試驗分析

4.1試驗條件

新設計的煤礦裝車站智能控制系統在王莊煤礦進行了為期6個月的試驗，試驗中應用的裝車車廂為C70，單列車車廂共66節，單列列車可一次裝載煤料70t。裝車溜槽的鋼絲繩行程為2500mm，溜槽旋轉范圍為20°～90°，溜槽長度為4440mm，平煤板寬度為2200mm，溜槽內腔尺寸為1516mm×1598mm。試驗時分別利用操作臺、人機交互平臺進行智能控制、手動控制，記錄并統計月裝載列車數量以及月煤料運輸總量。同時記錄并統計試驗過程中發生的故障信息以及故障處理時間。

4.2試驗結果

從2021年4月～2021年9月進行為期6個月的試驗，單月采用手動控制模式，雙月采用智能控制模式。對每月裝載煤料總量、裝載列車數量、故障發生次數等數據進行記錄、統計如表2所示。

4.3試驗分析

由表2試驗結果統計數據可知，采用智能控制裝車模式的4月、6月以及8月的煤料運輸總量為3.7717Mt，月均運輸總量為1.2572Mt，裝載列車總數為742個，裝載單列列車用時在52～57min之間，控制精度在0.23%～0.40%之間，故障發生率低。采用手動控制模式的5月、6月以及7月的煤料運輸總量為2.9311Mt，月均運輸總量為0.977Mt，裝載列車總數為586個，裝載單列列車用時、控制精度以及故障發生率均高于智能控制模式。對設計并實現的煤礦裝車站智能控制系統經長時間運行數據進行統計發現，裝載單列列車時間最快為39秒/節，裝車控制精度為0%～0.41%，裝車控制精度在0%～0.1%的概率約為76%，在0.30%～0.41%之間的概率約為4%。煤礦裝車站應用優化后的智能控制系統后裝車速度、裝車精度都有顯著提升，故障發生率顯著下降，保證了裝車站穩定、高效運行。

5結論

以煤礦裝車站控制系統為研究對象，重點介紹了以EPEC3724控制器為核心的主從控制煤礦裝車站控制系統設計思路以及軟硬件組成和實現，基于控制器技術、傳感器技術以及CAN總線通信技術對原裝車站控制系統進行優化并完成試驗，為煤礦裝車站智能化系統的優化升級提供參考。新設計的煤礦裝車站控制系統在王莊煤礦經過6個月的試驗，得出以下結論：1）設計以主從控制單元、智能控制平臺、智能監測平臺以及人機交互平臺為基礎的裝車站智能控制系統，實現了煤礦裝車智能化控制。2）試驗結果表明，該智能裝車控制系統可將單列裝車時間控制在52～57min之間，裝車精度控制在0%～0.41%之間，保證了裝車質量和裝車效率，提升了煤礦裝車站的運行效率。

參考文獻：

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作者:李琳蕓單位:山西潞安環保能源開發股份有限公司王莊煤礦