智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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摘要：為解決王莊煤礦裝車站控制系統(tǒng)存在的智能化水平落后，裝車速度慢、裝車精度低的問題，對(duì)王莊煤礦原裝車站控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，設(shè)計(jì)裝車站智能控制系統(tǒng)。重點(diǎn)介紹了以EPEC3724控制器為核心的新裝車站智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路、軟硬件組成以及實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)分析了主從控制單元、智能控制平臺(tái)、智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)以及人機(jī)交互平臺(tái)的功能，以CAN總線通信實(shí)現(xiàn)各平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳送，最后完成該裝車站智能控制系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，優(yōu)化后的煤礦裝車站智能控制系統(tǒng)可將單列裝車時(shí)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(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

關(guān)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(jī)械、液壓、電氣三大系統(tǒng)組成，典型外形為鋼架支撐的工業(yè)塔樓結(jié)構(gòu)，從上到下依次由儲(chǔ)煤倉(cāng)、緩沖倉(cāng)、定量倉(cāng)以及裝車溜槽四大關(guān)鍵部分組成，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、控制要求高的特點(diǎn)。煤礦老式裝車站運(yùn)行時(shí)需人工記錄待裝列車車廂型號(hào)，根據(jù)不同的車廂型號(hào)輸入裝煤參數(shù)，工作強(qiáng)度大，且在裝車過程中頻繁發(fā)生超重、欠重、偏載、撒煤、行車冗余、監(jiān)視失效等問題，裝車效率低、裝車質(zhì)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(xì)化、智能化的煤礦裝車系統(tǒng)成為亟待解決的課題。目前，煤礦裝車控制系統(tǒng)關(guān)注的焦點(diǎn)為提升裝車速度、裝車精度以及裝車設(shè)備間的協(xié)同控制。有的煤礦企業(yè)采用裝車、稱重過程同步進(jìn)行的快速裝車系統(tǒng)，邊稱重邊裝車或者預(yù)裝車后稱重，引入RBF、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制，提升了稱重精度。但這種煤礦快速裝車系統(tǒng)存在的主要問題有［4］：①系統(tǒng)控制精度差：傳感器測(cè)量精度低，控制系統(tǒng)應(yīng)對(duì)裝車過程中的突發(fā)情況能力不足；同時(shí)，人工操作時(shí)完全依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，無法達(dá)到高精度裝車需求。②裝車系統(tǒng)中的儀器儀表落后、陳舊，無法保證裝車系統(tǒng)的安全性、可靠性。③控制模式落后，無法對(duì)裝車系統(tǒng)自動(dòng)控制，撞車過程中數(shù)據(jù)也不能自動(dòng)處理。為解決前述問題，以煤礦裝車站為研究對(duì)象，利用智能控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)以及監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)為手段，通過對(duì)原快速裝車控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到裝車站控制系統(tǒng)智能、快速、安全、穩(wěn)定、精確運(yùn)行的目的。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿足煤礦煤料快速、精確運(yùn)輸需求，優(yōu)化后的裝車站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)為：①采用主、從控制技術(shù)，能夠快速、精確處理裝車系統(tǒng)控制單元、監(jiān)測(cè)單元數(shù)據(jù)，并對(duì)控制指令、監(jiān)測(cè)異常數(shù)據(jù)做出快速響應(yīng)。②優(yōu)化儲(chǔ)煤倉(cāng)、定量倉(cāng)、緩沖倉(cāng)間的控制邏輯關(guān)系，完善協(xié)同控制流程。③實(shí)現(xiàn)快速裝車過程的自動(dòng)控制、人工控制模式以及兩種控制模式間的無縫切換。④實(shí)現(xiàn)裝車站智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)的優(yōu)化。煤礦裝車站智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，由主從控制單元、智能控制平臺(tái)、智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)以及人機(jī)交互平臺(tái)四部分組成。主從控制單元為裝車站智能控制系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)采集人機(jī)交互平臺(tái)信號(hào)、裝車站系統(tǒng)內(nèi)傳感器信號(hào)、給煤機(jī)信號(hào)等，根據(jù)裝車站工藝流程完成裝車系統(tǒng)控制；同時(shí)將裝車站系統(tǒng)運(yùn)行過程中的所有數(shù)據(jù)傳送至智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)。智能控制平臺(tái)需完成裝車車廂位置、車廂型號(hào)、行車速度的智能識(shí)別與采集，完成給煤機(jī)、緩沖倉(cāng)、定量倉(cāng)、溜槽等設(shè)備的智能控制。智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)需完成傳感器數(shù)據(jù)、指示燈數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、模擬量數(shù)據(jù)以及故障數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示并完成聲光語音報(bào)警［5-6］。人機(jī)交互平臺(tái)為裝車站智能控制系統(tǒng)的智能遠(yuǎn)端操作平臺(tái)，通過該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)裝車站系統(tǒng)的遠(yuǎn)程、智能控制，降低裝車站工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保障裝車站系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、精確。

2硬件設(shè)計(jì)

煤礦裝車站智能控制系統(tǒng)硬件包括給煤機(jī)、減速器、電動(dòng)機(jī)、緩沖倉(cāng)、定量倉(cāng)、裝車溜槽等機(jī)械部件，也包括控制器、傳感器、變頻器、監(jiān)測(cè)平臺(tái)以及開關(guān)按鈕等電氣元器件。該煤礦裝車站選用的給煤機(jī)為往復(fù)式給煤機(jī)，由新鄉(xiāng)市中鑫機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)型號(hào)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(chǎn)的型號(hào)為ZLY-250-IX-12.5，傳動(dòng)比為12.5，中心距為430mm；配置的電動(dòng)機(jī)為臥龍電氣南陽防爆公司的型號(hào)為YB3-250M-6隔爆型三相異步變頻電動(dòng)機(jī)，額定功率為37kW，額定電壓為660/1140V，額定轉(zhuǎn)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(yīng)速度、處理能力、擴(kuò)展能力、組網(wǎng)能力等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)的快速裝車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求［7-8］。為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)快速裝車系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，需在裝車站控制系統(tǒng)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(shè)備，安裝與定量倉(cāng)四角，選用的型號(hào)為CYB-606S。該稱重傳感器采用半浮動(dòng)方式可方便地與定量倉(cāng)相連，稱重精度可達(dá)±0.1%，量程范圍為0～300kg～100t，輸出信號(hào)為4～20mA電流信號(hào)。位移傳感器選用的型號(hào)為GS471滾珠軸承式數(shù)字傳感器，量程范圍為0～30mm，分辨率可達(dá)10μm。監(jiān)控平臺(tái)選用的型號(hào)為西門子SM7090B型人機(jī)界面，該人機(jī)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(chǔ)能力，滿足快速裝車系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求。

3軟件設(shè)計(jì)

煤礦裝車站智能控制系統(tǒng)控制軟件基于CodeSys3.5軟件平臺(tái)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，采用ST語言進(jìn)行編寫。在進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)裝車站系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖以及主、從控制器端口地址分配表進(jìn)行編寫。

3.1CAN總線通信程序

需設(shè)計(jì)并編寫主、從控制器CAN總線通信、主控制器與人機(jī)交互平臺(tái)CAN總線通信程序、主控制器與智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)CAN總線通信，依次定義為CAN1、CAN2以及CAN3通信口。

3.2傳感器數(shù)據(jù)采集程序

主控制器的模擬量接口與裝車站控制系統(tǒng)的溫度、位移、重量、速度、壓力等傳感器進(jìn)行物理連接后，周期性采集傳感器數(shù)據(jù)并完成軟件濾波、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)正確性判斷、邏輯處理并傳送至智能監(jiān)控平臺(tái)。

3.3緩沖倉(cāng)、定量倉(cāng)、裝車溜槽協(xié)同控制程序

裝車站裝車過程中緩沖倉(cāng)、定量倉(cāng)、裝車溜槽間的控制邏輯為：?jiǎn)?dòng)給煤機(jī)后，煤料持續(xù)裝入緩沖倉(cāng)。當(dāng)緩沖倉(cāng)內(nèi)安裝的煤料料位傳感器提示達(dá)到緩沖倉(cāng)最高位置后，緩沖倉(cāng)發(fā)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(jī)，同時(shí)發(fā)送hczdStart指令啟動(dòng)緩沖倉(cāng)四級(jí)閘門控制將煤料轉(zhuǎn)送至定量倉(cāng)。定量倉(cāng)內(nèi)的煤料稱重傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤料重量，當(dāng)定量倉(cāng)內(nèi)的煤料重量達(dá)到設(shè)定值valueDC后，觸發(fā)主控制器發(fā)送hczdStop停止緩沖倉(cāng)卸煤并關(guān)閉緩沖倉(cāng)閘門。主控制器檢測(cè)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(dá)到合適位置，同時(shí)控制定量倉(cāng)二級(jí)閘門控制煤料經(jīng)裝車溜槽卸入待裝列車車廂。

3.4人機(jī)交互平臺(tái)程序

人機(jī)交互平臺(tái)可完成裝車站裝車系統(tǒng)的遠(yuǎn)程智能控制，主控制器以CAN總線通信模式與人機(jī)交互平臺(tái)完成控制指令、狀態(tài)信息的傳送。主控制器內(nèi)部需處理的人機(jī)交互平臺(tái)的控制指令有給煤機(jī)啟動(dòng)/停止、緩沖倉(cāng)四級(jí)閘門控制啟動(dòng)/停止、定量倉(cāng)二級(jí)閘門控制啟動(dòng)/停止、裝車溜槽升降控制、系統(tǒng)急停、系統(tǒng)復(fù)位等；需處理的裝車站系統(tǒng)狀態(tài)信息有給煤機(jī)狀態(tài)、緩沖倉(cāng)煤料高度、定量倉(cāng)煤料重量、裝車溜槽實(shí)時(shí)高度等。

4試驗(yàn)分析

4.1試驗(yàn)條件

新設(shè)計(jì)的煤礦裝車站智能控制系統(tǒng)在王莊煤礦進(jìn)行了為期6個(gè)月的試驗(yàn)，試驗(yàn)中應(yīng)用的裝車車廂為C70，單列車車廂共66節(jié)，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(zhuǎn)范圍為20°～90°，溜槽長(zhǎng)度為4440mm，平煤板寬度為2200mm，溜槽內(nèi)腔尺寸為1516mm×1598mm。試驗(yàn)時(shí)分別利用操作臺(tái)、人機(jī)交互平臺(tái)進(jìn)行智能控制、手動(dòng)控制，記錄并統(tǒng)計(jì)月裝載列車數(shù)量以及月煤料運(yùn)輸總量。同時(shí)記錄并統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)過程中發(fā)生的故障信息以及故障處理時(shí)間。

4.2試驗(yàn)結(jié)果

從2021年4月～2021年9月進(jìn)行為期6個(gè)月的試驗(yàn)，單月采用手動(dòng)控制模式，雙月采用智能控制模式。對(duì)每月裝載煤料總量、裝載列車數(shù)量、故障發(fā)生次數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)如表2所示。

4.3試驗(yàn)分析

由表2試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(yùn)輸總量為3.7717Mt，月均運(yùn)輸總量為1.2572Mt，裝載列車總數(shù)為742個(gè)，裝載單列列車用時(shí)在52～57min之間，控制精度在0.23%～0.40%之間，故障發(fā)生率低。采用手動(dòng)控制模式的5月、6月以及7月的煤料運(yùn)輸總量為2.9311Mt，月均運(yùn)輸總量為0.977Mt，裝載列車總數(shù)為586個(gè)，裝載單列列車用時(shí)、控制精度以及故障發(fā)生率均高于智能控制模式。對(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的煤礦裝車站智能控制系統(tǒng)經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，裝載單列列車時(shí)間最快為39秒/節(jié)，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(yīng)用優(yōu)化后的智能控制系統(tǒng)后裝車速度、裝車精度都有顯著提升，故障發(fā)生率顯著下降，保證了裝車站穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

5結(jié)論

以煤礦裝車站控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)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(tǒng)設(shè)計(jì)思路以及軟硬件組成和實(shí)現(xiàn)，基于控制器技術(shù)、傳感器技術(shù)以及CAN總線通信技術(shù)對(duì)原裝車站控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并完成試驗(yàn)，為煤礦裝車站智能化系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)提供參考。新設(shè)計(jì)的煤礦裝車站控制系統(tǒng)在王莊煤礦經(jīng)過6個(gè)月的試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：1）設(shè)計(jì)以主從控制單元、智能控制平臺(tái)、智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)以及人機(jī)交互平臺(tái)為基礎(chǔ)的裝車站智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了煤礦裝車智能化控制。2）試驗(yàn)結(jié)果表明，該智能裝車控制系統(tǒng)可將單列裝車時(shí)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(zhì)量和裝車效率，提升了煤礦裝車站的運(yùn)行效率。

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作者:李琳蕓單位:山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司王莊煤礦