2022年智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：為解決王莊煤礦裝車站掌握系統(tǒng)存在的智能化水平落后，裝車速度慢、裝車精度低的問題，對王莊煤礦原裝車站掌握系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級，設(shè)計(jì)裝車站智能掌握系統(tǒng)。重點(diǎn)介紹了以EPEC3724掌握器為核心的新裝車站智能掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路、軟硬件組成以及實(shí)現(xiàn)，具體分析了主從掌握單元、智能掌握平臺、智能監(jiān)測平臺以及人機(jī)交互平臺的功能，以CAN總線通信實(shí)現(xiàn)各平臺之間的數(shù)據(jù)傳送，最終完成該裝車站智能掌握系統(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掌握系統(tǒng)可將單列裝車時(shí)間掌握在52～57min之間，裝車精度掌握在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)社會效益。

關(guān)鍵詞：EPEC掌握器；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，典型形狀為鋼架支撐的工業(yè)塔樓結(jié)構(gòu)，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(guān)鍵部分組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積浩大、掌握要求高的特點(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，依據(jù)不同的車廂型號輸入裝煤參數(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，討論高效、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，煤礦裝車掌握系統(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)同掌握。有的煤礦企業(yè)采納裝車、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)猜測掌握，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)掌握精度差：傳感器測量精度低，掌握系統(tǒng)應(yīng)對裝車過程中的突發(fā)狀況力量不足；同時(shí)，人工操作時(shí)完全依靠個人閱歷，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)的平安性、牢靠性。③掌握模式落后，無法對裝車系統(tǒng)自動掌握，撞車過程中數(shù)據(jù)也不能自動處理。為解決前述問題，以煤礦裝車站為討論對象，利用智能掌握技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)以及監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)為手段，通過對原快速裝車掌握系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到裝車站掌握系統(tǒng)智能、快速、平安、穩(wěn)定、精確運(yùn)行的目的。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿意煤礦煤料快速、精確運(yùn)輸需求，優(yōu)化后的裝車站掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)為：①采納主、從掌握技術(shù)，能夠快速、精確處理裝車系統(tǒng)掌握單元、監(jiān)測單元數(shù)據(jù)，并對掌握指令、監(jiān)測特別數(shù)據(jù)做出快速響應(yīng)。②優(yōu)化儲煤倉、定量倉、緩沖倉間的掌握規(guī)律關(guān)系，完善協(xié)同掌握流程。③實(shí)現(xiàn)快速裝車過程的自動掌握、人工掌握模式以及兩種掌握模式間的無縫切換。④實(shí)現(xiàn)裝車站智能監(jiān)測平臺的優(yōu)化。煤礦裝車站智能掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，由主從掌握單元、智能掌握平臺、智能監(jiān)測平臺以及人機(jī)交互平臺四部分組成。主從掌握單元為裝車站智能掌握系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)采集人機(jī)交互平臺信號、裝車站系統(tǒng)內(nèi)傳感器信號、給煤機(jī)信號等，依據(jù)裝車站工藝流程完成裝車系統(tǒng)掌握；同時(shí)將裝車站系統(tǒng)運(yùn)行過程中的全部數(shù)據(jù)傳送至智能監(jiān)測平臺。智能掌握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(jī)、緩沖倉、定量倉、溜槽等設(shè)備的智能掌握。智能監(jiān)測平臺需完成傳感器數(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)交互平臺為裝車站智能掌握系統(tǒng)的智能遠(yuǎn)端操作平臺，通過該平臺可實(shí)現(xiàn)裝車站系統(tǒng)的遠(yuǎn)程、智能掌握，降低裝車站工作人員的勞動強(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)

煤礦裝車站智能掌握系統(tǒng)硬件包括給煤機(jī)、減速器、電動機(jī)、緩沖倉、定量倉、裝車溜槽等機(jī)械部件，也包括掌握器、傳感器、變頻器、監(jiān)測平臺以及開關(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)型號為GZW-4（K4），其額定功率為30kW，額定電壓為660/1140V，處理力量為800～1200t/h；配置的減速器為江蘇泰隆生產(chǎn)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(jī)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(jī)，額定功率為37kW，額定電壓為660/1140V，額定轉(zhuǎn)速為985r/min。選用的主從掌握器均為EPEC3724，與原S7-200型掌握器相比，在響應(yīng)速度、處理力量、擴(kuò)展力量、組網(wǎng)力量等方面具有較大優(yōu)勢，滿意優(yōu)化設(shè)計(jì)的快速裝車掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求［7-8］。為實(shí)時(shí)監(jiān)測快速裝車系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，需在裝車站掌握系統(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，安裝與定量倉四角，選用的型號為CYB-606S。該稱重傳感器采納半浮動方式可便利地與定量倉相連，稱重精度可達(dá)±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(shù)字傳感器，量程范圍為0～30mm，辨別率可達(dá)10μm。監(jiān)控平臺選用的型號為西門子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卡超大空間存儲力量，滿意快速裝車系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲要求。

3軟件設(shè)計(jì)

煤礦裝車站智能掌握系統(tǒng)掌握軟件基于CodeSys3.5軟件平臺進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，采納ST語言進(jìn)行編寫。在進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)時(shí)，需依據(jù)裝車站系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖以及主、從掌握器端口地址安排表進(jìn)行編寫。

3.1CAN總線通信程序

需設(shè)計(jì)并編寫主、從掌握器CAN總線通信、主掌握器與人機(jī)交互平臺CAN總線通信程序、主掌握器與智能監(jiān)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(shù)據(jù)采集程序

主掌握器的模擬量接口與裝車站掌握系統(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)正確性推斷、規(guī)律處理并傳送至智能監(jiān)控平臺。

3.3緩沖倉、定量倉、裝車溜槽協(xié)同掌握程序

裝車站裝車過程中緩沖倉、定量倉、裝車溜槽間的掌握規(guī)律為：啟動給煤機(jī)后，煤料持續(xù)裝入緩沖倉。當(dāng)緩沖倉內(nèi)安裝的煤料料位傳感器提示達(dá)到緩沖倉最高位置后，緩沖倉發(fā)送hcStop指令給主掌握器。主掌握器接收到hcStop指令后停止給煤機(jī)，同時(shí)發(fā)送hczdStart指令啟動緩沖倉四級閘門掌握將煤料轉(zhuǎn)送至定量倉。定量倉內(nèi)的煤料稱重傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測煤料重量，當(dāng)定量倉內(nèi)的煤料重量達(dá)到設(shè)定值valueDC后，觸發(fā)主掌握器發(fā)送hczdStop停止緩沖倉卸煤并關(guān)閉緩沖倉閘門。主掌握器檢測待裝列車是否在指定位置，假如在，則掌握裝車溜槽升降并達(dá)到合適位置，同時(shí)掌握定量倉二級閘門掌握煤料經(jīng)裝車溜槽卸入待裝列車車廂。

3.4人機(jī)交互平臺程序

人機(jī)交互平臺可完成裝車站裝車系統(tǒng)的遠(yuǎn)程智能掌握，主掌握器以CAN總線通信模式與人機(jī)交互平臺完成掌握指令、狀態(tài)信息的傳送。主掌握器內(nèi)部需處理的人機(jī)交互平臺的掌握指令有給煤機(jī)啟動/停止、緩沖倉四級閘門掌握啟動/停止、定量倉二級閘門掌握啟動/停止、裝車溜槽升降掌握、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)、緩沖倉煤料高度、定量倉煤料重量、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)的煤礦裝車站智能掌握系統(tǒng)在王莊煤礦進(jìn)行了為期6個月的試驗(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、人機(jī)交互平臺進(jìn)行智能掌握、手動掌握，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2022年4月～2022年9月進(jìn)行為期6個月的試驗(yàn)，單月采納手動掌握模式，雙月采納智能掌握模式。對每月裝載煤料總量、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，采納智能掌握裝車模式的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，裝載單列列車用時(shí)在52～57min之間，掌握精度在0.23%～0.40%之間，故障發(fā)生率低。采納手動掌握模式的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，裝載單列列車用時(shí)、掌握精度以及故障發(fā)生率均高于智能掌握模式。對設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的煤礦裝車站智能掌握系統(tǒng)經(jīng)長時(shí)間運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)覺，裝載單列列車時(shí)間最快為39秒/節(jié)，裝車掌握精度為0%～0.41%，裝車掌握精度在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)化后的智能掌握系統(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

以煤礦裝車站掌握系統(tǒng)為討論對象，重點(diǎn)介紹了以EPEC3724掌握器為核心的主從掌握煤礦裝車站掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路以及軟硬件組成和實(shí)現(xiàn)，基于掌握器技術(shù)、傳感器技術(shù)以及CAN總線通信技術(shù)對原裝車站掌握系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并完成