智能控制系统设计与实现

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摘要：为解决王庄煤矿装车站控制系统存在的智能化水平落后，装车速度慢、装车精度低的问题，对王庄煤矿原装车站控制系统进行优化升级，设计装车站智能控制系统。重点介绍了以EPEC3724控制器为核心的新装车站智能控制系统设计思路、软硬件组成以及实现，详细分析了主从控制单元、智能控制平台、智能监测平台以及人机交互平台的功能，以CAN总线通信实现各平台之间的数据传送，最后完成该装车站智能控制系统的试验验证。试验验证结果表明，优化后的煤矿装车站智能控制系统可将单列装车时间控制在52～57min之间，装车精度控制在0%～0.41%之间，提升了装车站的智能化水平，提高了装车站的装车速度和装车精度，具有显著的经济社会效益。

关键词：EPEC控制器；CAN总线通信；智能化；煤矿装车站

煤矿装车站由机械、液压、电气三大系统组成，典型外形为钢架支撑的工业塔楼结构，从上到下依次由储煤仓、缓冲仓、定量仓以及装车溜槽四大关键部分组成，具有结构复杂、体积庞大、控制要求高的特点。煤矿老式装车站运行时需人工记录待装列车车厢型号，根据不同的车厢型号输入装煤参数，工作强度大，且在装车过程中频繁发生超重、欠重、偏载、撒煤、行车冗余、监视失效等问题，装车效率低、装车质量差，成为制约煤炭销售中的主要问题［1-3］。因此，研究高效、快速、精细化、智能化的煤矿装车系统成为亟待解决的课题。目前，煤矿装车控制系统关注的焦点为提升装车速度、装车精度以及装车设备间的协同控制。有的煤矿企业采用装车、称重过程同步进行的快速装车系统，边称重边装车或者预装车后称重，引入RBF、BP神经网络预测控制，提升了称重精度。但这种煤矿快速装车系统存在的主要问题有［4］：①系统控制精度差：传感器测量精度低，控制系统应对装车过程中的突发情况能力不足；同时，人工操作时完全依靠个人经验，无法达到高精度装车需求。②装车系统中的仪器仪表落后、陈旧，无法保证装车系统的安全性、可靠性。③控制模式落后，无法对装车系统自动控制，撞车过程中数据也不能自动处理。为解决前述问题，以煤矿装车站为研究对象，利用智能控制技术、传感器技术、通信技术以及监测监控技术为手段，通过对原快速装车控制系统进行优化，达到装车站控制系统智能、快速、安全、稳定、精确运行的目的。

1系统设计

为满足煤矿煤料快速、精确运输需求，优化后的装车站控制系统设计目标为：①采用主、从控制技术，能够快速、精确处理装车系统控制单元、监测单元数据，并对控制指令、监测异常数据做出快速响应。②优化储煤仓、定量仓、缓冲仓间的控制逻辑关系，完善协同控制流程。③实现快速装车过程的自动控制、人工控制模式以及两种控制模式间的无缝切换。④实现装车站智能监测平台的优化。煤矿装车站智能控制系统设计框图如图1所示，由主从控制单元、智能控制平台、智能监测平台以及人机交互平台四部分组成。主从控制单元为装车站智能控制系统核心，负责采集人机交互平台信号、装车站系统内传感器信号、给煤机信号等，根据装车站工艺流程完成装车系统控制；同时将装车站系统运行过程中的所有数据传送至智能监测平台。智能控制平台需完成装车车厢位置、车厢型号、行车速度的智能识别与采集，完成给煤机、缓冲仓、定量仓、溜槽等设备的智能控制。智能监测平台需完成传感器数据、指示灯数据、系统参数设置、模拟量数据以及故障数据的实时显示并完成声光语音报警［5-6］。人机交互平台为装车站智能控制系统的智能远端操作平台，通过该平台可实现装车站系统的远程、智能控制，降低装车站工作人员的劳动强度，保障装车站系统数据的实时、精确。

2硬件设计

煤矿装车站智能控制系统硬件包括给煤机、减速器、电动机、缓冲仓、定量仓、装车溜槽等机械部件，也包括控制器、传感器、变频器、监测平台以及开关按钮等电气元器件。该煤矿装车站选用的给煤机为往复式给煤机，由新乡市中鑫机械设备有限公司生产型号为GZW-4（K4），其额定功率为30kW，额定电压为660/1140V，处理能力为800～1200t/h；配置的减速器为江苏泰隆生产的型号为ZLY-250-IX-12.5，传动比为12.5，中心距为430mm；配置的电动机为卧龙电气南阳防爆公司的型号为YB3-250M-6隔爆型三相异步变频电动机，额定功率为37kW，额定电压为660/1140V，额定转速为985r/min。选用的主从控制器均为EPEC3724，与原S7-200型控制器相比，在响应速度、处理能力、扩展能力、组网能力等方面具有较大优势，满足优化设计的快速装车控制系统设计需求［7-8］。为实时监测快速装车系统运行状态，需在装车站控制系统中安装温度传感器、速度传感器、位移传感器、称重传感器以及倾角传感器等。其中称重传感器为核心设备，安装与定量仓四角，选用的型号为CYB-606S。该称重传感器采用半浮动方式可方便地与定量仓相连，称重精度可达±0.1%，量程范围为0～300kg～100t，输出信号为4～20mA电流信号。位移传感器选用的型号为GS471滚珠轴承式数字传感器，量程范围为0～30mm，分辨率可达10μm。监控平台选用的型号为西门子SM7090B型人机界面，该人机界面支持CAN、CANopen、Modbus以及TCP/IP等多种通信模式，具备RAM1024M以及SD卡超大空间存储能力，满足快速装车系统数据存储要求。

3软件设计

煤矿装车站智能控制系统控制软件基于CodeSys3.5软件平台进行编程实现，采用ST语言进行编写。在进行软件程序设计时，需根据装车站系统设计框图以及主、从控制器端口地址分配表进行编写。

3.1CAN总线通信程序

需设计并编写主、从控制器CAN总线通信、主控制器与人机交互平台CAN总线通信程序、主控制器与智能监测平台CAN总线通信，依次定义为CAN1、CAN2以及CAN3通信口。

3.2传感器数据采集程序

主控制器的模拟量接口与装车站控制系统的温度、位移、重量、速度、压力等传感器进行物理连接后，周期性采集传感器数据并完成软件滤波、A/D转换、数据正确性判断、逻辑处理并传送至智能监控平台。

3.3缓冲仓、定量仓、装车溜槽协同控制程序

装车站装车过程中缓冲仓、定量仓、装车溜槽间的控制逻辑为：启动给煤机后，煤料持续装入缓冲仓。当缓冲仓内安装的煤料料位传感器提示达到缓冲仓最高位置后，缓冲仓发送hcStop指令给主控制器。主控制器接收到hcStop指令后停止给煤机，同时发送hczdStart指令启动缓冲仓四级闸门控制将煤料转送至定量仓。定量仓内的煤料称重传感器实时监测煤料重量，当定量仓内的煤料重量达到设定值valueDC后，触发主控制器发送hczdStop停止缓冲仓卸煤并关闭缓冲仓闸门。主控制器检测待装列车是否在指定位置，如果在，则控制装车溜槽升降并达到合适位置，同时控制定量仓二级闸门控制煤料经装车溜槽卸入待装列车车厢。

3.4人机交互平台程序

人机交互平台可完成装车站装车系统的远程智能控制，主控制器以CAN总线通信模式与人机交互平台完成控制指令、状态信息的传送。主控制器内部需处理的人机交互平台的控制指令有给煤机启动/停止、缓冲仓四级闸门控制启动/停止、定量仓二级闸门控制启动/停止、装车溜槽升降控制、系统急停、系统复位等；需处理的装车站系统状态信息有给煤机状态、缓冲仓煤料高度、定量仓煤料重量、装车溜槽实时高度等。

4试验分析

4.1试验条件

新设计的煤矿装车站智能控制系统在王庄煤矿进行了为期6个月的试验，试验中应用的装车车厢为C70，单列车车厢共66节，单列列车可一次装载煤料70t。装车溜槽的钢丝绳行程为2500mm，溜槽旋转范围为20°～90°，溜槽长度为4440mm，平煤板宽度为2200mm，溜槽内腔尺寸为1516mm×1598mm。试验时分别利用操作台、人机交互平台进行智能控制、手动控制，记录并统计月装载列车数量以及月煤料运输总量。同时记录并统计试验过程中发生的故障信息以及故障处理时间。

4.2试验结果

从2021年4月～2021年9月进行为期6个月的试验，单月采用手动控制模式，双月采用智能控制模式。对每月装载煤料总量、装载列车数量、故障发生次数等数据进行记录、统计如表2所示。

4.3试验分析

由表2试验结果统计数据可知，采用智能控制装车模式的4月、6月以及8月的煤料运输总量为3.7717Mt，月均运输总量为1.2572Mt，装载列车总数为742个，装载单列列车用时在52～57min之间，控制精度在0.23%～0.40%之间，故障发生率低。采用手动控制模式的5月、6月以及7月的煤料运输总量为2.9311Mt，月均运输总量为0.977Mt，装载列车总数为586个，装载单列列车用时、控制精度以及故障发生率均高于智能控制模式。对设计并实现的煤矿装车站智能控制系统经长时间运行数据进行统计发现，装载单列列车时间最快为39秒/节，装车控制精度为0%～0.41%，装车控制精度在0%～0.1%的概率约为76%，在0.30%～0.41%之间的概率约为4%。煤矿装车站应用优化后的智能控制系统后装车速度、装车精度都有显著提升，故障发生率显著下降，保证了装车站稳定、高效运行。

5结论

以煤矿装车站控制系统为研究对象，重点介绍了以EPEC3724控制器为核心的主从控制煤矿装车站控制系统设计思路以及软硬件组成和实现，基于控制器技术、传感器技术以及CAN总线通信技术对原装车站控制系统进行优化并完成试验，为煤矿装车站智能化系统的优化升级提供参考。新设计的煤矿装车站控制系统在王庄煤矿经过6个月的试验，得出以下结论：1）设计以主从控制单元、智能控制平台、智能监测平台以及人机交互平台为基础的装车站智能控制系统，实现了煤矿装车智能化控制。2）试验结果表明，该智能装车控制系统可将单列装车时间控制在52～57min之间，装车精度控制在0%～0.41%之间，保证了装车质量和装车效率，提升了煤矿装车站的运行效率。

参考文献：

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作者:李琳芸单位:山西潞安环保能源开发股份有限公司王庄煤矿