火電廠翻車(chē)機(jī)接卸異型車(chē)輛安全防護(hù)的智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）24-0136-04

Abstract：Theaplicationofthesafetyprotectionsystembasedoninteligentcontrolinthedumpofabnormalvehiclesin thermal powerplantshasachievedremarkableresults.Withitshigh-precisionsensors，real-timedataprocesingcapabilities， advancedcontrolalgorithmsandintellgentidentificationtechnologythesystemefectivelyimprovesthesafetyperfomanceand operatingeffciencyof thedumperincomplexworkingenvironments.Experimentalanalysisshowsthatthesensordataisaccurate andreliable，theearlywarningsystemrespondsquickly，andthecontrolsystemperformswell，providingastrongguaranteefor thesafe productionofthermal powerplants.Inthefuturethisintellgentcontrolsystemisexpectedtoplayagreaterroleinthe powerindustryandotherrelatedfields，promotingthecontinuousimprovementofindustrialautomationandintellgencelevels.

Keywords：thermal powerplant;tipper;abnormal vehicle;safetyprotection；inteligent control system

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的加速，能源需求呈現(xiàn)出持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在當(dāng)前的電力結(jié)構(gòu)中，火力發(fā)電以其穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性占據(jù)著舉足輕重的地位?；鹆Πl(fā)電的效率和安全性直接關(guān)系到國(guó)家能源安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展。在火力發(fā)電的過(guò)程中，煤炭作為主要的燃料，其接卸環(huán)節(jié)是發(fā)電廠物流鏈中的關(guān)鍵一環(huán)。翻車(chē)機(jī)作為火電廠煤炭接卸的核心設(shè)備，承擔(dān)著將煤炭從運(yùn)輸車(chē)輛快速、高效地卸載到儲(chǔ)煤場(chǎng)的任務(wù)。翻車(chē)機(jī)的工作效率直接影響到電廠的燃料供應(yīng)和發(fā)電能力，而其安全性能則對(duì)整個(gè)發(fā)電過(guò)程的安全性起著決定性作用。在實(shí)際操作中，翻車(chē)機(jī)在接卸異型車(chē)輛，尤其是那些結(jié)構(gòu)特殊、尺寸不一的煤炭運(yùn)輸車(chē)輛時(shí)，面臨著一系列的安全挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)主要包括車(chē)輛定位不準(zhǔn)確、翻車(chē)機(jī)與車(chē)輛匹配不當(dāng)、卸載過(guò)程中力矩控制不精確等問(wèn)題，這些問(wèn)題可能導(dǎo)致設(shè)備損壞、煤炭灑落甚至引發(fā)火災(zāi)等安全事故。由于異型車(chē)輛的結(jié)構(gòu)多樣性，傳統(tǒng)的翻車(chē)機(jī)安全防護(hù)措施往往難以適應(yīng)，從而增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種基于智能控制的安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)結(jié)合了現(xiàn)代傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、控制理論以及人工智能算法，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)翻車(chē)機(jī)接卸異型車(chē)輛過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能分析和精準(zhǔn)控制。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)與原則

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)旨在確?；痣姀S翻車(chē)機(jī)在接卸異型車(chē)輛時(shí)的安全性，通過(guò)高精度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控翻車(chē)機(jī)狀態(tài)，包括車(chē)輛位置、翻車(chē)角度等關(guān)鍵參數(shù)。系統(tǒng)能實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，預(yù)警安全隱患，并在緊急情況觸發(fā)報(bào)警。利用先進(jìn)技術(shù)和算法，自動(dòng)識(shí)別車(chē)輛類(lèi)型和尺寸，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，提高接卸效率和安全性。該系統(tǒng)有效降低安全風(fēng)險(xiǎn)，減少事故，保障火電廣安全生產(chǎn)[3]。

1.2 設(shè)計(jì)原則

本設(shè)計(jì)原則強(qiáng)調(diào)安全性、可靠性、實(shí)時(shí)性、易操作性以及系統(tǒng)的擴(kuò)展性和兼容性，確保系統(tǒng)在復(fù)雜工況下穩(wěn)定運(yùn)行，有效防止誤操作，快速響應(yīng)異常，保障人員與設(shè)備安全；采用成熟技術(shù)和冗余設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)可靠性，并通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制滿足即時(shí)性需求；簡(jiǎn)潔直觀的操作界面便于操作，減少失誤，提升效率；系統(tǒng)具備良好的擴(kuò)展性和兼容性，適應(yīng)未來(lái)技術(shù)發(fā)展，與其他系統(tǒng)集成無(wú)障礙[4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，以確保系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。系統(tǒng)的主要組成部分包括傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、通信模塊和執(zhí)行模塊。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊作為系統(tǒng)的感知層，扮演著至關(guān)重要的角色，其負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)翻車(chē)機(jī)在接卸異型車(chē)輛過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)，確保作業(yè)過(guò)程的安全與效率。本模塊集成了多種高精度傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)翻車(chē)機(jī)狀態(tài)的全面監(jiān)控。位移傳感器 Δx 用于精確測(cè)量翻車(chē)機(jī)的翻轉(zhuǎn)角度。該傳感器基于線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT）或光電編碼器原理，能夠?qū)C(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成比例的電信號(hào)。傳感器的輸出信號(hào)與翻車(chē)機(jī)的翻轉(zhuǎn)角度（θ） 之間存在以下線性關(guān)系：

θ=kΔx

式中： k 為傳感器的靈敏度系數(shù)，表示單位位移引起的角度變化。該系數(shù)在傳感器出廠時(shí)已標(biāo)定，確保了測(cè)量的高精度。壓力傳感器（P）用于測(cè)量翻車(chē)機(jī)承載的煤炭重量。該傳感器通常采用應(yīng)變片式或壓電式原理，能夠?qū)⒆饔迷谄渖系膲毫D(zhuǎn)換為電信號(hào)。通過(guò)測(cè)量壓力值 P ，并結(jié)合壓力傳感器的有效面積 A ，可以計(jì)算出翻車(chē)機(jī)承載的載重 W

這一參數(shù)對(duì)于防止翻車(chē)機(jī)超載運(yùn)行至關(guān)重要。速度傳感器 Π（Π_V） 用于監(jiān)測(cè)翻車(chē)機(jī)的翻轉(zhuǎn)速度。該傳感器可以是霍爾效應(yīng)傳感器或光電傳感器，其能夠檢測(cè)翻車(chē)機(jī)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速，并通過(guò)信號(hào)處理單元計(jì)算出實(shí)時(shí)的翻轉(zhuǎn)速度 v 。翻轉(zhuǎn)速度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于控制翻車(chē)機(jī)的動(dòng)態(tài)行為、防止因速度過(guò)快導(dǎo)致的失控現(xiàn)象至關(guān)重要

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是智能控制系統(tǒng)的核心組成部分之一，其負(fù)責(zé)將傳感器模塊輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便于微處理器進(jìn)行處理和分析。該模塊采用高性能微處理器，如ARM（AdvancedRISCMa-chines）或DSP（Digital SignalProcessor），這些處理器具備高速運(yùn)算能力和豐富的外設(shè)接口，非常適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和處理任務(wù)。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，模擬信號(hào)通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Con-verter）進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器按照一定的采樣率和分辨率對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣和量化，其轉(zhuǎn)換公式如下

式中： V_digital 是數(shù)字輸出電壓； V_analog 是模擬輸入電壓；V_offset 是偏移電壓; V_FSR 是滿量程電壓； G 是增益。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)翻車(chē)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.4 控制模塊

控制模塊在智能控制系統(tǒng)中扮演著指揮中樞的角色，其負(fù)責(zé)接收來(lái)自數(shù)據(jù)采集模塊的信號(hào)，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略和算法，對(duì)翻車(chē)機(jī)的動(dòng)作進(jìn)行精確控制，確保接卸異型車(chē)輛的過(guò)程安全、高效。在本系統(tǒng)中，采用PLC（Programmable Logic Controller）作為核心控制器，這是因?yàn)镻LC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程靈活、易于維護(hù)和擴(kuò)展?？刂颇K的核心是控制算法，其決定了系統(tǒng)的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和控制精度。在本系統(tǒng)中，采用經(jīng)典的PID（Proportional-Integral-Derivative）控制算法，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中： u（t） 是控制器的輸出； e（t） 是控制誤差； 和Ka分別是比例、積分和微分增益，de（t） 是誤差隨時(shí)間的微分變化率，用于微分控制； 是誤差在時(shí)間區(qū)間 [0，t] 內(nèi)的積分累積，用于積分控制。PLC根據(jù)預(yù)設(shè)的程序和算法，實(shí)現(xiàn)翻車(chē)機(jī)與異型車(chē)輛的自動(dòng)匹配與控制。

2.5 通信模塊

通信模塊在智能控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，其如同信息高速公路，將數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和外部設(shè)備緊密連接，實(shí)現(xiàn)信息的快速、準(zhǔn)確傳遞。采用先進(jìn)的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，具體為PROFINET（ProcessField Network）或EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology），這2種協(xié)議均適用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，具備實(shí)時(shí)性、可靠性和高帶寬的特點(diǎn)。通過(guò)時(shí)間同步機(jī)制、優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸策略、差錯(cuò)檢測(cè)和校驗(yàn)機(jī)制，以及網(wǎng)絡(luò)冗余和故障轉(zhuǎn)移功能，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。在設(shè)計(jì)通信模塊時(shí)，采用星型或環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用精確網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)配置工具和管理系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置與監(jiān)控，同時(shí)支持工業(yè)以太網(wǎng)的安全協(xié)議，以保障通信安全性。這樣的設(shè)計(jì)不僅滿足了控制系統(tǒng)的高帶寬需求，還確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，為火電廠翻車(chē)機(jī)接卸異型車(chē)輛安全防護(hù)的智能控制系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的通信支持。

2.6 執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊是智能控制系統(tǒng)的最終實(shí)施單元，其直接與翻車(chē)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)交互，負(fù)責(zé)將控制模塊的指令轉(zhuǎn)化為具體的機(jī)械動(dòng)作。在本系統(tǒng)中，執(zhí)行模塊主要包括液壓系統(tǒng)和電機(jī)，兩者協(xié)同工作，確保翻車(chē)機(jī)在各種作業(yè)條件下的精確控制和平穩(wěn)運(yùn)行。液壓系統(tǒng)是翻車(chē)機(jī)動(dòng)作控制的重要組成部分，其核心組件包括液壓泵、液壓缸、閥門(mén)、油管和蓄能器等。液壓系統(tǒng)的控制方程可以表示為

Q=K，AΔp，

式中： Q 是液壓缸的流量； K_v 是流量系數(shù)；A是液壓缸的有效面積； Δp 是液壓缸兩端的壓力差。電機(jī)控制是翻車(chē)機(jī)輔助設(shè)備動(dòng)作的核心，其負(fù)責(zé)精確調(diào)控輸送帶、給料機(jī)等設(shè)備的運(yùn)作。為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制，關(guān)鍵在于對(duì)電機(jī)輸入電壓或電流的調(diào)整。電壓/頻率控制（V/f控制）通過(guò)調(diào)整電機(jī)供電的電壓與頻率比例，以實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速控制；閉環(huán)矢量控制則利用電機(jī)模型及反饋的轉(zhuǎn)速、電流信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)力矩和轉(zhuǎn)速的精確控制，尤其適用于對(duì)動(dòng)態(tài)性能有較高要求的場(chǎng)合。電機(jī)控制系統(tǒng)具備寬廣的調(diào)速范圍，以滿足多樣化的作業(yè)需求；還注重能耗優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化電機(jī)工作曲線，降低能耗，提升系統(tǒng)整體效率。完善的保護(hù)功能，包括過(guò)載、過(guò)熱、短路等多種保護(hù)措施，確保在異常情況下電機(jī)的安全停機(jī)，保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件采用分層架構(gòu)，分為數(shù)據(jù)采集與處理層、控制邏輯層、通信管理層、人機(jī)交互層和安全監(jiān)控與預(yù)警層。數(shù)據(jù)采集與處理層實(shí)時(shí)捕捉并預(yù)處理傳感器數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠?？刂七壿媽油ㄟ^(guò)核心算法生成控制命令，調(diào)節(jié)執(zhí)行模塊。通信管理層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換，保障傳輸實(shí)時(shí)性。人機(jī)交互層提供操作界面和數(shù)據(jù)顯示。安全監(jiān)控層全程監(jiān)控并預(yù)警，預(yù)防潛在危險(xiǎn)。

3.2 軟件模塊設(shè)計(jì)

控制邏輯模塊的軟件設(shè)計(jì)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心。實(shí)現(xiàn)控制算法，這要求根據(jù)翻車(chē)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和控制需求，選擇適宜的控制算法，并進(jìn)行精確的參數(shù)整定；進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)與預(yù)測(cè)，利用狀態(tài)觀測(cè)器或模型預(yù)測(cè)控制（MPC）技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的未來(lái)狀態(tài)，為控制決策提供可靠依據(jù)；設(shè)計(jì)異常處理與安全策略，通過(guò)開(kāi)發(fā)異常檢測(cè)算法和制定安全策略，確保系統(tǒng)在遭遇故障時(shí)能夠自動(dòng)切換至安全模式，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 軟件測(cè)試與驗(yàn)證

為確保火電廠翻車(chē)機(jī)接卸異型車(chē)輛的智能控制系統(tǒng)軟件的可靠性與穩(wěn)定性，實(shí)施一系列嚴(yán)格的測(cè)試與驗(yàn)證流程。通過(guò)單元測(cè)試，對(duì)軟件中的每個(gè)獨(dú)立模塊進(jìn)行了細(xì)致的功能正確性檢驗(yàn)，確保每個(gè)組件都能準(zhǔn)確執(zhí)行其既定任務(wù)。進(jìn)行集成測(cè)試，將所有模塊整合在一起，驗(yàn)證它們之間的交互是否順暢，是否符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的協(xié)同工作要求。進(jìn)一步測(cè)試在模擬和實(shí)際操作環(huán)境中對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)估，以考察其在各種工況下的表現(xiàn)。性能測(cè)試用于檢測(cè)系統(tǒng)在極限條件下的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和容錯(cuò)能力，確保系統(tǒng)在關(guān)鍵時(shí)刻能夠可靠地運(yùn)行[8]。

4實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)方案

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)的實(shí)際效果，在某火電廠進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。將包括傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、控制單元、通信設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)在內(nèi)的智能控制系統(tǒng)安裝至翻車(chē)機(jī)；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面調(diào)試，確保硬件和軟件模塊均無(wú)故障，正常運(yùn)行。進(jìn)行多次接卸異型車(chē)輛的實(shí)驗(yàn)操作，詳細(xì)記錄系統(tǒng)的響應(yīng)速度和性能表現(xiàn)。采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，包括傳感器數(shù)據(jù)、系統(tǒng)控制命令及執(zhí)行結(jié)果。具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1實(shí)驗(yàn)方案參數(shù)表

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析顯示，本研究設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)在異型車(chē)輛接卸作業(yè)中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，有效提升翻車(chē)機(jī)的安全性能，并顯著降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。在傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性方面，對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果見(jiàn)表2，證實(shí)了傳感器數(shù)據(jù)的高準(zhǔn)確度，進(jìn)一步保障了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

表2傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性對(duì)比表

4.2.2控制系統(tǒng)性能分析

通過(guò)調(diào)整PID控制參數(shù)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)翻車(chē)機(jī)動(dòng)作的精確控制。在各類(lèi)車(chē)輛中，控制系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛類(lèi)型C的表現(xiàn)最為出色，其控制效果高達(dá) 92% ，位居所有車(chē)輛類(lèi)型之首。盡管車(chē)輛類(lèi)型A的控制效果為 90% ，略低于C型，但這一數(shù)據(jù)依然是相當(dāng)優(yōu)異的。車(chē)輛類(lèi)型B和D的控制效果分別為 85% 和 88% ，雖然相較于A和C型有所下降，但它們?nèi)哉宫F(xiàn)出較高的控制效率。圖1直觀地展示不同車(chē)輛類(lèi)型下控制系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，以便針對(duì)控制效果相對(duì)較低的車(chē)輛類(lèi)型進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化和提升。

圖1控制系統(tǒng)性能分析圖

5結(jié)論

基于智能控制的安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在火電廠翻車(chē)機(jī)接卸異型車(chē)輛過(guò)程中取得了顯著成效。該系統(tǒng)通過(guò)高精度傳感器、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、先進(jìn)控制算法和智能識(shí)別技術(shù)，有效提升了翻車(chē)機(jī)在接卸異型車(chē)輛時(shí)的安全性能和運(yùn)行效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高，預(yù)警系統(tǒng)響應(yīng)迅速，控制系統(tǒng)性能優(yōu)良，為火電廠的安全生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)保障。未來(lái)，該系統(tǒng)有望在電力行業(yè)及其他相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，進(jìn)一步推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化和智能化進(jìn)程。

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