火電廠翻車機接卸異型車輛安全防護的智能控制系統設計

中圖分類號：TM621 文獻標志碼：A 文章編號：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

隨著我國經濟的快速發展和工業化進程的加速，能源需求呈現出持續增長的趨勢。在當前的電力結構中，火力發電以其穩定性和經濟性占據著舉足輕重的地位?；鹆Πl電的效率和安全性直接關系到國家能源安全和社會經濟的穩定發展。在火力發電的過程中，煤炭作為主要的燃料，其接卸環節是發電廠物流鏈中的關鍵一環。翻車機作為火電廠煤炭接卸的核心設備，承擔著將煤炭從運輸車輛快速、高效地卸載到儲煤場的任務。翻車機的工作效率直接影響到電廠的燃料供應和發電能力，而其安全性能則對整個發電過程的安全性起著決定性作用。在實際操作中，翻車機在接卸異型車輛，尤其是那些結構特殊、尺寸不一的煤炭運輸車輛時，面臨著一系列的安全挑戰。這些挑戰主要包括車輛定位不準確、翻車機與車輛匹配不當、卸載過程中力矩控制不精確等問題，這些問題可能導致設備損壞、煤炭灑落甚至引發火災等安全事故。由于異型車輛的結構多樣性，傳統的翻車機安全防護措施往往難以適應，從而增加了安全風險。針對上述問題，本文提出了一種基于智能控制的安全防護系統設計。該系統結合了現代傳感技術、數據處理技術、控制理論以及人工智能算法，旨在實現對翻車機接卸異型車輛過程的實時監測、智能分析和精準控制。

1系統設計目標與原則

1.1 設計目標

本文設計的智能控制系統旨在確保火電廠翻車機在接卸異型車輛時的安全性，通過高精度傳感器實時監控翻車機狀態，包括車輛位置、翻車角度等關鍵參數。系統能實時分析數據，預警安全隱患，并在緊急情況觸發報警。利用先進技術和算法，自動識別車輛類型和尺寸，實現精準控制，提高接卸效率和安全性。該系統有效降低安全風險，減少事故，保障火電廣安全生產[3]。

1.2 設計原則

本設計原則強調安全性、可靠性、實時性、易操作性以及系統的擴展性和兼容性，確保系統在復雜工況下穩定運行，有效防止誤操作，快速響應異常，保障人員與設備安全；采用成熟技術和冗余設計提高系統可靠性，并通過實時監測與控制滿足即時性需求；簡潔直觀的操作界面便于操作，減少失誤，提升效率；系統具備良好的擴展性和兼容性，適應未來技術發展，與其他系統集成無障礙[4]。

2 系統硬件設計

2.1 系統架構

本文設計的智能控制系統采用模塊化設計理念，以確保系統的靈活性和可擴展性。系統的主要組成部分包括傳感器模塊、數據采集模塊、控制模塊、通信模塊和執行模塊。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊作為系統的感知層，扮演著至關重要的角色，其負責實時監測翻車機在接卸異型車輛過程中的關鍵參數，確保作業過程的安全與效率。本模塊集成了多種高精度傳感器，以實現對翻車機狀態的全面監控。位移傳感器 Δx 用于精確測量翻車機的翻轉角度。該傳感器基于線性可變差動變壓器（LVDT）或光電編碼器原理，能夠將機械位移轉換成與之成比例的電信號。傳感器的輸出信號與翻車機的翻轉角度（θ） 之間存在以下線性關系：

θ=kΔx

式中： k 為傳感器的靈敏度系數，表示單位位移引起的角度變化。該系數在傳感器出廠時已標定，確保了測量的高精度。壓力傳感器（P）用于測量翻車機承載的煤炭重量。該傳感器通常采用應變片式或壓電式原理，能夠將作用在其上的壓力轉換為電信號。通過測量壓力值 P ，并結合壓力傳感器的有效面積 A ，可以計算出翻車機承載的載重 W

這一參數對于防止翻車機超載運行至關重要。速度傳感器 Π（Π_V） 用于監測翻車機的翻轉速度。該傳感器可以是霍爾效應傳感器或光電傳感器，其能夠檢測翻車機翻轉過程中的轉速，并通過信號處理單元計算出實時的翻轉速度 v 。翻轉速度的實時監測對于控制翻車機的動態行為、防止因速度過快導致的失控現象至關重要

2.3 數據采集模塊

數據采集模塊是智能控制系統的核心組成部分之一，其負責將傳感器模塊輸出的模擬信號轉換為數字信號，以便于微處理器進行處理和分析。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算能力和豐富的外設接口，非常適合于工業現場的數據采集和處理任務。在數據采集過程中，模擬信號通過A/D 轉換器（Analog-to-Digital Con-verter）進行轉換。A/D轉換器按照一定的采樣率和分辨率對模擬信號進行采樣和量化，其轉換公式如下

式中： V_digital 是數字輸出電壓； 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。通過對轉換后的數字信號進行處理，實現對翻車機運行狀態的實時監測。

2.4 控制模塊

控制模塊在智能控制系統中扮演著指揮中樞的角色，其負責接收來自數據采集模塊的信號，根據預設的控制策略和算法，對翻車機的動作進行精確控制，確保接卸異型車輛的過程安全、高效。在本系統中，采用PLC（Programmable Logic Controller）作為核心控制器，這是因為PLC可靠性高、抗干擾能力強、編程靈活、易于維護和擴展?？刂颇K的核心是控制算法，其決定了系統的響應速度、穩定性和控制精度。在本系統中，采用經典的PID（Proportional-Integral-Derivative）控制算法，其數學表達式為

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） 是誤差隨時間的微分變化率，用于微分控制； 是誤差在時間區間 [0，t] 內的積分累積，用于積分控制。PLC根據預設的程序和算法，實現翻車機與異型車輛的自動匹配與控制。

2.5 通信模塊

通信模塊在智能控制系統中起著至關重要的作用，其如同信息高速公路，將數據采集模塊、控制模塊、上位機監控系統和外部設備緊密連接，實現信息的快速、準確傳遞。采用先進的工業以太網技術，具體為PROFINET（ProcessField Network）或EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology），這2種協議均適用于工業自動化領域，具備實時性、可靠性和高帶寬的特點。通過時間同步機制、優化的數據傳輸策略、差錯檢測和校驗機制，以及網絡冗余和故障轉移功能，確保了數據傳輸的實時性和可靠性。在設計通信模塊時，采用星型或環型拓撲結構，利用精確網絡時間協議實現時間同步，通過網絡配置工具和管理系統進行網絡配置與監控，同時支持工業以太網的安全協議，以保障通信安全性。這樣的設計不僅滿足了控制系統的高帶寬需求，還確保了數據傳輸的實時性和可靠性，為火電廠翻車機接卸異型車輛安全防護的智能控制系統提供了強有力的通信支持。

2.6 執行模塊

執行模塊是智能控制系統的最終實施單元，其直接與翻車機的機械結構交互，負責將控制模塊的指令轉化為具體的機械動作。在本系統中，執行模塊主要包括液壓系統和電機，兩者協同工作，確保翻車機在各種作業條件下的精確控制和平穩運行。液壓系統是翻車機動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、油管和蓄能器等。液壓系統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；A是液壓缸的有效面積； Δp 是液壓缸兩端的壓力差。電機控制是翻車機輔助設備動作的核心，其負責精確調控輸送帶、給料機等設備的運作。為了實現電機轉速的精準控制，關鍵在于對電機輸入電壓或電流的調整。電壓/頻率控制（V/f控制）通過調整電機供電的電壓與頻率比例，以實現基礎轉速控制；閉環矢量控制則利用電機模型及反饋的轉速、電流信息，實現對電機力矩和轉速的精確控制，尤其適用于對動態性能有較高要求的場合。電機控制系統具備寬廣的調速范圍，以滿足多樣化的作業需求；還注重能耗優化，通過優化電機工作曲線，降低能耗，提升系統整體效率。完善的保護功能，包括過載、過熱、短路等多種保護措施，確保在異常情況下電機的安全停機，保障設備穩定運行。

3 系統軟件設計

3.1 軟件架構

系統軟件采用分層架構，分為數據采集與處理層、控制邏輯層、通信管理層、人機交互層和安全監控與預警層。數據采集與處理層實時捕捉并預處理傳感器數據，確保數據準確可靠?？刂七壿媽油ㄟ^核心算法生成控制命令，調節執行模塊。通信管理層負責數據交換，保障傳輸實時性。人機交互層提供操作界面和數據顯示。安全監控層全程監控并預警，預防潛在危險。

3.2 軟件模塊設計

控制邏輯模塊的軟件設計作為整個系統的核心。實現控制算法，這要求根據翻車機的動態特性和控制需求，選擇適宜的控制算法，并進行精確的參數整定；進行狀態估計與預測，利用狀態觀測器或模型預測控制（MPC）技術來預測系統的未來狀態，為控制決策提供可靠依據；設計異常處理與安全策略，通過開發異常檢測算法和制定安全策略，確保系統在遭遇故障時能夠自動切換至安全模式，保障系統的穩定運行。

3.3 軟件測試與驗證

為確?；痣姀S翻車機接卸異型車輛的智能控制系統軟件的可靠性與穩定性，實施一系列嚴格的測試與驗證流程。通過單元測試，對軟件中的每個獨立模塊進行了細致的功能正確性檢驗，確保每個組件都能準確執行其既定任務。進行集成測試，將所有模塊整合在一起，驗證它們之間的交互是否順暢，是否符合系統設計的協同工作要求。進一步測試在模擬和實際操作環境中對整個系統進行綜合評估，以考察其在各種工況下的表現。性能測試用于檢測系統在極限條件下的響應速度、穩定性和容錯能力，確保系統在關鍵時刻能夠可靠地運行[8]。

4實驗與分析

4.1 實驗方案

為驗證本文設計的智能控制系統的實際效果，在某火電廠進行了現場實驗。將包括傳感器、數據采集設備、控制單元、通信設備和執行機構在內的智能控制系統安裝至翻車機；對系統進行全面調試，確保硬件和軟件模塊均無故障，正常運行。進行多次接卸異型車輛的實驗操作，詳細記錄系統的響應速度和性能表現。采集實驗過程中的各項關鍵參數，包括傳感器數據、系統控制命令及執行結果。具體的實驗參數詳見表1。

表1實驗方案參數表

4.2實驗結果與分析

4.2.1 傳感器數據準確性分析

實驗結果與分析顯示，本研究設計的智能控制系統在異型車輛接卸作業中展現出顯著優勢，有效提升翻車機的安全性能，并顯著降低事故發生的風險。在傳感器數據準確性方面，對傳感器采集的數據與實際測量值進行了對比分析。結果見表2，證實了傳感器數據的高準確度，進一步保障了系統的可靠性與穩定性。

表2傳感器數據準確性對比表

4.2.2控制系統性能分析

通過調整PID控制參數，系統實現了對翻車機動作的精確控制。在各類車輛中，控制系統對車輛類型C的表現最為出色，其控制效果高達 92% ，位居所有車輛類型之首。盡管車輛類型A的控制效果為 90% ，略低于C型，但這一數據依然是相當優異的。車輛類型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，但它們仍展現出較高的控制效率。圖1直觀地展示不同車輛類型下控制系統的性能表現，以便針對控制效果相對較低的車輛類型進行針對性的優化和提升。

圖1控制系統性能分析圖

5結論

基于智能控制的安全防護系統設計在火電廠翻車機接卸異型車輛過程中取得了顯著成效。該系統通過高精度傳感器、實時數據處理、先進控制算法和智能識別技術，有效提升了翻車機在接卸異型車輛時的安全性能和運行效率。實驗結果表明，傳感器數據準確性高，預警系統響應迅速，控制系統性能優良，為火電廠的安全生產提供了堅實保障。未來，該系統有望在電力行業及其他相關領域得到廣泛應用，進一步推動工業自動化和智能化進程。

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