散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

朱明鈞

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 城門(mén)山銅礦，江西 九江 332000）

1 引言

散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)是目前企業(yè)在工廠管理方面所關(guān)注的一個(gè)新趨勢(shì)，是智慧礦山數(shù)字礦山的重要組成部分，也是選礦后銅金粉物流高效搬運(yùn)關(guān)鍵工序的重要環(huán)節(jié)。散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以減少人員配置、加快物流周轉(zhuǎn)、減少物料的丟失和損傷等等。但對(duì)散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)不能只局限于行車(chē)自動(dòng)化的本身。散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)是一個(gè)集成了行車(chē)自動(dòng)化、庫(kù)管自動(dòng)化、運(yùn)輸工具自動(dòng)化和穩(wěn)定高效的通訊系統(tǒng)的綜合系統(tǒng)，同時(shí)也對(duì)物流的管理提出了更高的要求。如果只是關(guān)注于散料抓斗行車(chē)自動(dòng)化，而忽略了與散料抓斗行車(chē)運(yùn)輸相關(guān)的其它系統(tǒng)的構(gòu)建和支持，那么實(shí)施散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)很難獲得成功。

2 系統(tǒng)改造方案設(shè)計(jì)

實(shí)施散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)有如下關(guān)鍵工序的設(shè)計(jì)：

（1）關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)施散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)有抓斗防傾斜裝置、防擺動(dòng)裝置、安裝變頻器、安裝精確的重量傳感器稱(chēng)重裝置、自動(dòng)3D掃描系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、自動(dòng)抓斗的類(lèi)型等等。

（2）安全裝置。從人身安全角度出發(fā)，散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)要求工作區(qū)域四周安裝圍欄，防止人員進(jìn)入。如果圍欄被打開(kāi)，散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)要自動(dòng)感知并停止運(yùn)行。

（3）庫(kù)管系統(tǒng)。高效的智能的功能強(qiáng)大的庫(kù)管系統(tǒng)是支持散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。庫(kù)管系統(tǒng)外部連接MES系統(tǒng)、主產(chǎn)線L2系統(tǒng)以接收生產(chǎn)計(jì)劃和物料生產(chǎn)實(shí)績(jī)信息，內(nèi)部與庫(kù)區(qū)內(nèi)的產(chǎn)線連接以完成后續(xù)工序的上料和下料的運(yùn)輸作業(yè)，還要根據(jù)發(fā)貨計(jì)劃完成裝車(chē)作業(yè)。所以庫(kù)管系統(tǒng)必須有自動(dòng)收料、自動(dòng)尋址、自動(dòng)發(fā)貨，自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)輸路徑等功能?？梢哉f(shuō)，庫(kù)管系統(tǒng)是散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)的大腦，它的優(yōu)劣直接關(guān)系到散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)的成功與否。

（4）通訊系統(tǒng)。通訊系統(tǒng)要保證穩(wěn)定高效，否則其它設(shè)備和系統(tǒng)再完美，通訊不穩(wěn)定，散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)也無(wú)法安全運(yùn)行。通訊系統(tǒng)包括行車(chē)與地面通訊的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及地面各系統(tǒng)之間通訊的有線網(wǎng)絡(luò)。特別是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的搭建。行車(chē)自身的設(shè)備造就了復(fù)雜的電子環(huán)境，庫(kù)區(qū)內(nèi)的工況與普通環(huán)境不同，系統(tǒng)內(nèi)交互的數(shù)據(jù)量非常大而且實(shí)時(shí)性很強(qiáng)。以上這些，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備質(zhì)量及布局提出了非常高的技術(shù)要求。

3 散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件要求

實(shí)施散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)至少需要安裝下列硬件設(shè)備（見(jiàn)圖1）：

（1）X/Y/Z 這3個(gè)維度方向的位置傳感器，精度+/- 5cm以?xún)?nèi)，并增加冗余的X/Y/Z方向的傳感器以保證在某個(gè)傳感器故障的情況下散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)運(yùn)行暫時(shí)不受影響 。

（2）3D激光掃描系統(tǒng)［1］，用于識(shí)別物料，定位裝料車(chē)輛位置。

（3）車(chē)輛識(shí)別系統(tǒng)。

（4）防搖擺裝置，以避免抓斗投料時(shí)物料灑出車(chē)外。

（5）稱(chēng)重系統(tǒng)，避免車(chē)輛裝料出現(xiàn)超載或欠載狀況。

（6）變頻器及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

（7）防碰撞系統(tǒng)，防止行車(chē)與行車(chē)或與墻壁發(fā)生碰撞。

（8）數(shù)據(jù)處理及傳輸系統(tǒng)。

3.2 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)要求對(duì)所有傳感器的信號(hào)進(jìn)行快速響應(yīng)處理，因此控制系統(tǒng)的CPU處理周期時(shí)間必須要很短。為了保證散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)的安全運(yùn)行［2］，控制系統(tǒng)需要采用西門(mén)子的SIMATIC S7-1200/S7-1500系列產(chǎn)品。

3.3 變頻器

散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)要求控制行車(chē)平穩(wěn)的運(yùn)行以執(zhí)行作業(yè)，平穩(wěn)的加速及減速需要采用變頻控制模式。原舊行車(chē)的大車(chē)、小車(chē)變頻器為安川變頻器，由于散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)需要自動(dòng)定位及防搖擺功能，將整體更換大小車(chē)變頻器［3］。

圖1 散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)車(chē)上設(shè)備配置圖

大小車(chē)控制選用的變頻器品牌：ABB,施耐德，西門(mén)子，模擬量模塊控制變頻器頻率，從而實(shí)現(xiàn)防搖擺、定位等功能。

起升、開(kāi)閉控制選用的變頻器品牌：GBM專(zhuān)用變頻器，模擬量模塊控制變頻器頻率，從而實(shí)現(xiàn)定位、抓斗沉抓、抓斗追繩等功能。

4 倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)WMS設(shè)計(jì)

智能庫(kù)管系統(tǒng)是整個(gè)無(wú)人料場(chǎng)系統(tǒng)的出入口，也是中央大腦，負(fù)責(zé)接收業(yè)主現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量稱(chēng)重與銷(xiāo)售系統(tǒng)（也可人工輸入作業(yè)計(jì)劃）的出庫(kù)計(jì)劃。通過(guò)接收料堆掃描系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握整個(gè)料場(chǎng)料堆輪廓，再通過(guò)智能調(diào)度系統(tǒng)，將作業(yè)任務(wù)分解成具體的調(diào)度命令，將命令發(fā)往行車(chē)完成相應(yīng)作業(yè)任務(wù)。 系統(tǒng)還提供多種管理功能，包括：出料記錄，庫(kù)存報(bào)表，行車(chē)作業(yè)統(tǒng)計(jì)，報(bào)警查詢(xún)統(tǒng)計(jì)，行車(chē)狀態(tài)監(jiān)控等［4-5］。

4.1 倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)（WMS）的功能

倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)(WMS)最基本的功能就是裝料車(chē)輛到達(dá)后進(jìn)行引導(dǎo)車(chē)輛進(jìn)入指定工位，分配作業(yè)任務(wù)并呼叫自動(dòng)化行車(chē)進(jìn)行裝料作業(yè)，此外WMS系統(tǒng)還必須滿(mǎn)足下列需求:

（1）識(shí)別并引導(dǎo)裝料車(chē)輛作業(yè)。

（2）裝料車(chē)輛信息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）上傳工單至MES系統(tǒng)。

（4）根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃生成裝料作業(yè)指令。

（5）優(yōu)化裝料規(guī)則，自動(dòng)生成行車(chē)作業(yè)指令。

（6）對(duì)各種運(yùn)輸工具的管理。

（7）簡(jiǎn)潔友好的人機(jī)交互界面，便于地面管理人員操作。

（8）報(bào)表及查詢(xún)功能。

圖2 無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)示意圖

（9）用戶(hù)和權(quán)限管理功能。

4.2 倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)（WMS）的結(jié)構(gòu)

倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)是基于客戶(hù)端/服務(wù)器的C/S軟件架構(gòu)。WMS可完全獨(dú)立于已有的MES系統(tǒng)運(yùn)行。WMS擁有自己的數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)使用oracle產(chǎn)品。WMS與L3的生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)可建立通訊接口，以隨時(shí)接收生產(chǎn)下線物料的數(shù)據(jù)。倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)需包含原端口應(yīng)用程序、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)、中間件服務(wù)(用于建立與各系統(tǒng)的接口通訊，分發(fā)電文等)、車(chē)輛識(shí)別系統(tǒng)等模塊［6］。

5 通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)將建立4G LTE5G無(wú)線通訊信號(hào)覆蓋，行車(chē)視頻監(jiān)控通過(guò)無(wú)線通信方式與中控室系統(tǒng)連接，庫(kù)區(qū)固定安裝位置的視頻監(jiān)控通過(guò)CPE或光纖與中控室連接，行車(chē)信號(hào)控制系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線PN以太網(wǎng)方式與中控室連接，車(chē)輛裝料位上方的3D激光掃描設(shè)備通過(guò)網(wǎng)線連接方式與中控室連接（見(jiàn)圖2）。

散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)系統(tǒng)的車(chē)上設(shè)備與地面系統(tǒng)之間的通訊只能通過(guò)無(wú)線傳輸方式，其間時(shí)刻都有大量的數(shù)據(jù)交互。散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)快速行駛中，必須保證這些數(shù)據(jù)通訊的穩(wěn)定性和連續(xù)性。特別是在不同的通訊節(jié)點(diǎn)之間做接入切換的時(shí)候，切換時(shí)間要少于100ms。本次采用的通訊方式為工業(yè)以太網(wǎng)模式，確保散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)與控制系統(tǒng)間的實(shí)時(shí)通訊，實(shí)時(shí)響應(yīng)。基于工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP通訊方式［7］，控制系統(tǒng)出現(xiàn)與無(wú)人行車(chē)出現(xiàn)斷開(kāi)連接時(shí)，散料抓斗全自動(dòng)行車(chē)將立即停止作業(yè)，確保安全生產(chǎn)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)抓斗智能化改造的完成，在礦料運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用中，實(shí)現(xiàn)智能抓斗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與城門(mén)山銅礦數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，實(shí)現(xiàn)智慧礦山銷(xiāo)售計(jì)量系統(tǒng)全無(wú)人化。智能抓斗系統(tǒng)與功能強(qiáng)大的中控管理系統(tǒng)相配合，大大提高了城門(mén)山銅礦的生產(chǎn)自動(dòng)化和信息化程度。