超大規(guī)模灰?guī)r礦堆場(chǎng)卸料小車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)

胡冬林，張柏(.中電建安徽長(zhǎng)九新材料股份有限公司， 安徽 池州市 24700；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 4002；3.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南 長(zhǎng)沙 4002；4.湖南省智能礦山工程技術(shù)研究中心， 湖南 長(zhǎng)沙 4002)

1 工程概況

神山灰?guī)r礦是一家年開(kāi)采規(guī)模為7000 萬(wàn)噸的露天礦山，生產(chǎn)廠區(qū)占地近3 km2、加工設(shè)備及運(yùn)輸皮帶數(shù)百臺(tái)，14 km 長(zhǎng)的物流輸送廊道連接著長(zhǎng)江邊的大型貨運(yùn)碼頭。石料堆場(chǎng)分布在礦上加工區(qū)域和碼頭陸域，其中礦山加工區(qū)域有3 套卸料小車(chē)，碼頭陸域有6 套卸料小車(chē)，帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度約為400 m。

在技術(shù)改造前，神山礦卸料小車(chē)的行走、卸料是通過(guò)安裝在帶式輸送機(jī)旁的現(xiàn)場(chǎng)控制箱進(jìn)行手動(dòng)操作，這種方式存在以下問(wèn)題。

（1）手動(dòng)堆料的料堆高度和重量不均衡，碼頭堆場(chǎng)已出現(xiàn)下沉的情況，如不及時(shí)修復(fù)有可能造成建筑結(jié)構(gòu)的坍塌，發(fā)生嚴(yán)重的安全事故，亟需精確控制碼頭堆場(chǎng)料堆高度和料場(chǎng)存放石料重量，避免繼續(xù)出現(xiàn)堆場(chǎng)下沉情況，并為堆場(chǎng)下沉的修復(fù)贏得時(shí)間。

（2）砂石骨料的生產(chǎn)工藝導(dǎo)致石料在運(yùn)輸和堆放過(guò)程中粉塵污染嚴(yán)重，操作人員長(zhǎng)時(shí)間在卸料小車(chē)旁的現(xiàn)場(chǎng)控制箱進(jìn)行手動(dòng)操作會(huì)給工人健康帶來(lái)嚴(yán)重危害。

（3）由于生產(chǎn)任務(wù)重，卸料小車(chē)現(xiàn)場(chǎng)控制箱位置高，運(yùn)行人員長(zhǎng)時(shí)間在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作卸料小車(chē)，行走和卸料都存在安全隱患。

（4）卸料小車(chē)運(yùn)行和堆料由操作人員現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作，堆放位置和堆料的多少都存在控制誤差，料倉(cāng)堆料的利用率和效率不高。

鑒于上述原因，神山礦亟需對(duì)堆場(chǎng)卸料小車(chē)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造，通過(guò)定位系統(tǒng)、料位系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合安全保障功能，在線、實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)卸料的精細(xì)化管控。

2 系統(tǒng)組成

卸料小車(chē)自動(dòng)行走卸料控制系統(tǒng)包含硬件部分、通訊、視頻監(jiān)控和軟件編程4 個(gè)部分，其中硬件部分包括定位子系統(tǒng)、料位子系統(tǒng)、電控子系統(tǒng)、智能控制子系統(tǒng)。

2.1 硬件系統(tǒng)

2.1.1 定位系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)卸料特點(diǎn)，采用旋轉(zhuǎn)編碼器+RFID 定位方式進(jìn)行卸料小車(chē)的精確定位，旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在車(chē)輪中心軸上，通過(guò)計(jì)算其行走時(shí)產(chǎn)生的脈沖數(shù)實(shí)現(xiàn)行走距離的精確計(jì)量，屬于高精度行程計(jì)量方式。但存在車(chē)輪和軌道之間的打滑問(wèn)題，及長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)距離的累積誤差，使其喪失高精度的優(yōu)點(diǎn)。為此在卸料小車(chē)移動(dòng)路徑上的堆場(chǎng)布料皮帶軌道一側(cè)，每隔一定距離（一般為0.5～5 m，間距越短精度越高）加入RFID 射頻卡（或磁釘）的方式進(jìn)行定長(zhǎng)校準(zhǔn)，讀卡器安裝在卸料小車(chē)車(chē)體上，隨卸料小車(chē)運(yùn)動(dòng)，卸料小車(chē)通過(guò)讀取射頻卡信號(hào)確定其位置，消除了打滑和長(zhǎng)距離計(jì)算的誤差。RFID 射頗技術(shù)（磁釘技術(shù)）保證了長(zhǎng)距離的定點(diǎn)定位校準(zhǔn)，行走編碼器確保短距離定位精度。

2.1.2 料位系統(tǒng)

料堆現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備卸料時(shí)，粉塵濃度大，測(cè)量高度為30～40 m，針對(duì)卸料現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境采用多種物位測(cè)量設(shè)備進(jìn)行測(cè)試和比較，優(yōu)先選用高精度雷達(dá)料位計(jì)，并將雷達(dá)料位計(jì)安裝在卸料小車(chē)下方開(kāi)口的不銹鋼箱中。安裝位置見(jiàn)圖1。

圖1 雷達(dá)料位計(jì)安裝位置

2.1.3 電控系統(tǒng)

改造前膠帶機(jī)卸料小車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)是，通過(guò)安裝在膠帶機(jī)旁的卸料小車(chē)現(xiàn)場(chǎng)控制箱控制滑觸線供電，對(duì)卸料小車(chē)的行走進(jìn)行控制，改造后，滑觸線三相電接入卸料小車(chē)就地動(dòng)控一體箱，滑觸線持續(xù)給動(dòng)控一體箱供電，卸料小車(chē)行走電機(jī)供電由就地動(dòng)控一體箱提供。就地智能控制系統(tǒng)通過(guò)卸料小車(chē)定位系統(tǒng)和卸料小車(chē)料位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信號(hào)控制卸料小車(chē)行走和卸料。當(dāng)接近開(kāi)關(guān)觸發(fā)，就地智能控制系統(tǒng)控制卸料小車(chē)停止行走。最終就地智能控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)再通過(guò)通訊系統(tǒng)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)和操作員站、工程師站。

2.1.4 智能控制系統(tǒng)

為了保證卸料小車(chē)智能布料控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使用智能總線控制器，并安裝在就地卸料小車(chē)上，方案優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）方便IO 信號(hào)接入卸料小車(chē)布料控制系統(tǒng)智能總線控制器，減少控制電纜。若卸料小車(chē)智能布料控制系統(tǒng)的智能總線控制器等設(shè)備放在堆場(chǎng)附近的配電室內(nèi)，不但需要使用移動(dòng)式控制電纜，而且控制電纜使用量非常大。

（2）控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性更好。智能總線控制器安裝在卸料小車(chē)上便于PLC 控制系統(tǒng)運(yùn)行和處理相關(guān)數(shù)據(jù)，降低了控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和控制指令由于傳輸故障造成的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）減少傳輸過(guò)程中的干擾和故障。由于控制電纜較短，傳輸距離較近，減少了信號(hào)和數(shù)據(jù)由于長(zhǎng)距離過(guò)程中可能出現(xiàn)的干擾和故障。

2.2 通訊系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)、精準(zhǔn)定位系統(tǒng)、堆場(chǎng)石料物位測(cè)量系統(tǒng)、卸料小車(chē)電控系統(tǒng)、預(yù)警限位系統(tǒng)、停車(chē)限位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)與上位機(jī)、服務(wù)器的通訊使用無(wú)線+光纖的方式進(jìn)行。

在卸料小車(chē)上設(shè)置無(wú)線通訊設(shè)備發(fā)射端，在帶式輸送機(jī)旁設(shè)置無(wú)線通訊接收端，由于帶式輸送機(jī)距離較長(zhǎng)，可在帶式輸送機(jī)兩端設(shè)置2 個(gè)無(wú)線通訊接收端。

智能控制系統(tǒng)就地進(jìn)行控制后輸出的數(shù)據(jù)為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)置在卸料小車(chē)上的無(wú)線通訊發(fā)射端傳輸至帶式輸送機(jī)旁的無(wú)線通訊接收端，再通過(guò)光纖傳輸至就地控制室。

2.3 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為卸料小車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，在智能控制系統(tǒng)自動(dòng)行走、卸料的同時(shí)，控制室的運(yùn)行人員可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)視頻情況對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、控制和調(diào)整。

每個(gè)卸料皮帶安裝1個(gè)高清網(wǎng)絡(luò)球機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，使用定制安裝支架安裝于料場(chǎng)頂棚鋼結(jié)構(gòu)，可整體監(jiān)視整個(gè)卸料小車(chē)的運(yùn)行情況。每個(gè)堆場(chǎng)設(shè)置1 個(gè)網(wǎng)絡(luò)箱，將每個(gè)卸料皮帶的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)匯聚，然后通過(guò)光纖傳輸至就近的配電間，再通過(guò)全廠工業(yè)電視網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至礦山/碼頭分控的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)間。

2.4 軟件部分

系統(tǒng)選用SS-Pro 編程軟件。該軟件是專門(mén)為智能總線控制器開(kāi)發(fā)的、基于Windows 平臺(tái)的編程工具，具有控制方案編輯和仿真調(diào)試功能，是智能總線控制器控制器硬件配置和軟件編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包。

SS-Pro 軟件采用符合IEC 61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的編程語(yǔ)言，并與Windows 的圖形界面和面向?qū)ο蟮牟僮魍昝榔ヅ?，界面極其人性化，一目了然，操作簡(jiǎn)單，指令功能強(qiáng)大，包含了很多數(shù)學(xué)、PWM、系統(tǒng)控制等。

2.5 安全保障

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，為卸料小車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)置了三層安全保障。

（1）智能控制系統(tǒng)+定位系統(tǒng)程序保障。根據(jù)定位系統(tǒng)為卸料小車(chē)進(jìn)行定位，在帶式輸送機(jī)上設(shè)定卸料小車(chē)可行走區(qū)域，當(dāng)卸料小車(chē)行走超出可行走區(qū)域時(shí)，定位系統(tǒng)將發(fā)送報(bào)警信號(hào)給智能總線控制系統(tǒng)，由智能總線控制系統(tǒng)下發(fā)停車(chē)控制指令。

（2）卸料小車(chē)預(yù)警限位裝置。在卸料小車(chē)上安裝2 個(gè)接近開(kāi)關(guān)，當(dāng)卸料小車(chē)自動(dòng)行走到相應(yīng)位置，接近開(kāi)關(guān)信號(hào)立刻傳輸至PLC 控制系統(tǒng)，并由PLC 控制卸料小車(chē)停車(chē)。

（3）卸料小車(chē)停車(chē)限位裝置。在帶式輸送機(jī)上安裝2 個(gè)限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)卸料小車(chē)自動(dòng)運(yùn)行到相應(yīng)位置，限位開(kāi)關(guān)控制帶式輸送機(jī)旁的現(xiàn)場(chǎng)控制箱給滑觸線斷電，使卸料小車(chē)由于停電而停車(chē)。

3 結(jié)論

卸料小車(chē)自動(dòng)化控制系統(tǒng)建立之后，運(yùn)行人員能夠在遠(yuǎn)方控制室對(duì)卸料小車(chē)進(jìn)行一鍵啟停運(yùn)行，卸料小車(chē)將根據(jù)定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)和料位系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動(dòng)控制卸料小車(chē)行走和卸料，運(yùn)行人員可在上位機(jī)設(shè)置卸料方式及相關(guān)卸料參數(shù)，智能總線控制器根據(jù)程序進(jìn)行自動(dòng)卸料，實(shí)現(xiàn)堆場(chǎng)料堆高度和料場(chǎng)存放石料重量的精準(zhǔn)控制，緩解了堆場(chǎng)下沉的問(wèn)題，降低了現(xiàn)場(chǎng)職業(yè)危害風(fēng)險(xiǎn)，提高了安全性和作業(yè)效率，為企業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。