基于5G網(wǎng)絡(luò)的某礦山智能行車改造及實(shí)踐

王曉永李曉剛孫胡生盧元利3

（1.丹東東方測控技術(shù)股份有限公司；2.本鋼設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司）

某礦山的聯(lián)合儲(chǔ)庫庫區(qū)有2臺行車進(jìn)行作業(yè)，行車起升高度27 m，抓斗容積4.5 m3，起重質(zhì)量16 t，滑觸線設(shè)置于卡車入料側(cè)。該儲(chǔ)庫庫區(qū)長120 m、寬30 m、高20 m。庫區(qū)一側(cè)為卡車輸送給料區(qū)，共18 扇卷簾門。對面一側(cè)為出料區(qū)和2 個(gè)皮帶進(jìn)料區(qū)，有5 個(gè)緩沖倉和2 個(gè)皮帶進(jìn)料口，黏土由皮帶輸送至存儲(chǔ)區(qū)。存儲(chǔ)區(qū)劃分為3 個(gè)大區(qū)域，區(qū)域間由矮墻隔開，矮墻距離庫區(qū)底面約8 m，存儲(chǔ)區(qū)的上端面與室外地平面平齊。存儲(chǔ)區(qū)目前存儲(chǔ)的原料有鐵質(zhì)原材料、黏土、煤矸石、電爐渣4 種，其中鐵質(zhì)材料來自4 個(gè)不同廠家，各按區(qū)域堆放并按企業(yè)配比計(jì)劃進(jìn)行添加。

行車的主要工作任務(wù)為保證緩沖倉物料供應(yīng)連續(xù)、防止卡車卸料堆積、防止皮帶下料堆積、保證庫區(qū)平整等。目前聯(lián)合儲(chǔ)庫未達(dá)到最優(yōu)的生產(chǎn)效果，行車工作效率較低、卡車入料缺乏管理、庫區(qū)安全防護(hù)不足。分析主要原因：①行車等設(shè)備使用已超過10 a，部件陳舊，性能不足、老化嚴(yán)重，故障率高，維護(hù)工作量大；②大小車運(yùn)行速度慢，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)速度；③設(shè)備控制方法陳舊，為崗位就地操作，尤其是抓斗起升控制的原理和方法較落后，能耗高且效率低下；④自動(dòng)化程度不足，行車無法實(shí)現(xiàn)無人操作；⑤安防措施不足，缺乏對安全狀況識別及管理系統(tǒng)。

為此，以某礦山企業(yè)庫區(qū)行車基于5G 網(wǎng)絡(luò)的智能行車改造為例設(shè)計(jì)了一種解決方案，發(fā)揮了5G 網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延、大帶寬、廣連接的特性，達(dá)到了高效減員的目的。

1 5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

5G網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)橹悄苄熊囅到y(tǒng)提供全面、低延時(shí)、廣連接的網(wǎng)絡(luò)連接，為數(shù)據(jù)通信提供基礎(chǔ)的交互系統(tǒng)，支持視頻、音頻、在線實(shí)時(shí)狀態(tài)等信息數(shù)據(jù)的傳輸，5G網(wǎng)絡(luò)是一種寬帶化、泛在化、智能化、融合化的新一代通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠滿足移動(dòng)智能行車的多樣化、低延時(shí)數(shù)據(jù)通訊連接的要求［1-3］。

5G 網(wǎng)絡(luò)并非簡單提升了傳輸速率，其充分融合了現(xiàn)有無線技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能更好地滿足多樣化的要求，更好地實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物的互聯(lián)互通。該設(shè)計(jì)不但實(shí)現(xiàn)了行車與控制室的互聯(lián)，同時(shí)將操作人員、管理人員的手機(jī)互聯(lián)到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，讓管理者能更好地實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場的生產(chǎn)信息情況。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由行車上安裝的無線5G 終端和室外5G 網(wǎng)絡(luò)無線通訊組成，5G 網(wǎng)絡(luò)將采集的視頻等信息傳輸至分析計(jì)算機(jī)，將控制指令下達(dá)至行車控制器。5G 單用戶上行峰值速率187 Mbps、5G 單用戶下行峰值速率350 Mbps，單向時(shí)延一般在2～4 ms，ping包測試一般約10 ms，理論速率為360～675 Mbps。

（1）700 MHz 僅需1/3的基站規(guī)模，依然可比國內(nèi)4G網(wǎng)絡(luò)的上下行使用效果更優(yōu)。

（2）700 MHz 下行平均速率超過75 Mbps，可滿足并行15路1080 P視頻信號的傳輸需求。

（3）700 MHz 上下行覆蓋較為平衡，上行速率明顯占優(yōu)，可滿足更廣泛的行業(yè)應(yīng)用。

（4）NR 中頻段頻譜的下行速率更優(yōu)，700 MHz 可通過頻譜協(xié)同技術(shù)提升SG競爭力。

該網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的穿透能力，對于車間現(xiàn)場具有很好的適用性，700 MHz 比2.6 GHz 信號強(qiáng)20 dB，深度覆蓋提升。穿透數(shù)據(jù)測試結(jié)果見表1，5G端對端組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該礦山儲(chǔ)庫車間行車原有系統(tǒng)配置CPU 采用CPU226，輸入擴(kuò)展模塊為EM221DⅠ230VAC 輸入，輸出擴(kuò)展模塊為EM222 繼電器輸出，模擬量輸入模塊采用EM231 輸入。原使用西門子200 系列PLC 控制器，計(jì)算性能較差且已停產(chǎn)，難以滿足智能化需求。

設(shè)計(jì)采用西門子1500系列控制器，S7-1500系列的CPU 自帶面板，具有診斷、調(diào)試、維護(hù)、ⅠP 地址分配、趨勢圖顯示、讀取程序循環(huán)時(shí)間等功能，便于智能行車系統(tǒng)的調(diào)試。S7-1500 系列的CPU 支持LED通道分配，可快速定位錯(cuò)誤。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可不需編寫程序就可以通過編程軟件、HMⅠ等方式快速實(shí)現(xiàn)通道級的診斷。S7-1500 系列CPU 集成標(biāo)準(zhǔn)化的OPC UA 通信協(xié)議，連接控制層和ⅠT 層，實(shí)現(xiàn)與上位SCADA/MES/ERP 或云端的安全高效通信，為后續(xù)的系統(tǒng)升級提供硬件支持，可與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)安全有效地通信，該通訊方式便于行車系統(tǒng)的架構(gòu)；還可以通過PLCSim Advance 軟件實(shí)現(xiàn)PLC 數(shù)據(jù)和仿真軟件連接進(jìn)行虛擬調(diào)試，該功能對于離線調(diào)試很方便。

在響應(yīng)速度方面，S7-1500 系列CPU 響應(yīng)速度快，位處理的速度最快可達(dá)1 ns，支持最快125μs 的PROFⅠNET 數(shù)據(jù)刷新時(shí)間，從而滿足主控制器與行走電機(jī)變頻器、抓取電機(jī)變頻器、提升變頻電機(jī)變頻器等的通信速率要求，對于行走電機(jī)和抓取電機(jī)等的運(yùn)動(dòng)控制能很好地及時(shí)響應(yīng)；CPU本體集成有多個(gè)以太網(wǎng)接口，為行車本體的控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的通訊預(yù)留了足夠的通信接口；在編程方面Profinet 通信支持等時(shí)同步方式，S7-1500系列CPU通過TⅠA Step7軟件進(jìn)行編程，支持ⅠEC 61131-3 編程語言，可通過LAD、FBD、SCL、STL 和Graph 等多種編程語言實(shí)現(xiàn)程序編碼設(shè)計(jì)，同時(shí)可采用ODK 直接運(yùn)行高級語言算法。該控制器是最新的大型控制器序列，具有安全可靠、擴(kuò)展方便、運(yùn)算能力高、運(yùn)算速度快、信息豐富的特點(diǎn)，車載HMⅠ方面在行車上設(shè)置了觸摸屏，以方便巡檢查看。

模塊的設(shè)計(jì)上數(shù)字量輸入模塊采用1521-1BL00，輸入端的采集設(shè)備包括行車系統(tǒng)的限位開關(guān)、按鈕、繼電器觸點(diǎn)、接近開關(guān)、選擇開關(guān)、編碼器、RⅠFⅠD、光電開關(guān)等設(shè)備的輸入信號，數(shù)字量輸出模塊采用1522-1BL01，模擬量輸入模塊采用1531-7NF10，該模塊輸入信號類型為電流、電壓；分辨率為包括符號在內(nèi)16 位；每個(gè)通道轉(zhuǎn)換時(shí)間62.5 μs，采集的設(shè)備信號包括重力傳感器、變頻器頻率、激光雷達(dá)料位、電流傳感器、電壓傳感器的信號等，模擬量輸出模塊采用1532-5HF00。

在系統(tǒng)的電源方面，系統(tǒng)電源通過U型連接器連接到背板總線，并專門為背板總線提供內(nèi)部所需的系統(tǒng)電源，這種系統(tǒng)電源給模塊的電子元件、LED 指示燈供電，若CPU 模塊、接口模塊等沒有連接到DC24V 電源上，系統(tǒng)的電源為這些模塊供電，該設(shè)計(jì)采用的電源為PS60W 1505-0RA00。負(fù)載電源PM1507 負(fù)責(zé)為CPU 模塊、ⅠM 模塊、Ⅰ/O 模塊等提供高效、穩(wěn)定、可靠的DC24V 供電，其輸入電源120～230 VAC。負(fù)載電源特點(diǎn)：①具有輸入抗過電壓性能和輸出過壓保護(hù)功能，可有效提高系統(tǒng)的運(yùn)行安全；②具有啟動(dòng)和緩沖能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；③復(fù)合SELV 提高了S7-1500PLC 的應(yīng)用安全；④具有EMC的兼容性能，符合S7-1500PLC 系統(tǒng)的TⅠA 集成測試要求。

車載系統(tǒng)集成了行車自身的電氣、定位、設(shè)備狀態(tài)等信號，通過電纜、Profibus-DP、光纖以太網(wǎng)絡(luò)等通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和命令下達(dá)，升級改造后的行車控制系統(tǒng)具有了遠(yuǎn)程控制行車的運(yùn)行、抓斗的控制等功能，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作，按照編程程序完成行車控制。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件編程主要包括行車的行走控制編程、抓斗的控制編程、行車行走規(guī)劃編程等［4-5］。在編寫程序之前對S7-1500模塊的參數(shù)進(jìn)行配置，以數(shù)字量輸入模塊為例對參數(shù)進(jìn)行配置。數(shù)字量輸入模塊的參數(shù)有常規(guī)、模塊參數(shù)、輸入3個(gè)選項(xiàng)，模塊參數(shù)選項(xiàng)中包含常規(guī)、通道模板和DⅠ組態(tài)，常規(guī)選項(xiàng)中有啟動(dòng)選項(xiàng)，表示組態(tài)硬件和實(shí)際硬件不一致時(shí)硬件是否啟動(dòng)。輸入選項(xiàng)中，如激活了無電源電壓L+和斷路選項(xiàng)，則模塊的斷路或電源斷電時(shí)會(huì)激活故障診斷中斷。在輸入?yún)?shù)選項(xiàng)中，可選擇輸入延時(shí)時(shí)間，默認(rèn)為3.2 ms。

在機(jī)架上插入數(shù)字量模塊時(shí)，系統(tǒng)軟件自動(dòng)為每個(gè)模塊分配邏輯地址，刪除和添加模塊不會(huì)造成邏輯地址的沖突。在智能行車改造項(xiàng)目中，修改模塊的地址將有利于日后的設(shè)備管理歸檔，這時(shí)對模塊進(jìn)行地址的統(tǒng)一設(shè)計(jì)，修改的方法是先選中要修改的數(shù)字量輸入模塊，再選中選項(xiàng)卡，再輸入地址的“起始地址”即可，“結(jié)束地址”會(huì)自動(dòng)跟隨不需修改。如果輸入的起始地址與系統(tǒng)有沖突，系統(tǒng)軟件會(huì)彈出提示信息。

系統(tǒng)編程以幾個(gè)模塊為例介紹智能行車的編程實(shí)現(xiàn)，從而將崗位的就地操作轉(zhuǎn)化為可通過中控室操作的遠(yuǎn)程程序控制。抓斗的程序控制以抓斗的上升為例，將抓斗的控制分為抓斗上升1檔位、2檔位、3檔位、4檔位進(jìn)行程序編寫和控制；抓斗下降1檔位、2檔位、3 檔位、4 檔位進(jìn)行程序編寫和控制；該抓斗的控制編寫完畢后，整合為功能塊，方便靈活調(diào)用。行車抓斗控制程序見圖2。

行車的大小車主接觸器的狀態(tài)判斷程序控制編程包括大小車主接觸器的控制輸出線圈狀態(tài)，大小車主接觸器的吸合狀態(tài)設(shè)定一個(gè)時(shí)間T70 作為輸入判斷該接觸器信號的吸合時(shí)間計(jì)時(shí)，大小車主接觸器的黏連狀態(tài)設(shè)定一個(gè)時(shí)間T71 作為輸入判斷該接觸器信號的黏連時(shí)間計(jì)時(shí)，大小車主接觸器的接觸器狀態(tài)作為輸入信號判斷大小車的主接觸器的狀態(tài)輸入；綜合以上信息，進(jìn)而判斷行車大小車的主接觸器是否處于吸合故障狀態(tài)，判斷行車大小車的主接觸器是否處于黏連故障狀態(tài)。該行車的大小車主接觸器的狀態(tài)控制編寫完畢后，整合為功能塊，方便靈活調(diào)用。行車行走控制程序見圖3。

行車在操作電腦上的控制界面包括的內(nèi)容有行車的位置信息、行車的狀態(tài)信息、庫區(qū)料位信息、1#～6#倉取料是否正常、行車PLC 通訊是否正常、1#～7#雷達(dá)狀態(tài)信息、行車的控制模式、行車供電狀態(tài)信息、大車狀態(tài)、小車狀態(tài)、抓斗工作狀態(tài)等，該行車的操作電腦畫面編程完畢后，由中控操作人員進(jìn)行操作。行車控制界面見圖4。

行車控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能如下。

（1）進(jìn)料。物料由進(jìn)料口（貨車進(jìn)料口或皮帶進(jìn)料口）進(jìn)入進(jìn)料區(qū)。

（2）出料。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)掃描出料倉物料料位情況，不定時(shí)安排行車出料，確保出料倉料位，滿足后續(xù)工藝連續(xù)生產(chǎn)需求，保障不發(fā)生斷料等生產(chǎn)異常情況。

（3）跨庫區(qū)移料。根據(jù)物料的具體料位情況，將物料由進(jìn)料區(qū)或儲(chǔ)存區(qū)移至儲(chǔ)存區(qū)指定位置區(qū)域。

（4）進(jìn)料區(qū)根據(jù)料位設(shè)置高高料位和低低料位。料位高于高高料位，停止進(jìn)料，對進(jìn)料口移料；料位低于低低料位，允許進(jìn)料并啟動(dòng)程序優(yōu)先于其他位置進(jìn)行優(yōu)先進(jìn)料，禁止行車對進(jìn)料口移料。

（5）行車協(xié)同優(yōu)化控制。當(dāng)生產(chǎn)任務(wù)重時(shí)使用2臺行車協(xié)同工作，優(yōu)化任務(wù)分配和作業(yè)區(qū)域分配，避免2 臺行車的任務(wù)沖突；同時(shí)具有行車避讓功能，當(dāng)行車運(yùn)行過程中前方有障礙物時(shí)，及時(shí)啟動(dòng)避障程序，防止事故發(fā)生。

（6）卸料管理。結(jié)合卡車信息、庫料位信息判斷卡車卸料口，并結(jié)合聯(lián)動(dòng)門禁系統(tǒng)進(jìn)行卷簾門的開閉控制，從而使卡車控制、庫料位信息進(jìn)行整合與控制，避免庫里料滿而給料卡車卻由該卸料口進(jìn)行卸料的問題。

（7）智能故障分析。結(jié)合庫區(qū)設(shè)備情況，對設(shè)備的故障信息進(jìn)行分析判斷，根據(jù)故障的級別自動(dòng)做出相應(yīng)的動(dòng)作輸出。

（8）安全管理。結(jié)合智能監(jiān)控系統(tǒng)、煙霧報(bào)警、人員闖入、安全監(jiān)測設(shè)備等，自動(dòng)或手動(dòng)設(shè)置行車行駛的禁吊區(qū)域，自動(dòng)規(guī)劃行車行駛的安全路徑，對庫區(qū)的生產(chǎn)安全和設(shè)備安全進(jìn)行管理。

（9）物料庫存的統(tǒng)計(jì)計(jì)算。依據(jù)庫區(qū)的物料高度、密度等信息，計(jì)算物料體積和質(zhì)量，以便于庫區(qū)物料的自動(dòng)盤點(diǎn)工作。

（10）報(bào)表、報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)歸檔。對行車運(yùn)行情況、卡車情況、操作情況、作業(yè)流程、故障警報(bào)等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄歸檔，方便現(xiàn)場查詢。

4 改造效果

（1）5G 無線網(wǎng)絡(luò)能很好地解決移動(dòng)設(shè)備的通信問題，通信速率高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

（2）行車控制的升級及檢測功能的完善有利于設(shè)備的遠(yuǎn)程運(yùn)維，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性，減少了故障停車對生產(chǎn)的影響。

（3）行車的控制方式由機(jī)旁人工操作改變?yōu)檫h(yuǎn)程系統(tǒng)控制，節(jié)約了人力。

（4）行車的技術(shù)升級對生產(chǎn)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定高效運(yùn)行起到了重要的提升作用，為企業(yè)提質(zhì)增效奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語

（1）某礦山的行車系統(tǒng)改造升級后，行車操作人員全部轉(zhuǎn)崗，大幅度降低了人員費(fèi)用及設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)降低了設(shè)備故障率，提高了設(shè)備運(yùn)行效率，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

（2）行車系統(tǒng)升級后，下一步規(guī)劃將采購的鐵質(zhì)材料、黏土、煤矸石、電爐渣的品質(zhì)、粒度、黏度、塊徑等數(shù)據(jù)和智能行車數(shù)據(jù)整合，存儲(chǔ)到企業(yè)云平臺，形成大數(shù)據(jù)平臺庫，實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)共享，從而建立企業(yè)智能工業(yè)大腦，提升企業(yè)運(yùn)行效率，降低生產(chǎn)經(jīng)營成本，提升企業(yè)綜合競爭力。