無人化智能行車在精礦庫的應(yīng)用和關(guān)鍵技術(shù)探究

劉松平，彭 媛

（江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

精礦庫抓斗行車（16T）是配料系統(tǒng)的主要生產(chǎn)設(shè)備，其工作環(huán)境惡劣、駕駛?cè)藛T工作任務(wù)繁重、行車操作繁瑣和故障率高等弊端，一直制約了生產(chǎn)效率的提升。在科學(xué)技術(shù)推動(dòng)下，工業(yè)化與信息化技術(shù)呈現(xiàn)高度融合趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)行車的無人化智能駕駛，成為生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步的重要選項(xiàng)。

2 抓斗行車背景簡介

某廠精礦庫在用的3臺(tái)16T抓斗行車設(shè)計(jì)為A6級(jí)別，2000年投入運(yùn)行，現(xiàn)已使用超過20年。精礦庫行車作業(yè)量較大，每臺(tái)行車年工作時(shí)間在4000-9000小時(shí)不等，使用頻率已經(jīng)達(dá)到A8級(jí)別。設(shè)備老化嚴(yán)重，其中一臺(tái)行車端梁出現(xiàn)過斷裂，經(jīng)過修復(fù)后繼續(xù)使用，每小時(shí)循環(huán)次數(shù)按照皮帶輸送160噸計(jì)算，抓斗共抓20下，即20次循環(huán)起升，按照卸車皮4節(jié)計(jì)算，每節(jié)22次，共88次循環(huán)，取兩項(xiàng)均值（88+20）/2=54，得出每小時(shí)循環(huán)次數(shù)為54次（見表1）。隨著電控、傳感及相關(guān)技術(shù)（如：料位3D模擬、智能生產(chǎn)控制方案）的發(fā)展，可以將三臺(tái)行車進(jìn)行智能化升級(jí)改造。

表1 循環(huán)次數(shù)

3 無人化智能行車基礎(chǔ)參數(shù)

無人化智能行車的基礎(chǔ)參數(shù)為：型號(hào)，QZ；起重量，16t；跨度，31.5m；起升高度，22m；大車速度，8.3—83m/min；小車速度，4.1—41m/min；起升速度，3.81—38.1m/min；工作級(jí)別，A8；抓斗類型，U53；大車最大輪壓，256.02kN；小車最大輪壓，76.461kN。該行車由江西起重機(jī)械總廠有限公司生產(chǎn)。

4 無人化智能行車基本要求

4.1 安全性

硬件系統(tǒng)的安全運(yùn)行要通過大量相關(guān)復(fù)雜傳感器來進(jìn)行全面監(jiān)控。當(dāng)出現(xiàn)主要部件過熱或電機(jī)電流超過正常值時(shí)系統(tǒng)立即報(bào)警，提示安全隱患，提醒維護(hù)保養(yǎng)人員提前進(jìn)行維護(hù)檢查，在設(shè)備出現(xiàn)重大故障前排除解決，使該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性達(dá)到最優(yōu)。

4.2 作業(yè)連續(xù)性、穩(wěn)定性

精礦庫生產(chǎn)系統(tǒng)為“7×24h”連續(xù)運(yùn)行［1］，作業(yè)的異常中斷或停止均會(huì)造成較大經(jīng)濟(jì)損失并影響相關(guān)作業(yè)流程。為確保無人化智能行車作業(yè)連續(xù)性、系統(tǒng)穩(wěn)定性，必須采用高穩(wěn)定性的機(jī)械及電氣元件來承載核心的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。同時(shí)，必須制定應(yīng)急處置預(yù)案并高效落實(shí)，降低系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)的處置時(shí)間，以保證生產(chǎn)的連續(xù)運(yùn)行。

4.3 可擴(kuò)展性

該無人化智能行車系統(tǒng)必須具備可擴(kuò)展性，滿足今后系統(tǒng)平穩(wěn)擴(kuò)展需求，因此設(shè)計(jì)時(shí)統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口、IP協(xié)議，使數(shù)字系統(tǒng)能兼容不同程序、不同硬件設(shè)備，系統(tǒng)能適應(yīng)未來數(shù)字技術(shù)的發(fā)展。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中盡可能考慮選用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的通用設(shè)備，為功能升級(jí)、硬件擴(kuò)展留有余地。

4.4 經(jīng)濟(jì)性

在行車控制系統(tǒng)的業(yè)務(wù)連續(xù)性和先進(jìn)性基礎(chǔ)上，通過科學(xué)合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)和資源配置調(diào)度，堅(jiān)持“實(shí)用、可靠、經(jīng)濟(jì)”的原則，盡可能地以最小化的經(jīng)濟(jì)投入來達(dá)成項(xiàng)目目標(biāo)。

5 無人化智能行車定位方式選擇

5.1 格雷母線特點(diǎn)

格雷母線技術(shù)采用電磁感應(yīng)原理和格雷編碼進(jìn)行定位，主要的優(yōu)點(diǎn)是安裝簡單方便、成本低，無需改變現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，采用非接觸工作方式，無脫落和磨損，檢測(cè)精度可達(dá)5mm，抗干擾強(qiáng)，可以斷續(xù)或連續(xù)檢測(cè)，測(cè)距長達(dá)2km。缺點(diǎn)是使用過程中容易點(diǎn)蝕，受溫度、電壓波動(dòng)、外界物體靠近等影響而產(chǎn)生誤動(dòng)作導(dǎo)致控制系統(tǒng)紊亂。移動(dòng)行車在行走過程中的震動(dòng)、抖動(dòng)和外界環(huán)境的影響都會(huì)導(dǎo)致其失靈或誤動(dòng)作。而且這類設(shè)備在使用中的維護(hù)量大，給生產(chǎn)帶來極大不便。

5.2 絕對(duì)值編碼器特點(diǎn)

絕對(duì)值編碼器通過物理碼盤記錄位置，可斷電保持?jǐn)?shù)據(jù)，無須頻繁校準(zhǔn)［2］。每一個(gè)位置值唯一確定，對(duì)應(yīng)的碼盤位置也唯一確定，無須輔助裝置記錄脈沖量，因此位置記錄實(shí)時(shí)準(zhǔn)確。編碼器通過工業(yè)總線與自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。在對(duì)軌道運(yùn)行的大車進(jìn)行定位時(shí)，軌道線性方向不平等因素可能造成定位誤差，因此還需采用定點(diǎn)校驗(yàn)。定點(diǎn)器件安裝在大車軌道旁的基礎(chǔ)上，施工量小、簡單可靠。定點(diǎn)讀寫器安裝在大車上，當(dāng)讀寫器經(jīng)過時(shí)，可獲得大車定位信息；與絕對(duì)值編碼器配合使用，可得到連續(xù)且較為準(zhǔn)確的定位信息。

5.3 RFID磁釘特點(diǎn)

磁釘是一種特殊的RFID的線圈，是一種無源器件，內(nèi)含數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元，使用專用的讀碼器天線能發(fā)出電磁波對(duì)其范圍內(nèi)的磁釘供電激活，激活的磁釘能發(fā)出包含儲(chǔ)存信息的電磁波［3］。首先將磁釘中預(yù)制寫入廠房的位置信息，將寫入信息的磁釘安裝固定在抓斗行車軌道的一側(cè)，沿軌道方向安裝在料斗中心線處。再將讀寫器安裝在抓斗行車上，讀寫頭對(duì)準(zhǔn)磁釘，在行車行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，每經(jīng)過一個(gè)磁釘位置，則將位置信息記錄到抓斗行車PLC上，這樣抓斗行車就能得到當(dāng)前的實(shí)時(shí)位置信息。

5.4 起升定位方式

以絕對(duì)值編碼器作為定位裝置。絕對(duì)值編碼器安裝在起升卷筒的輸出軸，檢測(cè)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)和角度，得到吊具距離小車的高度值，再通過目標(biāo)位置至小車的高度值，轉(zhuǎn)換為吊具下降時(shí)所需的起升高度值。行車根據(jù)設(shè)定的作業(yè)方案自動(dòng)運(yùn)行，在司機(jī)室內(nèi)觸摸屏上設(shè)定運(yùn)行位置，行車根據(jù)選定的運(yùn)行位置自動(dòng)運(yùn)行到目標(biāo)上方300～500mm停車。

5.5 定位方式選擇

精礦庫粉塵較大，精礦容易覆蓋在格雷母線磁感應(yīng)器上，造成行車定位丟失。行車在軌道上運(yùn)行、起吊物料時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這些因素在現(xiàn)有工況下無法杜絕。無人化智能行車準(zhǔn)確而可靠的定位檢測(cè)，是整個(gè)起重設(shè)備控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的要素，只有定位系統(tǒng)可靠運(yùn)行，起重設(shè)備的三大機(jī)構(gòu)停車位置準(zhǔn)確，才能放心地讓起重設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行。因此，采用絕對(duì)值編碼器檢測(cè)和磁釘定點(diǎn)校驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行大車定位，定位系統(tǒng)由機(jī)上和地面兩個(gè)部分組成。

6 無人化智能行車自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在合適的地方配置分布式I/O裝置，以通信的方式傳輸?shù)紺PU，例如司機(jī)室等。小車上PLC系統(tǒng)子站與大車PLC之間通過PROFINET或PROFIBUS-DP通訊［4］，控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備拓?fù)鋱D如圖1所示。行車開始運(yùn)行并到達(dá)目標(biāo)位置過程中，大、小車能夠?qū)崿F(xiàn)交叉運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)抓斗吊行車到倉位位置的直線到達(dá)。

行車能實(shí)現(xiàn)最佳的加速和減速曲線，并能自行判斷負(fù)荷大小，在不同的抓斗運(yùn)行情況下實(shí)現(xiàn)行車速度的最優(yōu)化。能實(shí)現(xiàn)粗定位（±20mm）的自動(dòng)化操作，并在駕駛室屏幕中準(zhǔn)確顯示到達(dá)位置。程序可由生產(chǎn)操作人員或維護(hù)人員編制，程序編制工作及不同程序間的切換操作簡單易行，并可實(shí)現(xiàn)不同作業(yè)任務(wù)的手動(dòng)/半自動(dòng)方式的自由切換?？筛鶕?jù)精礦庫庫位情況自動(dòng)編寫運(yùn)行任務(wù)程序，行車根據(jù)程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。操作人員可在觸摸屏選擇手動(dòng)操作或半自動(dòng)運(yùn)行，觸摸屏實(shí)時(shí)顯示作業(yè)狀態(tài)（見圖1）。

圖1 控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備拓?fù)鋱D

行車能夠以最優(yōu)路徑和運(yùn)行曲線從某位置到達(dá)需要作業(yè)的位置，通過多圈絕對(duì)值編碼器對(duì)主起升位置進(jìn)行檢測(cè)。司機(jī)在確認(rèn)行車大、小車定位完成后，選擇下一個(gè)動(dòng)作，行車自動(dòng)控制抓斗機(jī)構(gòu)的下降并完成定位。觸摸屏上有單獨(dú)的維修界面和報(bào)警信息界面，能夠準(zhǔn)確無誤地顯示報(bào)警信息。

實(shí)際運(yùn)行過程中，抓斗在小車方向和大車方向均有明顯的擺動(dòng)情況，嚴(yán)重影響抓斗行車的作業(yè)效率，抓斗防搖系統(tǒng)可有效解決此類問題防搖原理圖如圖2所示。增加電子防搖系統(tǒng)，可以達(dá)到以下要求：在自動(dòng)工況下，無論空載和重載，小車從全速運(yùn)行到完全停止的工況下，抓斗擺動(dòng)一個(gè)周期內(nèi)，電子防搖系統(tǒng)能將抓斗最大擺動(dòng)幅度控制在±100mm以內(nèi)，并趨于靜止，系統(tǒng)仿真圖如圖3所示。

圖2 防搖原理圖

圖3 防搖系統(tǒng)仿真圖

7 無人化智能行車的安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

行車大車運(yùn)行中采用聲光報(bào)警提醒裝置。大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)置有減速、終點(diǎn)兩極限位開關(guān)，即第一極減速，第二極停車。行車大車運(yùn)行設(shè)置一定距離內(nèi)強(qiáng)制減速，避免行車與廠房惡性相撞［5］。其空載緊急剎車距離可滿足≤14m±20%、滿負(fù)荷緊急剎車距離≤18m±20%。行車四個(gè)角落設(shè)置緩沖器，該緩沖器能吸收行車最大運(yùn)行能量70%以上。在程序中設(shè)置好相應(yīng)的速度曲線，確保行車啟動(dòng)或者停止時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，避免各種震動(dòng)和沖擊。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，可行車通過大小車的車間測(cè)量坐標(biāo)來設(shè)置禁行區(qū)，避免事故的發(fā)生。

主起升機(jī)構(gòu)采用重錘式限位開關(guān)和專用吊具設(shè)置的限位開關(guān)，來限制上升極限及下限位。主起升機(jī)構(gòu)和副起升機(jī)構(gòu)均設(shè)置起重量載荷限制器，其中主起升鋼絲繩安裝兩根，滾筒軸承座底部安裝有重量傳感器，有效防止設(shè)備超載，若在閉斗上升時(shí)發(fā)生過載，則控制程序自動(dòng)開斗，防止因異物導(dǎo)致拉斷鋼絲繩的事故發(fā)生［6］。行車程序中設(shè)有自動(dòng)開閉斗功能、自動(dòng)深挖功能、自動(dòng)調(diào)整主副卷鋼絲繩長度功能、抓斗自動(dòng)糾偏功能、力矩自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，確保行車故障最小化、操作步驟簡單化。此外，行車設(shè)有自動(dòng)防搖晃功能，確保了行車作業(yè)過程中的平穩(wěn)性，減少在作業(yè)過程中因抓斗晃動(dòng)導(dǎo)致碰撞而產(chǎn)生的故障或事故。

8 無人化智能行車作業(yè)方式與效率計(jì)算

8.1 作業(yè)方式

行車智能化系統(tǒng)能自動(dòng)生成并存儲(chǔ)卸車、精礦庫存管理的日?qǐng)?bào)、月報(bào)，設(shè)置完成后可以實(shí)現(xiàn)無人化、智能化作業(yè)。自動(dòng)化上料速度達(dá)到150t/h，半自動(dòng)化卸車皮速度達(dá)到3節(jié)/ h，一個(gè)操作人員能同時(shí)控制2臺(tái)行車的卸車皮工作。根據(jù)作業(yè)指令的目標(biāo)位置及當(dāng)前行車所處的位置并結(jié)合庫區(qū)堆位數(shù)據(jù)，行車能自動(dòng)計(jì)算最優(yōu)路徑，自動(dòng)規(guī)劃作業(yè)范圍，實(shí)現(xiàn)禁吊區(qū)避讓，即禁止進(jìn)入汽車卸礦、卸沙子區(qū)域。通過激光掃描儀系統(tǒng)可識(shí)別精礦倉堆存量情況，如圖4所示，并合理堆放精礦。此外還能根據(jù)閃速爐配料單、礦種、礦倉庫位情況，自動(dòng)完成上料工作，并在電腦顯示正在自動(dòng)執(zhí)行的計(jì)劃，在這個(gè)過程中可以隨時(shí)人工干預(yù)調(diào)整或人工選擇礦倉、礦種。行車通過激光掃描儀能夠自動(dòng)判斷堆料高度，自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)行倒運(yùn)，并按人工指令或按自動(dòng)合理規(guī)劃堆放。在需要同時(shí)進(jìn)行上料和卸車作業(yè)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)按效率最優(yōu)、作業(yè)均衡原則執(zhí)行卸車和上料作業(yè)。

圖4 激光掃描輪廓圖

8.2 效率計(jì)算

精礦庫上料作業(yè)中，大車平均運(yùn)行距離設(shè)為30m，小車平均運(yùn)行距離20m，起升距離12m，抓斗開閉時(shí)間設(shè)定為開斗8s、閉斗12s，單循環(huán)作業(yè)時(shí)間126s，每小時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)量：每小時(shí)循環(huán)次數(shù)×斗容×比重×滿斗率＝36000/126×3.2×2×0.85=155t；行車小車速度50m/min，起升空載速度47m/min。

9 結(jié)語

精礦庫行車進(jìn)行智能化升級(jí)改造后，可以通過專業(yè)軟件來實(shí)現(xiàn)自我檢查和調(diào)控整個(gè)生產(chǎn)過程，無需操作人員過多的干預(yù)。在無人化智能行車技術(shù)的支持下，工藝操作人員只需要操作設(shè)備終端就能完成生產(chǎn)流程、生產(chǎn)系統(tǒng)的全方位管理，保障生產(chǎn)順行，不僅為企業(yè)員工身心健康提供了保證，并且可以高效完成日趨緊張的生產(chǎn)任務(wù)。因?yàn)橹悄茉O(shè)備本身具有非?？斓姆磻?yīng)速度，無人智能行車的應(yīng)用能夠極大地降低設(shè)備故障率，該系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，也為工廠數(shù)字化建設(shè)打下了基礎(chǔ)。