超大規(guī)模灰?guī)r礦堆場卸料小車自動控制系統(tǒng)

胡冬林，張柏(.中電建安徽長九新材料股份有限公司， 安徽 池州市 24700；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 4002；3.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南 長沙 4002；4.湖南省智能礦山工程技術(shù)研究中心， 湖南 長沙 4002)

1 工程概況

神山灰?guī)r礦是一家年開采規(guī)模為7000 萬噸的露天礦山，生產(chǎn)廠區(qū)占地近3 km2、加工設(shè)備及運輸皮帶數(shù)百臺，14 km 長的物流輸送廊道連接著長江邊的大型貨運碼頭。石料堆場分布在礦上加工區(qū)域和碼頭陸域，其中礦山加工區(qū)域有3 套卸料小車，碼頭陸域有6 套卸料小車，帶式輸送機長度約為400 m。

在技術(shù)改造前，神山礦卸料小車的行走、卸料是通過安裝在帶式輸送機旁的現(xiàn)場控制箱進行手動操作，這種方式存在以下問題。

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

（2）砂石骨料的生產(chǎn)工藝導(dǎo)致石料在運輸和堆放過程中粉塵污染嚴重，操作人員長時間在卸料小車旁的現(xiàn)場控制箱進行手動操作會給工人健康帶來嚴重危害。

（3）由于生產(chǎn)任務(wù)重，卸料小車現(xiàn)場控制箱位置高，運行人員長時間在現(xiàn)場手動操作卸料小車，行走和卸料都存在安全隱患。

（4）卸料小車運行和堆料由操作人員現(xiàn)場手動操作，堆放位置和堆料的多少都存在控制誤差，料倉堆料的利用率和效率不高。

鑒于上述原因，神山礦亟需對堆場卸料小車控制系統(tǒng)進行自動化改造，通過定位系統(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、實時、精準檢測系統(tǒng)信號和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對卸料的精細化管控。

2 系統(tǒng)組成

卸料小車自動行走卸料控制系統(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)場卸料特點，采用旋轉(zhuǎn)編碼器+RFID 定位方式進行卸料小車的精確定位，旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在車輪中心軸上，通過計算其行走時產(chǎn)生的脈沖數(shù)實現(xiàn)行走距離的精確計量，屬于高精度行程計量方式。但存在車輪和軌道之間的打滑問題，及長時間遠距離的累積誤差，使其喪失高精度的優(yōu)點。為此在卸料小車移動路徑上的堆場布料皮帶軌道一側(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）的方式進行定長校準，讀卡器安裝在卸料小車車體上，隨卸料小車運動，卸料小車通過讀取射頻卡信號確定其位置，消除了打滑和長距離計算的誤差。RFID 射頗技術(shù)（磁釘技術(shù)）保證了長距離的定點定位校準，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)場設(shè)備卸料時，粉塵濃度大，測量高度為30～40 m，針對卸料現(xiàn)場惡劣環(huán)境采用多種物位測量設(shè)備進行測試和比較，優(yōu)先選用高精度雷達料位計，并將雷達料位計安裝在卸料小車下方開口的不銹鋼箱中。安裝位置見圖1。

圖1 雷達料位計安裝位置

2.1.3 電控系統(tǒng)

改造前膠帶機卸料小車的運行狀態(tài)是，通過安裝在膠帶機旁的卸料小車現(xiàn)場控制箱控制滑觸線供電，對卸料小車的行走進行控制，改造后，滑觸線三相電接入卸料小車就地動控一體箱，滑觸線持續(xù)給動控一體箱供電，卸料小車行走電機供電由就地動控一體箱提供。就地智能控制系統(tǒng)通過卸料小車定位系統(tǒng)和卸料小車料位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信號控制卸料小車行走和卸料。當接近開關(guān)觸發(fā)，就地智能控制系統(tǒng)控制卸料小車停止行走。最終就地智能控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)再通過通訊系統(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上，方案優(yōu)點如下。

（1）方便IO 信號接入卸料小車布料控制系統(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)備放在堆場附近的配電室內(nèi)，不但需要使用移動式控制電纜，而且控制電纜使用量非常大。

（2）控制系統(tǒng)實時性、可靠性更好。智能總線控制器安裝在卸料小車上便于PLC 控制系統(tǒng)運行和處理相關(guān)數(shù)據(jù)，降低了控制系統(tǒng)現(xiàn)場信號和控制指令由于傳輸故障造成的風險。

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

2.2 通訊系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)、精準定位系統(tǒng)、堆場石料物位測量系統(tǒng)、卸料小車電控系統(tǒng)、預(yù)警限位系統(tǒng)、停車限位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)與上位機、服務(wù)器的通訊使用無線+光纖的方式進行。

在卸料小車上設(shè)置無線通訊設(shè)備發(fā)射端，在帶式輸送機旁設(shè)置無線通訊接收端，由于帶式輸送機距離較長，可在帶式輸送機兩端設(shè)置2 個無線通訊接收端。

智能控制系統(tǒng)就地進行控制后輸出的數(shù)據(jù)為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過設(shè)置在卸料小車上的無線通訊發(fā)射端傳輸至帶式輸送機旁的無線通訊接收端，再通過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)作為卸料小車自動控制系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，在智能控制系統(tǒng)自動行走、卸料的同時，控制室的運行人員可根據(jù)現(xiàn)場的實時視頻情況對設(shè)備進行監(jiān)視、控制和調(diào)整。

每個卸料皮帶安裝1個高清網(wǎng)絡(luò)球機進行監(jiān)控，使用定制安裝支架安裝于料場頂棚鋼結(jié)構(gòu)，可整體監(jiān)視整個卸料小車的運行情況。每個堆場設(shè)置1 個網(wǎng)絡(luò)箱，將每個卸料皮帶的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)匯聚，然后通過光纖傳輸至就近的配電間，再通過全廠工業(yè)電視網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至礦山/碼頭分控的數(shù)據(jù)存儲間。

2.4 軟件部分

系統(tǒng)選用SS-Pro 編程軟件。該軟件是專門為智能總線控制器開發(fā)的、基于Windows 平臺的編程工具，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準軟件包。

SS-Pro 軟件采用符合IEC 61131-3 標準的編程語言，并與Windows 的圖形界面和面向?qū)ο蟮牟僮魍昝榔ヅ洌缑鏄O其人性化，一目了然，操作簡單，指令功能強大，包含了很多數(shù)學、PWM、系統(tǒng)控制等。

2.5 安全保障

根據(jù)現(xiàn)場情況，為卸料小車自動控制系統(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)為卸料小車進行定位，在帶式輸送機上設(shè)定卸料小車可行走區(qū)域，當卸料小車行走超出可行走區(qū)域時，定位系統(tǒng)將發(fā)送報警信號給智能總線控制系統(tǒng)，由智能總線控制系統(tǒng)下發(fā)停車控制指令。

（2）卸料小車預(yù)警限位裝置。在卸料小車上安裝2 個接近開關(guān)，當卸料小車自動行走到相應(yīng)位置，接近開關(guān)信號立刻傳輸至PLC 控制系統(tǒng)，并由PLC 控制卸料小車停車。

（3）卸料小車停車限位裝置。在帶式輸送機上安裝2 個限位開關(guān)，當卸料小車自動運行到相應(yīng)位置，限位開關(guān)控制帶式輸送機旁的現(xiàn)場控制箱給滑觸線斷電，使卸料小車由于停電而停車。

3 結(jié)論

卸料小車自動化控制系統(tǒng)建立之后，運行人員能夠在遠方控制室對卸料小車進行一鍵啟停運行，卸料小車將根據(jù)定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)和料位系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動控制卸料小車行走和卸料，運行人員可在上位機設(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)程序進行自動卸料，實現(xiàn)堆場料堆高度和料場存放石料重量的精準控制，緩解了堆場下沉的問題，降低了現(xiàn)場職業(yè)危害風險，提高了安全性和作業(yè)效率，為企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟和社會效益。