銅精礦全流程自動取樣機(jī)的應(yīng)用研究

李剛 盧華亮

（玉溪大紅山礦業(yè)有限公司）

0 引言

銅精礦是供冶煉廠煉銅的主要原料，也是礦山企業(yè)經(jīng)營的重要產(chǎn)品，取樣是評價銅精礦品質(zhì)的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益。然而，傳統(tǒng)的人取樣方式受車箱大小、物料厚薄、人工取樣點布置偏差等因素的影響，存在著取樣效率低下、誤差大等問題，嚴(yán)重影響了礦山的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。與此同時，人工取樣作業(yè)存在簡單性、重復(fù)性特征，耗費大量時間和人力資源，增加了企業(yè)成本。另外，工作人員在高溫、高噪音、高粉塵的環(huán)境中進(jìn)行取樣作業(yè)，還面臨車輛傷害、高處墜落、機(jī)械傷害等眾多安全隱患，不利于工作人員的身心健康和企業(yè)的安全管理。考慮到人工操作的種種不足，銅精礦取樣須引入自動取樣機(jī)，以此來優(yōu)化、改進(jìn)現(xiàn)場工藝。

1 系統(tǒng)功能需求分析

為減輕銅精礦取樣的勞動強(qiáng)度、保障工作安全，降低人工成本，達(dá)到減人增效、提高礦山生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益目的，系統(tǒng)需求實現(xiàn)以下功能：根據(jù)工藝流程和現(xiàn)場使用環(huán)境，采樣機(jī)滿足現(xiàn)場使用條件，大、小車能自動運行；能自動識別車輛全貌及定位取樣坐標(biāo)，在取樣過程中，不損壞車廂；采樣器按需求自動布局取樣，且取樣量可調(diào)；所取樣品能自動破碎、混勻；所取分樣能自動封裝并編碼；實現(xiàn)取樣機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控及打包。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)采用三層模型設(shè)計，硬件控制包含智能相機(jī)、超聲波測距儀、大小車、取樣桿、PLC 控制系統(tǒng)、打包封裝及網(wǎng)絡(luò)通信等設(shè)備，通過智能相機(jī)和超聲波精準(zhǔn)定位取樣位置，通過以太網(wǎng)發(fā)送至PLC 處理并向大小車、取樣桿、螺旋機(jī)構(gòu)、縮分器及自動封裝打碼系統(tǒng)等發(fā)送指令，實現(xiàn)銅精礦的全斷面采樣和封裝編碼。系統(tǒng)監(jiān)測是利用大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)在線監(jiān)測，實現(xiàn)對銅精礦取樣過程視頻、系統(tǒng)運行狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)通信監(jiān)測等信息的實時監(jiān)控。平臺管理是采用前后端分離開發(fā)，跨平臺部署，實現(xiàn)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、銅精礦化驗品味錄入及統(tǒng)計分析管理，從而達(dá)到對整個取樣生產(chǎn)過程的監(jiān)控及管理。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 工藝流程

出廠汽車→信息采集→采樣機(jī)采樣→初級給料斗→縮分皮帶機(jī)→可調(diào)式刮取式縮分器→6 工位底部開門集樣器→塑料袋封裝編碼系統(tǒng)（2－4車組批打包1 袋）→棄料返回棄料倉→人工取走樣品進(jìn)行化驗→化驗數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)→系統(tǒng)自動出具清單。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計

本系統(tǒng)由銅精礦來源識別系統(tǒng)、取樣定位系統(tǒng)、大小車總成、采樣裝置、制樣單元、底開門樣品集樣器、自動封包及打碼系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、電子安全門、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程集中管控平臺組成。

4.1 銅精礦來源識別系統(tǒng)

運輸不同類型礦石的卡車可能經(jīng)過同一汽車衡，在汽車衡集中計量系統(tǒng)中，物料類型與車牌號或手持物料卡綁定。該系統(tǒng)與汽車衡集中計量系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫通訊，篩選運輸銅精礦的卡車，并將重量及相關(guān)屬性信息傳輸至PLC 控制系統(tǒng)，實現(xiàn)銅精礦的來源識別。

4.2 智能定位系統(tǒng)

在合適位置（具體視現(xiàn)場實際情況確定）加裝三目相機(jī)，在磅秤側(cè)邊加光電觸發(fā)開關(guān)，當(dāng)?shù)V車停于磅秤計量時，光電觸發(fā)開關(guān)產(chǎn)生觸發(fā)信號，智能相機(jī)拍攝照片，通過智能識別算法分析出礦車裝料狀態(tài)，當(dāng)?shù)V車車廂未裝礦時，取樣機(jī)不取樣。

通過三目相機(jī)拍照和圖像識別算法[3]，分析礦車的位置、計算車廂的尺寸、識別礦車裝礦狀態(tài)及礦石分布情況，同時利用超聲波穿透礦粉測量車廂深度，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC 系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，從而為取樣機(jī)提供取樣點坐標(biāo)，實現(xiàn)取樣點定位。

取樣機(jī)自動取樣按照銅精礦汽車運輸手工取樣方法進(jìn)行：

1）每車取三個份樣；

2）取樣點確定：如取樣點位圖圖2 所示，在A點處取一個份樣，在B、C、D、E四點中任選兩點，在這兩點處各取一個份樣。

在二維平面內(nèi)布置N=30個機(jī)器人傳感器節(jié)點的全連通網(wǎng)絡(luò)用于位置定位,節(jié)點最初分布在100 m×100 m的區(qū)域內(nèi),坐標(biāo)(10,10),(10,90),(90,10)和(90,90)處固定4個信標(biāo)用于節(jié)點的基準(zhǔn)定位.每次迭代獲取機(jī)器人節(jié)點位置時,節(jié)點在垂直方向和水平方向上都遠(yuǎn)離信標(biāo),移動步長控制在(0,2)范圍內(nèi)均勻分配.由于噪聲隨節(jié)點間距離的增加而增大,定位估計的精度會隨著時間的推移而衰減.為了對比多維尺度法、卡爾曼濾波聯(lián)合定位方法和其他定位方法的性能,定義第k次迭代處的平均誤差距離(MED)為

圖2 取樣點位圖

4.3 大小車總成

本取樣機(jī)系統(tǒng)采用橋式單跨一大車一小車的結(jié)構(gòu)型式，整機(jī)平臺安裝于汽車衡磅房梁柱適當(dāng)高度，平臺兩側(cè)安裝軌道，取樣機(jī)大車落穩(wěn)在軌道上，溝通左右鋼軌，大車采用兩輪驅(qū)動的變頻調(diào)速方式，實現(xiàn)高效的控制和平穩(wěn)的運行。小車放置于大車上，小車采用兩輪集中驅(qū)動的變頻調(diào)速，通過變頻+計數(shù)編碼器定位的方式實現(xiàn)小車左右移動的精準(zhǔn)定位。大小車電機(jī)自帶制動器，并與系統(tǒng)聯(lián)鎖控制，實現(xiàn)大小車的制動，也可在系統(tǒng)發(fā)生故障時，及時停車，減少突發(fā)事故造成設(shè)備損壞。

4.4 采樣裝置

采樣裝置包含升降機(jī)構(gòu)、采樣頭及電機(jī)及清洗裝置，采樣裝置的升降機(jī)構(gòu)安裝于小車上。升降機(jī)構(gòu)連接安裝有電機(jī)且外加套筒的螺旋鉆頭，根據(jù)PLC 控制系統(tǒng)發(fā)送的取樣坐標(biāo)，大小車帶動、升降機(jī)構(gòu)帶動取樣鉆頭移動至取樣點，螺旋鉆頭正轉(zhuǎn)實現(xiàn)銅精取樣，取樣完成，將螺旋鉆頭移動至卸料點并反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)樣品卸料。為了保證取樣的準(zhǔn)確性，減少誤差，系統(tǒng)外設(shè)一套超聲波清洗裝置對采樣頭進(jìn)行清洗，當(dāng)前批次取樣完成時，系統(tǒng)自動將采樣頭移動至清洗裝置中，并啟動超聲波清洗裝置，去除粘附在螺旋鉆頭上的礦粉，防止造成下一批次樣品污染，增加取樣準(zhǔn)確性。

4.5 制樣單元

采樣裝置將取出的銅精礦卸入樣品箱中，需要對原始樣品進(jìn)行分割和篩選，得到符合要求的樣品。系統(tǒng)采用皮帶刮掃式縮分器，將采樣裝置卸入的原始樣品按設(shè)定的時間從皮帶上做全斷面刮掃，采取的子樣通過溜槽進(jìn)入初級送料皮帶機(jī)，同時把樣品均勻送入破碎機(jī)破碎到一定的粒度，再通過次級皮帶及縮分器分成留樣和棄料，留樣被自動收集在儲料罐中，棄料被斗式提升機(jī)返回到棄料倉中。

4.6 底開門樣品集樣器

通過底開門批次集樣器，將采集的銅精礦樣品導(dǎo)入樣品容器，通過可調(diào)節(jié)的集樣板將樣品分離，分配到不同的容器中，系統(tǒng)集樣倉數(shù)量和容積可根據(jù)現(xiàn)場需要進(jìn)行設(shè)計。底開門批次集樣器通過PLC 控制，可根據(jù)需求精準(zhǔn)地控制采樣時機(jī)，提高工作效率，同時通過實時監(jiān)測和自動控制，可以避免出現(xiàn)重復(fù)或無效的采樣，減少浪費[1]。

4.7 自動封包及打碼系統(tǒng)

集樣倉中的樣品卸入打包機(jī)進(jìn)行自動封包，通過激光灼燒，將數(shù)字碼（日期+隨機(jī)編號）或條形碼或二維碼標(biāo)注至封裝袋，以確保產(chǎn)品能夠安全、完整地運輸?shù)交炇也⑶艺Ｊ褂茫瑫r方便追蹤管理和維護(hù)。

4.8 電控系統(tǒng)

取樣區(qū)域安裝1 套電氣控制柜、行程開關(guān)、感應(yīng)裝置、操作臺等設(shè)備，電氣控制柜內(nèi)安裝PLC 控制器、觸摸屏、服務(wù)器、變壓器、變頻器、開關(guān)電源，繼電器，斷路器等電氣原件，感應(yīng)裝置用于觸發(fā)相機(jī)拍照，行程開關(guān)用于測量大小車行走的位置，確認(rèn)取樣機(jī)開始取樣的動作信號，操作臺實現(xiàn)系統(tǒng)的現(xiàn)場操作與控制。

PLC 控制器通過以太網(wǎng)與取樣機(jī)、智能識別定位系統(tǒng)、采樣裝置、制樣單元、自動封包及打碼系統(tǒng)連接，并通過硬接線與操作臺、安全門及傳感器等設(shè)備連接，組成電控系統(tǒng)，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸及聯(lián)鎖控制，并通過上位機(jī)顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)，通過觸摸屏進(jìn)行人際交互，實現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、修改及配置，并實現(xiàn)設(shè)備工作狀態(tài)及報警記錄等[2]。

4.9 電子安全門

一般情況下，不允許人員進(jìn)入軌道平臺，特殊情況下，如檢修人員進(jìn)入軌道平臺，為保證人員及設(shè)備安全，在平臺檢修出入口加裝電磁鎖和緊急停機(jī)設(shè)備，整個取樣區(qū)域安裝視頻監(jiān)控，對非法闖入人員進(jìn)行抓拍取證，同時發(fā)送闖入報警信息至取樣控制中心，并執(zhí)行緊急停機(jī)，檢修人員在停機(jī)時間且打開安全門方可進(jìn)入軌道平臺，實現(xiàn)取樣機(jī)運行時的安全隔離和安全聯(lián)鎖。

4.10 通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

系統(tǒng)PLC 與服務(wù)器之間通過以太網(wǎng)通訊，PLC 與現(xiàn)場裝置及系統(tǒng)通過硬接線連接，實現(xiàn)現(xiàn)場信號的采集和系統(tǒng)的控制。在操作中心、取樣現(xiàn)場及化驗室安裝光電混合口交換機(jī)，通過光纖連接，實現(xiàn)操作中心、取樣現(xiàn)場和集控中心的網(wǎng)絡(luò)通訊。

4.11 遠(yuǎn)程集中管控平臺

遠(yuǎn)程集中管控平臺通過iPlat 平臺實現(xiàn)，分為化驗室客戶端與操作中心客戶端。

操作中心客戶端安裝于操作中心。操作中心客戶端主要用于監(jiān)視電子圍欄視頻、各系統(tǒng)運行情況、報警信息、查看報表、物料來源分類，可根據(jù)工作情況分配不同等級操作權(quán)限。

化驗室客戶端安裝于化驗室，化驗室將物料樣品化驗完成后，將各編號銅精礦品位輸入系統(tǒng)客戶端，所輸入信息不可更改，如要更改需設(shè)置權(quán)限。在銅精礦全流程自動取樣機(jī)系統(tǒng)中自動匹配該樣品礦石來源分類，管控中心客戶端可以查看各礦石來源分類的品位及所屬單位信息，系統(tǒng)自動生成品位報表，生成的品位報表化驗室客戶端不可查看。

遠(yuǎn)程集中管控平臺將生產(chǎn)管理、報表管理、品位管理及系統(tǒng)管理進(jìn)行集成，實現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一監(jiān)控，為企業(yè)結(jié)算提供依據(jù)，為企業(yè)生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

5 系統(tǒng)應(yīng)用效果

系統(tǒng)采用圖像識別及超聲波精準(zhǔn)定位、樣品全流程自動攪拌、全流程自動打包、自動噴碼及自動封裝先進(jìn)技術(shù)，自主研發(fā)軟件平臺融合PLC自動控制系統(tǒng)、車牌號精確識別智能識別算法、車輛超聲波自動定位分析抽取系統(tǒng)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)布點自動取樣和全流程自動噴碼打包封裝，攻克了車輛精確識別、精準(zhǔn)定位，現(xiàn)場精準(zhǔn)布點自動取樣，全流程自動打包、自動噴碼及自動封裝的核心技術(shù)，在化驗室實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中自動取樣打包替代人工取樣，達(dá)到無人值守條件，消除了人工取樣的安全風(fēng)險，達(dá)到企業(yè)“機(jī)械化換人、自動化減人，智能化無人”的目標(biāo)，提升了企業(yè)本質(zhì)安全管理水平。

銅精礦自動取樣機(jī)取樣過程無人工干預(yù)，不受人為因素影響，保證銅精礦銷售公平公正，加快并推進(jìn)了寶武“四個一律”、“三跨融合”落實，成功應(yīng)用后可減少崗位人員8 人（4 班3 運轉(zhuǎn)，每班2 人），節(jié)約人工成本約96 萬元/年。

6 結(jié)論

（1）銅精礦全流程自動取樣機(jī)的應(yīng)用研究，應(yīng)用于工廠汽車衡銅精礦的取樣后，可減少取樣崗位人員8 人，節(jié)約人工成本90 萬元以上，有助于提升采礦過程中的本質(zhì)化安全。

（2）通過程序算法自動分析并隨機(jī)取樣，可避免人為主觀意識的影響，保證銅精礦銷售公平公正。滿載時，對12.5 m 廂式貨車取樣深度可達(dá)1.5 m 以上，實現(xiàn)全斷面取樣，可減少人工表面取樣造成的取樣數(shù)據(jù)代表性不強(qiáng)、數(shù)據(jù)失真等問題，可降低結(jié)算風(fēng)險，同時提高了企業(yè)管理水平，具有較大社會意義，具有較強(qiáng)的可推廣性。