尾礦行車無人化的改進及應用實踐

中圖分類號：TD63+3；TP273 文獻標志碼：B 文章編號：1004-4345（2025）02-0039-05

Improvement and Application Practice of Unmanned Tailings Travelling Crane

HUA Chunlin]，LYU Xulong?2，LAI Yanhui1，LIN Julong'， CAO Binzhang1， CHEN Xiao1，2

1. ZijinCopperCo.，Ltd.，Shanghang，Fujian3642Oo，China;2.FujianKeyLaboratoryforGreenProductionofCopperand Comprehensive Utilization of Associated Resources， Shanghang，Fujian 3642Oo， China）

AbstractArenovation planonunmanned travellingcrane system was proposedand implemented toaddress the problemsof equipmentaging，lowoperationalficiencyandsafetyhazardsintheilingsdisposalplantofZijinoer'sconcentratorFul Π-Π （204號 automaticunloadingandloadingcontroloftailingswasachievedthrough hardwareupgading，softwarefunctionintegrationand workflowoptimzation.Afterbeingputintooperation，thesystemdatashowstatthedailyloadingcapacityhasincreasedto.6ktand the return rate has decreased from 6.88% to 1.22% ， significantly improving operational efficiency and safety.

Keywordsunmanned traveling crane;data acquisition; positioning; remote operation; programmable logic controller

選礦廠處理爐渣 800kt/a ，產生尾礦約 2.5kt/d 。該廠通過貨車將爐渣運輸至多家水泥制造企業用作生產水泥的混合添加物。原尾礦廠房內配備的兩臺 15t 抓斗吊（廈門銀鷺重工有限公司2011年制造并投用），已運行10多年，設備老化嚴重，故障率高，維修頻繁，且主梁彎曲變形影響行車穩定性。廠房內揚塵較大，作業環境惡劣，粉塵極易進入駕駛室，影響人員健康。同時，采用人工裝車，工作效率及精度均偏低，常出現超裝或少裝的情況。為改善作業環境、保障職業健康安全、提高設備運行效率及可靠性，該廠遵循“發展循環經濟，科學利用資源\"原則，引進兩臺16t無人行車（斗容 3.5m³ 以下簡稱“A車\"“B車\"）。行車系統改進后，尾礦倒料、裝料實現自動化控制，設備故障率顯著降低，使用壽命得以延長，裝車合格率得到提升，且極大改善了作業環境，避免了職業病危害。因此，本文擬從技術方案、實施效果及行業價值三方面對本次改造實踐進行全面分析，以期為類似項目改造提供參考。

1尾礦行車改造目標

本次尾礦行車的改造目標為：1）硬件升級。更換行車控制系統、行車配電間全套電氣設備（采用PLC和變頻器系統）、除大車軌道外行車全部設備備件、大車行走電機及減速機。同時，采購兩臺新型行車替代老舊設備。2）功能擴展。新建1間行車中控室，支持全自動無人操作、中控室遠程控制及本地駕駛室手動控制3種模式，兼顧生產連續性與維護需求。升級后，行車可通過工業計算機程序或控制臺操縱桿/按鈕遠程操控，亦可切換至本地手動模式，便于安全巡檢與維修1。3）實施策略。采用“邊制造、邊升級\"流程，平衡自動化配置周期與生產持續性需求。過渡期內，保留本地駕駛室，用于設備巡檢、潤滑及應急維護；改進后，兩臺行車裝車量為 2.6kt/d （約80車左右），峰值達 3.5kt/d O

2系統的設計與實現

2.1硬件配置

2.1.1行車驅動機構

1）抓斗驅動。抓斗電機配備強冷風機，卷筒集成繩長測量絕對值編碼器（精度 ±1mm ）。

2）運動控制。大車、小車及起升電機均采用閉環矢量變頻調速，支持1檔無級變速（速度分檔 10% ！30%，60%，100% ，可自定義調整）。

2.1.2傳感設備

1）激光掃描系統。行車主橫梁側方安裝2D激光掃描儀，垂直向下（ 90^° ）掃描料倉截面，采集作業數據。

2）稱重與安全監測。起升機構配置8個稱重器及2個超載傳感器（精度 12% ），實時監測物料質量并限制抓取量；抓斗內壁覆 5mm 厚304不銹鋼板，避免卸料黏連。

3）防撞裝置。大車對角線配置激光測距傳感器（監測范圍 10m ，PLC聯動控制減速或停車。

2.1.3自動化系統

1）硬件部署。配電柜、變頻柜及PLC控制柜集中安裝于機上控制室。

2）布線設計。控制電纜經行車端梁接線箱接入拖攬滑車，延伸至小車接線箱，最終連接至小車、起升、開閉機構及電子秤的電源與控制線路，確保檢修便捷性與安全性。

3）控制核心。車載PLC安裝于行車電器房內，負責實時信號處理與指令執行。

2.1.4視頻系統

1）視頻前端。在關鍵位置布置多臺高清攝像機，攝像機傳輸的畫面清晰穩定，可滿足遠程操作需要。球機支持自動增益、自動光圈、自動聚焦、自動曝光、背光補償以及鈉燈環境白平衡校準補償等功能。攝像機布置方案見表1。

2）顯示與存儲。中控室配置2臺顯示器及1臺NVR網絡視頻錄像機，支持實時監控與歷史回放；視頻信號通過NVR集中存儲，采用4TB硬盤介質，滿足存儲需求并支持擴容。

2.2控制與通信系統

2.2.1PLC控制邏輯

系統采用基于PLC的程序控制，具備良好的穩定性與可維護性。1）信號交互。操作員通過操縱桿及操作平臺輸入指令，PLC內部基于繼電器邏輯輸出相應的控制指令，精確調節變頻器速度。2）質量控制。電子秤模擬量信號接人PLC模擬量輸入模塊，實現物料質量的精準控制。3安全聯鎖。行車上各種門限位，小車、大車的起升，開閉等機械限位安全聯鎖裝置接人PLC的I/O模塊，以便實時監測行車運行狀態，消除安全隱患。相較于傳統控制方式，PLC方案控制電路更為精簡，使用的元件數量減少，有效降低了故障率與維護成本。操作臺內PLC從站與電氣箱主站通過數據交換進一步簡化了接線的復雜度，方便后續檢修。

2.2.2通信架構

行車PLC與現場PLC之間通過通信電纜進行數據交換，采用西門子PN工業以太網（超六類網線）連接，并經由安裝在行車端梁上的無線網橋傳輸數據。現場PLC和中控室內的PLC之間采用光纖通信，利用光模塊將電信號轉換為光信號傳輸至中控室，確保長距離傳輸穩定性。自動化系統架構見圖1。

2.3定位與傳感

2.3.1絕對值編碼器

行車起升機構、小車及大車運行機構均安裝絕對值編碼器，結合機械限位開關校準誤差；大車及小車被動輪各配置一套編碼器，采用緊配合的安裝方式（軸銷嵌入輪轂后，再將編碼器的聯軸器鎖緊在軸銷上），確保上位機發送的地址坐標與實際相符。

大車軌道每 、小車軌道每 10m 設置校準開關，大車及小車各安裝1個接近開關。由于標定的原點位置固定，校準點坐標已知且不變，所以每次行車經過校準點時，PLC都會自動補償編碼器累計誤差，消除定位偏差。基于微控制器構建立體坐標系統，實時追蹤大小車軌跡，結合變頻調速與抗擺系統實現動態位置校正；上位機坐標指令與行車實際位置嚴格匹配，保障定位精度與作業效率。

絕對值編碼器定位的工作原理，見圖2。1）編碼生成。絕對值編碼器通過多道光通道刻線，根據刻線的透光與遮光狀態生成 2-2（n-1） 個編碼值（ n 為編碼器位數）。2）多圈測量。多圈編碼器采用多級碼盤結構，通過碼盤疊加擴展測量圈數范圍。3）信號采集。通過光源、擋板、碼盤及光電傳感器獲取成像層解析碼盤位置信息，輸出對應碼值。

其核心特點包括：1）每個碼值對應唯一物理位置，無需參考點即可直接讀取位置信息。2）單圈編碼器測量范圍為 0^°～360^° 旋轉角度；多圈編碼器支持多圈連續位置檢測。3）碼值存儲于非易失性存儲器，斷電后碼值可以保持，位置信息不會丟失。4）外部機械沖擊或振動可能導致非旋轉性位移偏差，需定期校準以確保精度。

2.3.2激光掃描建模

如前所述，行車主梁側方安裝有2D激光掃描儀。受限于激光束覆蓋范圍，需結合行車移動實現全倉掃描及料位高度數據實時更新。激光掃描儀通過“無線網橋 + 光纖”的形式將掃描數據傳輸至中控室，然后將料倉劃分為網格單元，將實時數據映射至對應網格，并利用顏色加以區分，使得操作人員能一目了然地掌握料倉的實時料位[4]。可視化界面對倉內物料分布的直觀展示見圖3。激光實時掃描示意見圖4。

2.4安全與防護系統

2.4.1防撞機制

集成控制系統在自動操縱吊裝機械進行作業時，行車移動全程完全實現自動化，因此在行車移動過程中，確保軌跡上的安全空間內沒有其他吊裝設備至關重要。在行車兩個對角線位置裝配激光測距傳感器（有效范圍為 10m ），監測行進方向障礙物。激光測距傳感器有兩個常開觸點，能夠設定減速/停止距離。當在設定的距離內遇到障礙物時，對應的常開觸點會吸合，并將兩個常開觸點的信號接入PLC中，利用PLC來實現行車的減速和停止。

2.4.2防擺控制

手動操作行車時，負載的擺動會引發危險情況，損壞負載本身或周邊環境。為此，基于載荷搖擺的物理原理，結合行車實測數據設定模型，計算并預測載荷搖擺幅度和搖擺相位，利用程序控制和現場通信技術，實時控制大小車的運行速度，抑制負載搖擺幅度。防搖算法通過“速度 + 相位修正\"實現擺動能量耗散，提升作業效率。具體詳見圖5和圖6。

2.4.3視頻監控

軌道車頂下緣及端部梁兩側部署攝像頭，覆蓋行進路徑、鋼索卷軸、物料投放口等關鍵區域；夜間作業輔以照明設備，關鍵點位增設攝像頭消除監控盲區。

2.4.4庫區防護

1）庫區安全防護。（1）物理隔離與權限管理。庫區通過實體隔離墻及電子鎖控制系統限制非授權人員進入。電子鎖支持分級權限（如管理員、操作員）。裝貨口部署車輛定位識別裝置，車輛未按標準停靠時觸發聲光報警并鎖定裝貨流程。（2）裝貨流程控制。車輛停靠后，料位計實時監測車廂料位，達標后啟動裝貨。投料口設置指示燈，引導司機作業。（3）闖入監測與聯動。車道進出口安裝紅外攝像頭（探測距離為 10m ，人員闖入時觸發語音告警，并聯動NVR報警輸出端子。PLC接收報警信號后立即中止行車運行，上位機界面同步彈出報警彈窗。

2）停車位管理。（1）車輛到位檢測。每個停車位劃定固定區域，兩側安裝到位檢測傳感器。（2）判定邏輯。車頭傳感器觸發（上升沿）且車尾信號消失時，判定車輛到位，并通過停車位指示燈實時顯示車輛停靠狀態。

3）裝車區專項防護5。（1）紅區管控。裝車區劃為紅區，中控室實時監控，人員進人時觸發報警并自動停止行車；車道旁設置獨立操作間，內置3臺觸摸屏，分別對應3個車道，裝車司機輸入車長、載重后，通過監控畫面觀察裝車進度。（2）人機交互。操作間配備帶錄音功能的攝像頭與擴音器，支持司機與中控人員實時語音溝通，

4）運動安全防護。行車作業過程中，PLC實時比對當前物理運動數據（如坐標、速度）與預設安全閥值，若檢測到碰撞風險（如軌跡偏離、速度超限），立即觸發預警并調整運行參數，避免設備損傷。

3作業流程與軟件系統集成

3.1作業任務及流程優先級分析

行車的作業任務包括倒料作業、平庫作業、裝車作業3個部分。1）倒料作業。行車將陶瓷過濾機下料口的尾礦轉運至料倉口附近；白班時段若有待裝車輛，則可直接拋料至車輛料倉口，提升轉運效率。2）平庫作業。在無進料或倒料需求時，行車平整料倉內尾礦堆，優化后續抓取效率。3）裝車作業。從尾礦倉抓取尾礦至車輛料倉口完成裝車。

原則上，作業任務的優先級遵循“裝車作業 gt; 倒料作業 gt; 平庫作業\"的規則；另外，手動輸入指令優先于自動模式生成指令。

3.2軟件功能模塊設計

3.2.1庫區管理系統

庫區管理系統包括作業錄入、作業分解、作業調度、物料輪廓建模、庫區物料狀態和庫區參數設置等模塊。1）作業錄入，即人工輸入作業信息（車輛噸位、料倉位置等）;2）作業分解，即將任務拆解為取料、移庫、裝車等作業指令；3）作業調度，即根據實時料位數據動態分配任務至空閑行車；4）物料輪廓建模，即根據輸入系統參數和激光掃描數據，生成料倉三維輪廓；5）庫區物料狀態，指根據指令執行進度和3D掃描數據，實時更新物料輪廓、料位高度、設備狀態及任務進度；6庫區參數設置，設定庫區布局、進料口坐標等參數。

3.2.2遠程控制系統

遠程控制系統主要包括自動化控制、安全防護、系統設置、系統監控和設備通信管理等模塊。1）自動化控制模塊主要解析具體作業指令，自動發送作業指令到相應起重設備自動化PLC和綁定相應監控臺；2）安全防護模塊，在行車作業過程中通過自動控制系統PLC將已記錄的物理運動數據與儲存區資料進行比對，確保積極的安全警戒并提前預警設備操作中可能發生的撞擊風險；3）系統設置，包括起重設備各種狀態下的安全作業距離、機械屬性，限位旁路設置，原點標定等；4系統監控，包括持續追蹤行車作業動態與系統運作狀況，配套提供查詢操作指南、監視控制臺登錄資料等服務項；5）設備通信管理，包括構建多樣化設備間的數據互聯入口，確保進行現場設備的數據搜集、傳遞與通信狀況追蹤，以及預防通信故障等

3.3控制模式與執行邏輯

1）全自動。在遠控中心或MES系統錄入當班作業任務，行車自動完成上料、平庫、裝車工作。2）半自動。通過遠程控制中心操作界面上指定原料夾取位置與料投放地點，一鍵執行整個過程。3）遠程手動。借助視頻監控系統在遠控中心手動操作行車各機構主令桿完成起升、抓取、行走等各項動作。每臺行車配置1個操作臺及相關界面。4）現場手動。支持駕駛室手動操作，且優先級最高，即一旦在駕控室內手動干預，自動控制將立刻終止，切換至手動模式。

4使用效果與數據分析

4.1效率提升

選礦廠尾礦廠房新引進的2臺無人行車已于2023年10月投人使用。針對該廠生產調度高節拍的要求及現場布局特點，系統通過以下優化措施提升作業效率：1）任務動態調度。設備空閑時段自動生成平庫任務，將物料從下料口預轉運至裝車位附近，縮短裝車取料距離。2）激光算法升級。提高庫區網格劃分密度與輪廓識別精度，優化抓斗滿斗率。3）放料時序優化。提升放料高度以減少下降耗時；抓斗未完全閉合時提前啟動下一抓取任務，壓縮單次作業周期。投用后裝車效率與返車率數據見表2。數據顯示，無人行車投用后返車率逐月遞減，裝車精度與效率顯著提升。

4.2安全效益

無人行車系統的應用顯著提升了尾礦車間的智能化水平，在自動裝車環節人員配置優化近 50% ，人工成本降低約60萬元/a。在設備維護方面，檢修成本降低約9.5萬元/a，同時通過引入軟保護程序及作業現場傳感器網絡，有效增強了系統運行的穩定性。該系統的智能監控體系具備實時報警功能，當設備出現異常時，中控室可實時發出警報，提示相關人員故障狀態。配套安裝的多維度狀態監測顯示屏，可精準顯示設備各部件的運行參數，便于檢修人員迅速定位問題，從而避免故障擴大化。該集成化解決方案使行車事故率大幅下降，顯著提升了生產安全水平

5結論

此次選礦廠針對其尾礦處理車間實施的自動化改造項目，采用了全自動管理模式，把常規的行車操作從原本的駕駛室轉移至中控室，實現了遠程自主控制。改造成功優化了工作環境，顯著降低了勞動強度。改造前，控制1臺行車需要1名員工，每班需要2人專門負責尾礦外售；改造后，中控室的1名操作員能夠同時操作2臺行車，有效節約了勞動力資源，提升了工作效率。該自動化項目也有效防止了尾礦處理過程中多臺設備同時操作所產生的復雜安全問題，在同行業中可以起到引領、示范作用。

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