基于 GPS-RTK 技術的自移橋式布料機履帶系統控制

付延濤，周飛舟，辜小川，趙 瓊，陳 威

1萬寶礦產有限公司 北京 100053

2萬寶礦產 (緬甸) 銅業有限公司 緬甸蒙育瓦 02301

萬寶礦產（緬甸）銅業有限公司的萊比塘銅礦項目采用破碎 — 堆浸 — 萃取電積的濕法冶金工藝，其中堆浸場采用 2 臺德國 FAM 公司設計制造的 6 000 t/h 自移橋式布料機進行布料筑堆。每臺布料機由 4 個部分組成，分別為自移式布料橋（Mobile System Bridge，MSB）、可移置帶式輸送機（Conveyor Volume，CV）、可移置帶式輸送機卸料小車（Tripper Control Car，TCC）和布料機卸料小車（Tripper Car/Stacker，TCS）。該龐大系統一共配置了 11 條鏈條式驅動裝置（以下簡稱“履帶”）作為移動式多功能輸送設備，多履帶同步驅動的精確性和速度直接決定了設備的性能。國內工程機械多為雙履帶液壓或者電動驅動，控制系統簡單成熟，而多履帶同步運行的大型裝置比較罕見，筆者采用基于 GPS-RTK 技術的PLC 算法編程控制系統實現布料機 MSB 的多功能同步驅動。

1 GPS-RTK 技術原理

GPS-RTK（Global Position System Real Time Kinematic）即基于實時動態載波相位差分技術的全球定位系統，采用 2 臺接收機，其中一臺做為基準站，另一臺則做為流動站。工作時 2 臺接收機都在觀測衛星數據，基準站把接收到的載波相位信號傳給流動站，流動站在接收衛星信號的同時也接收基準站信號?；谶@ 2 個信號，流動站的內置軟件就可以實現差分計算，從而精確地定位出基準站與流動站的空間相對位置關系。采用 RTK 技術可使 GPS 定位精度達到厘米級，用時不到 1 s，其工作原理如圖 1 所示[1]。

圖1 GPS-RTK 工作原理示意Fig.1 Sketch of working principle of GPS-RTK technology

2 布料機工作原理及 GPS-RTK 技術應用

2.1 布料機構成及工作原理

布料機結構如圖 2 所示，主要由 MSB、CV、TCC 和 TCS 組成。

圖2 布料機結構示意Fig.2 Structural sketch of stacker

MSB 主體結構為長度約 350 m 的桁架，輸送帶裝在桁架上方，由 2 臺 355 kW 的中壓三相交流異步電動機驅動，桁架底部由 7 臺履帶式行走底盤支撐，每條履帶在 2 臺變頻電動機的驅動下載著 MSB 桁架及輸送帶做前后左右平移行走、轉向等多種模式的運動。CV 全長約 800 m，由頭部驅動站和 116 個移動式托架及其上方的輸送帶組成，頭部驅動站由 2 臺履帶式行走底盤支撐，可以自由行走。TCC 全長約 60 m，高 16 m，布料機工作時 TCC 跨越在 CV 上方，將CV 輸送帶抬高至 MSB 輸送帶尾部受料斗上方，主要起轉運作用；其底部由 2 臺履帶式行走底盤支撐，可以自由行走，在布料機作業時必須和 MSB 的 7 條履帶保持同步，以避免轉運物料灑落至受料斗外部造成運輸事故。TCS 始終工作在 MSB 桁架上方軌道上，接受 MSB 輸送帶的物料后，通過其垂直于 MSB 方向的轉運輸送帶將物料灑下堆場筑堆；其下方通過滾輪在 MSB 桁架軌道上行走，行走區間為 300 m。

2.2 GPS-RTK 技術應用

GPS 獲取的數據是建立在 WGS-84 坐標系（1984年世界大地坐標系）中的地心坐標，需要通過多種模型的坐標轉換，把 GPS 的觀測結果轉變成現場需要的平面直角坐標[2]?，F場分別以布料機的 CV 和 MSB為坐標系的x、y軸，建立堆浸場平面直角坐標系，選取 CV 頭部驅動站作為堆浸場平面直角坐標系的原點，選取 CV 首尾中心線 2 點作為公共控制點，采用移動式測量 GPS 接收機測出該 2 點和基站所在的WGS-84 坐標值，然后將其導入 GPS 觀測手簿中，通過手簿的處理軟件將 WGS-84 坐標轉換成 UTM（通用橫墨卡托格網系統）[3]，最后將其輸入 PLC 進行處理，獲得現場需要的平面直角坐標系中的相對坐標。

將MSB 的 7 條履帶自西向東編號，即尾部與 TCC相鄰處的履帶為 1 號履帶。分別在 1 號履帶和 7 號履帶上方各配置 1 臺 GPS 接收機，通過這 2 臺接收機的定位坐標來實現 MSB 7 條履帶不同模式下的同步行走，這 2 臺接收機均為 GPS 的流動站。GPS-RTK 技術還需要設置 1 臺基準站。根據基準站位置選取原則，萊比塘銅礦項目在布料機工作的 1 號堆浸場正前方 200 m 處選擇一處空曠地帶建立基準站。

3 履帶控制系統構建及原理

GPS-RTK 技術獲得 MSB 首尾 2 個流動站的WGS-84 坐標數據后，需要將其送入 PLC 中進行多次數據處理，最終轉換為現場構建的平面直角坐標系的相對坐標，然后由 PLC 根據控制算法編程計算出布料機 MSB 不同模式下各履帶的運行速度和角度。

3.1 履帶控制系統硬件

MSB 履帶控制系統由 8 套西門子 PLC 控制器組成，其中包含 1 套 MSB 主站和 7 套單履帶子站，其硬/在西門子 Step7 編程環境下進行。在硬件組態中，2 臺 GPS 接收機、遠程IO 模塊、變頻器和其他傳感器等作為從站，直接通過 Profibus 現場總線與 MSB 主站連接做主從通信，7 套履帶子控制系統分別通過 1 個 DP/DP 耦合器和MSB 的主控制系統做多主通信，數據通信遵循西門子 Profibus DP 協議，其硬件組態如圖 3 所示。圖 3中 GPS 接收機的地址分別為 9 和 10，7 個 DP/DP 耦合器地址從 21～27。

圖3 MSB 履帶控制系統硬件組態Fig.3 Hardware configuration of MSB crawler control system

3.2 履帶控制系統算法

布料機 MSB 運行時有正常模式和 90°旋轉模式2 種模式，通過控制系統終端 HMI（觸摸屏人機界面）進行手動選擇。此外，還需在 HMI 上設定 MSB 的基準半徑和速度，MSB 在水平x、y軸上運動的方向由1 號履帶決定。

3.2.1 正常模式

正常模式主要用于布料機生產工況，有轉彎行走和直行 2 種運行軌跡。轉彎行走時，MSB 棧橋圍繞1 號履帶做曲線行駛，單個底盤依據其與 1 號履帶中心點之間的距離，以相應的速度行駛。該行走方式主要用于布料機生產時堆浸場料堆兩盡頭無法抵達的部分，通過保持布料機尾部受料斗與 TCC 下礦口相對位置不變，盡可能縮小料堆盡頭盲區的面積，以減少后期由推土機完成的部分收尾工作。直線行走是布料機生產時在除盲區以外采用的行走軌跡，也可用于布料機移設時 MSB 棧橋完成 90°轉向通往額定位置。

（1）轉彎行走 當設定 MSB 的基準半徑不為 0時，7 條履帶執行轉彎行走，運行軌跡如圖 4 所示，從左到右依次為 1～7 號履帶，箭頭指向為各履帶運行軌跡方向。

圖4 正常模式下 MSB 轉彎行走Fig.4 Turning walk of MSB in normal mode

以1 號履帶為基準，1 號履帶轉彎半徑即為設定的 MSB 基準半徑，每條履帶之間的距離為 48 m。轉彎行走時 MSB 的基準角速度為定值，7 條履帶的線速度和運行半徑則各不相同，每條履帶的速度和運行半徑如下：

式中：vn為第n條履帶的線速度，m/min；v為 HMI設定的 MSB 基準速度，m/min；r為設定的 MSB 基準半徑，m；rn為第n條履帶的運行半徑，m；n為履帶序號，n=1～7。

將式（2）代入式（1），且v和r已知，可以計算出7 條履帶的線速度

（2）直線行走 當設定 MSB 的基準半徑為 0時，7 條履帶執行直線行走，運動軌跡如圖 5 所示。

圖5 正常模式下 MSB 直線行走Fig.5 Straight walk of MSB in normal mode

直線行走時，履帶速度執行設定的基準速度，由于路基崎嶇不平，使得 7 條履帶在相同速度下的位移卻不相同。為了使 7 條履帶始終在y方向上保持水平，需要對 7 條履帶速度根據 1 號和 7 號履帶上方GPS 接收機的y坐標數據進行自動調節。

履帶的運行速度

式中：vcn為第n條履帶的調節速度，m/min；ky為修正系數；Δycrn為第n條履帶的y坐標偏差值。

式中：ΔyGPS為 1 號履帶和 7 號履帶的y坐標偏差值；yGPS_2為 7 號履帶上方 GPS 測量的y坐標值；yGPS_1為 1 號履帶上方 GPS 測量的y坐標值。

由式（4）～（7）可推導出

由式（8）可以發現，1 號履帶的速度等于設定的MSB 基準速度，2～7 號 6 條履帶的速度取決于 2 個GPS 的實時y值。如果 1 號履帶和 7 號履帶的y坐標值相等，所有履帶的速度將完全一致，保持 MSB 的基準速度；如果有偏差，即對 6 條履帶速度進行自動修正，修正幅度取決于修正系數ky，ky根據路基情況靈活設置。

（3）角度控制 轉彎行走時需通過 HMI 設定 1號履帶轉彎角度，順時針轉彎為正，逆時針轉彎為負，直線行走時角度為 0°。每條履帶底盤下方均由一個絕對值編碼器測量實際角度。為了確保履帶轉彎行走過程中 7 條履帶的同步度和 MSB 棧橋的水平度，需對履帶轉彎角度進行控制。圖 6 所示為某時刻MSB 轉彎行走時的角度控制設定和監控。

圖6 HMI 上角度控制和反饋Fig.6 Angle control and feedback on HMI

1 號履帶向左轉彎或者向前行走時，x坐標值與MSB 設定的基準值之間的偏差

式中：x0為 MSB 在x方向設定的基準值；x1為 1 號履帶上方 GPS 測量的實時x坐標值。

1 號履帶向右轉彎或者向后行走時，x坐標值與MSB 設定的基準值之間的偏差

式（9）和（10）計算結果大小相同，方向相反。

1 號履帶行走時的角度

式中：kx為角度修正系數，根據工況可調。

根據現場工況，需要將 1 號履帶角度限制在一定范圍內，以免桁架過度受力造成故障；并設定調整死區，在死區范圍內不予調整角度。設定最大角度為5°，當Δx＞ 5 時，定義Δx=5，當Δx＜ -5 時，定義Δx=-5；同時設定x方向的最小和最大死區，Amax=x0+0.07，Amin=x0-0.07，當Amin＜A1＜Amax超過 5 s，強制A1為 0，停止角度調整。

轉彎行走時，2～7 號 6 條履帶跟隨 1 號履帶進行同步轉彎，其角度控制數值來自 1 號履帶反饋的實時角度值。

3.2.2 90°旋轉模式

90°旋轉模式主要用于布料機移設時，底盤在橫向和縱向上旋轉，通過底盤上單個履帶的逆轉來完成。完成該操作后，棧橋即可在縱向或者橫向方向上行駛。該模式下，7 條履帶既可以原地繞底盤中心旋轉，也可以以履帶的差動速度向一個方向行駛，即在行走機構之外圍繞旋轉中心轉彎行駛。

（1）原地旋轉 當設定 MSB 的基準半徑為 0時，7 條履帶執行原地旋轉指令，各履帶的速度控制同正常模式下直線行走的控制原理，參見式（4）～（8），運行半徑均為 0。

（2）行走旋轉 當設定 MSB 的基準半徑不為 0時，7 條履帶執行行走旋轉指令，此過程中 7 條履帶的運行軌跡完全相同，運行半徑和速度均執行 HMI設定的基準值。運行軌跡如圖 7 所示。

圖7 90°旋轉模式下 MSB 行走旋轉Fig.7 Turning walk of MSB in 90°rotation mode

（3）角度控制 在 HMI 上選擇移設模式、90°旋轉模式和順時針或者逆時針轉向，1 號履帶角度控制同正常模式下角度控制原理，參見式（9）～（11）。2～7 號 6 條履帶角度控制始終跟隨 1 號履帶實際運行角度自動調節。

3.3 履帶控制系統軟件實現

在西門子 Step7 編程環境下，分別建立 2 個子功能（FC），根據 3.2 中介紹的 2 種模式控制算法，利用語句表（STL）和功能塊圖（FBD）2 種語言編寫程序封裝成塊，然后在主控制程序中分別調用來實現 2 種模式下 7 條履帶的同步協同控制。

4 結語

GPS-RTK 技術在礦山機械設備上應用較少，萬寶礦產（緬甸）銅業有限公司的萊比塘銅礦項目將其應用到大型布料設備上，是一種探索和嘗試。布料機生產時 MSB 棧橋可以安全行駛在崎嶇的料堆路基上，不會因為 7 條履帶水平度差距過大而導致故障停機，移設旋轉時避免了履帶上方桁架應力過大導致故障停機。4 年多的生產和移設實踐表明該技術靈活、可靠且穩定。

鑒于該技術的良好使用效果，現場將其進一步推廣應用到布料機生產時 TCC 和 MSB 的精準同步（需增加 1 臺 GPS 流動站）、MSB 棧橋以及除 1 號履帶外其他任一履帶為中心的弧形布料方式和移設時的棧橋斜向操作，分別成功解決了布料機生產時由于 MSB棧橋和 TCC 同步行走時在x方向上偏差過大導致的漏料問題，進一步縮小了堆場料堆盡頭的盲區范圍，提高了移設時 MSB 棧橋的行走效率。該技術涉及的硬件主要是 GPS 基站、GPS 接收機和 PLC，調試完成投入應用后維護簡單方便，減少甚至避免了傳統超聲波定位、編碼器加行程開關定位等方法造成的可靠性差、故障多、維護不便且工作量大的問題。