超大規(guī)?；?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研究中心， 湖南 長沙 4002；4.湖南省智能礦山工程技術研究中心， 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，生產廠區(qū)占地近3 km2、加工設備及運輸皮帶數百臺，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，碼頭堆場已出現下沉的情況，如不及時修復有可能造成建筑結構的坍塌，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)出現堆場下沉情況，并為堆場下沉的修復贏得時間。

（2）砂石骨料的生產工藝導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）由于生產任務重，卸料小車現場控制箱位置高，運行人員長時間在現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)結合安全保障功能，在線、實時、精準檢測系統(tǒng)信號和數據，實現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)

根據現場卸料特點，采用旋轉編碼器+RFID 定位方式進行卸料小車的精確定位，旋轉編碼器安裝在車輪中心軸上，通過計算其行走時產生的脈沖數實現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，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（磁釘技術）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)

料堆現場設備卸料時，粉塵濃度大，測量高度為30～40 m，針對卸料現場惡劣環(huán)境采用多種物位測量設備進行測試和比較，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)的數據和信號控制卸料小車行走和卸料。當接近開關觸發(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)數據再通過通訊系統(tǒng)傳輸至物聯網控制系統(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備放在堆場附近的配電室內，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)運行和處理相關數據，降低了控制系統(tǒng)現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，減少了信號和數據由于長距離過程中可能出現的干擾和故障。

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、服務器的通訊使用無線+光纖的方式進行。

在卸料小車上設置無線通訊設備發(fā)射端，在帶式輸送機旁設置無線通訊接收端，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據為以太網數據，通過設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現場的實時視頻情況對設備進行監(jiān)視、控制和調整。

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

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 的圖形界面和面向對象的操作完美匹配，界面極其人性化，一目了然，操作簡單，指令功能強大，包含了很多數學、PWM、系統(tǒng)控制等。

2.5 安全保障

根據現場情況，為卸料小車自動控制系統(tǒng)設置了三層安全保障。

（1）智能控制系統(tǒng)+定位系統(tǒng)程序保障。根據定位系統(tǒng)為卸料小車進行定位，在帶式輸送機上設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）卸料小車預警限位裝置。在卸料小車上安裝2 個接近開關，當卸料小車自動行走到相應位置，接近開關信號立刻傳輸至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，當卸料小車自動運行到相應位置，限位開關控制帶式輸送機旁的現場控制箱給滑觸線斷電，使卸料小車由于停電而停車。

3 結論

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，卸料小車將根據定位系統(tǒng)數據和料位系統(tǒng)數據自動控制卸料小車行走和卸料，運行人員可在上位機設置卸料方式及相關卸料參數，智能總線控制器根據程序進行自動卸料，實現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)帶來了巨大的經濟和社會效益。