布料小車自動化改造及其在破碎系統中的應用

馮云飛 沈鑫

摘要：內蒙古太平礦業有限公司破碎系統采用典型的三段一閉路系統，在細碎給礦、篩分給礦、成品礦倉部分均需要布料小車進行布料，布料小車在生產中起到至關重要的作用。針對布料小車人工操作工作強度大、現場環境差等問題，對布料小車進行了軟硬件改造和完善，通過給布料小車加設激光紅外測距儀、先進料位計等，獲取小車運行距離、料倉料位高度等參數，并編寫基于PLC控制的自動控制程序，實時呈現控制畫面，實現了布料小車的自動化運行，每年可節約人工成本約80萬元。

關鍵詞：布料小車;自動化;PLC;軟硬件改造;梯形圖

布料小車在破碎系統中起著重要的作用。其中，細碎、篩分、成品輸出等很多環節需要使用布料小車，通過布料小車給其下方多個料倉輸送物料。傳統的布料小車操作是由現場崗位工手動控制布料小車實現對料倉的布料，崗位工通過肉眼觀察每個料倉的料位，根據需要將布料小車移動到需要的料倉布料。崗位工的責任心和操作水平直接影響布料小車的運行，再加上布料是一個持續不間斷的過程，所以崗位工的勞動強度大，且作業現場粉塵大，環境條件差，危害崗位工的身體健康。本文針對布料小車的結構和運行過程中出現的問題，對布料小車進行了軟硬件改造和完善，通過編寫基于PLC控制的自動控制程序，成功實現了對布料小車的自動化改造，設備運行更加安全、穩定。

1 工程背景

內蒙古太平礦業有限公司位于內蒙古自治區巴彥淖爾市烏拉特中旗新忽熱蘇木東部11 km處，隸屬于中國黃金集團有限公司。內蒙古太平礦業有限公司二期工程破碎系統由長春黃金設計院有限公司設計[1]， 2013年9月開始投入生產，設計生產能力為日處理礦石量4萬t，礦石平均品位0.53 g/t，年產黃金4～5 t，是目前中國西北部最大的低品位礦石露天開采和采用堆浸工藝的黃金礦山生產企業之一。

內蒙古太平礦業有限公司破碎系統工藝流程為三段一閉路[1-2]：三段即粗碎、中碎、細碎3個環節;一閉路即破碎后的礦石經細碎預篩分，合格產品運送到堆浸場地，不合格產品返回細碎環節繼續破碎，循環往復，形成一個閉合回路，直到產品合格為止。破碎系統中，細碎料倉、篩分料倉、成品料倉的數量都在4個以上，各料倉中的礦石由料倉上方的布料小車[1-2]進行運輸，以滿足細碎圓錐破碎機、篩分振動篩和放料的生產需要。二期工程破碎系統中5#、7#、9#主運輸皮帶機上均安裝了布料小車，共3臺，若布料小車布料不均勻、或對其操作不當等，則對破碎系統的正常生產影響非常大。

破碎車間有完整的PLC控制平臺，主程序采用AB RSLogix5000編輯軟件編輯，畫面控制采用AB FactoryTalk view studio SE控制軟件編輯[3-4]。車間生產主要由中控室集中控制，個別工藝流程還需崗位工操作，布料小車的控制就是其中之一。隨著車間生產的發展，人工手動操作的缺點和問題逐漸凸顯，崗位工的責任心和操作水平直接影響布料小車的布料效果，且布料勞動強度較大，現場生產環境差，對崗位工的健康影響較大。為了更好地保障車間安全有效生產，特對布料小車的控制方式進行了自動化改造。

2 布料小車工作原理及存在問題

2.1 工作原理

料倉上方裝有一臺固定的主運輸皮帶機，在主運輸皮帶機的皮帶架上安裝質量為25 kg及以上的軌道（與鐵路、井下電機車的軌道形狀相同），用于布料小車的運行。布料小車形狀為三角形，采用重型鋼材制成，車身質量30 t左右，從皮帶的運轉方向來看，布料小車前部高、后部低，車身角度一般不大于30°。布料小車車身裝有頭輪、轉向輪、托輥、驅動裝置等，底部裝有2套軌道輪（一前一后），以確保布料小車水平放置在主運輸皮帶機的軌道上。布料小車和主運輸皮帶機共用一條皮帶，皮帶把布料小車頭輪、轉向輪和主運輸皮帶機的頭輪、尾輪纏繞在一起，保證布料小車可在主運輸皮帶機上前后行走。布料小車結構如圖1所示。

布料小車行走靠驅動裝置驅動，驅動裝置包括電動機、減速機、空心軸套、軌道輪等，其驅動原理為：采用三相異步電動機驅動，通過西門子專用減速機（KADS168-M160L4-L150/10 H）實現變比減速，在減速機輸出側安裝一套空心軸套，空心軸套和布料小車軌道輪軸緊密配合，形成驅動小車的驅動軸（從動軸），減速機空心軸套直接安裝在從動軸上，使空心軸套抱緊從動軸，人工操作電動機的正反轉驅動減速機實現布料小車的前后行走，布料小車的停止靠電動機尾部的剎車裝置來完成。在主運輸皮帶機的驅動下，礦石隨著皮帶的運轉從布料小車的最低處被運到布料小車高處的下料漏斗中，同時布料小車前后行走，將下料漏斗中的礦石分布到其下方各料倉內，從而達到均勻布料的目的。

2.2 存在問題

布料小車在料倉上方來回行走是靠現場崗位工手動操作進行控制的，通過幾年的應用發現人工控制布料小車的方式存在以下問題：

1）布料小車的運行完全依靠現場崗位工控制，崗位工操作技能和操作經驗對布料效果起著決定性作用，熟練的崗位工可以較好地控制布料小車在每個料倉的布料時間，從而使下方料倉受料均勻。反之，就會出現個別料倉受料過多，個別料倉空倉的現象，大大影響生產效率。

2）現場崗位工勞動強度大。布料小車在各個料倉之間頻繁移動，在每個料倉上停留的時間不超過5 min，所以需要崗位工頻繁操作控制布料小車移動。

3）工作現場環境差。隨著布料小車的來回行走，粉碎的礦石在下落過程中會形成氣流，粉塵會隨著氣流漂浮，雖然車間配備除塵設備，但由于氣流較大，導致現場粉塵大、作業環境差，嚴重影響崗位工的身體健康。

3 布料小車自動化改造

通過在現場安裝各類開關、傳感器，將現場布料小車運行所需的信號、數據、狀態反饋至PLC，通過在PLC中編寫布料小車控制程序和在中控室控制畫面上顯示相應布料小車控制畫面，將現場反饋回的信號、數據、狀態經程序進行處理，利用處理結果驅動現場布料小車行進布料，達到遠程自動化控制布料小車運行的目的。3DC19304-5FFB-4E5C-862B-B3170A3FEE0A

3.1 硬件改造

1）確定料倉位置。在主運輸皮帶機頭輪位置安裝紅外激光測距儀，布料小車行至每個料倉時，記錄測距儀測定結果，并將數據反饋至PLC，供PLC集中處理[3]。

2）完善料倉的料位計，使料倉實際料位可以準確地反饋至PLC。料倉現場環境差，料倉中粉塵濃度大、濕氣也大，原有料位計反應遲鈍、滯后，不能準確反饋料倉實際料位變化，經過多次選型試驗，最終選定Vegapulse67 4～20 mA/HART料位計，可以很好地適應現場環境，能夠精準感應料倉中物料的高度，并將物料的高度轉化成相應的4～20 mA電流信號傳至PLC，在PLC對應的模擬量輸入通道中，設置電流信號大小和物料高度對應關系，就可以把反饋的電流信號轉換為料倉中物料的實際高度。

3）完善現場控制。在現場控制箱中，增加遠程控制功能，同時將現場布料小車的運行信號、故障信號、電流信號、急停信號、限位信號等信號反饋至PLC。

4）增加現場監控。在作業現場增加監控攝像頭，可以多方位監控現場環境和布料小車運行狀態。

3.2 控制程序

1）啟動準備程序。布料小車自動行走由電動機的正反轉控制[3]，結合礦山生產和控制要求，還需要完善控制和保護程序。因此，編寫了布料小車啟動準備程序，包括檢修信號、手自動信號、故障信號、急停信號、限位信號、料倉選擇信號、正反轉互鎖信號等，啟動準備程序梯形圖（以7#布料小車為例）如圖2所示。

（1）檢修信號的作用是當設備需要維護、保養、處理問題時，工作人員通知中控室將設備設置為檢修狀態，對應啟動準備程序中的檢修信號由常閉通路變成開點斷路，整個啟動準備程序有斷開點，程序無法執行，對應的布料小車無法運行，從而保障檢修人員的安全。

（2）手自動信號的作用是通過手自動轉換開關，切換布料小車的控制方式，保障在相應控制模式中不被另一種模式干擾，發生錯誤動作。即轉換到手動模式時，自動控制啟動準備程序中相應的自動轉換點由通路變為斷路，啟動準備程序無法執行，自動運行模式無法動作，從而無法參與手動模式的正常運行。同理，轉到自動運行模式時，手動模式電路斷開。

（3）故障信號是將布料小車運行時電流處于異常值或控制柜外部故障等導致布料小車無法正常運行的故障匯總成一個信號點，當有故障時，程序內的常閉電路斷開，程序停止執行，并將相關報警顯示在中控室控制畫面上，中控室人員及時通知相關人員進行處理。

（4）急停信號是安裝在現場的一個緊急停車按鈕。當現場人員發現設備有緊急情況，來不及通知中控室正常停止設備時，立即按下急停按鈕，對應程序中急停信號的常閉電路斷開，程序停止執行，快速停止設備運轉，及時阻止事故發生。

（5）限位信號和料倉選擇信號配套使用。例如：料倉選擇信號正轉運行時選擇4#倉布料，停車延時結束便反向運轉，切除5#倉的運行控制，對應的4#倉限位參與到程序運行中，布料小車到達4#倉限位位置，限位動作，通路斷開，程序停止，布料小車停止響應動作。

（6）正反轉互鎖信號原理和接觸器外部控制正反轉互鎖原理相同，即在正轉啟動準備程序中串接反轉啟動準備的常閉點，保障設備在執行某一方向程序時，另一方向程序中的常閉點斷開，防止正反轉程序同時執行，損壞設備。

2）倉位及料倉卸料位置確定。只有在程序中顯示布料小車所在料倉位置，才能根據位置執行相應程序。根據激光測距儀檢測結果，對照現場布料小車所在位置，確定布料小車運行或停止在每個料倉的位置距離，布料小車所在倉位確定梯形圖如圖3所示。

布料小車需要在每個料倉中間位置停車，為下方料倉布料，在每個料倉中間停止時，程序的停止信號可以即時動作，但布料小車的制動并不是即時的，導致停止信號動作時布料小車依舊在運行，而當小車即將完全停止時，程序的行車信號已經恢復，程序便會給出繼續執行動作的指令，所以小車在停車過程中并沒有完全停下來。針對這種情況，現場測量小車實際制動距離，將停車信號設定為一個區間，以7#布料小車的3#倉為例，制動距離設為12.5～13.0 m，即布料小車在這個區域內一直發出停止信號，即使布料小車制動慢，但它通過設定的0.5 m區間所需要的時間足夠使其停止，布料小車在料倉中間位置停車梯形圖如圖4所示。

3）輸出程序。滿足了啟動準備信號，若要最終輸出驅動布料小車行走的控制[3-4]，使得PLC可以輸出相應的正反轉控制信號，還需考慮布料小車布料料倉的選擇，以7#布料小車為例，下方有5個受料倉，可以選擇為5個料倉布料，切除1#倉為2#～5#倉布料，切除1#、2#倉為3#～5#倉布料，切除5#倉為1#～4#倉布料等多種布料方式，同時對每個料倉的布料時間可自行設置。此外，料倉的料位也可由程序自動控制，當料位高于對應料倉料位的設定值時，布料小車便快速通過相應料倉不做停留，以免料位過高，做到合理布料。輸出程序梯形圖如圖5所示。

4）布料小車自動控制系統操作畫面編輯。打開畫面

編輯軟件，新建一個顯示畫面，將需要顯示的反饋信號和控制要求添加相應的動作按鈕及顯示框布局到畫面中[3-4]（如圖6所示），將動作按鈕及顯示框的地址（或變量標簽）與之前程序編輯中相應的變量標簽相關聯，確定變量標簽和畫面滿足設計要求后，將新建的顯示畫面保存并運行到車間正?？刂骑@示畫面中，點擊控制畫面相應位置，就會顯示出編輯畫面所控制的內容。因為與程序中的變量標簽進行了關聯，此時畫面中所顯示的內容就是程序中的實時內容，并且點擊相應按鈕，程序也會有相應的動作變化。布料小車自動控制系統操作顯示畫面如圖7所示。

3.3 應用效果

1）以7#布料小車為例，皮帶上物料的瞬時流量為1 800 t/h左右，1個料倉的容積約為0.3 m3，下方有5個料倉，改造前，由崗位工根據現場實際手動操作控制布料小車，崗位工的責任心、工作經驗等因素影響布料小車的布料效果。改造后，通過程序控制，根據每個料倉的料位顯示情況和生產情況，可以設定和調整布料小車在每個料倉的停留時間，布料小車可以穩定地為每個料倉布料，比人工操作可靠。3DC19304-5FFB-4E5C-862B-B3170A3FEE0A

2）對布料小車進行自動化改造后，無需再由現場崗位工手動操作布料小車行走布料，使操作人員遠離了惡劣的工作環境，避免了環境對崗位工身體健康的影響。同時，按照內蒙古太平礦業有限公司用工費用標準核算，雇用1名崗位工每年需要的成本約為10萬元，對5#、7#布料小車的自動化改造減少了現場崗位工8名（每臺布料小車三班倒崗位工3名，輪休崗位工1名），每年可節約人工成本約為80萬元。

4 結 語

通過分析布料小車手動控制的不足和缺陷，對布料小車硬件、軟件等方面進行了自動化改造，最終實現了自動化控制，改造后的效果明顯，運行穩定可靠，布料更精準合理。同時，還實現了自動化減人，每年可節約人工成本約80萬元，為公司的安全、環保、職業病防治工作做出一定貢獻。

自動化和中央控制系統控制是大勢所趨，它在改進生產方式、優化生產流程、減輕人員勞動強度、降低勞動成本、確保安全環保、保證職業健康等方面的優勢越來越明顯。自動化控制系統在內蒙古太平礦業有限公司大型破碎系統中已得到應用，隨著各個細節不斷完善，使得公司向著工業化、智能化企業方向更進一步發展。

[參 考 文 獻]

[1] 張維濱，張范春，王彥慧，等.內蒙古太平礦業有限公司擴建工程初步設計[R].長春：長春黃金設計院，2014.

[2] 劉曉明，鞠洪剛，李欣，等.寧夏太平礦業長山壕金礦破碎廠項目[R].鞍山：鞍鋼集團礦業設計院，2008.

[3] 王華忠.工業控制系統及應用：PLC與人機界面[M].北京：機械工業出版社，2019.

[4] 王華忠.工業控制系統及應用：PLC與組態軟件[M].北京：機械工業出版社，2016.

Modification of feeding cart automation and its application in crushing system

Feng Yunfei，Shen Xin

（Inner Mongolia Pacific Mining Co.，Ltd.）

Abstract：The crushing system in Inner Mongolia Pacific Mining Co.，Ltd.is typical three-stage? one-closed-circuit system，where fine feed，screened feed and product ore storage bin all require feeding cart to spread and feed，making feeding cart vital in the process.In light that the labor is intense and field conditions are poor to operate feeding cart，the feeding cart is modified and improved on its software and hardware.The installation of laser infrared distance meter and advanced level-sensing device to the feeding cart to obtain parameters，such as operation distance and feed level height，the programming of PLC-based automated control procedure and the real-time presentation of interface，has realized automated operation of feeding cart，saving labor cost by about 0.8 million yuan/a.

Keywords：feeding cart;automation;PLC;software and hardware modification;ladder diagram3DC19304-5FFB-4E5C-862B-B3170A3FEE0A