銅精礦全流程自動取樣機的應用研究

李剛 盧華亮

（玉溪大紅山礦業有限公司）

0 引言

銅精礦是供冶煉廠煉銅的主要原料，也是礦山企業經營的重要產品，取樣是評價銅精礦品質的重要環節，直接關系到企業的經濟利益。然而，傳統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，嚴重影響了礦山的生產效率和經濟效益。與此同時，人工取樣作業存在簡單性、重復性特征，耗費大量時間和人力資源，增加了企業成本。另外，工作人員在高溫、高噪音、高粉塵的環境中進行取樣作業，還面臨車輛傷害、高處墜落、機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，以此來優化、改進現場工藝。

1 系統功能需求分析

為減輕銅精礦取樣的勞動強度、保障工作安全，降低人工成本，達到減人增效、提高礦山生產效率和經濟效益目的，系統需求實現以下功能：根據工藝流程和現場使用環境，采樣機滿足現場使用條件，大、小車能自動運行；能自動識別車輛全貌及定位取樣坐標，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；所取樣品能自動破碎、混勻；所取分樣能自動封裝并編碼；實現取樣機的遠程監控及打包。

2 系統總體架構

系統架構如圖1 所示，系統采用三層模型設計，硬件控制包含智能相機、超聲波測距儀、大小車、取樣桿、PLC 控制系統、打包封裝及網絡通信等設備，通過智能相機和超聲波精準定位取樣位置，通過以太網發送至PLC 處理并向大小車、取樣桿、螺旋機構、縮分器及自動封裝打碼系統等發送指令，實現銅精礦的全斷面采樣和封裝編碼。系統監測是利用大數據、工業互聯網等技術實現系統在線監測，實現對銅精礦取樣過程視頻、系統運行狀態、網絡通信監測等信息的實時監控。平臺管理是采用前后端分離開發，跨平臺部署，實現對基礎數據、銅精礦化驗品味錄入及統計分析管理，從而達到對整個取樣生產過程的監控及管理。

圖1 系統架構圖

3 工藝流程

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

4 系統功能設計

本系統由銅精礦來源識別系統、取樣定位系統、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、電控系統、電子安全門、通信網絡系統、遠程集中管控平臺組成。

4.1 銅精礦來源識別系統

運輸不同類型礦石的卡車可能經過同一汽車衡，在汽車衡集中計量系統中，物料類型與車牌號或手持物料卡綁定。該系統與汽車衡集中計量系統數據庫通訊，篩選運輸銅精礦的卡車，并將重量及相關屬性信息傳輸至PLC 控制系統，實現銅精礦的來源識別。

4.2 智能定位系統

在合適位置（具體視現場實際情況確定）加裝三目相機，在磅秤側邊加光電觸發開關，當礦車停于磅秤計量時，光電觸發開關產生觸發信號，智能相機拍攝照片，通過智能識別算法分析出礦車裝料狀態，當礦車車廂未裝礦時，取樣機不取樣。

通過三目相機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，并將數據發送至PLC 系統進行分析處理，從而為取樣機提供取樣點坐標，實現取樣點定位。

取樣機自動取樣按照銅精礦汽車運輸手工取樣方法進行：

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。

在二維平面內布置N=30個機器人傳感器節點的全連通網絡用于位置定位,節點最初分布在100 m×100 m的區域內,坐標(10,10),(10,90),(90,10)和(90,90)處固定4個信標用于節點的基準定位.每次迭代獲取機器人節點位置時,節點在垂直方向和水平方向上都遠離信標,移動步長控制在(0,2)范圍內均勻分配.由于噪聲隨節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

本取樣機系統采用橋式單跨一大車一小車的結構型式，整機平臺安裝于汽車衡磅房梁柱適當高度，平臺兩側安裝軌道，取樣機大車落穩在軌道上，溝通左右鋼軌，大車采用兩輪驅動的變頻調速方式，實現高效的控制和平穩的運行。小車放置于大車上，小車采用兩輪集中驅動的變頻調速，通過變頻+計數編碼器定位的方式實現小車左右移動的精準定位。大小車電機自帶制動器，并與系統聯鎖控制，實現大小車的制動，也可在系統發生故障時，及時停車，減少突發事故造成設備損壞。

4.4 采樣裝置

采樣裝置包含升降機構、采樣頭及電機及清洗裝置，采樣裝置的升降機構安裝于小車上。升降機構連接安裝有電機且外加套筒的螺旋鉆頭，根據PLC 控制系統發送的取樣坐標，大小車帶動、升降機構帶動取樣鉆頭移動至取樣點，螺旋鉆頭正轉實現銅精取樣，取樣完成，將螺旋鉆頭移動至卸料點并反轉，實現樣品卸料。為了保證取樣的準確性，減少誤差，系統外設一套超聲波清洗裝置對采樣頭進行清洗，當前批次取樣完成時，系統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，需要對原始樣品進行分割和篩選，得到符合要求的樣品。系統采用皮帶刮掃式縮分器，將采樣裝置卸入的原始樣品按設定的時間從皮帶上做全斷面刮掃，采取的子樣通過溜槽進入初級送料皮帶機，同時把樣品均勻送入破碎機破碎到一定的粒度，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入樣品容器，通過可調節的集樣板將樣品分離，分配到不同的容器中，系統集樣倉數量和容積可根據現場需要進行設計。底開門批次集樣器通過PLC 控制，可根據需求精準地控制采樣時機，提高工作效率，同時通過實時監測和自動控制，可以避免出現重復或無效的采樣，減少浪費[1]。

4.7 自動封包及打碼系統

集樣倉中的樣品卸入打包機進行自動封包，通過激光灼燒，將數字碼（日期+隨機編號）或條形碼或二維碼標注至封裝袋，以確保產品能夠安全、完整地運輸到化驗室并且正常使用，同時方便追蹤管理和維護。

4.8 電控系統

取樣區域安裝1 套電氣控制柜、行程開關、感應裝置、操作臺等設備，電氣控制柜內安裝PLC 控制器、觸摸屏、服務器、變壓器、變頻器、開關電源，繼電器，斷路器等電氣原件，感應裝置用于觸發相機拍照，行程開關用于測量大小車行走的位置，確認取樣機開始取樣的動作信號，操作臺實現系統的現場操作與控制。

PLC 控制器通過以太網與取樣機、智能識別定位系統、采樣裝置、制樣單元、自動封包及打碼系統連接，并通過硬接線與操作臺、安全門及傳感器等設備連接，組成電控系統，實現整個系統的數據采集、數據處理、數據存儲、數據傳輸及聯鎖控制，并通過上位機顯示系統運行狀態，通過觸摸屏進行人際交互，實現系統的參數設定、修改及配置，并實現設備工作狀態及報警記錄等[2]。

4.9 電子安全門

一般情況下，不允許人員進入軌道平臺，特殊情況下，如檢修人員進入軌道平臺，為保證人員及設備安全，在平臺檢修出入口加裝電磁鎖和緊急停機設備，整個取樣區域安裝視頻監控，對非法闖入人員進行抓拍取證，同時發送闖入報警信息至取樣控制中心，并執行緊急停機，檢修人員在停機時間且打開安全門方可進入軌道平臺，實現取樣機運行時的安全隔離和安全聯鎖。

4.10 通信網絡系統

系統PLC 與服務器之間通過以太網通訊，PLC 與現場裝置及系統通過硬接線連接，實現現場信號的采集和系統的控制。在操作中心、取樣現場及化驗室安裝光電混合口交換機，通過光纖連接，實現操作中心、取樣現場和集控中心的網絡通訊。

4.11 遠程集中管控平臺

遠程集中管控平臺通過iPlat 平臺實現，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視電子圍欄視頻、各系統運行情況、報警信息、查看報表、物料來源分類，可根據工作情況分配不同等級操作權限。

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客戶端，所輸入信息不可更改，如要更改需設置權限。在銅精礦全流程自動取樣機系統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。

遠程集中管控平臺將生產管理、報表管理、品位管理及系統管理進行集成，實現了系統數據的統一監控，為企業結算提供依據，為企業生產決策提供數據支撐。

5 系統應用效果

系統采用圖像識別及超聲波精準定位、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技術，自主研發軟件平臺融合PLC自動控制系統、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數據精準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、精準定位，現場精準布點自動取樣，全流程自動打包、自動噴碼及自動封裝的核心技術，在化驗室實現遠程集中自動取樣打包替代人工取樣，達到無人值守條件，消除了人工取樣的安全風險，達到企業“機械化換人、自動化減人，智能化無人”的目標，提升了企業本質安全管理水平。

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

6 結論

（1）銅精礦全流程自動取樣機的應用研究，應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，節約人工成本90 萬元以上，有助于提升采礦過程中的本質化安全。

（2）通過程序算法自動分析并隨機取樣，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1.5 m 以上，實現全斷面取樣，可減少人工表面取樣造成的取樣數據代表性不強、數據失真等問題，可降低結算風險，同時提高了企業管理水平，具有較大社會意義，具有較強的可推廣性。