基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的礦山自動(dòng)布料系統(tǒng)研究及開發(fā)

郭怡琳，張 柏，寇向宇

(1. 長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012； 2. 國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410012)

0 前 言

砂石骨料礦山生產(chǎn)車間堆場布料時(shí)，卸料皮帶自動(dòng)控制是提高料倉利用率和堆料效率的重要手段，為此，國內(nèi)專家學(xué)者在這方面進(jìn)行了大量的研究工作。高靜[1]設(shè)計(jì)了一種堆場給料皮帶機(jī)可向多條不同的受料皮帶機(jī)輸送物料的裝置，該卸料裝置與給料皮帶機(jī)共用一條膠帶，卸料裝置可以往復(fù)移動(dòng)，定點(diǎn)卸料，實(shí)現(xiàn)每條堆場給料皮帶機(jī)可向多條不同的受料皮帶機(jī)輸送物料；關(guān)于定位系統(tǒng)，采用紅外超聲三邊測距的絕對定位方法和光電編碼器航跡推算的相對定位方法[2]，比較準(zhǔn)確地測量了小車的運(yùn)行軌跡和方向，解決了傳統(tǒng)單純依靠紅外超聲定位存在的盲區(qū)問題；電控系統(tǒng)方面，王曉偉[3]在控制系統(tǒng)整體性上，針對目前礦井帶式輸送機(jī)以恒速傳輸物料導(dǎo)致能源浪費(fèi)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出基于動(dòng)態(tài)時(shí)間間隔調(diào)速和模糊控制的智能控制系統(tǒng)；雷達(dá)式固體料位計(jì)[4]因不受粉塵、噪聲的干擾而在物位測量中得到廣泛應(yīng)用；對自動(dòng)控制系統(tǒng)的安全性考慮，冗余控制[5]是一種滿足連續(xù)生產(chǎn)要求，提高控制系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的有效方法。

1 工程簡介

某砂石礦山的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)域共計(jì)2套移動(dòng)卸料皮帶，碼頭陸域共計(jì)4套移動(dòng)卸料皮帶，堆場卸料長度約500 m。石料堆場相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 石料堆場技術(shù)參數(shù)

目前礦山石料堆場移動(dòng)卸料皮帶的行走和卸料主要由現(xiàn)場控制箱進(jìn)行手動(dòng)操作，也面臨堆料不均勻、粉塵職業(yè)危害、高處作業(yè)等帶來的安全隱患以及作業(yè)效率低的問題(見圖1)。因此，礦山需對現(xiàn)有的移動(dòng)卸料皮帶進(jìn)行優(yōu)化升級，通過對卸料皮帶的定位、堆場料位監(jiān)測、皮帶運(yùn)行遠(yuǎn)程控制和通信系統(tǒng)、作業(yè)現(xiàn)場的視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)卸料皮帶的自動(dòng)化作業(yè)。

圖1 堆場現(xiàn)場

2 設(shè)計(jì)原則和目標(biāo)

2.1 石料堆場實(shí)施智能化工作的設(shè)計(jì)原則

石料管控智能化建設(shè)以“統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施、控制造價(jià)、注重實(shí)效”為總原則， 在整個(gè)規(guī)劃的具體設(shè)計(jì)當(dāng)中，注重以下方面要求。①系統(tǒng)性和完整性；②實(shí)用性和先進(jìn)性；③標(biāo)準(zhǔn)化和開放性；④安全性和可靠性；⑤經(jīng)濟(jì)性和靈活性；⑥擴(kuò)展性和前瞻性。

2.2 石料堆場實(shí)施智能化的目的

①精細(xì)化管控是手段，精準(zhǔn)的石料管理是目標(biāo)；②精細(xì)化管控的前提是智能化管理；③精準(zhǔn)的石料管理的前提是在線、實(shí)時(shí)和精準(zhǔn)檢測；④無人化是智能化的必然結(jié)果，不是智能化的目的。

3 系統(tǒng)組成

移動(dòng)卸料皮帶自動(dòng)控制系統(tǒng)包含以下幾個(gè)子系統(tǒng)：定位系統(tǒng)、料位系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)(見圖2)。

圖2 移動(dòng)卸料皮帶自動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽?/p>

3.1 定位系統(tǒng)

高精度、高可靠性的定位系統(tǒng)是移動(dòng)卸料皮帶自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)。常見的定位手段包括：GPS/北斗衛(wèi)星定位、編碼器、格雷母線、UWB超寬帶等。移動(dòng)卸料皮帶現(xiàn)場工況環(huán)境十分惡劣，粉塵濃度大且移動(dòng)卸料皮帶運(yùn)行過程中振動(dòng)大，根據(jù)絕對式編碼器的實(shí)際使用，采用旋轉(zhuǎn)編碼器+RFID定位方式。由于移動(dòng)卸料皮帶在行走過程中行走軌道上可能會(huì)有砂石或者行走一段距離之后會(huì)出現(xiàn)誤差，所以在進(jìn)行精確定位時(shí)，每隔一段距離需要添加RFID對移動(dòng)卸料皮帶的行走位置進(jìn)行標(biāo)定，以確保移動(dòng)卸料皮帶能持續(xù)精準(zhǔn)定位。

3.2 料位系統(tǒng)

移動(dòng)卸料皮帶在卸料過程中，由于粉塵導(dǎo)致現(xiàn)場能見度較低，現(xiàn)有料位計(jì)的測量高度要求在30～40 m，優(yōu)先選用普通雷達(dá)料位計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測堆場料位情況。

3.3 電控系統(tǒng)

現(xiàn)階段移動(dòng)卸料皮帶的行走是通過安裝在膠帶機(jī)旁的移動(dòng)卸料皮帶現(xiàn)場控制箱控制滑觸線供電對移動(dòng)卸料皮帶的行走進(jìn)行控制。

移動(dòng)卸料皮帶自動(dòng)控制電控系統(tǒng)改造分兩步進(jìn)行：

第一步：改造移動(dòng)卸料皮帶現(xiàn)場控制箱，將滑觸線供電接觸器由常開狀態(tài)改為常閉狀態(tài)；增加帶式輸送機(jī)兩端限位開關(guān)，當(dāng)移動(dòng)卸料皮帶行走至限定位置，限位開關(guān)觸發(fā)，就地控制箱斷開滑觸線供電，移動(dòng)卸料皮帶緊急停車。

第二步：增加移動(dòng)卸料皮帶就地動(dòng)控一體箱，安裝在移動(dòng)卸料皮帶上。電控箱中設(shè)置就地PLC控制系統(tǒng)、移動(dòng)卸料皮帶定位系統(tǒng)、移動(dòng)卸料皮帶料位系統(tǒng)、電源系統(tǒng)(給安裝在移動(dòng)卸料皮帶的定位系統(tǒng)、料位系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行供電)、通信系統(tǒng)(無線)、移動(dòng)卸料皮帶就地操作按鈕、移動(dòng)卸料皮帶接近開關(guān)。

3.4 PLC控制系統(tǒng)

考慮到移動(dòng)卸料皮帶自動(dòng)控制系統(tǒng)方便接入物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，推薦使用西門子PLC。

目前根據(jù)移動(dòng)卸料皮帶卸料和行走的相關(guān)狀態(tài)，IO點(diǎn)見表2。

表2 物聯(lián)網(wǎng)IO點(diǎn)

為了保證移動(dòng)卸料皮帶自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，使用智能總線控制器，并安裝在就地移動(dòng)卸料皮帶上方便IO信號接入PLC，減少控制電纜，增加中段控制系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)還能減少信號在傳輸過程中的故障和干擾。

3.5 通信系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、料位系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)與上位機(jī)、服務(wù)器通過光纖和無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的通信模式。

通信發(fā)射設(shè)備與卸料皮帶進(jìn)行連接，通過無線網(wǎng)絡(luò)與信號接收設(shè)備進(jìn)行通信。因?yàn)樾盘柦邮赵O(shè)備的通信范圍較大，在帶式輸送機(jī)的頭尾均需設(shè)置信號接收設(shè)備，保障現(xiàn)場數(shù)據(jù)的高效傳輸。

控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)輸出本地控制數(shù)據(jù)，經(jīng)過通信發(fā)射設(shè)備發(fā)送給信號接收設(shè)備，最后由光纖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜夭僮魇摇?/p>

3.6 視頻監(jiān)控

在礦山的半成品堆場、成品堆場、混合堆場車間等布料區(qū)域的重點(diǎn)設(shè)備附近安裝高清攝像頭，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，作業(yè)人員可在操作室根據(jù)實(shí)時(shí)視頻情況對設(shè)備進(jìn)行控制和調(diào)整，保障相關(guān)作業(yè)區(qū)設(shè)備的安全高效運(yùn)行。

3.7 安全保障

結(jié)合作業(yè)現(xiàn)場實(shí)際情況，移動(dòng)卸料皮帶自動(dòng)控制系統(tǒng)需增加安全保障系統(tǒng)確保作業(yè)的安全性。

1)預(yù)設(shè)作業(yè)區(qū)域和控制系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)

在定位系統(tǒng)的精準(zhǔn)定位下，卸料皮帶可在預(yù)先設(shè)定好的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，超出預(yù)設(shè)作業(yè)區(qū)域時(shí)，會(huì)發(fā)送報(bào)警信號給自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將停止卸料皮帶的行走。

2)超界預(yù)警和停車功能

將接近開關(guān)和限位裝置分別固定在卸料皮帶和輸送機(jī)上，當(dāng)卸料皮帶移動(dòng)至對應(yīng)區(qū)域時(shí)，接近開關(guān)和限位裝置將做出相應(yīng)的動(dòng)作，致使卸料皮帶停止運(yùn)行。

4 結(jié) 論

通過建立卸料皮帶自動(dòng)控制系統(tǒng)，現(xiàn)場作業(yè)人員能夠在操作室對移動(dòng)卸料皮帶進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，自動(dòng)控制系統(tǒng)可以通過料位監(jiān)測和定位數(shù)據(jù)自發(fā)調(diào)整卸料皮帶的作業(yè)過程，現(xiàn)場操作工也可以結(jié)合卸料現(xiàn)場實(shí)時(shí)情況對卸料參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)把控，控制系統(tǒng)結(jié)合程序進(jìn)行自動(dòng)卸料，對石料堆場的料堆高度和石料堆放重量進(jìn)行精確把控。有效解決堆場堆料不均勻、粉塵職業(yè)危害、高處作業(yè)等帶來的安全隱患以及作業(yè)效率低的問題，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)卸料皮帶的自動(dòng)化作業(yè)，也為企業(yè)的生產(chǎn)效率和安全提供了保證。