朱明钧

（江西铜业集团有限公司 城门山铜矿，江西 九江 332000）

1 引言

散料抓斗全自动行车系统是目前企业在工厂管理方面所关注的一个新趋势，是智慧矿山数字矿山的重要组成部分，也是选矿后铜金粉物流高效搬运关键工序的重要环节。散料抓斗全自动行车系统的优点是可以减少人员配置、加快物流周转、减少物料的丢失和损伤等等。但对散料抓斗全自动行车系统的认识不能只局限于行车自动化的本身。散料抓斗全自动行车系统是一个集成了行车自动化、库管自动化、运输工具自动化和稳定高效的通讯系统的综合系统，同时也对物流的管理提出了更高的要求。如果只是关注于散料抓斗行车自动化，而忽略了与散料抓斗行车运输相关的其它系统的构建和支持，那么实施散料抓斗全自动行车系统很难获得成功。

2 系统改造方案设计

实施散料抓斗全自动行车系统有如下关键工序的设计：

（1）关键技术。实施散料抓斗全自动行车系统关键技术有抓斗防倾斜装置、防摆动装置、安装变频器、安装精确的重量传感器称重装置、自动3D扫描系统、定位系统、自动抓斗的类型等等。

（2）安全装置。从人身安全角度出发，散料抓斗全自动行车系统要求工作区域四周安装围栏，防止人员进入。如果围栏被打开，散料抓斗全自动行车系统要自动感知并停止运行。

（3）库管系统。高效的智能的功能强大的库管系统是支持散料抓斗全自动行车系统稳定运行的必要条件。库管系统外部连接MES系统、主产线L2系统以接收生产计划和物料生产实绩信息，内部与库区内的产线连接以完成后续工序的上料和下料的运输作业，还要根据发货计划完成装车作业。所以库管系统必须有自动收料、自动寻址、自动发货，自动优化运输路径等功能。可以说，库管系统是散料抓斗全自动行车系统的大脑，它的优劣直接关系到散料抓斗全自动行车系统的成功与否。

（4）通讯系统。通讯系统要保证稳定高效，否则其它设备和系统再完美，通讯不稳定，散料抓斗全自动行车系统也无法安全运行。通讯系统包括行车与地面通讯的无线网络及地面各系统之间通讯的有线网络。特别是无线网络的搭建。行车自身的设备造就了复杂的电子环境，库区内的工况与普通环境不同，系统内交互的数据量非常大而且实时性很强。以上这些，对无线网络设备质量及布局提出了非常高的技术要求。

3 散料抓斗全自动行车系统设计

3.1 硬件要求

实施散料抓斗全自动行车系统至少需要安装下列硬件设备（见图1）：

（1）X/Y/Z 这3个维度方向的位置传感器，精度+/- 5cm以内，并增加冗余的X/Y/Z方向的传感器以保证在某个传感器故障的情况下散料抓斗全自动行车系统运行暂时不受影响 。

（2）3D激光扫描系统［1］，用于识别物料，定位装料车辆位置。

（3）车辆识别系统。

（4）防摇摆装置，以避免抓斗投料时物料洒出车外。

（5）称重系统，避免车辆装料出现超载或欠载状况。

（6）变频器及电机驱动系统。

（7）防碰撞系统，防止行车与行车或与墙壁发生碰撞。

（8）数据处理及传输系统。

3.2 PLC系统设计

散料抓斗全自动行车系统要求对所有传感器的信号进行快速响应处理，因此控制系统的CPU处理周期时间必须要很短。为了保证散料抓斗全自动行车系统的安全运行［2］，控制系统需要采用西门子的SIMATIC S7-1200/S7-1500系列产品。

3.3 变频器

散料抓斗全自动行车系统要求控制行车平稳的运行以执行作业，平稳的加速及减速需要采用变频控制模式。原旧行车的大车、小车变频器为安川变频器，由于散料抓斗全自动行车需要自动定位及防摇摆功能，将整体更换大小车变频器［3］。

图1 散料抓斗全自动行车系统车上设备配置图

大小车控制选用的变频器品牌：ABB,施耐德，西门子，模拟量模块控制变频器频率，从而实现防摇摆、定位等功能。

起升、开闭控制选用的变频器品牌：GBM专用变频器，模拟量模块控制变频器频率，从而实现定位、抓斗沉抓、抓斗追绳等功能。

4 仓库管理系统WMS设计

智能库管系统是整个无人料场系统的出入口，也是中央大脑，负责接收业主现场计量称重与销售系统（也可人工输入作业计划）的出库计划。通过接收料堆扫描系统的数据，实时掌握整个料场料堆轮廓，再通过智能调度系统，将作业任务分解成具体的调度命令，将命令发往行车完成相应作业任务。 系统还提供多种管理功能，包括：出料记录，库存报表，行车作业统计，报警查询统计，行车状态监控等［4-5］。

4.1 仓库管理系统（WMS）的功能

仓库管理系统(WMS)最基本的功能就是装料车辆到达后进行引导车辆进入指定工位，分配作业任务并呼叫自动化行车进行装料作业，此外WMS系统还必须满足下列需求:

（1）识别并引导装料车辆作业。

（2）装料车辆信息存储数据库。

（3）上传工单至MES系统。

（4）根据生产计划生成装料作业指令。

（5）优化装料规则，自动生成行车作业指令。

（6）对各种运输工具的管理。

（7）简洁友好的人机交互界面，便于地面管理人员操作。

（8）报表及查询功能。

图2 无线通讯网络组网示意图

（9）用户和权限管理功能。

4.2 仓库管理系统（WMS）的结构

仓库管理系统是基于客户端/服务器的C/S软件架构。WMS可完全独立于已有的MES系统运行。WMS拥有自己的数据库，数据库使用oracle产品。WMS与L3的生产计划系统可建立通讯接口，以随时接收生产下线物料的数据。仓库管理系统需包含原端口应用程序、后台数据库、中间件服务(用于建立与各系统的接口通讯，分发电文等)、车辆识别系统等模块［6］。

5 通讯系统设计

散料抓斗全自动行车将建立4G LTE5G无线通讯信号覆盖，行车视频监控通过无线通信方式与中控室系统连接，库区固定安装位置的视频监控通过CPE或光纤与中控室连接，行车信号控制系统通过无线PN以太网方式与中控室连接，车辆装料位上方的3D激光扫描设备通过网线连接方式与中控室连接（见图2）。

散料抓斗全自动行车系统的车上设备与地面系统之间的通讯只能通过无线传输方式，其间时刻都有大量的数据交互。散料抓斗全自动行车快速行驶中，必须保证这些数据通讯的稳定性和连续性。特别是在不同的通讯节点之间做接入切换的时候，切换时间要少于100ms。本次采用的通讯方式为工业以太网模式，确保散料抓斗全自动行车与控制系统间的实时通讯，实时响应。基于工业以太网TCP/IP通讯方式［7］，控制系统出现与无人行车出现断开连接时，散料抓斗全自动行车将立即停止作业，确保安全生产。

6 结语

通过抓斗智能化改造的完成，在矿料运输的应用中，实现智能抓斗实时数据与城门山铜矿数据中心数据实时共享，实现智慧矿山销售计量系统全无人化。智能抓斗系统与功能强大的中控管理系统相配合，大大提高了城门山铜矿的生产自动化和信息化程度。