王曉永李曉剛孫胡生盧元利3

（1.丹東東方測控技術股份有限公司；2.本鋼設計研究院有限責任公司）

某礦山的聯(lián)合儲庫庫區(qū)有2臺行車進行作業(yè)，行車起升高度27 m，抓斗容積4.5 m3，起重質量16 t，滑觸線設置于卡車入料側。該儲庫庫區(qū)長120 m、寬30 m、高20 m。庫區(qū)一側為卡車輸送給料區(qū)，共18 扇卷簾門。對面一側為出料區(qū)和2 個皮帶進料區(qū)，有5 個緩沖倉和2 個皮帶進料口，黏土由皮帶輸送至存儲區(qū)。存儲區(qū)劃分為3 個大區(qū)域，區(qū)域間由矮墻隔開，矮墻距離庫區(qū)底面約8 m，存儲區(qū)的上端面與室外地平面平齊。存儲區(qū)目前存儲的原料有鐵質原材料、黏土、煤矸石、電爐渣4 種，其中鐵質材料來自4 個不同廠家，各按區(qū)域堆放并按企業(yè)配比計劃進行添加。

行車的主要工作任務為保證緩沖倉物料供應連續(xù)、防止卡車卸料堆積、防止皮帶下料堆積、保證庫區(qū)平整等。目前聯(lián)合儲庫未達到最優(yōu)的生產(chǎn)效果，行車工作效率較低、卡車入料缺乏管理、庫區(qū)安全防護不足。分析主要原因：①行車等設備使用已超過10 a，部件陳舊，性能不足、老化嚴重，故障率高，維護工作量大；②大小車運行速度慢，遠低于設計速度；③設備控制方法陳舊，為崗位就地操作，尤其是抓斗起升控制的原理和方法較落后，能耗高且效率低下；④自動化程度不足，行車無法實現(xiàn)無人操作；⑤安防措施不足，缺乏對安全狀況識別及管理系統(tǒng)。

為此，以某礦山企業(yè)庫區(qū)行車基于5G 網(wǎng)絡的智能行車改造為例設計了一種解決方案，發(fā)揮了5G 網(wǎng)絡的低時延、大帶寬、廣連接的特性，達到了高效減員的目的。

1 5G網(wǎng)絡設計

5G網(wǎng)絡能夠為智能行車系統(tǒng)提供全面、低延時、廣連接的網(wǎng)絡連接，為數(shù)據(jù)通信提供基礎的交互系統(tǒng)，支持視頻、音頻、在線實時狀態(tài)等信息數(shù)據(jù)的傳輸，5G網(wǎng)絡是一種寬帶化、泛在化、智能化、融合化的新一代通訊網(wǎng)絡技術，能夠滿足移動智能行車的多樣化、低延時數(shù)據(jù)通訊連接的要求［1-3］。

5G 網(wǎng)絡并非簡單提升了傳輸速率，其充分融合了現(xiàn)有無線技術和互聯(lián)網(wǎng)技術，能更好地滿足多樣化的要求，更好地實現(xiàn)人與人、人與物、物與物的互聯(lián)互通。該設計不但實現(xiàn)了行車與控制室的互聯(lián)，同時將操作人員、管理人員的手機互聯(lián)到網(wǎng)絡系統(tǒng)中，讓管理者能更好地實時掌握現(xiàn)場的生產(chǎn)信息情況。

系統(tǒng)網(wǎng)絡由行車上安裝的無線5G 終端和室外5G 網(wǎng)絡無線通訊組成，5G 網(wǎng)絡將采集的視頻等信息傳輸至分析計算機，將控制指令下達至行車控制器。5G 單用戶上行峰值速率187 Mbps、5G 單用戶下行峰值速率350 Mbps，單向時延一般在2～4 ms，ping包測試一般約10 ms，理論速率為360～675 Mbps。

（1）700 MHz 僅需1/3的基站規(guī)模，依然可比國內4G網(wǎng)絡的上下行使用效果更優(yōu)。

（2）700 MHz 下行平均速率超過75 Mbps，可滿足并行15路1080 P視頻信號的傳輸需求。

（3）700 MHz 上下行覆蓋較為平衡，上行速率明顯占優(yōu)，可滿足更廣泛的行業(yè)應用。

（4）NR 中頻段頻譜的下行速率更優(yōu)，700 MHz 可通過頻譜協(xié)同技術提升SG競爭力。

該網(wǎng)絡具有很強的穿透能力，對于車間現(xiàn)場具有很好的適用性，700 MHz 比2.6 GHz 信號強20 dB，深度覆蓋提升。穿透數(shù)據(jù)測試結果見表1，5G端對端組網(wǎng)拓撲結構見圖1。

2 控制系統(tǒng)設計

該礦山儲庫車間行車原有系統(tǒng)配置CPU 采用CPU226，輸入擴展模塊為EM221DⅠ230VAC 輸入，輸出擴展模塊為EM222 繼電器輸出，模擬量輸入模塊采用EM231 輸入。原使用西門子200 系列PLC 控制器，計算性能較差且已停產(chǎn)，難以滿足智能化需求。

設計采用西門子1500系列控制器，S7-1500系列的CPU 自帶面板，具有診斷、調試、維護、ⅠP 地址分配、趨勢圖顯示、讀取程序循環(huán)時間等功能，便于智能行車系統(tǒng)的調試。S7-1500 系列的CPU 支持LED通道分配，可快速定位錯誤。當發(fā)生故障時，可不需編寫程序就可以通過編程軟件、HMⅠ等方式快速實現(xiàn)通道級的診斷。S7-1500 系列CPU 集成標準化的OPC UA 通信協(xié)議，連接控制層和ⅠT 層，實現(xiàn)與上位SCADA/MES/ERP 或云端的安全高效通信，為后續(xù)的系統(tǒng)升級提供硬件支持，可與上位機實現(xiàn)安全有效地通信，該通訊方式便于行車系統(tǒng)的架構；還可以通過PLCSim Advance 軟件實現(xiàn)PLC 數(shù)據(jù)和仿真軟件連接進行虛擬調試，該功能對于離線調試很方便。

在響應速度方面，S7-1500 系列CPU 響應速度快，位處理的速度最快可達1 ns，支持最快125μs 的PROFⅠNET 數(shù)據(jù)刷新時間，從而滿足主控制器與行走電機變頻器、抓取電機變頻器、提升變頻電機變頻器等的通信速率要求，對于行走電機和抓取電機等的運動控制能很好地及時響應；CPU本體集成有多個以太網(wǎng)接口，為行車本體的控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的通訊預留了足夠的通信接口；在編程方面Profinet 通信支持等時同步方式，S7-1500系列CPU通過TⅠA Step7軟件進行編程，支持ⅠEC 61131-3 編程語言，可通過LAD、FBD、SCL、STL 和Graph 等多種編程語言實現(xiàn)程序編碼設計，同時可采用ODK 直接運行高級語言算法。該控制器是最新的大型控制器序列，具有安全可靠、擴展方便、運算能力高、運算速度快、信息豐富的特點，車載HMⅠ方面在行車上設置了觸摸屏，以方便巡檢查看。

模塊的設計上數(shù)字量輸入模塊采用1521-1BL00，輸入端的采集設備包括行車系統(tǒng)的限位開關、按鈕、繼電器觸點、接近開關、選擇開關、編碼器、RⅠFⅠD、光電開關等設備的輸入信號，數(shù)字量輸出模塊采用1522-1BL01，模擬量輸入模塊采用1531-7NF10，該模塊輸入信號類型為電流、電壓；分辨率為包括符號在內16 位；每個通道轉換時間62.5 μs，采集的設備信號包括重力傳感器、變頻器頻率、激光雷達料位、電流傳感器、電壓傳感器的信號等，模擬量輸出模塊采用1532-5HF00。

在系統(tǒng)的電源方面，系統(tǒng)電源通過U型連接器連接到背板總線，并專門為背板總線提供內部所需的系統(tǒng)電源，這種系統(tǒng)電源給模塊的電子元件、LED 指示燈供電，若CPU 模塊、接口模塊等沒有連接到DC24V 電源上，系統(tǒng)的電源為這些模塊供電，該設計采用的電源為PS60W 1505-0RA00。負載電源PM1507 負責為CPU 模塊、ⅠM 模塊、Ⅰ/O 模塊等提供高效、穩(wěn)定、可靠的DC24V 供電，其輸入電源120～230 VAC。負載電源特點：①具有輸入抗過電壓性能和輸出過壓保護功能，可有效提高系統(tǒng)的運行安全；②具有啟動和緩沖能力，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；③復合SELV 提高了S7-1500PLC 的應用安全；④具有EMC的兼容性能，符合S7-1500PLC 系統(tǒng)的TⅠA 集成測試要求。

車載系統(tǒng)集成了行車自身的電氣、定位、設備狀態(tài)等信號，通過電纜、Profibus-DP、光纖以太網(wǎng)絡等通訊進行數(shù)據(jù)采集和命令下達，升級改造后的行車控制系統(tǒng)具有了遠程控制行車的運行、抓斗的控制等功能，通過鼠標點擊操作，按照編程程序完成行車控制。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件編程主要包括行車的行走控制編程、抓斗的控制編程、行車行走規(guī)劃編程等［4-5］。在編寫程序之前對S7-1500模塊的參數(shù)進行配置，以數(shù)字量輸入模塊為例對參數(shù)進行配置。數(shù)字量輸入模塊的參數(shù)有常規(guī)、模塊參數(shù)、輸入3個選項，模塊參數(shù)選項中包含常規(guī)、通道模板和DⅠ組態(tài)，常規(guī)選項中有啟動選項，表示組態(tài)硬件和實際硬件不一致時硬件是否啟動。輸入選項中，如激活了無電源電壓L+和斷路選項，則模塊的斷路或電源斷電時會激活故障診斷中斷。在輸入?yún)?shù)選項中，可選擇輸入延時時間，默認為3.2 ms。

在機架上插入數(shù)字量模塊時，系統(tǒng)軟件自動為每個模塊分配邏輯地址，刪除和添加模塊不會造成邏輯地址的沖突。在智能行車改造項目中，修改模塊的地址將有利于日后的設備管理歸檔，這時對模塊進行地址的統(tǒng)一設計，修改的方法是先選中要修改的數(shù)字量輸入模塊，再選中選項卡，再輸入地址的“起始地址”即可，“結束地址”會自動跟隨不需修改。如果輸入的起始地址與系統(tǒng)有沖突，系統(tǒng)軟件會彈出提示信息。

系統(tǒng)編程以幾個模塊為例介紹智能行車的編程實現(xiàn)，從而將崗位的就地操作轉化為可通過中控室操作的遠程程序控制。抓斗的程序控制以抓斗的上升為例，將抓斗的控制分為抓斗上升1檔位、2檔位、3檔位、4檔位進行程序編寫和控制；抓斗下降1檔位、2檔位、3 檔位、4 檔位進行程序編寫和控制；該抓斗的控制編寫完畢后，整合為功能塊，方便靈活調用。行車抓斗控制程序見圖2。

行車的大小車主接觸器的狀態(tài)判斷程序控制編程包括大小車主接觸器的控制輸出線圈狀態(tài)，大小車主接觸器的吸合狀態(tài)設定一個時間T70 作為輸入判斷該接觸器信號的吸合時間計時，大小車主接觸器的黏連狀態(tài)設定一個時間T71 作為輸入判斷該接觸器信號的黏連時間計時，大小車主接觸器的接觸器狀態(tài)作為輸入信號判斷大小車的主接觸器的狀態(tài)輸入；綜合以上信息，進而判斷行車大小車的主接觸器是否處于吸合故障狀態(tài)，判斷行車大小車的主接觸器是否處于黏連故障狀態(tài)。該行車的大小車主接觸器的狀態(tài)控制編寫完畢后，整合為功能塊，方便靈活調用。行車行走控制程序見圖3。

行車在操作電腦上的控制界面包括的內容有行車的位置信息、行車的狀態(tài)信息、庫區(qū)料位信息、1#～6#倉取料是否正常、行車PLC 通訊是否正常、1#～7#雷達狀態(tài)信息、行車的控制模式、行車供電狀態(tài)信息、大車狀態(tài)、小車狀態(tài)、抓斗工作狀態(tài)等，該行車的操作電腦畫面編程完畢后，由中控操作人員進行操作。行車控制界面見圖4。

行車控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能如下。

（1）進料。物料由進料口（貨車進料口或皮帶進料口）進入進料區(qū)。

（2）出料。系統(tǒng)會自動掃描出料倉物料料位情況，不定時安排行車出料，確保出料倉料位，滿足后續(xù)工藝連續(xù)生產(chǎn)需求，保障不發(fā)生斷料等生產(chǎn)異常情況。

（3）跨庫區(qū)移料。根據(jù)物料的具體料位情況，將物料由進料區(qū)或儲存區(qū)移至儲存區(qū)指定位置區(qū)域。

（4）進料區(qū)根據(jù)料位設置高高料位和低低料位。料位高于高高料位，停止進料，對進料口移料；料位低于低低料位，允許進料并啟動程序優(yōu)先于其他位置進行優(yōu)先進料，禁止行車對進料口移料。

（5）行車協(xié)同優(yōu)化控制。當生產(chǎn)任務重時使用2臺行車協(xié)同工作，優(yōu)化任務分配和作業(yè)區(qū)域分配，避免2 臺行車的任務沖突；同時具有行車避讓功能，當行車運行過程中前方有障礙物時，及時啟動避障程序，防止事故發(fā)生。

（6）卸料管理。結合卡車信息、庫料位信息判斷卡車卸料口，并結合聯(lián)動門禁系統(tǒng)進行卷簾門的開閉控制，從而使卡車控制、庫料位信息進行整合與控制，避免庫里料滿而給料卡車卻由該卸料口進行卸料的問題。

（7）智能故障分析。結合庫區(qū)設備情況，對設備的故障信息進行分析判斷，根據(jù)故障的級別自動做出相應的動作輸出。

（8）安全管理。結合智能監(jiān)控系統(tǒng)、煙霧報警、人員闖入、安全監(jiān)測設備等，自動或手動設置行車行駛的禁吊區(qū)域，自動規(guī)劃行車行駛的安全路徑，對庫區(qū)的生產(chǎn)安全和設備安全進行管理。

（9）物料庫存的統(tǒng)計計算。依據(jù)庫區(qū)的物料高度、密度等信息，計算物料體積和質量，以便于庫區(qū)物料的自動盤點工作。

（10）報表、報警、數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)歸檔。對行車運行情況、卡車情況、操作情況、作業(yè)流程、故障警報等數(shù)據(jù)進行記錄歸檔，方便現(xiàn)場查詢。

4 改造效果

（1）5G 無線網(wǎng)絡能很好地解決移動設備的通信問題，通信速率高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

（2）行車控制的升級及檢測功能的完善有利于設備的遠程運維，提高了設備的穩(wěn)定性，減少了故障停車對生產(chǎn)的影響。

（3）行車的控制方式由機旁人工操作改變?yōu)檫h程系統(tǒng)控制，節(jié)約了人力。

（4）行車的技術升級對生產(chǎn)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定高效運行起到了重要的提升作用，為企業(yè)提質增效奠定了基礎。

5 結 語

（1）某礦山的行車系統(tǒng)改造升級后，行車操作人員全部轉崗，大幅度降低了人員費用及設備運行維護費用，同時降低了設備故障率，提高了設備運行效率，經(jīng)濟效益顯著，具有推廣應用價值。

（2）行車系統(tǒng)升級后，下一步規(guī)劃將采購的鐵質材料、黏土、煤矸石、電爐渣的品質、粒度、黏度、塊徑等數(shù)據(jù)和智能行車數(shù)據(jù)整合，存儲到企業(yè)云平臺，形成大數(shù)據(jù)平臺庫，實現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)共享，從而建立企業(yè)智能工業(yè)大腦，提升企業(yè)運行效率，降低生產(chǎn)經(jīng)營成本，提升企業(yè)綜合競爭力。