周飛舟，付延濤，辜小川

摘要：為實(shí)現(xiàn)大型礦用自移橋式布料機(jī)運(yùn)行時(shí)自移式布料橋的7臺自行履帶車在堆浸場水平方向多角度多方向同步行走、自移式布料橋和可移置膠帶機(jī)卸料小車同步行走時(shí)位移和角度的高度一致性，并控制移動式卸料小車在自移式布料橋上方軌道的行走區(qū)間和不同位置處的行走速度。在布料機(jī)上安裝GPS接收機(jī)，采用基于實(shí)時(shí)動態(tài)載波相位差分技術(shù)的GPS精確定位4臺GPS接收機(jī)的位置坐標(biāo)，PLC控制器將GPS接收機(jī)的位置信息轉(zhuǎn)換為堆浸場坐標(biāo)值，并通過與DP通訊連接傳送位置信息，最終通過在軟件中編程實(shí)現(xiàn)自移式布料橋多自行履帶車同步行進(jìn)和各組件協(xié)同工作，減少了布料橋整體行走時(shí)的機(jī)械故障率，每年可節(jié)約成本約13萬美元。

關(guān)鍵詞：GPS;自移橋式布料機(jī);RTK技術(shù);坐標(biāo)系;PLC

中圖分類號：TD676 文章編號：1001-1277（2022）03-0050-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20220311

引 言

GPS（Global Positioning System）即全球定位系統(tǒng)，在使用GPS進(jìn)行定位時(shí)，會受到各種因素（如衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差誤差、傳播誤差等）的影響，為消除誤差源得到更高的定位精度，常采用差分GPS技術(shù)[1]。自移橋式布料機(jī)（下稱“布料機(jī)”）用于散裝物料的堆置，移動工作時(shí)對各自行履帶車和關(guān)鍵移動部位定位精度要求高。

萬寶礦產(chǎn)（緬甸）萊比塘銅礦（下稱“萊比塘銅礦”）選礦廠現(xiàn)有2臺生產(chǎn)能力6 000 t/h的布料機(jī)，布料機(jī)結(jié)構(gòu)龐大，控制系統(tǒng)復(fù)雜。

因此，萊比塘銅礦定位系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)動態(tài)載波相位差分（Real-Time Kinematic，RTK）技術(shù)，該技術(shù)需根據(jù)現(xiàn)場測點(diǎn)數(shù)量布置若干套GPS定位設(shè)備，每套GPS定位設(shè)備包含2臺接收機(jī)，其中一臺作為基準(zhǔn)站，另外一臺則作為流動站[2]，多點(diǎn)測量時(shí)流動站可以共用1個基準(zhǔn)站。

采用瑞士徠卡公司的GS10定位設(shè)備，GS10采用無線傳輸方式接收RTK數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)站和流動站之間選用芬蘭SATEL公司的GFU27無線數(shù)傳電臺傳輸數(shù)據(jù)。依據(jù)RTK技術(shù)對基準(zhǔn)站的選址要求[2-3]，在堆浸場正前方設(shè)置一個基準(zhǔn)站，置于塔臺頂端，實(shí)時(shí)向布料機(jī)上的4臺流動站發(fā)送其接收到的載波相位信號[3]。

GPS工作時(shí)，所有接收機(jī)都在觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)站把接收的載波相位信號傳給流動站，流動站在接收衛(wèi)星信號的同時(shí)也接收基準(zhǔn)站信號，在這2個信號的基礎(chǔ)上，流動站上的內(nèi)置軟件就可以實(shí)現(xiàn)差分運(yùn)算，精確定位出基準(zhǔn)站與流動站的空間相對位置[2]。采用RTK技術(shù)測量可使GPS定位精度達(dá)到厘米級[2-3]。

1 工程背景

萊比塘銅礦是亞洲最大濕法冶金銅礦山之一，年生產(chǎn)陰極銅10萬t，采用“露天開采—破碎—運(yùn)輸—堆浸—萃取—電積”的生產(chǎn)工藝。其選礦廠負(fù)責(zé)礦石的“破碎—運(yùn)輸—筑堆”工序，年處理礦石1 800萬t，采用布料機(jī)對處理后的礦石進(jìn)行筑堆，布料機(jī)工作在露天銅礦的永久堆浸場內(nèi)，位于礦石“開采—破碎—運(yùn)輸—堆浸”物料流的最末端。堆浸場被平均劃分成數(shù)十個并排的矩形堆浸單元，布料機(jī)將破碎后的礦石經(jīng)膠帶輸送機(jī)均勻筑堆在堆浸單元，并通過履帶的自行移動和膠帶輸送機(jī)的移設(shè)使筑堆范圍能夠覆蓋整個堆浸場[1]。單臺布料機(jī)設(shè)自行履帶車11臺，生產(chǎn)和移設(shè)時(shí)因受工藝要求和工況變化影響，4大組成部件移動時(shí)刻處于不同狀態(tài)。國內(nèi)對大型礦用移動設(shè)備的應(yīng)用中鮮有對布料機(jī)的應(yīng)用，目前只在智利埃斯康迪達(dá)銅礦和萊比塘銅礦中有所應(yīng)用[4-5]。

為提高布料機(jī)布料橋上7臺自行履帶車在永久堆浸場筑堆中移動的同步性，以及4大組成部件在堆浸場平面直角坐標(biāo)系x、y坐標(biāo)方向上的協(xié)同性，在每臺布料機(jī)上配置4套GPS衛(wèi)星定位設(shè)備對其關(guān)鍵部位進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，獲取的位置信息通過PROFIBUS DP現(xiàn)場總線通訊進(jìn)入PLC，通過編程控制解決了大型礦用布料機(jī)多履帶和多組成部件之間移動同步性和協(xié)同性難以實(shí)現(xiàn)高精度控制的問題。

2 布料機(jī)工作原理及控制系統(tǒng)

2.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

布料機(jī)由長800 m的可移置膠帶輸送機(jī)（Conveyor Volume，CV）、跨越在CV上方的可移置膠帶機(jī)卸料小車（Tripper Control Car，TCC）、長350 m的自移式布料橋（Mobile System Bridge，MSB）及位于MSB上方的移動式卸料小車（Tripper Car/Stacker，TCS）等4部分組成（如圖1所示）[4]。其中，MSB由7臺自行履帶車支撐，可以整體多角度行走，布料時(shí)MSB的7臺自行履帶車必須保持在同一水平線上同步行走。TCC和CV頭部驅(qū)動站各由2臺自行履帶車支撐其自由移動。

經(jīng)過破碎后的礦石從上游供料膠帶輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至布料機(jī)的CV上，由CV轉(zhuǎn)運(yùn)到TCC，再通過TCC的下料口落至MSB頭部受料膠帶的正上方，最后轉(zhuǎn)運(yùn)至TCS并選擇單側(cè)布料。當(dāng)MSB的一側(cè)布完礦石完成筑堆后，MSB的7臺自行履帶車載著MSB和TCS按設(shè)定步長自動后退到下個相鄰區(qū)域繼續(xù)布料，TCC則跟隨MSB自動同步移動[4]。

為確保布料機(jī)的MSB和TCC自動行走時(shí)能夠精準(zhǔn)同步，在MSB的1號自行履帶車、7號自行履帶車和TCC下料口處各配置1套GS10定位設(shè)備來獲取3個測點(diǎn)的位置信息;為了控制TCS布料筑堆時(shí)點(diǎn)位的分布和TCS在MSB上方軌道行走的區(qū)間及速度，在TCS上方布置1臺GS10定位設(shè)備來獲取TCS在MSB上的水平位置。

2.2 控制系統(tǒng)

布料機(jī)控制系統(tǒng)由CV控制系統(tǒng)、TCC控制系統(tǒng)、MSB控制系統(tǒng)（包含TCS從站）和MSB的7臺自行履帶車控制系統(tǒng)等10個主控制系統(tǒng)組成，均采用西門子S7-300 PLC作控制器。各控制系統(tǒng)之間采用西門子PROFIBUS現(xiàn)場總線連接，采用DP通訊交換數(shù)據(jù)，4套GPS接收機(jī)輸出的是基于RS232串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)的信號，需先通過西門子網(wǎng)關(guān)DP/RS232C Link將其轉(zhuǎn)換為基于RS485物理接口的PROFIBUS DP信號，然后再經(jīng)過中繼器進(jìn)入相應(yīng)的控制器，布料機(jī)控制系統(tǒng)如圖2所示，圖中包含了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用的ProfiNet通訊。

3 工程應(yīng)用

3.1 GPS在控制系統(tǒng)中的硬件組態(tài)

采用西門子Step7編程軟件，分別將MSB和TCC控制系統(tǒng)的CPU作為主站，將GPS定位接收機(jī)GS10作為從站掛在主站上。布料機(jī)上共布置4個GPS，需分別在TCC控制系統(tǒng)和MSB控制系統(tǒng)上組態(tài)，GPS在TCC控制系統(tǒng)中的硬件組態(tài)如圖3所示，地址為20，其在MSB控制系統(tǒng)中的硬件組態(tài)同理。

3.2 GPS在控制系統(tǒng)中的軟件實(shí)現(xiàn)

3.2.1 GPS定位數(shù)據(jù)分析

美國國家海洋電子協(xié)會（National Marine Electronics Association，NMEA）是數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)協(xié)會的一個協(xié)議集，GS10輸出的數(shù)據(jù)遵循NMEA協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[6]。接收機(jī)輸出的標(biāo)準(zhǔn)信息有幾種不同的格式，常用的有GGA、GSA、POS、LLK、LLQ、GLL和GGK等[6-7]。其中，LLK和LLQ是瑞士徠卡公司專用的協(xié)議數(shù)據(jù)格式，現(xiàn)場GPS系統(tǒng)采用LLQ語句格式輸出數(shù)據(jù)[6-7]。

3.2.2 初始數(shù)據(jù)獲取

在Step7編程環(huán)境中編制一個帶有背景數(shù)據(jù)塊的功能塊FB，F(xiàn)B程序代碼采用SCL語言編寫，用于解算每個定位設(shè)備GS10所在位置的經(jīng)度、緯度、高度、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)精度和衛(wèi)星個數(shù)等數(shù)據(jù)[6-7]。PLC通過在編程軟件中建立專用功能FC調(diào)用FB，讀取GS10中的數(shù)據(jù)，F(xiàn)B程序代碼關(guān)鍵部分如下：

1）數(shù)據(jù)采集部分。GS10接收到的數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位分成5組，每組2個字節(jié)包含16個位，PLC從第0位開始依次循環(huán)讀取，讀取的MESSAGE作為PLC的輸入。

FOR i：=0 TO 79 DO

MESSAGE[i]：=BYTE_TO_CHAR（PIB[FIRST_PEB+i]）;

END_FOR;

其中，F(xiàn)IRST_PEB是PLC讀取GS10時(shí)定義的接口起始地址，在硬件組態(tài)部分對每個GS10從站進(jìn)行定義。

2）判斷數(shù)據(jù)ID。PLC讀取GS10數(shù)據(jù)后，查詢判斷數(shù)據(jù)的第3，4，5和0位是否和LLQ語句的ID內(nèi)容相符合，只要有1個位不對應(yīng)，就判定該數(shù)據(jù)無效，返回?zé)o效代碼。

IF（（MESSAGE[3]<>L）OR（MESSAGE[4]<>L）OR（MESSAGE[5]<>L）OR（MESSAGE[0]<>））

THEN

RES_CODE_NMEA_TYPE：=9000;

END_IF;

3）讀取經(jīng)度值。在79個字符位中確定經(jīng)度邊界區(qū)間，然后在此區(qū)間內(nèi)確定經(jīng)度字符區(qū)域所占的總位數(shù)，把該區(qū)間內(nèi)的位分成L1和L2兩段，并將其由字符型轉(zhuǎn)換成整型，定義前半段整型數(shù)值為x（i），后半段為y（i）。獲取經(jīng)度值過程如下：

FOR i：=1 TO L1 DO

EM：=（x（i）-48）×e（L1-1）×2.302585+EM

END_FOR;

FOR i：= 1TO L2 DO

EMM：=（y（i）-48）×e（L2-1）×2.302585+EMM

END_FOR ;

ER：=（EM-ΔΕ）+EMM/eL2×2.302585

其中，ΔΕ為GS10流動站相對GPS基準(zhǔn)站的偏差補(bǔ)償值，ER為PLC從GS10中讀取的經(jīng)度值。PLC讀取緯度值和高度值過程與此原理相同。

3.2.3 坐標(biāo)變換

初始數(shù)據(jù)獲取到的經(jīng)度、緯度、高度等數(shù)據(jù)是在GS10中由WGS-84坐標(biāo)投影到UTM（通用橫墨卡托格網(wǎng)系統(tǒng)）坐標(biāo)系中的數(shù)值，需將其轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的堆浸場坐標(biāo)值[8-10]。

以布料機(jī)的CV頭部驅(qū)動站為原點(diǎn)，MSB為x軸，CV為y軸，建立一個堆浸場坐標(biāo)系，選取CV首尾中心線（無限接近）兩點(diǎn)為公共控制點(diǎn)，采用移動式手持測量GPS接收機(jī)測出兩點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)值，然后將其導(dǎo)入GPS觀測手簿中，通過手簿的程序處理軟件將WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成UTM坐標(biāo)值，在Step7編程環(huán)境中創(chuàng)建一個功能FC，分別將2個公共控制點(diǎn)的UTM坐標(biāo)值和從4個GS10中獲取的坐標(biāo)值加載到FC輸入側(cè)中，PLC通過4次調(diào)用FC，即可自動計(jì)算出4個GS10定位設(shè)備在堆浸場坐標(biāo)系中的x、y、z值，通過編寫控制算法程序，就可以控制布料機(jī)運(yùn)行。FC程序采用STL語言編寫，通過執(zhí)行代碼即可獲得每個GS10接收器在堆浸場坐標(biāo)系中的x、y坐標(biāo)值，具體算法如下[8-10]：

1）計(jì)算首尾兩點(diǎn)坐標(biāo)偏北角。選取CV首尾中心線上的兩點(diǎn)P1和P2為公共點(diǎn)，如圖4所示。計(jì)算此方向與東西方向的夾角（α），見式（1）。

α=arctanPn1-Pn2/Pe2-Pe1π（1）

式中：Pn1、Pn2、Pe1、Pe2分別為WGS-84坐標(biāo)系中點(diǎn)P1和P2北緯和東經(jīng)數(shù)值投影在UTM坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值;π為圓周率。

2）將求得坐標(biāo)偏北角轉(zhuǎn)換為弧度，見式（2）～（4）。

αrad=（180°-α）×π180°（2）

sin α=sin αrad（3）

cos α=cos αrad（4）

式中：αrad為坐標(biāo)偏北角的弧度值。

3）計(jì)算GS10流動站北緯實(shí)時(shí)數(shù)值和點(diǎn)P1北緯UTM坐標(biāo)值的偏差（ΔΝ），見式（5）。

ΔΝ=NR-Pn1（5）

式中：NR為上節(jié)初始數(shù)據(jù)獲取中PLC讀取的實(shí)時(shí)北緯數(shù)值。

4）計(jì)算GS10流動站東經(jīng)實(shí)時(shí)數(shù)值和點(diǎn)P1東經(jīng)UTM坐標(biāo)值的偏差（ΔE），見式（6）。

ΔE=ER-Pe1（6）

式中：ER為上節(jié)初始數(shù)據(jù)獲取中PLC讀取的實(shí)時(shí)東經(jīng)數(shù)值。

5）堆浸場坐標(biāo)系中x值求取，見式（7）～（9）。

Tr1_x=ΔEcos α（7）

Tr2_x=ΔNsin α（8）

x=Tr1_x+Tr2_x（9）

式中：Tr1_x和Tr2_x分別為GS10流動站獲取的經(jīng)緯度值相對于公共點(diǎn)東向偏差和北向偏差在堆浸場坐標(biāo)系x坐標(biāo)方向的分量。

6）堆浸場坐標(biāo)系中y值求取，見式（10）～（12）。

Tr1_y=ΔEsin α（10）

Tr2_y=ΔNcos α（11）

y=Tr1_y-Tr2_y（12）

式中：Tr1_y和Tr2_y分別為GS10流動站獲取的經(jīng)緯度值相對于公共點(diǎn)東向偏差和北向偏差在堆浸場坐標(biāo)系中y坐標(biāo)方向的分量。

3.3 控制方案應(yīng)用

通過數(shù)據(jù)獲取和坐標(biāo)變換2個重要步驟，即可獲取MSB首尾自行履帶車、TCC下料口和TCS卸料小車在堆浸場平面坐標(biāo)系中的準(zhǔn)確位置。

通過在主程序OB1或新建的FC中編寫控制命令控制TCS在MSB上方的布料點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)連續(xù)布料，并在TCS行走到靠近MSB的1號和7號自行履帶車上方位置時(shí)提前降低速度，以免失控造成事故。該方案取代了最初在TCS上安裝編碼器控制TCS行走距離和速度的方案。

通過在主程序OB1或再次新建的FC中編寫控制命令分別控制MSB和TCC的同步及MSB 7臺自行履帶車的同步。布料時(shí)需要控制TCC的y坐標(biāo)值與MSB頭部1號自行履帶車的y坐標(biāo)值，保證坐標(biāo)值偏差持續(xù)穩(wěn)定，如果出現(xiàn)偏差，PLC則根據(jù)偏差大小自動調(diào)節(jié)TCC自行履帶車的速度，避免了TCC和MSB同步行走偏差過大導(dǎo)致的故障停機(jī)，實(shí)現(xiàn)了布料機(jī)生產(chǎn)時(shí)TCC下料口和MSB受料口位置的相對固定，可以保證下料的連續(xù)性，不會發(fā)生漏料或者跑料的情況，該方案取代了最初在TCC下料口x、y、z方向安裝超聲波傳感器定位MSB受料漏斗位置的方案。當(dāng)布料機(jī)在堆浸場布料筑堆時(shí)，程序通過計(jì)算MSB 1號自行履帶車的x、y坐標(biāo)值和7號自行履帶車的x、y坐標(biāo)值的偏差，自動調(diào)節(jié)7臺自行履帶車運(yùn)行速度和角度，從而實(shí)現(xiàn)MSB 7臺自行履帶車在堆浸單元的直行、轉(zhuǎn)彎行走、90°旋轉(zhuǎn)行走、扇形布料等多種運(yùn)行軌跡下的同步控制，大大減少甚至完全避免了MSB整體行走時(shí)的機(jī)械故障。

將GPS應(yīng)用在現(xiàn)場2臺布料機(jī)中，保證了大型布料機(jī)生產(chǎn)和移設(shè)時(shí)多自行履帶車之間、多移動從屬部件之間位移和角度變化的同步，應(yīng)用效果良好，故障率低。由最初設(shè)計(jì)GPS只用于MSB布料橋上7臺自行履帶車多種運(yùn)行軌跡下的同步行走控制擴(kuò)展到在TCC和TCS上的改造應(yīng)用，相比最初使用絕對值編碼器和超聲波傳感器等定位方案，在TCC和TCS安裝GPS后，只需一個電氣技師在布料機(jī)停產(chǎn)移設(shè)時(shí)對GPS進(jìn)行檢查即可，省去日常對傳感器及使用環(huán)境的維護(hù)。由于GPS安裝的固定性和RTK技術(shù)的厘米級定位精度，布料機(jī)生產(chǎn)時(shí)TCC受料斗自動跟隨MSB下料斗同步行走，不會造成明顯偏差導(dǎo)致漏料，省去了每班人工巡檢和頻繁校正受料口位置。采用絕對值編碼器和超聲波傳感器時(shí)，不僅安裝困難而且容易受到濕礦黏結(jié)影響，安裝維護(hù)均需要工人高空作業(yè)。使用GPS代替?zhèn)鹘y(tǒng)傳感器應(yīng)用效果如表1所示。

4 結(jié) 語

通過將采用實(shí)時(shí)動態(tài)載波相位差分技術(shù)的GPS設(shè)備布置在MSB的1號自行履帶車、7號自行履帶車、TCC下料口和TCS上方，實(shí)現(xiàn)對布料機(jī)4大組成部件位置信息的精準(zhǔn)定位，并通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)對布料機(jī)的自動化控制，可有效控制MSB上7臺自行履帶車在堆浸單元中直行、轉(zhuǎn)彎行走、90°旋轉(zhuǎn)行走、扇形布料等多種運(yùn)行軌跡。在萊比塘銅礦的應(yīng)用效果良好，機(jī)械故障率低，每年可節(jié)約成本約13萬美元。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 徐紹銓，張華海，楊志強(qiáng)，等.GPS測量原理及應(yīng)用[M].4版.武漢：武漢大學(xué)出版社，2017.

[2] 謝鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[3] 張冠軍，張志剛，于華.GPS RTK測量技術(shù)實(shí)用手冊[M].北京：人民交通出版社，2014.

[4] 張玨.礦用布料機(jī)的筑堆和移設(shè)[J].機(jī)械管理開發(fā)，2020，35（1）：60-62.

[5] 張俊，辜小川，趙瓊.自移橋式布料機(jī)在萊比塘銅礦的應(yīng)用[J].世界有色金屬，2018（18）：1-3.

[6] LEICA GEOSYSTEMS A G.Leica viva series technical reference manual[M].Heerbrugg：Switzerland，2014.

[7] GEOMAR SOFTWARE INC.RT38-MK2 map[M].Mississauga：Canada L4Y 2S4，2014.

[8] 周朝憲，董少波，和志軍，等.自定義坐標(biāo)系的建立及其坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)[J].地質(zhì)與勘探，2015，51（4）：699-704.

[9] 吳迪軍.UTM投影地區(qū)工程獨(dú)立坐標(biāo)系的建立方法[J].測繪工程，2020，29（4）：7-10，14.

[10] 王海蚌.國外坐標(biāo)系的特點(diǎn)及在地質(zhì)勘查中的應(yīng)用[J].礦產(chǎn)勘查，2020，11（4）：718-725.

Application of GPS to the control system of self-mobilized bridge spreader

Zhou Feizhou1，2，F(xiàn)u Yantao1，2，Gu Xiaochuan1，2

（1.Wanbao Mineral Co.，Ltd.; 2.Wanbao Mineral（Burma）Copper Industry Co.，Ltd.）

Abstract：GPS receiver is installed on the self-mobilized bridge spreader，in order to achieve multi-angle and multi-directional synchronized movement of 7 self-moving crawlers on self-mobilized bridge spreader bridge along horizontal direction of heap leaching field，high consistency of displacement and angle during the synchronized movement of the discharge cart on self-mobilized spreader bridge and movable seal tape machine，and control the moving speed of mobile discharge cart on the moving section on the tracks above the self-mobilized spreader bridge and on different locations，when large-scale self-mobilized spreader is operational.The location coordinates of 4 GPS receivers are precisely located by GPS based on real-time kinematic technology.PLC controller converts the location information of GPS receivers into numbers on the heap leaching field coordinate system，and transmits location information by connecting DP communications.Finally，synchronized movement of multiple self-moving crawlers on self-mobilized spreader bridge and synergic operation between each component are realized by software programming，the rate of mechanical failure during the overall movement of spreader bridge is reduced，and the annual cost can be saved by about 130 000 dollars.

Keywords：GPS;self-mobilized bridge spreader;RTK technology;coordinate system;PLC