中圖分類號：TD63+3；TP273 文獻標志碼：B 文章編號：1004-4345（2025）02-0039-05

Improvement and Application Practice of Unmanned Tailings Travelling Crane

HUA Chunlin]，LYU Xulong?2，LAI Yanhui1，LIN Julong'， CAO Binzhang1， CHEN Xiao1，2

1. ZijinCopperCo.，Ltd.，Shanghang，F(xiàn)ujian3642Oo，China;2.FujianKeyLaboratoryforGreenProductionofCopperand Comprehensive Utilization of Associated Resources， Shanghang，F(xiàn)ujian 3642Oo， China）

AbstractArenovation planonunmanned travellingcrane system was proposedand implemented toaddress the problemsof equipmentaging，lowoperationalficiencyandsafetyhazardsintheilingsdisposalplantofZijinoer'sconcentratorFul Π-Π （204號 automaticunloadingandloadingcontroloftailingswasachievedthrough hardwareupgading，softwarefunctionintegrationand workflowoptimzation.Afterbeingputintooperation，thesystemdatashowstatthedailyloadingcapacityhasincreasedto.6ktand the return rate has decreased from 6.88% to 1.22% ， significantly improving operational efficiency and safety.

Keywordsunmanned traveling crane;data acquisition; positioning; remote operation; programmable logic controller

選礦廠處理爐渣 800kt/a ，產(chǎn)生尾礦約 2.5kt/d 。該廠通過貨車將爐渣運輸至多家水泥制造企業(yè)用作生產(chǎn)水泥的混合添加物。原尾礦廠房內(nèi)配備的兩臺 15t 抓斗吊（廈門銀鷺重工有限公司2011年制造并投用），已運行10多年，設(shè)備老化嚴重，故障率高，維修頻繁，且主梁彎曲變形影響行車穩(wěn)定性。廠房內(nèi)揚塵較大，作業(yè)環(huán)境惡劣，粉塵極易進入駕駛室，影響人員健康。同時，采用人工裝車，工作效率及精度均偏低，常出現(xiàn)超裝或少裝的情況。為改善作業(yè)環(huán)境、保障職業(yè)健康安全、提高設(shè)備運行效率及可靠性，該廠遵循“發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，科學(xué)利用資源\"原則，引進兩臺16t無人行車（斗容 3.5m³ 以下簡稱“A車\"“B車\"）。行車系統(tǒng)改進后，尾礦倒料、裝料實現(xiàn)自動化控制，設(shè)備故障率顯著降低，使用壽命得以延長，裝車合格率得到提升，且極大改善了作業(yè)環(huán)境，避免了職業(yè)病危害。因此，本文擬從技術(shù)方案、實施效果及行業(yè)價值三方面對本次改造實踐進行全面分析，以期為類似項目改造提供參考。

1尾礦行車改造目標

本次尾礦行車的改造目標為：1）硬件升級。更換行車控制系統(tǒng)、行車配電間全套電氣設(shè)備（采用PLC和變頻器系統(tǒng)）、除大車軌道外行車全部設(shè)備備件、大車行走電機及減速機。同時，采購兩臺新型行車替代老舊設(shè)備。2）功能擴展。新建1間行車中控室，支持全自動無人操作、中控室遠程控制及本地駕駛室手動控制3種模式，兼顧生產(chǎn)連續(xù)性與維護需求。升級后，行車可通過工業(yè)計算機程序或控制臺操縱桿/按鈕遠程操控，亦可切換至本地手動模式，便于安全巡檢與維修1。3）實施策略。采用“邊制造、邊升級\"流程，平衡自動化配置周期與生產(chǎn)持續(xù)性需求。過渡期內(nèi)，保留本地駕駛室，用于設(shè)備巡檢、潤滑及應(yīng)急維護；改進后，兩臺行車裝車量為 2.6kt/d （約80車左右），峰值達 3.5kt/d O

2系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1硬件配置

2.1.1行車驅(qū)動機構(gòu)

1）抓斗驅(qū)動。抓斗電機配備強冷風(fēng)機，卷筒集成繩長測量絕對值編碼器（精度 ±1mm ）。

2）運動控制。大車、小車及起升電機均采用閉環(huán)矢量變頻調(diào)速，支持1檔無級變速（速度分檔 10% ！30%，60%，100% ，可自定義調(diào)整）。

2.1.2傳感設(shè)備

1）激光掃描系統(tǒng)。行車主橫梁側(cè)方安裝2D激光掃描儀，垂直向下（ 90^° ）掃描料倉截面，采集作業(yè)數(shù)據(jù)。

2）稱重與安全監(jiān)測。起升機構(gòu)配置8個稱重器及2個超載傳感器（精度 12% ），實時監(jiān)測物料質(zhì)量并限制抓取量；抓斗內(nèi)壁覆 5mm 厚304不銹鋼板，避免卸料黏連。

3）防撞裝置。大車對角線配置激光測距傳感器（監(jiān)測范圍 10m ，PLC聯(lián)動控制減速或停車。

2.1.3自動化系統(tǒng)

1）硬件部署。配電柜、變頻柜及PLC控制柜集中安裝于機上控制室。

2）布線設(shè)計?？刂齐娎|經(jīng)行車端梁接線箱接入拖攬滑車，延伸至小車接線箱，最終連接至小車、起升、開閉機構(gòu)及電子秤的電源與控制線路，確保檢修便捷性與安全性。

3）控制核心。車載PLC安裝于行車電器房內(nèi)，負責實時信號處理與指令執(zhí)行。

2.1.4視頻系統(tǒng)

1）視頻前端。在關(guān)鍵位置布置多臺高清攝像機，攝像機傳輸?shù)漠嬅媲逦€(wěn)定，可滿足遠程操作需要。球機支持自動增益、自動光圈、自動聚焦、自動曝光、背光補償以及鈉燈環(huán)境白平衡校準補償?shù)裙δ堋z像機布置方案見表1。

2）顯示與存儲。中控室配置2臺顯示器及1臺NVR網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機，支持實時監(jiān)控與歷史回放；視頻信號通過NVR集中存儲，采用4TB硬盤介質(zhì)，滿足存儲需求并支持擴容。

2.2控制與通信系統(tǒng)

2.2.1PLC控制邏輯

系統(tǒng)采用基于PLC的程序控制，具備良好的穩(wěn)定性與可維護性。1）信號交互。操作員通過操縱桿及操作平臺輸入指令，PLC內(nèi)部基于繼電器邏輯輸出相應(yīng)的控制指令，精確調(diào)節(jié)變頻器速度。2）質(zhì)量控制。電子秤模擬量信號接人PLC模擬量輸入模塊，實現(xiàn)物料質(zhì)量的精準控制。3安全聯(lián)鎖。行車上各種門限位，小車、大車的起升，開閉等機械限位安全聯(lián)鎖裝置接人PLC的I/O模塊，以便實時監(jiān)測行車運行狀態(tài)，消除安全隱患。相較于傳統(tǒng)控制方式，PLC方案控制電路更為精簡，使用的元件數(shù)量減少，有效降低了故障率與維護成本。操作臺內(nèi)PLC從站與電氣箱主站通過數(shù)據(jù)交換進一步簡化了接線的復(fù)雜度，方便后續(xù)檢修。

2.2.2通信架構(gòu)

行車PLC與現(xiàn)場PLC之間通過通信電纜進行數(shù)據(jù)交換，采用西門子PN工業(yè)以太網(wǎng)（超六類網(wǎng)線）連接，并經(jīng)由安裝在行車端梁上的無線網(wǎng)橋傳輸數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場PLC和中控室內(nèi)的PLC之間采用光纖通信，利用光模塊將電信號轉(zhuǎn)換為光信號傳輸至中控室，確保長距離傳輸穩(wěn)定性。自動化系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

2.3定位與傳感

2.3.1絕對值編碼器

行車起升機構(gòu)、小車及大車運行機構(gòu)均安裝絕對值編碼器，結(jié)合機械限位開關(guān)校準誤差；大車及小車被動輪各配置一套編碼器，采用緊配合的安裝方式（軸銷嵌入輪轂后，再將編碼器的聯(lián)軸器鎖緊在軸銷上），確保上位機發(fā)送的地址坐標與實際相符。

大車軌道每 、小車軌道每 10m 設(shè)置校準開關(guān)，大車及小車各安裝1個接近開關(guān)。由于標定的原點位置固定，校準點坐標已知且不變，所以每次行車經(jīng)過校準點時，PLC都會自動補償編碼器累計誤差，消除定位偏差。基于微控制器構(gòu)建立體坐標系統(tǒng)，實時追蹤大小車軌跡，結(jié)合變頻調(diào)速與抗擺系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)位置校正；上位機坐標指令與行車實際位置嚴格匹配，保障定位精度與作業(yè)效率。

絕對值編碼器定位的工作原理，見圖2。1）編碼生成。絕對值編碼器通過多道光通道刻線，根據(jù)刻線的透光與遮光狀態(tài)生成 2-2（n-1） 個編碼值（ n 為編碼器位數(shù)）。2）多圈測量。多圈編碼器采用多級碼盤結(jié)構(gòu)，通過碼盤疊加擴展測量圈數(shù)范圍。3）信號采集。通過光源、擋板、碼盤及光電傳感器獲取成像層解析碼盤位置信息，輸出對應(yīng)碼值。

其核心特點包括：1）每個碼值對應(yīng)唯一物理位置，無需參考點即可直接讀取位置信息。2）單圈編碼器測量范圍為 0^°～360^° 旋轉(zhuǎn)角度；多圈編碼器支持多圈連續(xù)位置檢測。3）碼值存儲于非易失性存儲器，斷電后碼值可以保持，位置信息不會丟失。4）外部機械沖擊或振動可能導(dǎo)致非旋轉(zhuǎn)性位移偏差，需定期校準以確保精度。

2.3.2激光掃描建模

如前所述，行車主梁側(cè)方安裝有2D激光掃描儀。受限于激光束覆蓋范圍，需結(jié)合行車移動實現(xiàn)全倉掃描及料位高度數(shù)據(jù)實時更新。激光掃描儀通過“無線網(wǎng)橋 + 光纖”的形式將掃描數(shù)據(jù)傳輸至中控室，然后將料倉劃分為網(wǎng)格單元，將實時數(shù)據(jù)映射至對應(yīng)網(wǎng)格，并利用顏色加以區(qū)分，使得操作人員能一目了然地掌握料倉的實時料位[4]?？梢暬缑鎸}內(nèi)物料分布的直觀展示見圖3。激光實時掃描示意見圖4。

2.4安全與防護系統(tǒng)

2.4.1防撞機制

集成控制系統(tǒng)在自動操縱吊裝機械進行作業(yè)時，行車移動全程完全實現(xiàn)自動化，因此在行車移動過程中，確保軌跡上的安全空間內(nèi)沒有其他吊裝設(shè)備至關(guān)重要。在行車兩個對角線位置裝配激光測距傳感器（有效范圍為 10m ），監(jiān)測行進方向障礙物。激光測距傳感器有兩個常開觸點，能夠設(shè)定減速/停止距離。當在設(shè)定的距離內(nèi)遇到障礙物時，對應(yīng)的常開觸點會吸合，并將兩個常開觸點的信號接入PLC中，利用PLC來實現(xiàn)行車的減速和停止。

2.4.2防擺控制

手動操作行車時，負載的擺動會引發(fā)危險情況，損壞負載本身或周邊環(huán)境。為此，基于載荷搖擺的物理原理，結(jié)合行車實測數(shù)據(jù)設(shè)定模型，計算并預(yù)測載荷搖擺幅度和搖擺相位，利用程序控制和現(xiàn)場通信技術(shù)，實時控制大小車的運行速度，抑制負載搖擺幅度。防搖算法通過“速度 + 相位修正\"實現(xiàn)擺動能量耗散，提升作業(yè)效率。具體詳見圖5和圖6。

2.4.3視頻監(jiān)控

軌道車頂下緣及端部梁兩側(cè)部署攝像頭，覆蓋行進路徑、鋼索卷軸、物料投放口等關(guān)鍵區(qū)域；夜間作業(yè)輔以照明設(shè)備，關(guān)鍵點位增設(shè)攝像頭消除監(jiān)控盲區(qū)。

2.4.4庫區(qū)防護

1）庫區(qū)安全防護。（1）物理隔離與權(quán)限管理。庫區(qū)通過實體隔離墻及電子鎖控制系統(tǒng)限制非授權(quán)人員進入。電子鎖支持分級權(quán)限（如管理員、操作員）。裝貨口部署車輛定位識別裝置，車輛未按標準停靠時觸發(fā)聲光報警并鎖定裝貨流程。（2）裝貨流程控制。車輛?？亢?，料位計實時監(jiān)測車廂料位，達標后啟動裝貨。投料口設(shè)置指示燈，引導(dǎo)司機作業(yè)。（3）闖入監(jiān)測與聯(lián)動。車道進出口安裝紅外攝像頭（探測距離為 10m ，人員闖入時觸發(fā)語音告警，并聯(lián)動NVR報警輸出端子。PLC接收報警信號后立即中止行車運行，上位機界面同步彈出報警彈窗。

2）停車位管理。（1）車輛到位檢測。每個停車位劃定固定區(qū)域，兩側(cè)安裝到位檢測傳感器。（2）判定邏輯。車頭傳感器觸發(fā)（上升沿）且車尾信號消失時，判定車輛到位，并通過停車位指示燈實時顯示車輛停靠狀態(tài)。

3）裝車區(qū)專項防護5。（1）紅區(qū)管控。裝車區(qū)劃為紅區(qū)，中控室實時監(jiān)控，人員進人時觸發(fā)報警并自動停止行車；車道旁設(shè)置獨立操作間，內(nèi)置3臺觸摸屏，分別對應(yīng)3個車道，裝車司機輸入車長、載重后，通過監(jiān)控畫面觀察裝車進度。（2）人機交互。操作間配備帶錄音功能的攝像頭與擴音器，支持司機與中控人員實時語音溝通，

4）運動安全防護。行車作業(yè)過程中，PLC實時比對當前物理運動數(shù)據(jù)（如坐標、速度）與預(yù)設(shè)安全閥值，若檢測到碰撞風(fēng)險（如軌跡偏離、速度超限），立即觸發(fā)預(yù)警并調(diào)整運行參數(shù)，避免設(shè)備損傷。

3作業(yè)流程與軟件系統(tǒng)集成

3.1作業(yè)任務(wù)及流程優(yōu)先級分析

行車的作業(yè)任務(wù)包括倒料作業(yè)、平庫作業(yè)、裝車作業(yè)3個部分。1）倒料作業(yè)。行車將陶瓷過濾機下料口的尾礦轉(zhuǎn)運至料倉口附近；白班時段若有待裝車輛，則可直接拋料至車輛料倉口，提升轉(zhuǎn)運效率。2）平庫作業(yè)。在無進料或倒料需求時，行車平整料倉內(nèi)尾礦堆，優(yōu)化后續(xù)抓取效率。3）裝車作業(yè)。從尾礦倉抓取尾礦至車輛料倉口完成裝車。

原則上，作業(yè)任務(wù)的優(yōu)先級遵循“裝車作業(yè) gt; 倒料作業(yè) gt; 平庫作業(yè)\"的規(guī)則；另外，手動輸入指令優(yōu)先于自動模式生成指令。

3.2軟件功能模塊設(shè)計

3.2.1庫區(qū)管理系統(tǒng)

庫區(qū)管理系統(tǒng)包括作業(yè)錄入、作業(yè)分解、作業(yè)調(diào)度、物料輪廓建模、庫區(qū)物料狀態(tài)和庫區(qū)參數(shù)設(shè)置等模塊。1）作業(yè)錄入，即人工輸入作業(yè)信息（車輛噸位、料倉位置等）;2）作業(yè)分解，即將任務(wù)拆解為取料、移庫、裝車等作業(yè)指令；3）作業(yè)調(diào)度，即根據(jù)實時料位數(shù)據(jù)動態(tài)分配任務(wù)至空閑行車；4）物料輪廓建模，即根據(jù)輸入系統(tǒng)參數(shù)和激光掃描數(shù)據(jù)，生成料倉三維輪廓；5）庫區(qū)物料狀態(tài)，指根據(jù)指令執(zhí)行進度和3D掃描數(shù)據(jù)，實時更新物料輪廓、料位高度、設(shè)備狀態(tài)及任務(wù)進度；6庫區(qū)參數(shù)設(shè)置，設(shè)定庫區(qū)布局、進料口坐標等參數(shù)。

3.2.2遠程控制系統(tǒng)

遠程控制系統(tǒng)主要包括自動化控制、安全防護、系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)監(jiān)控和設(shè)備通信管理等模塊。1）自動化控制模塊主要解析具體作業(yè)指令，自動發(fā)送作業(yè)指令到相應(yīng)起重設(shè)備自動化PLC和綁定相應(yīng)監(jiān)控臺；2）安全防護模塊，在行車作業(yè)過程中通過自動控制系統(tǒng)PLC將已記錄的物理運動數(shù)據(jù)與儲存區(qū)資料進行比對，確保積極的安全警戒并提前預(yù)警設(shè)備操作中可能發(fā)生的撞擊風(fēng)險；3）系統(tǒng)設(shè)置，包括起重設(shè)備各種狀態(tài)下的安全作業(yè)距離、機械屬性，限位旁路設(shè)置，原點標定等；4系統(tǒng)監(jiān)控，包括持續(xù)追蹤行車作業(yè)動態(tài)與系統(tǒng)運作狀況，配套提供查詢操作指南、監(jiān)視控制臺登錄資料等服務(wù)項；5）設(shè)備通信管理，包括構(gòu)建多樣化設(shè)備間的數(shù)據(jù)互聯(lián)入口，確保進行現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)搜集、傳遞與通信狀況追蹤，以及預(yù)防通信故障等

3.3控制模式與執(zhí)行邏輯

1）全自動。在遠控中心或MES系統(tǒng)錄入當班作業(yè)任務(wù)，行車自動完成上料、平庫、裝車工作。2）半自動。通過遠程控制中心操作界面上指定原料夾取位置與料投放地點，一鍵執(zhí)行整個過程。3）遠程手動。借助視頻監(jiān)控系統(tǒng)在遠控中心手動操作行車各機構(gòu)主令桿完成起升、抓取、行走等各項動作。每臺行車配置1個操作臺及相關(guān)界面。4）現(xiàn)場手動。支持駕駛室手動操作，且優(yōu)先級最高，即一旦在駕控室內(nèi)手動干預(yù)，自動控制將立刻終止，切換至手動模式。

4使用效果與數(shù)據(jù)分析

4.1效率提升

選礦廠尾礦廠房新引進的2臺無人行車已于2023年10月投人使用。針對該廠生產(chǎn)調(diào)度高節(jié)拍的要求及現(xiàn)場布局特點，系統(tǒng)通過以下優(yōu)化措施提升作業(yè)效率：1）任務(wù)動態(tài)調(diào)度。設(shè)備空閑時段自動生成平庫任務(wù)，將物料從下料口預(yù)轉(zhuǎn)運至裝車位附近，縮短裝車取料距離。2）激光算法升級。提高庫區(qū)網(wǎng)格劃分密度與輪廓識別精度，優(yōu)化抓斗滿斗率。3）放料時序優(yōu)化。提升放料高度以減少下降耗時；抓斗未完全閉合時提前啟動下一抓取任務(wù)，壓縮單次作業(yè)周期。投用后裝車效率與返車率數(shù)據(jù)見表2。數(shù)據(jù)顯示，無人行車投用后返車率逐月遞減，裝車精度與效率顯著提升。

4.2安全效益

無人行車系統(tǒng)的應(yīng)用顯著提升了尾礦車間的智能化水平，在自動裝車環(huán)節(jié)人員配置優(yōu)化近 50% ，人工成本降低約60萬元/a。在設(shè)備維護方面，檢修成本降低約9.5萬元/a，同時通過引入軟保護程序及作業(yè)現(xiàn)場傳感器網(wǎng)絡(luò)，有效增強了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)的智能監(jiān)控體系具備實時報警功能，當設(shè)備出現(xiàn)異常時，中控室可實時發(fā)出警報，提示相關(guān)人員故障狀態(tài)。配套安裝的多維度狀態(tài)監(jiān)測顯示屏，可精準顯示設(shè)備各部件的運行參數(shù)，便于檢修人員迅速定位問題，從而避免故障擴大化。該集成化解決方案使行車事故率大幅下降，顯著提升了生產(chǎn)安全水平

5結(jié)論

此次選礦廠針對其尾礦處理車間實施的自動化改造項目，采用了全自動管理模式，把常規(guī)的行車操作從原本的駕駛室轉(zhuǎn)移至中控室，實現(xiàn)了遠程自主控制。改造成功優(yōu)化了工作環(huán)境，顯著降低了勞動強度。改造前，控制1臺行車需要1名員工，每班需要2人專門負責尾礦外售；改造后，中控室的1名操作員能夠同時操作2臺行車，有效節(jié)約了勞動力資源，提升了工作效率。該自動化項目也有效防止了尾礦處理過程中多臺設(shè)備同時操作所產(chǎn)生的復(fù)雜安全問題，在同行業(yè)中可以起到引領(lǐng)、示范作用。

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