GPS在自移桥式布料机控制系统中的应用

周飞舟，付延涛，辜小川

摘要：为实现大型矿用自移桥式布料机运行时自移式布料桥的7台自行履带车在堆浸场水平方向多角度多方向同步行走、自移式布料桥和可移置胶带机卸料小车同步行走时位移和角度的高度一致性，并控制移动式卸料小车在自移式布料桥上方轨道的行走区间和不同位置处的行走速度。在布料机上安装GPS接收机，采用基于实时动态载波相位差分技术的GPS精确定位4台GPS接收机的位置坐标，PLC控制器将GPS接收机的位置信息转换为堆浸场坐标值，并通过与DP通讯连接传送位置信息，最终通过在软件中编程实现自移式布料桥多自行履带车同步行进和各组件协同工作，减少了布料桥整体行走时的机械故障率，每年可节约成本约13万美元。

关键词：GPS;自移桥式布料机;RTK技术;坐标系;PLC

中图分类号：TD676 文章编号：1001-1277（2022）03-0050-05

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20220311

引 言

GPS（Global Positioning System）即全球定位系统，在使用GPS进行定位时，会受到各种因素（如卫星星历误差、卫星钟差误差、传播误差等）的影响，为消除误差源得到更高的定位精度，常采用差分GPS技术[1]。自移桥式布料机（下称“布料机”）用于散装物料的堆置，移动工作时对各自行履带车和关键移动部位定位精度要求高。

万宝矿产（缅甸）莱比塘铜矿（下称“莱比塘铜矿”）选矿厂现有2台生产能力6 000 t/h的布料机，布料机结构庞大，控制系统复杂。

因此，莱比塘铜矿定位系统采用实时动态载波相位差分（Real-Time Kinematic，RTK）技术，該技术需根据现场测点数量布置若干套GPS定位设备，每套GPS定位设备包含2台接收机，其中一台作为基准站，另外一台则作为流动站[2]，多点测量时流动站可以共用1个基准站。

采用瑞士徕卡公司的GS10定位设备，GS10采用无线传输方式接收RTK数据，基准站和流动站之间选用芬兰SATEL公司的GFU27无线数传电台传输数据。依据RTK技术对基准站的选址要求[2-3]，在堆浸场正前方设置一个基准站，置于塔台顶端，实时向布料机上的4台流动站发送其接收到的载波相位信号[3]。

GPS工作时，所有接收机都在观测卫星数据，基准站把接收的载波相位信号传给流动站，流动站在接收卫星信号的同时也接收基准站信号，在这2个信号的基础上，流动站上的内置软件就可以实现差分运算，精确定位出基准站与流动站的空间相对位置[2]。采用RTK技术测量可使GPS定位精度达到厘米级[2-3]。

1 工程背景

莱比塘铜矿是亚洲最大湿法冶金铜矿山之一，年生产阴极铜10万t，采用“露天开采—破碎—运输—堆浸—萃取—电积”的生产工艺。其选矿厂负责矿石的“破碎—运输—筑堆”工序，年处理矿石1 800万t，采用布料机对处理后的矿石进行筑堆，布料机工作在露天铜矿的永久堆浸场内，位于矿石“开采—破碎—运输—堆浸”物料流的最末端。堆浸场被平均划分成数十个并排的矩形堆浸单元，布料机将破碎后的矿石经胶带输送机均匀筑堆在堆浸单元，并通过履带的自行移动和胶带输送机的移设使筑堆范围能够覆盖整个堆浸场[1]。单台布料机设自行履带车11台，生产和移设时因受工艺要求和工况变化影响，4大组成部件移动时刻处于不同状态。国内对大型矿用移动设备的应用中鲜有对布料机的应用，目前只在智利埃斯康迪达铜矿和莱比塘铜矿中有所应用[4-5]。

为提高布料机布料桥上7台自行履带车在永久堆浸场筑堆中移动的同步性，以及4大组成部件在堆浸场平面直角坐标系x、y坐标方向上的协同性，在每台布料机上配置4套GPS卫星定位设备对其关键部位进行实时定位，获取的位置信息通过PROFIBUS DP现场总线通讯进入PLC，通过编程控制解决了大型矿用布料机多履带和多组成部件之间移动同步性和协同性难以实现高精度控制的问题。

2 布料机工作原理及控制系统

2.1 结构及工作原理

布料机由长800 m的可移置胶带输送机（Conveyor Volume，CV）、跨越在CV上方的可移置胶带机卸料小车（Tripper Control Car，TCC）、长350 m的自移式布料桥（Mobile System Bridge，MSB）及位于MSB上方的移动式卸料小车（Tripper Car/Stacker，TCS）等4部分组成（如图1所示）[4]。其中，MSB由7台自行履带车支撑，可以整体多角度行走，布料时MSB的7台自行履带车必须保持在同一水平线上同步行走。TCC和CV头部驱动站各由2台自行履带车支撑其自由移动。

经过破碎后的矿石从上游供料胶带输送机转运至布料机的CV上，由CV转运到TCC，再通过TCC的下料口落至MSB头部受料胶带的正上方，最后转运至TCS并选择单侧布料。当MSB的一侧布完矿石完成筑堆后，MSB的7台自行履带车载着MSB和TCS按设定步长自动后退到下个相邻区域继续布料，TCC则跟随MSB自动同步移动[4]。

为确保布料机的MSB和TCC自动行走时能够精准同步，在MSB的1号自行履带车、7号自行履带车和TCC下料口处各配置1套GS10定位设备来获取3个测点的位置信息;为了控制TCS布料筑堆时点位的分布和TCS在MSB上方轨道行走的区间及速度，在TCS上方布置1台GS10定位设备来获取TCS在MSB上的水平位置。

2.2 控制系统

布料机控制系统由CV控制系统、TCC控制系统、MSB控制系统（包含TCS从站）和MSB的7台自行履带车控制系统等10个主控制系统组成，均采用西门子S7-300 PLC作控制器。各控制系统之间采用西门子PROFIBUS现场总线连接，采用DP通讯交换数据，4套GPS接收机输出的是基于RS232串行数据接口标准的信号，需先通过西门子网关DP/RS232C Link将其转换为基于RS485物理接口的PROFIBUS DP信号，然后再经过中继器进入相应的控制器，布料机控制系统如图2所示，图中包含了远程监控系统采用的ProfiNet通讯。

3 工程应用

3.1 GPS在控制系统中的硬件组态

采用西门子Step7编程软件，分别将MSB和TCC控制系统的CPU作为主站，将GPS定位接收机GS10作为从站挂在主站上。布料机上共布置4个GPS，需分别在TCC控制系统和MSB控制系统上组态，GPS在TCC控制系统中的硬件组态如图3所示，地址为20，其在MSB控制系统中的硬件组态同理。

3.2 GPS在控制系统中的软件实现

3.2.1 GPS定位数据分析

美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association，NMEA）是數据传输标准工业协会的一个协议集，GS10输出的数据遵循NMEA协议标准[6]。接收机输出的标准信息有几种不同的格式，常用的有GGA、GSA、POS、LLK、LLQ、GLL和GGK等[6-7]。其中，LLK和LLQ是瑞士徕卡公司专用的协议数据格式，现场GPS系统采用LLQ语句格式输出数据[6-7]。

3.2.2 初始数据获取

在Step7编程环境中编制一个带有背景数据块的功能块FB，FB程序代码采用SCL语言编写，用于解算每个定位设备GS10所在位置的经度、纬度、高度、数据质量、数据精度和卫星个数等数据[6-7]。PLC通过在编程软件中建立专用功能FC调用FB，读取GS10中的数据，FB程序代码关键部分如下：

1）数据采集部分。GS10接收到的数据以字节为单位分成5组，每组2个字节包含16个位，PLC从第0位开始依次循环读取，读取的MESSAGE作为PLC的输入。

FOR i：=0 TO 79 DO

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

END_FOR;

其中，FIRST_PEB是PLC读取GS10时定义的接口起始地址，在硬件组态部分对每个GS10从站进行定义。

2）判断数据ID。PLC读取GS10数据后，查询判断数据的第3，4，5和0位是否和LLQ语句的ID内容相符合，只要有1个位不对应，就判定该数据无效，返回无效代码。

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

THEN

RES_CODE_NMEA_TYPE：=9000;

END_IF;

3）读取经度值。在79个字符位中确定经度边界区间，然后在此区间内确定经度字符区域所占的总位数，把该区间内的位分成L1和L2两段，并将其由字符型转换成整型，定义前半段整型数值为x（i），后半段为y（i）。获取经度值过程如下：

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为GS10流动站相对GPS基准站的偏差补偿值，ER为PLC从GS10中读取的经度值。PLC读取纬度值和高度值过程与此原理相同。

3.2.3 坐标变换

初始数据获取到的经度、纬度、高度等数据是在GS10中由WGS-84坐标投影到UTM（通用横墨卡托格网系统）坐标系中的数值，需将其转换成现场需要的堆浸场坐标值[8-10]。

以布料机的CV头部驱动站为原点，MSB为x轴，CV为y轴，建立一个堆浸场坐标系，选取CV首尾中心线（无限接近）两点为公共控制点，采用移动式手持测量GPS接收机测出两点的WGS-84坐标值，然后将其导入GPS观测手簿中，通过手簿的程序处理软件将WGS-84坐标转换成UTM坐标值，在Step7编程环境中创建一个功能FC，分别将2个公共控制点的UTM坐标值和从4个GS10中获取的坐标值加载到FC输入侧中，PLC通过4次调用FC，即可自动计算出4个GS10定位设备在堆浸场坐标系中的x、y、z值，通过编写控制算法程序，就可以控制布料机运行。FC程序采用STL语言编写，通过执行代码即可获得每个GS10接收器在堆浸场坐标系中的x、y坐标值，具体算法如下[8-10]：

1）计算首尾两点坐标偏北角。选取CV首尾中心线上的两点P1和P2为公共点，如图4所示。计算此方向与东西方向的夹角（α），见式（1）。

α=arctanPn1-Pn2/Pe2-Pe1π（1）

式中：Pn1、Pn2、Pe1、Pe2分别为WGS-84坐标系中点P1和P2北纬和东经数值投影在UTM坐标系中的坐标值;π为圆周率。

2）将求得坐标偏北角转换为弧度，见式（2）～（4）。

αrad=（180°-α）×π180°（2）

sin α=sin αrad（3）

cos α=cos αrad（4）

式中：αrad为坐标偏北角的弧度值。

3）计算GS10流动站北纬实时数值和点P1北纬UTM坐标值的偏差（ΔΝ），见式（5）。

ΔΝ=NR-Pn1（5）

式中：NR为上节初始数据获取中PLC读取的实时北纬数值。

4）计算GS10流动站东经实时数值和点P1东经UTM坐标值的偏差（ΔE），见式（6）。

ΔE=ER-Pe1（6）

式中：ER为上节初始数据获取中PLC读取的实时东经数值。

5）堆浸场坐标系中x值求取，见式（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分别为GS10流动站获取的经纬度值相对于公共点东向偏差和北向偏差在堆浸场坐标系x坐标方向的分量。

6）堆浸场坐标系中y值求取，见式（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分別为GS10流动站获取的经纬度值相对于公共点东向偏差和北向偏差在堆浸场坐标系中y坐标方向的分量。

3.3 控制方案应用

通过数据获取和坐标变换2个重要步骤，即可获取MSB首尾自行履带车、TCC下料口和TCS卸料小车在堆浸场平面坐标系中的准确位置。

通过在主程序OB1或新建的FC中编写控制命令控制TCS在MSB上方的布料点，实现逐点连续布料，并在TCS行走到靠近MSB的1号和7号自行履带车上方位置时提前降低速度，以免失控造成事故。该方案取代了最初在TCS上安装编码器控制TCS行走距离和速度的方案。

通过在主程序OB1或再次新建的FC中编写控制命令分别控制MSB和TCC的同步及MSB 7台自行履带车的同步。布料时需要控制TCC的y坐标值与MSB头部1号自行履带车的y坐标值，保证坐标值偏差持续稳定，如果出现偏差，PLC则根据偏差大小自动调节TCC自行履带车的速度，避免了TCC和MSB同步行走偏差过大导致的故障停机，实现了布料机生产时TCC下料口和MSB受料口位置的相对固定，可以保证下料的连续性，不会发生漏料或者跑料的情况，该方案取代了最初在TCC下料口x、y、z方向安装超声波传感器定位MSB受料漏斗位置的方案。当布料机在堆浸场布料筑堆时，程序通过计算MSB 1号自行履带车的x、y坐标值和7号自行履带车的x、y坐标值的偏差，自动调节7台自行履带车运行速度和角度，从而实现MSB 7台自行履带车在堆浸单元的直行、转弯行走、90°旋转行走、扇形布料等多种运行轨迹下的同步控制，大大减少甚至完全避免了MSB整体行走时的机械故障。

将GPS应用在现场2台布料机中，保证了大型布料机生产和移设时多自行履带车之间、多移动从属部件之间位移和角度变化的同步，应用效果良好，故障率低。由最初设计GPS只用于MSB布料桥上7台自行履带车多种运行轨迹下的同步行走控制扩展到在TCC和TCS上的改造应用，相比最初使用绝对值编码器和超声波传感器等定位方案，在TCC和TCS安装GPS后，只需一个电气技师在布料机停产移设时对GPS进行检查即可，省去日常对传感器及使用环境的维护。由于GPS安装的固定性和RTK技术的厘米级定位精度，布料机生产时TCC受料斗自动跟随MSB下料斗同步行走，不会造成明显偏差导致漏料，省去了每班人工巡检和频繁校正受料口位置。采用绝对值编码器和超声波传感器时，不仅安装困难而且容易受到湿矿黏结影响，安装维护均需要工人高空作业。使用GPS代替传统传感器应用效果如表1所示。

4 结 语

通过将采用实时动态载波相位差分技术的GPS设备布置在MSB的1号自行履带车、7号自行履带车、TCC下料口和TCS上方，实现对布料机4大组成部件位置信息的精准定位，并通过编写程序实现对布料机的自动化控制，可有效控制MSB上7台自行履带车在堆浸单元中直行、转弯行走、90°旋转行走、扇形布料等多种运行轨迹。在莱比塘铜矿的应用效果良好，机械故障率低，每年可节约成本约13万美元。

[参 考 文 献]

[1] 徐绍铨，张华海，杨志强，等.GPS测量原理及应用[M].4版.武汉：武汉大学出版社，2017.

[2] 谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京：电子工业出版社，2017.

[3] 张冠军，张志刚，于华.GPS RTK测量技术实用手册[M].北京：人民交通出版社，2014.

[4] 张珏.矿用布料机的筑堆和移设[J].机械管理开发，2020，35（1）：60-62.

[5] 张俊，辜小川，赵琼.自移桥式布料机在莱比塘铜矿的应用[J].世界有色金属，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] 周朝宪，董少波，和志军，等.自定义坐标系的建立及其坐标变换实现[J].地质与勘探，2015，51（4）：699-704.

[9] 吴迪军.UTM投影地区工程独立坐标系的建立方法[J].测绘工程，2020，29（4）：7-10，14.

[10] 王海蚌.国外坐标系的特点及在地质勘查中的应用[J].矿产勘查，2020，11（4）：718-725.

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

Zhou Feizhou1，2，Fu 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