基于5G网络的某矿山智能行车改造及实践

王晓永李晓刚孙胡生卢元利3

（1.丹东东方测控技术股份有限公司；2.本钢设计研究院有限责任公司）

某矿山的联合储库库区有2台行车进行作业，行车起升高度27 m，抓斗容积4.5 m3，起重质量16 t，滑触线设置于卡车入料侧。该储库库区长120 m、宽30 m、高20 m。库区一侧为卡车输送给料区，共18 扇卷帘门。对面一侧为出料区和2 个皮带进料区，有5 个缓冲仓和2 个皮带进料口，黏土由皮带输送至存储区。存储区划分为3 个大区域，区域间由矮墙隔开，矮墙距离库区底面约8 m，存储区的上端面与室外地平面平齐。存储区目前存储的原料有铁质原材料、黏土、煤矸石、电炉渣4 种，其中铁质材料来自4 个不同厂家，各按区域堆放并按企业配比计划进行添加。

行车的主要工作任务为保证缓冲仓物料供应连续、防止卡车卸料堆积、防止皮带下料堆积、保证库区平整等。目前联合储库未达到最优的生产效果，行车工作效率较低、卡车入料缺乏管理、库区安全防护不足。分析主要原因：①行车等设备使用已超过10 a，部件陈旧，性能不足、老化严重，故障率高，维护工作量大；②大小车运行速度慢，远低于设计速度；③设备控制方法陈旧，为岗位就地操作，尤其是抓斗起升控制的原理和方法较落后，能耗高且效率低下；④自动化程度不足，行车无法实现无人操作；⑤安防措施不足，缺乏对安全状况识别及管理系统。

为此，以某矿山企业库区行车基于5G 网络的智能行车改造为例设计了一种解决方案，发挥了5G 网络的低时延、大带宽、广连接的特性，达到了高效减员的目的。

1 5G网络设计

5G网络能够为智能行车系统提供全面、低延时、广连接的网络连接，为数据通信提供基础的交互系统，支持视频、音频、在线实时状态等信息数据的传输，5G网络是一种宽带化、泛在化、智能化、融合化的新一代通讯网络技术，能够满足移动智能行车的多样化、低延时数据通讯连接的要求［1-3］。

5G 网络并非简单提升了传输速率，其充分融合了现有无线技术和互联网技术，能更好地满足多样化的要求，更好地实现人与人、人与物、物与物的互联互通。该设计不但实现了行车与控制室的互联，同时将操作人员、管理人员的手机互联到网络系统中，让管理者能更好地实时掌握现场的生产信息情况。

系统网络由行车上安装的无线5G 终端和室外5G 网络无线通讯组成，5G 网络将采集的视频等信息传输至分析计算机，将控制指令下达至行车控制器。5G 单用户上行峰值速率187 Mbps、5G 单用户下行峰值速率350 Mbps，单向时延一般在2～4 ms，ping包测试一般约10 ms，理论速率为360～675 Mbps。

（1）700 MHz 仅需1/3的基站规模，依然可比国内4G网络的上下行使用效果更优。

（2）700 MHz 下行平均速率超过75 Mbps，可满足并行15路1080 P视频信号的传输需求。

（3）700 MHz 上下行覆盖较为平衡，上行速率明显占优，可满足更广泛的行业应用。

（4）NR 中频段频谱的下行速率更优，700 MHz 可通过频谱协同技术提升SG竞争力。

该网络具有很强的穿透能力，对于车间现场具有很好的适用性，700 MHz 比2.6 GHz 信号强20 dB，深度覆盖提升。穿透数据测试结果见表1，5G端对端组网拓扑结构见图1。

2 控制系统设计

该矿山储库车间行车原有系统配置CPU 采用CPU226，输入扩展模块为EM221DⅠ230VAC 输入，输出扩展模块为EM222 继电器输出，模拟量输入模块采用EM231 输入。原使用西门子200 系列PLC 控制器，计算性能较差且已停产，难以满足智能化需求。

设计采用西门子1500系列控制器，S7-1500系列的CPU 自带面板，具有诊断、调试、维护、ⅠP 地址分配、趋势图显示、读取程序循环时间等功能，便于智能行车系统的调试。S7-1500 系列的CPU 支持LED通道分配，可快速定位错误。当发生故障时，可不需编写程序就可以通过编程软件、HMⅠ等方式快速实现通道级的诊断。S7-1500 系列CPU 集成标准化的OPC UA 通信协议，连接控制层和ⅠT 层，实现与上位SCADA/MES/ERP 或云端的安全高效通信，为后续的系统升级提供硬件支持，可与上位机实现安全有效地通信，该通讯方式便于行车系统的架构；还可以通过PLCSim Advance 软件实现PLC 数据和仿真软件连接进行虚拟调试，该功能对于离线调试很方便。

在响应速度方面，S7-1500 系列CPU 响应速度快，位处理的速度最快可达1 ns，支持最快125µs 的PROFⅠNET 数据刷新时间，从而满足主控制器与行走电机变频器、抓取电机变频器、提升变频电机变频器等的通信速率要求，对于行走电机和抓取电机等的运动控制能很好地及时响应；CPU本体集成有多个以太网接口，为行车本体的控制系统与其他系统的通讯预留了足够的通信接口；在编程方面Profinet 通信支持等时同步方式，S7-1500系列CPU通过TⅠA Step7软件进行编程，支持ⅠEC 61131-3 编程语言，可通过LAD、FBD、SCL、STL 和Graph 等多种编程语言实现程序编码设计，同时可采用ODK 直接运行高级语言算法。该控制器是最新的大型控制器序列，具有安全可靠、扩展方便、运算能力高、运算速度快、信息丰富的特点，车载HMⅠ方面在行车上设置了触摸屏，以方便巡检查看。

模块的设计上数字量输入模块采用1521-1BL00，输入端的采集设备包括行车系统的限位开关、按钮、继电器触点、接近开关、选择开关、编码器、RⅠFⅠD、光电开关等设备的输入信号，数字量输出模块采用1522-1BL01，模拟量输入模块采用1531-7NF10，该模块输入信号类型为电流、电压；分辨率为包括符号在内16 位；每个通道转换时间62.5 µs，采集的设备信号包括重力传感器、变频器频率、激光雷达料位、电流传感器、电压传感器的信号等，模拟量输出模块采用1532-5HF00。

在系统的电源方面，系统电源通过U型连接器连接到背板总线，并专门为背板总线提供内部所需的系统电源，这种系统电源给模块的电子元件、LED 指示灯供电，若CPU 模块、接口模块等没有连接到DC24V 电源上，系统的电源为这些模块供电，该设计采用的电源为PS60W 1505-0RA00。负载电源PM1507 负责为CPU 模块、ⅠM 模块、Ⅰ/O 模块等提供高效、稳定、可靠的DC24V 供电，其输入电源120～230 VAC。负载电源特点：①具有输入抗过电压性能和输出过压保护功能，可有效提高系统的运行安全；②具有启动和缓冲能力，增强了系统的稳定性；③复合SELV 提高了S7-1500PLC 的应用安全；④具有EMC的兼容性能，符合S7-1500PLC 系统的TⅠA 集成测试要求。

车载系统集成了行车自身的电气、定位、设备状态等信号，通过电缆、Profibus-DP、光纤以太网络等通讯进行数据采集和命令下达，升级改造后的行车控制系统具有了远程控制行车的运行、抓斗的控制等功能，通过鼠标点击操作，按照编程程序完成行车控制。

3 系统软件实现

系统的软件编程主要包括行车的行走控制编程、抓斗的控制编程、行车行走规划编程等［4-5］。在编写程序之前对S7-1500模块的参数进行配置，以数字量输入模块为例对参数进行配置。数字量输入模块的参数有常规、模块参数、输入3个选项，模块参数选项中包含常规、通道模板和DⅠ组态，常规选项中有启动选项，表示组态硬件和实际硬件不一致时硬件是否启动。输入选项中，如激活了无电源电压L+和断路选项，则模块的断路或电源断电时会激活故障诊断中断。在输入参数选项中，可选择输入延时时间，默认为3.2 ms。

在机架上插入数字量模块时，系统软件自动为每个模块分配逻辑地址，删除和添加模块不会造成逻辑地址的冲突。在智能行车改造项目中，修改模块的地址将有利于日后的设备管理归档，这时对模块进行地址的统一设计，修改的方法是先选中要修改的数字量输入模块，再选中选项卡，再输入地址的“起始地址”即可，“结束地址”会自动跟随不需修改。如果输入的起始地址与系统有冲突，系统软件会弹出提示信息。

系统编程以几个模块为例介绍智能行车的编程实现，从而将岗位的就地操作转化为可通过中控室操作的远程程序控制。抓斗的程序控制以抓斗的上升为例，将抓斗的控制分为抓斗上升1档位、2档位、3档位、4档位进行程序编写和控制；抓斗下降1档位、2档位、3 档位、4 档位进行程序编写和控制；该抓斗的控制编写完毕后，整合为功能块，方便灵活调用。行车抓斗控制程序见图2。

行车的大小车主接触器的状态判断程序控制编程包括大小车主接触器的控制输出线圈状态，大小车主接触器的吸合状态设定一个时间T70 作为输入判断该接触器信号的吸合时间计时，大小车主接触器的黏连状态设定一个时间T71 作为输入判断该接触器信号的黏连时间计时，大小车主接触器的接触器状态作为输入信号判断大小车的主接触器的状态输入；综合以上信息，进而判断行车大小车的主接触器是否处于吸合故障状态，判断行车大小车的主接触器是否处于黏连故障状态。该行车的大小车主接触器的状态控制编写完毕后，整合为功能块，方便灵活调用。行车行走控制程序见图3。

行车在操作电脑上的控制界面包括的内容有行车的位置信息、行车的状态信息、库区料位信息、1#～6#仓取料是否正常、行车PLC 通讯是否正常、1#～7#雷达状态信息、行车的控制模式、行车供电状态信息、大车状态、小车状态、抓斗工作状态等，该行车的操作电脑画面编程完毕后，由中控操作人员进行操作。行车控制界面见图4。

行车控制系统实现的功能如下。

（1）进料。物料由进料口（货车进料口或皮带进料口）进入进料区。

（2）出料。系统会自动扫描出料仓物料料位情况，不定时安排行车出料，确保出料仓料位，满足后续工艺连续生产需求，保障不发生断料等生产异常情况。

（3）跨库区移料。根据物料的具体料位情况，将物料由进料区或储存区移至储存区指定位置区域。

（4）进料区根据料位设置高高料位和低低料位。料位高于高高料位，停止进料，对进料口移料；料位低于低低料位，允许进料并启动程序优先于其他位置进行优先进料，禁止行车对进料口移料。

（5）行车协同优化控制。当生产任务重时使用2台行车协同工作，优化任务分配和作业区域分配，避免2 台行车的任务冲突；同时具有行车避让功能，当行车运行过程中前方有障碍物时，及时启动避障程序，防止事故发生。

（6）卸料管理。结合卡车信息、库料位信息判断卡车卸料口，并结合联动门禁系统进行卷帘门的开闭控制，从而使卡车控制、库料位信息进行整合与控制，避免库里料满而给料卡车却由该卸料口进行卸料的问题。

（7）智能故障分析。结合库区设备情况，对设备的故障信息进行分析判断，根据故障的级别自动做出相应的动作输出。

（8）安全管理。结合智能监控系统、烟雾报警、人员闯入、安全监测设备等，自动或手动设置行车行驶的禁吊区域，自动规划行车行驶的安全路径，对库区的生产安全和设备安全进行管理。

（9）物料库存的统计计算。依据库区的物料高度、密度等信息，计算物料体积和质量，以便于库区物料的自动盘点工作。

（10）报表、报警、数据记录数据归档。对行车运行情况、卡车情况、操作情况、作业流程、故障警报等数据进行记录归档，方便现场查询。

4 改造效果

（1）5G 无线网络能很好地解决移动设备的通信问题，通信速率高、数据稳定。

（2）行车控制的升级及检测功能的完善有利于设备的远程运维，提高了设备的稳定性，减少了故障停车对生产的影响。

（3）行车的控制方式由机旁人工操作改变为远程系统控制，节约了人力。

（4）行车的技术升级对生产系统的整体稳定高效运行起到了重要的提升作用，为企业提质增效奠定了基础。

5 结 语

（1）某矿山的行车系统改造升级后，行车操作人员全部转岗，大幅度降低了人员费用及设备运行维护费用，同时降低了设备故障率，提高了设备运行效率，经济效益显著，具有推广应用价值。

（2）行车系统升级后，下一步规划将采购的铁质材料、黏土、煤矸石、电炉渣的品质、粒度、黏度、块径等数据和智能行车数据整合，存储到企业云平台，形成大数据平台库，实现企业数据共享，从而建立企业智能工业大脑，提升企业运行效率，降低生产经营成本，提升企业综合竞争力。