焦?fàn)t車輛智能化操作系統(tǒng)研究

梁淑蓉

（1.山西省高端重型裝備智能制造重點(diǎn)科技創(chuàng)新平臺；2.太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原030024）

隨著國家產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整，焦?fàn)t車輛向大型、環(huán)保、自動化和智能化方向發(fā)展，焦化企業(yè)對焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備控制的要求越來越高，焦?fàn)t設(shè)備四大車智能化操作、設(shè)備全自動運(yùn)行已經(jīng)成為焦化設(shè)備發(fā)展的必然趨勢和用戶關(guān)注的重點(diǎn)。

焦?fàn)t車輛智能化操作系統(tǒng)，即各車輛通過配置無線通訊系統(tǒng)，接收中控室地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)發(fā)出的作業(yè)計(jì)劃，借助各車輛配置的爐號識別定位系統(tǒng)自動運(yùn)行并準(zhǔn)確定位于計(jì)劃爐號，完成裝煤、推焦、攔焦、接焦、熄焦任務(wù)，實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t各車輛全自動操作，實(shí)時檢測、記錄車輛的運(yùn)行狀態(tài)，并對出現(xiàn)的故障通過上位機(jī)畫面顯示、記錄，最終實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t車輛的“有人值守、無人操作”。

1 智能化操作系統(tǒng)組成

焦?fàn)t車輛的“有人值守、無人操作”智能化系統(tǒng)有四部分組成，如表1所示。

表1 智能化操作系統(tǒng)組成

1.1 地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)

地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)作為焦?fàn)t車輛運(yùn)行、協(xié)調(diào)管理控制中心，與各車輛及設(shè)備間通過無線以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，主要功能是完成焦?fàn)t車輛(裝煤車、推焦車、攔焦車、電機(jī)車)與焦?fàn)t本體各系統(tǒng)(煤塔、干熄焦、地面除塵站、濕熄焦塔等)之間的數(shù)據(jù)信息交換。圖1為地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖1 地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)主要由工控機(jī)、PLC系統(tǒng)、無線以太網(wǎng)交換機(jī)、無線通訊系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理、車輛信息交換、系統(tǒng)在線數(shù)據(jù)監(jiān)控、系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)備份功能。表2為地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)的主要功能。

表2 地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)功能

1.2 自動定位系統(tǒng)

自動定位系統(tǒng)采用碼牌式對位系統(tǒng)，包括粗定位，精定位兩個子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)都可以獨(dú)立工作，兩者配合，能使定位達(dá)到最大的可靠性。

1）粗略定位監(jiān)測系統(tǒng)。

粗略定位監(jiān)測系統(tǒng)由一個精確定位編碼器構(gòu)成，增量式編碼器安裝于從動輪走行電機(jī)減速器低速端，每轉(zhuǎn)固定發(fā)出多個脈沖，脈沖通過高速計(jì)數(shù)器模塊記錄至PLC中并轉(zhuǎn)換為實(shí)際位置（mm）。

2）精確定位和識別系統(tǒng)。

精確定位和識別系統(tǒng)由碼牌、讀碼頭、譯碼板組成。碼牌是裝配有一個二進(jìn)制代碼和一個時鐘孔的模板，安裝在每個焦?fàn)t的相應(yīng)位置上；閱讀頭包括6對光柵，整合在U型保護(hù)套內(nèi)。光柵的光學(xué)信號通過光纖傳至信號處理單元（譯碼板）。當(dāng)閱讀頭經(jīng)過一個碼牌時，相應(yīng)的編碼通過光柵被串行讀取，然后傳輸?shù)阶g碼板上。譯碼板安裝在電氣柜內(nèi)。

依靠爐號識別系統(tǒng)獲取車輛的位置爐號，根據(jù)地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)發(fā)來的目標(biāo)爐號，計(jì)算當(dāng)前車輛的位置與目標(biāo)地址的距離。根據(jù)距離的遠(yuǎn)近，利用“粗定位”及“精定位”算法，按特定的曲線函數(shù)計(jì)算當(dāng)前車速，使車輛按不同速度移動，直至到達(dá)目標(biāo)位置，停止走行，自動定位精度可達(dá)±5 mm。

1.3 無線通訊系統(tǒng)

裝煤車、推焦車、攔焦車、電機(jī)車配置有無線通訊系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)與中控室地面車輛協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)間的信號傳遞及聯(lián)鎖運(yùn)行。

無線通訊系統(tǒng)組成：以太網(wǎng)交換機(jī)、無線接入點(diǎn)（AP）、天線（帶防雷保護(hù)）。

無線通訊系統(tǒng)采用最新的2.4 G/5 G無線通訊技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)接口速度可以達(dá)到300 M。

圖2 無線系統(tǒng)平面布置圖

圖2 為7 m焦?fàn)t現(xiàn)場無線系統(tǒng)的平面布置圖，在焦側(cè)布置了6個AP，機(jī)側(cè)布置了3個AP，爐頂布置了2個AP，整個無線系統(tǒng)的布置完全覆蓋了兩套焦?fàn)t的區(qū)域，能可靠實(shí)現(xiàn)車輛與地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)間聯(lián)鎖信號的傳遞，保障了車輛全自動運(yùn)行。

1.4 焦?fàn)t車輛自動控制系統(tǒng)

焦?fàn)t車輛自動控制系統(tǒng)由信號檢測元件、驅(qū)動控制系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、上位機(jī)及軟件等組成。焦?fàn)t車輛在地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制下，依據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃，通過穩(wěn)定可靠的傳感器，按照程序執(zhí)行各單元自動操作，同時反饋執(zhí)行狀態(tài)。配備應(yīng)急處理機(jī)制，保障系統(tǒng)可靠及安全。

1.4.1 車輛配置

四大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)全部采用變頻調(diào)速，變頻器采用矢量控制，能夠保證電機(jī)低頻下滿轉(zhuǎn)矩輸出。

推焦、平煤為變頻驅(qū)動，推焦桿、平煤桿等關(guān)鍵位置采用“編碼器+限位開關(guān)”方式檢測，推焦、平煤行程采用編碼器控制，保證設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

電氣系統(tǒng)中所有斷路器、接觸器通斷信號進(jìn)PLC，系統(tǒng)可實(shí)時對電氣故障進(jìn)行反饋和處理。

配置自動定位系統(tǒng)和無線通訊系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)車輛的準(zhǔn)確定位及與車輛地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)間的信號傳遞。

取門、清門、清框、小爐門、導(dǎo)焦柵移動及鎖閉、內(nèi)外導(dǎo)套油缸、揭蓋油缸、閘板開閉油缸等主要機(jī)構(gòu)油缸為帶內(nèi)置位移傳感器的油缸，實(shí)時行程顯示

取門機(jī)構(gòu)配合爐號識別系統(tǒng)，通過車上配置的PLC及工控機(jī)對每一爐號的參數(shù)進(jìn)行記憶，實(shí)現(xiàn)隨不同爐號爐體變形，自動調(diào)整取門臺車及傾斜油缸的動作行程，保證爐門的精準(zhǔn)開閉，實(shí)現(xiàn)取門機(jī)構(gòu)智能自適應(yīng)功能。

HMI配置為工控機(jī)一熱一備，具有上位機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、操作提示、故障報(bào)警、故障診斷及故障記錄等功能。

1.4.2 焦?fàn)t車輛控制系統(tǒng)操作模式

共有四種：全自動方式、半自動方式、聯(lián)鎖手動方式和機(jī)旁手動操作方式。

1）全自動。車輛根據(jù)地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)提供的推焦計(jì)劃、車輛聯(lián)鎖等信息自動運(yùn)行。操作員必須啟動每個焦?fàn)t循環(huán)，在每個焦?fàn)t循環(huán)的末尾，設(shè)備收到下個焦?fàn)t循環(huán)的信息。本操作方式下需有工作人員在各車輛值守，以便快速處理車輛故障及意外情況。

2）半自動（單元自動）。在各車司機(jī)室實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t車輛各功能單元自動操作。操作員可在車輛司機(jī)室內(nèi)一鍵式啟動每個功能單元，本模式下機(jī)構(gòu)聯(lián)鎖與全自動模式相同。

3）聯(lián)鎖手動。實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t車輛各機(jī)構(gòu)動作手動操作。操作員可在車輛司機(jī)室內(nèi)操作臺操作各機(jī)構(gòu)動作，本模式下動作聯(lián)鎖與全自動模式相同。

4）機(jī)旁手動。實(shí)現(xiàn)維修狀態(tài)或調(diào)試狀態(tài)下各動作手動操作。操作員在機(jī)旁操作箱的每個操作命令都直接與輸出相關(guān)聯(lián)，無動作聯(lián)鎖。

1.4.3 應(yīng)急處理系統(tǒng)

停電時有緊急措施，控制柴油機(jī)驅(qū)動的機(jī)械強(qiáng)拉裝置，可將余焦推出之后，將推焦桿從炭化室內(nèi)退出。

停電時有緊急措施，控制柴油機(jī)驅(qū)動的機(jī)械強(qiáng)拉裝置，將平煤桿退出。

在停電狀態(tài)下，車輛配備不間斷電源UPS，后備時間不小于30 min。

泵站出現(xiàn)故障時，蓄能器向系統(tǒng)提供壓力油，通過相應(yīng)電磁換向閥，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)油缸動作。

供電事故時，液壓交換機(jī)蓄能器組可以驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)油缸動作完成四次交換過程。另外設(shè)有手動泵，在蓄能器組不能使用后，可以繼續(xù)手動提供壓力油供給系統(tǒng)使用。

重要和危險(xiǎn)地方設(shè)應(yīng)急照明，照度值不低于工作照明的10%。

1.4.4 全自動退出機(jī)制

為了確保全自動運(yùn)行人身和設(shè)備的安全，當(dāng)機(jī)車出現(xiàn)：推焦電流異常、在規(guī)定時間內(nèi)不能完成單元動作、關(guān)鍵限位信號出現(xiàn)異常、切換操作模式時等異常情況下，立即退出全自動狀態(tài)，并輸出報(bào)警信號。

1.4.5 車輛狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷

對焦?fàn)t設(shè)備的每臺車輛上的各機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行采集、處理，對各機(jī)構(gòu)間的聯(lián)鎖保護(hù)、裝煤量、推焦力、操作指令、允許運(yùn)行時間等信息進(jìn)行采集、處理、存儲及控制，并在工控機(jī)上顯示。

故障診斷主要完成故障報(bào)警信息的顯示及記錄，故障查詢、統(tǒng)計(jì)及分析等功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，可在上位機(jī)上彈出報(bào)警畫面、通過聲光進(jìn)行報(bào)警提示，縮短故障排除時間，為設(shè)備維護(hù)提供參考信息。故障報(bào)警信息均保存在系統(tǒng)的實(shí)時故障數(shù)據(jù)庫和歷史故障數(shù)據(jù)庫中。

1.4.6 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由攝像頭、監(jiān)視器、視頻切換器、無線傳輸模塊（路由器）等組成。系統(tǒng)在車輛關(guān)鍵部位及走行方向放置攝像頭，監(jiān)測視覺盲區(qū)，采集到的視頻信號通過無線傳輸至交換機(jī)上，視頻信號可在司機(jī)室及中控室實(shí)時顯示并儲存。

2 結(jié)語

焦?fàn)t車輛智能化操作系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)：車輛爐號自動識別、準(zhǔn)確定位；車輛間聯(lián)鎖及通訊可靠；各車輛自動操作穩(wěn)定可靠；車輛狀態(tài)監(jiān)測可靠并有效反饋；車輛監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)及時高效，達(dá)到焦?fàn)t車輛“有人值守、無人操作”。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在國內(nèi)某鋼廠7 m焦?fàn)t設(shè)備上成功應(yīng)用，極大提高了太重焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備的智能化水平，因此有著廣闊的市場前景。