焦化廠機車連鎖裝置的設計

劉 寧，劉軍婷，張偉平

（1.山西省自動研究所，太原 030012；2.太原科技大學 電子信息工程學院，太原 030024）

焦炭是工業生產的主要燃料之一，生產工藝較為復雜，尤其是推焦車、攔焦車、熄焦車三大機車的連鎖控制一直是焦化生產過程的核心問題。目前，三大機車之間的連鎖操作往往采用人工方式，不僅費時費力，還容易出現操作失誤，發生導焦槽到位不及時、推焦桿彎曲等生產事故，給企業帶來經濟損失[1]。為此，國內有部分焦化企業從國外引進了三車連鎖控制系統，但其建設與維護費用較高。隨著電子技術、傳感檢測技術和通訊技術的不斷發展，在焦化生產自動控制技術的研究領域，針對焦爐爐號識別和三大機車的連鎖控制問題，分別出現了基于光電傳感器[2]、旋轉編碼器[3]、機器視覺與立體條形碼相結合技術[4]、感應無線技術[5]等機車定位與爐號識別解決方案，在三大機車之間的通訊聯絡方面主要采用了γ射線、電力載波和無線數據通信等方式。但這些技術在焦化生產過程中仍然存在不足，難以廣泛應用于焦化生產。

本文針對焦化生產現場環境惡劣、粉塵大、車輛分散且運行頻繁等特點，將射頻識別（RFID）技術、西門子工業觸摸屏以及數傳電臺相結合，設計了一種焦車連鎖裝置，提高了焦化生產過程中三大機車的定位精度，保持了各車之間的相互通訊聯絡，降低了生產過程中事故的發生頻率，確保了生產安全。

1 機車連鎖工藝

推焦車、攔焦車、熄焦車三車協同工作的工藝流程如圖1所示。

圖1 焦化生產工藝流程Fig.1 Coking production process

焦化生產必須嚴格按照生產計劃時刻表進行，以維持焦爐生產的連續性與安全性。中控系統根據炭化室的裝煤時間自動生成推焦計劃，當某炭化室的計劃出焦時間到，推焦車和攔焦車必須在±5 min內到達計劃出焦的爐室，中控系統才會發出摘取爐門指令，否則通過電氣連鎖，禁止操作人員摘取爐門。除了摘取爐門連鎖，在推焦過程中還存在推焦連鎖。焦爐生產過程的大部分事故往往發生在推焦過程中，如紅焦落地、導焦柵被推翻、紅焦推到熄焦車頭上等。為避免此類的事故發生，推焦連鎖裝置設計了兩級允許推焦的必要條件，其中一級允許推焦的必要條件為推焦車、攔焦車、熄焦車必須對準計劃推焦的爐室中心位置，同時攔焦車的導焦柵到達導焦位置，且熄焦車車門處于關閉狀態；若具備了一級允許推焦的必要條件，攔焦車和推焦車發出允許推焦信號，并且計劃出焦時間與實際出焦時間之間的誤差在±5 min范圍內，這就構成二級允許推焦的必要條件。當滿足上述兩級允許推焦條件時，中控系統才會發出允許推焦指令。若在推焦過程中出現異常情況，三大機車的工作人員均可隨時發出停止推焦的指令，避免推焦事故發生。

2 機車連鎖控制系統的構架和功能

焦爐機車連鎖控制系統采用管理層和控制層2層構架，具有結構模塊化、組態靈活、擴充性好等特點，如圖2所示。管理層，即地面站由管理計算機、數據服務器、無線數字通信電臺、應用軟件等組成，主要完成過程監控、計劃的編排和傳輸、記錄和統計報表的生成、無線采集各機車的信息并形成控制命令、與各機車進行通信，實時交換數據?？刂茖樱窜囕d站由車載PLC控制器、車載無線數字通信電臺、車載顯示屏、射頻識別裝置、定位裝置等組成，主要完成現場數據采集、信息顯示、位置檢測、爐號對位、連鎖控制、與中控室通信數據交換等功能。本系統利用無線擴頻技術進行數據傳輸，通過無線FSK通訊模式，采用雙差分天線接收技術和收發分離技術，有效抑制了各種干擾。

圖2 機車聯鎖控制系統構架Fig.2 Structure of interlocking device

3 機車連鎖裝置的硬件配置

焦爐三大機車連鎖裝置包括分別屬于推焦車、攔焦車和熄焦車的3個子裝置，每個子裝置均由爐號識別、數據通訊、觸摸屏監控顯示三部分組成，其硬件組成結構如圖3所示。

3.1 PLC控制單元

根據焦車連鎖裝置方案的實際要求，選用西門子S7-1200PLC實現各裝置的控制、數據信息通訊和協調工作。選用SIMATIC HMI精簡系列面板實現焦車操作人員對各個焦車實時信息狀態的監控。其網絡配置如圖4所示。

圖3連鎖裝置硬件結構Fig.3 Interlocking device hardware structure

圖4 PLC網絡配置Fig.4 Network configuration for PLC

推焦車、攔焦車、熄焦車對應的子裝置中，PLC硬件組態結構基本相同，主要由 CPU1214C（AC/ DC/RLY）、CM1241（RS-232）通信模塊和 CM1241（RS-422/485）通信模塊組成，CPU1214C集成了PROFINET通訊接口，可實現與上位機以及觸摸屏之間的通訊；CM1241（RS-232）通信模塊可實現與數傳電臺之間的通訊；CM1241（RS-422/485）通信模塊可實現與RFID讀寫器之間的通訊。

3.2 位置檢測及識別

RFID系統對環境具有較強的適應能力，能夠抵御油污、粉塵或者遮擋物的干擾，并且能夠保證信息可靠和迅速地傳輸，因此本文選用RFID讀寫器和電子標簽構成的反射調制式系統作為爐號識別裝置[6]，其中RFID讀寫器選用DLC-6820近距離讀寫器，電子標簽選用YD-13521抗金屬電子標簽?？紤]焦爐爐孔的寬度一般在350～550 mm之間，因此規定讀取距離不低于20～30 mm。另外，由于焦車在各自軌道上的運行方向不變，且行進的速度較慢，一般都小于1 m/s，因此電子標簽可安裝在焦車運行的軌道旁。考慮到生產環境的惡劣和設備維護的不方便，電子標簽選用無源型，且具有一定的存儲空間，保證電子標簽損壞更換時，不必更改控制程序。

焦車讀寫器的工作模式選擇為定時模式，定時間隔為19×10 ms，與PLC進行串口通信的協議為RS-485，波特率為9600 b/s，讀卡方式設置為單標簽讀取，頻率設置為跳頻。

3.3 數據通信

焦爐生產是由分別運行在不同軌道上的推焦車、攔焦車、熄焦車共同完成，只有保證生產過程中三車的協調工作，才能保證生產的安全，避免事故的發生，因此，三大機車間的數據通訊顯得尤其重要[7]。本文采用數傳電臺完成焦車之間的數據傳輸工作。數傳電臺不僅能夠自行搭建覆蓋網絡，而且能夠靈活地組建網絡，具有很強的抗干擾能力。另外，數傳電臺能夠適應復雜的工作環境，并且能夠在電磁和高溫環境下長期工作[7]。

本文選用固迪公司GD230B-10W型數傳電臺，該型號數傳電臺采用了多任務處理技術，只需要將接口速率設置為與信道速率一致，就可以傳輸任意長的數據、文件以及圖片。數傳電臺的DB9孔型連接器和RJ-45連接器完成數傳電臺數據信號的輸入與輸出。

4 機車連鎖裝置的軟件設計

機車連鎖裝置的軟件設計包括下位機和上位機的軟件設計，合理的軟件設計不僅能使硬件結構簡化，還能更好地監控整個裝置的實時運行情況。

4.1 下位機軟件設計

下位機的主要功能是通過射頻讀寫器所讀取的爐室位置信息進行各車車位的識別，PLC的I/O和模擬量輸入模塊自動采集車上的開關信號（推焦桿前進信號、推焦桿后退信號、推焦桿前限信號、平煤桿前進信號、平煤桿后退信號、爐門、車門開關信號、人工允推按鈕信號等）和電流信號（推焦電流和平煤電流），并將這些數據按通信協議編成一個數據幀，送到車載數傳電臺通信模塊進行數據調制和放大，通過車載發射天線發射出去，實現各車之間、車與地面站之間的數據通訊、交互顯示，進一步完成車輛實際位置和推焦作業計劃爐號的比較確認。

在生產操作過程中，推焦車、攔焦車、熄焦車司機可通過HMI精簡系列面板同時觀察到其它車輛所在的位置和其他車輛發出的操作確認指令，還可以把相關作業指令作為車輛作業的聯鎖保護條件，確保作業正確無誤。系統具有智能自適應、自診斷功能，管理級和控制級之間通過控制權自動巡檢移交模式，可將系統癱瘓的可能性降到最小。

以推焦車的PLC為例說明下位機的程序流程。推焦車PLC首先與中控室的上位機進行通信，確認推焦計劃，同時與攔焦車和熄焦車建立通信，確認各個焦車的具體位置信息，并將其顯示在HMI面板上，機車上的工作人員通過HMI面板確認其信息與計劃推焦表的信息是否一致；推焦車PLC繼續判斷導焦槽的位置信息和焦爐爐門的狀態。只有當推焦車、攔焦車、熄焦車都到達計劃推焦的爐室，推焦側與攔焦側的焦爐爐門打開，攔焦車的導焦槽到位等條件都滿足的情況下，推焦車才會接收到推焦動作的電氣信號，流程如圖5所示。

圖5 推焦車PLC工作流程Fig.5 PLC flow chart of the coke pusher

4.2 上位機軟件設計

焦車連鎖裝置上位機監控軟件使用 WinCC V6.0開發，實現對焦化生產現場的狀態監控，其主要的功能是推焦時間計劃表的編排、各焦車位置狀態的監視、焦車爐號錯誤識別的報警，拿門狀態的顯示、推焦故障時人工修改推焦計劃、推焦的歷史記錄和打印等。以直觀動態的方式真實反映現場各設備的位置、動作情況、計劃執行情況、故障報警信息，同時信息數據接入生產局域專網，實現系統數據共享和上層監督，其功能框圖如圖6所示，生產過程中全程運行的監控畫面如圖7所示。

圖6 系統監控軟件結構Fig.6 Structure of the system monitoring software

圖7 監控系統主界面Fig.7 Main interface of the monitoring system

5 結語

本文介紹了焦化生產過程中三車連鎖裝置的設計，以工控機為上位機，PLC為下位機構成裝置的整體方案。上位機主要實現焦化生產現場機車狀態的監控以及煉焦生產中的數據記錄存檔等功能，下位機主要實現焦爐號識別裝置、數據通訊裝置、觸摸屏監控顯示裝置的控制功能，分別利用RFID裝置、HMI面板和無線數傳電臺實現了焦車的爐號識別與顯示以及焦車之間的數據傳輸。并基于TIA Protal V11和WinCC分別開發了下位機控制程序和上位機監控軟件，現場應用結果表明整個裝置設計簡單方便、性能可靠，有效地提高了生產效率。

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