刻度標尺自動定位技術在高爐小車精準對位系統中的應用

魏培超

（甘肅酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅嘉峪關735100）

刻度標尺自動定位技術在高爐小車精準對位系統中的應用

魏培超

（甘肅酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅嘉峪關735100）

介紹了刻度標尺精確定位技術的工作原理及系統組成，以及該檢測技術在高爐小車精確對位系統中的應用。通過使用該技術實現了小車定位及遠程自動換倉卸料操作和監測，降低了現場操作人員的勞動強度，保障了操作人員職業健康，提高了高爐生產的自動化程度。

刻度標尺；無線傳輸；視頻監控；料位監測；遠程操作

1 引言

隨著科技的進步，冶金工業自動化程度越來越高。通過先進自動化技術的應用，工業現場設備實現自動運行，可適當減少現場操作人員，提高生產效率，降低操作維護人員的勞動強度，是冶金工業整體發展趨勢的要求。某煉鐵廠3號高爐礦槽卸料系統承擔著為煉鐵總廠相對應的高爐提供燒結礦、球團礦、塊礦、焦炭等品種原料的重任，分別由礦槽頂部的2臺小車來完成整個系統的布料作業。目前高爐礦槽加料作業仍然沿用人工控制加料的作業模式，操作人員在卸料車旁來回行走控制卸料車（機旁操作），僅憑借現場標記的倉號人工判斷小車停車位置。由于現場粉塵極大，惡劣的環境不僅影響小車對位精度，容易造成錯料、混料、漫料等事故。同時，對頻繁在現場操作的職工也存在職業健康危害，不適宜工人直接在現場操作。當現場誤操作，發生混料情況時，現場沒有位置跟蹤信息和操作記錄信息，不能查出是哪那個班組發生了混料及混料的時間和數量。上述問題的發生對生產帶來了影響，因為布料小車卸料系統是直接送往高爐去煉鐵的，由于誤操作（操作人員責任心不強，看錯倉號，夜間值班多易出現）容易導致錯倉混料的事故，直接影響到提供給高爐煉鐵用原料成分的穩定性，從而造成鐵水質量不合格。

由于人眼定位和接近開關定位方式存在缺陷，會影響到卸料設備的正常運轉，不僅降低了卸料小車定位精度，而且設備的誤工率也大幅增加，無法滿足長期穩定生產的需要。同時，由于有較多的人工參與，頻繁的信息交換不能通過計算機系統進行傳輸，設備的整體作業率難以有效提升，中控室的信息集中監控功能得不到實現，生產效率和管理水平等等都難以滿足目前生產的需要。總體而言，卸料小車的定位問題已經成為了制約高爐供料生產中的一大“瓶頸”。

為此，對高爐卸料小車精準對位采用了刻度標尺精確定位系統。在精確定位系統的基礎上，本套系統還應用了視頻監控、料位監控、皮帶跑偏等保護措施來實現整個布料系統的智能化。

2 系統構成

刻度標尺小車自動控制系統主要由位置檢測、料位采集、無線傳輸、皮帶跑偏、PLC控制、上位機，視頻監控等部分組成，系統構成如圖1所示。各部分實現的功能如下。

位置檢測：采用刻度標尺精確定位系統來檢測小車的實時位置，標定各料倉的位置；

料位采集：在料倉合適位置分布安裝料位計，用來實時采集料倉料位信號，此信號傳輸到中控室的PLC模塊內；

無線傳輸：采用工業級無線網橋，把地面的主站PLC的指令傳給移動卸料小車上的分站PLC；

皮帶跑偏：采集皮帶跑偏信號，在中控上位機上報警提示；

PLC控制：采集各料倉料位信號和小車位置信號，接收中控室上位機工作指令，并控制變頻器工作；

上位機：人機界面，根據生產工藝流程制定生產流程，控制指令發送到PLC；

視頻監控：監視皮帶兩側的實時工況，對現場實時影像可回放。

3 刻度標尺介紹及檢測原理

3．1 刻度標尺構成

刻度標尺由車載子系統、地面子系統、刻度標尺子系統組成。

車載子系統包含游尺指針、車載電氣柜（內含刻度生成儀、開關電源等）。

地面子系統由地面電氣柜組成（內含刻度分析儀、開關電源、網關、信號分配器等）。

刻度標尺子系統由專用刻度標尺、ST箱、引線電纜以及各種用于刻度標尺安裝、固定、防護機構組成。

圖1 系統構成圖

圖2 刻度標尺系統構成圖

整個刻度標尺定位系統如圖2所示。

3．2 刻度標尺原理

刻度標尺精確定位系統采用法拉第電磁感應定律（磁力線傳導原理）來檢測移動搬運設備的位移量，當游尺指針線圈中通入交變電流時，在游尺指針附近會產生交變磁場。刻度標尺近似處在一個交變的、均勻分布的磁場中，每對刻度標尺芯線會產生感應電動勢。刻度生成儀信號通過電磁耦合方式傳送到刻度標尺的感應環線上。刻度分析儀對接收到的信號進行相位比較。交叉線的信號相位與平行線的信號相位相同，地址為“0”；交叉線的信號相位與平行線的信號相位相反，地址為“1”。這樣感應的得到地址信息是數字編碼排列，由此確定游尺指針在刻度標尺長度方向上的位置，原理圖如圖3所示。

圖3 刻度標尺原理圖

4 控制原理

4．1 自動化控制系統

本系統采用S7－1200PLC可編程控制系統，位移信號由安裝于現場的刻度分析儀輸出后，使用RS－485通訊電纜接入PLC的CPU模塊上的485接口，最終將位移信號以整數形式寫入PLC內的固定寄存器。小車的行走控制由PLC編程，通過輸出的開關量信號控制。上位機使用WinCC組態軟件制作，通過Profinet以太網通訊完成上位機與PLC系統之間的通訊。主站PLC與分站PLC之間以無線網絡硬件介質傳輸。

通過刻度標尺精確定位系統和上位機操作系統的協同工作，可以確保小車行走平穩，停車位置準確可靠。在輸料系統中將不同的原料品種卸到指定的倉位內，滿足工藝需求。按操作方式可設置“手動”和“自動”切換功能，使系統在自動操作控制方式非正常的情況下仍能通過現場車載操作箱手動操作，來完成卸料作業，不會影響高爐生產的正常進行。急停命令可以讓小車立即停止行走。

電機控制系統框架如圖4所示。

圖4 電機控制系統框架圖

4．2 卸料小車自動定位系統運行流程

在自動模式下運行時，需要操作人員根據工藝需求情況在畫面中選取相應的料倉，當PLC接到此指令后，就會比對目前卸料小車所在的實際位置和目標位置，使卸料小車自動前進或后退，直到到達指定料倉下料點后停車。

在控制卸料小車自動行走時，軟件根據系統的延時和卸料小車的慣性，計算出剎車提前量，通過變頻器控制抱閘的動作，實現卸料小車的準確停車。上位機單臺車控制操作界面如圖5所示；上位機軟件主界面如圖6所示。

圖5 單機上位操作界面

圖6 上位機主操作界面

5 結束語

刻度標尺精確定位系統在某煉鐵廠安裝調試后成功運行。通過非接觸式刻度標尺實時檢測卸料小車當前位置，即所處倉位（槽位）識別，結合料位檢測，實現了卸料小車的自動換倉卸料、多點均勻布料（下料），提高了倉容利用率，優化了工藝流程，減少了出錯機率。系統實現了生產過程的計算機管理和遠程監控操作，可以完成遠程全自動操作控制和生產狀況存貯查詢功能，降低了操作人員的勞動強度，提高了崗位職業健康水平及生產管理水平。

［1］廖常初．S7－1200 PLC編程及應用［M］．北京：機械工業出版社．

［2］廖常初．PLC編程及應用［M］．北京：機械工業出版社．

［3］周美蘭，周 封，王岳宇．PLC電氣控制與組態設計［M］．北京：科學出版社．

［4］張 春．深入淺出西門子S7－1200 PLC［M］．北京：北京航空航天出版社．

［5］姜建芳．西門子WinCC組態軟件工程應用技術［M］．北京：機械工業出版社．

［6］齊 榮．可編程計算機控制器原理及應用［M］．西安：西北工業大學出版社．

Application of automatic calibration technology of scale ruler in precise alignment system of blast furnace

WEI Pei－chao

（Gansu Jiu Steel Group Hongxing Iron＆Steel Co．，Ltd．，Jiayuguan 735100，China）

The working principle and the system composition of the scale ruler calibration precision positioning technology is introduced，and the application of this calibration technology in the precise alignment system of the blast furnace is presented．By using of this technology，the vehicle positioning，the remote automatic warehouse unloading operation and the system monitoring are realized．It can reduce the labor intensity of the site operators，can ensure the occupation health of the operators，and also can improve the automation degree of the production of the blast furnace．

scale ruler；wireless transmission；video monitoring；raw material level monitoring；remote operation

TF355＋．3

B

1005—7277（2016）06—0045—03

魏培超（1968－），男，1993年畢業于東北大學自控系，現任甘肅酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司煉鐵廠電氣主任工程師。

2016－11－15