焦化裝置現有抓斗行車智能化技術改造

曾承花

（鎮海石化工程股份有限公司，浙江寧波 315000）

流程工業是制造業的重要組成部分，以資源和可回收資源為原料，通過包含物理化學反應的氣液固多相共存的連續化復雜生產全流程，為下游離散型制造業提供原材料和能源。這些工業包括石化、化工、鋼鐵、有色金屬、建材和電力等高耗能行業，是國民經濟和社會發展的重要支柱產業，是我國經濟持續增長的重要支撐力量。目前我國已成為世界上種類最齊全、規模最龐大的流程制造業大國。為解決資源、能源與環保的問題，我國流程工業正從局部、粗放生產的傳統流程工業向全流程、精細化生產的現代流程工業發展，以達到提高資源與能源的利用率、有效減少污染的目的，高效化和綠色化是我國流程工業發展的必然方向。

當前，發達國家紛紛實施“再工業化”戰略，強化制造業創新，重塑制造業競爭新優勢。美國智能制造領導聯盟提出實施21世紀“智能過程制造”的技術框架和路線[1]；德國提出了以智能制造為主導的第四次工業革命發展戰略，即“工業4.0”計劃；英國宣布“英國工業2050戰略”，日本和韓國先后提出“I-Japan戰略”和“制造業創新3.0戰略”。面對第四次工業革命帶來的全球產業競爭格局的新調整，為搶占未來產業競爭制高點，我國宣布實施“中國制造2025”。智能制成為公認的提升制造業整體競爭力的核心高技術，也是我國實現制造強國的主攻方向。智能制造只有與制造業的特點與目標密切結合，充分利用大數據，將人工智能、移動互聯網、移動計算、建模、控制與優化等信息技術與制造過程的物理資源緊密融合與協同，研發實現智能制造目標的具有各種新功能的制造系統，才可能使制造業實現跨越式發展。

圖1 焦池視圖

近年來，我國石化工業企業大中型新建裝置基本都進行了信息化建設，生產過程中采用了集散控制系統（DCS）、現場總線系統（FCS）、可編程控制器（PLC）系統，安裝了先進控制軟件，如緊急停車（ESD）系統、先進控制（APC）系統、實時優化（RTO）和運行控制系統，實現了生產工序的回路閉環控制、過程監控和運行優化。但我國石化裝置新舊不一，部分裝置部分工序依然存在人力密集現象，生產經營計劃與管理、生產過程的運行操作與管理系統的決策分析仍然依靠知識型工作者憑知識和經驗來完成。人的行為制約整個生產線和最終的產品質量。因此，完成煉化企業老舊裝置剩余人力密集工序的智能化升級改造是意義重大的。本文通過對國內某石化廠焦化裝置現場儲焦池行車抓斗現狀進行分析，提出行之有效的智能化升級改造方案。

1 焦化裝置現場儲焦池行車抓斗現狀

某石化廠焦化裝置現場儲焦池，焦池長108m、寬35.5m。焦池上橫跨有編號為H001A（簡稱A行車）、H001B（簡稱B行車）的2臺行車，型號QZ32-35.5A7。現要實現A行車的無人化作業，單臺設備大車作業范圍94m、小車作業范圍35.5m。目前行車采用箱梁端部懸掛的司機室現場操作，大、小車電機、起升、開閉電機均為變頻電機。

抓斗自初步堆積區將含水焦炭抓至堆焦瀝干區，然后再等待瀝干區焦炭充分干燥后，再從堆焦瀝干區抓至破碎機料斗內。石油焦從堆積區全部抓到瀝干區約需4h，再從瀝干區抓到破碎機料斗約需4h，這是單車運行操作的情況，每一次動作大約需要3 min（一塔按1500～2000t焦炭）。焦池視圖見圖1。

2 問題分析及技改目標

2.1 問題分析

目前行車都是用人工手動操作，操作人員需要爬上較高的行車，進入司機室進行操作。大車位置、小車位置、起升高度都由人眼目測后操控。現場環境惡劣、工作時間長、勞動強度大且上下攀爬有一定程度的危險，無法滿足裝置運行效率。隨著勞動力資源的日益短缺，成本愈加高昂。

近期抓斗行車故障頻發，因抓斗行車一般由傳統的閉合機構以及提升結構組成，兩者在運行中承擔的重力相通，如抓斗在運行中出現閉合不嚴的問題，容易出現物料泄漏的問題，不僅增加吊機的運行難度，也會出現系統過載的問題，無法提高抓斗行車運行的效率。另外，在抓斗行車中，提升設備的鋼絲容易過松的狀態，會出現物料抓取少以及設備操作強度大等問題，無法實現吊裝設備的高效運行。在進行抓斗吊裝設備的變頻調控中，存在著操作程序繁瑣的問題，導致抓斗吊裝系統的變頻器過載嚴重。綜合以上原因，通過AI技術對該系統進行改造升級是非常必要的。焦池抓斗行車系統現場圖見圖2。

圖2 焦池抓斗行車系統現場圖

2.2 智能化技改工作思路

本次改造通過全自動遠程控制、遠程手動控制方式，同時保留焦化裝置原有的現場司機手動控制方式，自動程序按照既定程序完成焦池抓焦、瀝干等程序。抓焦瀝干等具體按照總的時間網絡編排，具體視時間網絡和池內焦量綜合判斷，焦池內料位判斷采用先進的掃描技術。抓斗考慮防搖擺技術、行車大車、小車輪雙側需考慮同步自動糾偏功能，防止車輪在雙側軌道出現不同步的情況，對常見的故障，如鋼絲繩偏移跳股，鋼絲繩斷股或斷裂、滾筒組同心度出現超標、大小車車輪打滑、大小車輪啃軌等采用故障狀態的監測判斷及故障判斷后設備的自動保護功能，以達到自動程序控制行車運行、抓斗自初步堆積基坑區將含水焦炭抓至堆焦瀝干區，然后再從堆焦瀝干區抓至破碎機料斗內，實現3種控制方式任意選擇：全自動遠程控制、遠程手動控制、保留原有的現場司機室手動控制，提高操作可靠性和安全性[2]。

3 智能化技改方案

3.1 自動化原理描述

首先，自動控制系統將整個焦池進行信息化、數字化管理，即將焦池虛擬成若干個網格，在系統中存放有每個網格的準確地址信息，同時，也可以通過計算機隨時更改各網格的地址。這樣整個焦池就被編碼成由多個網格組成的數字存貯焦池，利用應用軟件實時設定抓取與投料的具體的網格號，控制系統就可根據各行車的位置信息控制行車到達指定的目的網格號，自動完成抓取和投料作業。

假設操作人員設定作業順序后，系統開始自動取料時，開始從初步堆料區“A”點進行抓取，隨后通過安裝的旋轉編碼器得到抓斗高度，通過重量變送器及拉力傳感器的保護保證對焦炭的抓取，抓斗從焦池提升至安全高度后，將此次抓取的焦炭放置瀝干區內“B”點。待焦炭瀝干后，抓斗將“B”點焦炭抓到破碎機入口“C”點，此次行車完成抓取焦炭過程。系統根據編碼器的數值及力矩傳感器的極限判斷對“A”點、“B”點的焦炭是否抓取完成，若判定結果為“否”，則行車繼續回到“A”點、“B”點位置繼續進行抓取動作；當判定結果為“是”，則系統可根據加減間隔地址自動計算出下次行車抓取位置，直至完成一個橫班的抓取焦炭工作。

圖3 操作系統圖

3.2 自動控制系統改造實施

如圖3所示，行車自動控制系統利用現有的行車機械本體等，分階段實現焦化池2臺行車的自動化、無人化改造。整套控制系統由行車控制系統、通信系統、地面控制系統3部分組成。

行車控制系系統由現場環境天氣監測系統、變頻控制系統、PLC控制系統、防碰撞系統、定位系統、3D掃描系統、抓斗保護系統、稱重系統以及視頻監控系統組成。

通訊系統是將行車控制系統與地面控制系統進行通訊，傳輸行車實時運行信息到地面監控系統的同時接受地面控制系統的自動控制指令，此外視頻監控系統的信號也通過通訊系統進行傳輸。通訊系統主要包含無線AP、天線、信號轉換器以及光纖等設備。

地面控制系統包括了視頻監控系統、行車狀態信息監控實時操作系統、遠程操作系統等。遠程操作系統具體指地面操作站有相應的操作臺和相應的行車狀態顯示器件，司機可在半自動系統指引下或者觀察實時視頻監控系統完成抓斗行車的遠程操作，此功能一般僅在特殊情況下應急使用。

行車本體改造包括：（1）完善行車大/小車的變頻器改造，包括增加增量型編碼器，增加通訊卡；（2）增加行車大/小車及吊具定位改造，包括增加刻度標尺定位系統檢測實時精準檢測行車的大/小車位移，增加絕對值式旋轉編碼器檢測開閉電機及起升電機的位移值；（3）增加激光掃描儀，用于焦池瀝干區的物料成像；（4）完善吊具的限位器，具備冗余功能；（5）改進行車的重量限制器，使具備相應精度及4～20 mA信號輸出功能，改進風速檢測儀表的表頭，使具備4～20 mA信號輸出功能。

其次，地面改造包括：（1）增設光纜通訊設備傳輸行車指令，增設無線AP傳輸視頻圖像；（2）增設現場控制柜，使系統具備遠程給行車斷電急停的功能；（3）增設1臺地面PLC柜，用于分配及協調多臺行車的作業；（4）增設硬件防火墻，用于硬件隔離無人行車系統和廠級系統；（5）增加中控室視頻監控站，通過視頻實時監控現場設備的運行情況。

3.3 行車大車及小車刻度表尺檢測系統的改造

本次改造新增行車大車及小車刻度表尺檢測系統，行車大小車位置檢測采用刻度標尺定位技術。大車刻度標尺沿大車軌道布置在拖纜支架上方，在行車端梁適當位置伸出支架，固定大車刻度標尺，安裝施工時確保大車刻度標尺和大車游尺指針的間距為100±20 mm，實現大車的位移檢測；沿行車橫梁上的欄桿布置小車刻度標尺，在小車前端或后端安裝小車游尺指針，安裝施工時確保小車刻度標尺和小車游尺指針的間距為150±20 mm，實現小車的位移檢測；檢測到的大/小車位移地址傳送到車載電器柜內的PLC，PLC根據當前位置與目的地址以及參考行車位置動態調整行車抱閘，精確控制行車停到目的地址[3]。

3.4 高度、重載檢測及防抓斗傾倒

高度、重載檢測及防抓斗傾倒自動改造如下：（1）高度檢測。行車高度方向上，由于距離相對較短，采用旋轉編碼器的形式測量Z軸高度，同時與升降限位開關相配合，實現吊鉤升降運動的控制。編碼器采用絕對值式多圈編碼器，分辨率13位，編碼信號通過總線輸出到行車PLC，編碼器安裝在卷筒末端的出軸或減速機端蓋上。

（2）重量限制器現場的重量限制器不能滿足系統要求，需要對重量限制儀表進行參數確認及改造，改造內容包括，更換重量限制儀表的精度，使儀表的測重誤差在±5%以內，并且儀表能輸出4～20mA的電流信號，車載PLC采集重量限制儀表輸出的4～20mA信號，通過程序判斷抓斗是否正確抓取或放下物料以及是否觸底。具體改造內容如表一所示。

（3）防抓斗傾倒。全局直觀狀態通過司機操作室外的視頻攝像機觀察；主控操作室根據現場的高度信息、結合力矩限制器重量信息進行相應的邏輯處理，保證行車抓斗在下降過程中保持抓斗平衡不會傾倒，上升時確保行車已安全起吊，使操作員可實時動態觀察行車的情況，避免在抓取過程中出現錯抓或碰撞的重大事故，保證起吊平穩、安全[4]。

3.5 防撞系統

防碰撞是無人行車的一個重要功能，防止行車之間出現碰撞事故。防撞系統改造內容為（1）網絡層：通訊冗余互補，利用行車間的網絡進行實時通訊，將行車刻度標尺定位系統及APON無線定位測距的數據發送給彼此，作為防撞距離參考，確保行車安全運行。（2）管理層：庫管系統防撞補充，庫管系統每次下達的作業指令都會重新計算行車間的安全作業距離，并調整行車的作業目標位或避讓系統。系統還會實時監控每臺行車的距離，當小于安全距離時會發出停車信號。如在APON無線定位測距儀的主要技術指標確定中，應該遵循以下標準：①移動搬運設備地址測量精度：小于2cm；②測量范圍：0～1km；③工作環境溫度：-40～85℃；④刷新速度：125 Hz（最大）；⑤輸入電源：AC220 VAC±10%、DC4.5～48 V。通過對APON系統改造方案的分析可以發現，該技術存在測距速度快、定位精度高、運行穩定、抗干擾能力強、體積小、重量輕、安裝方便快捷、調試周期短的優勢[5]。

3.6 自動追速程序

在正常抓斗控制的基礎上，本次新增自動化追速程序，在抓斗的打開、閉合以及下降過程中，變頻器均為一速49 Hz高速度，以保證抓斗的高效率。但在抓斗上升過程中，當出現開閉、起升鋼絲繩不同步時，PLC自動監測變頻器頻率和電流的變化，在滿足條件時就將開閉變頻器降低速度至二速38 Hz運行，同時起升變頻器提高速度至二速50 Hz運行，保證在短時間內追上來，使起升鋼絲繩拉緊，一旦鋼絲繩拉緊后，兩變頻器電流將接近相等，自動追速程序就停止，立刻恢復以一速49 Hz使開閉、起升鋼絲繩同步上升，進而達到鋼絲繩受力均勻的目的[6]。

3.7 工業WIFI傳輸系統

行車車載PLC與地面通訊柜之間采用的是無線通訊，目前中石化《關于加強工業控制系統安全防護的指導意見》中規定工業控制系統原則上不采用無線網絡。確需采用無線網絡時，應對無線連接進行授權、監控和隔離，通過無線連接只應進行數據的采集，無線連接采集的數據不應參與聯鎖和控制。無線設備室外型電信級無線AP網橋工作于5.8G Hz全頻段，提供了一種非常適用的，性價比極佳的遠距離點對多點解決方案，真正實現高性能、多功能平臺的經濟型設備，融合了無線接入以及骨干網連接的功能。系統可通過用戶友好的WEB界面進行遠程管理，易于安裝維護。無線設備的空中速率高達1500 Mbps，同時支持SuperG和TurboA模式，在TurboA模式下可高達1500 Mbps。具有射頻鏈路測試能力，有效解決了無線網絡安裝中最困難的安裝配置問題，使其安裝和維護簡便易行。

4 實施效果

某石化焦化裝置抓斗行車智能化改造，通過刻度標尺精確定位技術、料堆測量3D掃描技術、行車防碰撞技術、工業無線通訊和視頻監控系統、現場總線控制技術、現場環境天氣監測技術有機的融合于PLC控制系統中，解決了現場行車位置跟蹤和作業命令的傳輸及執行，能完美地配合工藝流程的抓取、投放等作業功能，有效地簡化工作流程，可由1人操作多臺或全部行車，并將作業過程和作業結果與管理系統進行實時通訊與反饋，將最后的信息盲點納入到了全廠整體的管控中，提高工作效率，降低了勞動生產負荷和安全風險，節約生產成本，降低故障發生率，便于維修與保養。提高企業產值與行業競爭力，使生產管理不斷趨于集約型、科學化、數字化。為最終全裝置的智能化打下了堅實基礎。