焦爐車輛智能化操作系統研究

梁淑蓉

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

隨著國家產業政策的調整，焦爐車輛向大型、環保、自動化和智能化方向發展，焦化企業對焦爐機械設備控制的要求越來越高，焦爐設備四大車智能化操作、設備全自動運行已經成為焦化設備發展的必然趨勢和用戶關注的重點。

焦爐車輛智能化操作系統，即各車輛通過配置無線通訊系統，接收中控室地面協調系統發出的作業計劃，借助各車輛配置的爐號識別定位系統自動運行并準確定位于計劃爐號，完成裝煤、推焦、攔焦、接焦、熄焦任務，實現焦爐各車輛全自動操作，實時檢測、記錄車輛的運行狀態，并對出現的故障通過上位機畫面顯示、記錄，最終實現焦爐車輛的“有人值守、無人操作”。

1 智能化操作系統組成

焦爐車輛的“有人值守、無人操作”智能化系統有四部分組成，如表1所示。

表1 智能化操作系統組成

1.1 地面協調系統

地面協調系統作為焦爐車輛運行、協調管理控制中心，與各車輛及設備間通過無線以太網進行數據通信，主要功能是完成焦爐車輛(裝煤車、推焦車、攔焦車、電機車)與焦爐本體各系統(煤塔、干熄焦、地面除塵站、濕熄焦塔等)之間的數據信息交換。圖1為地面協調系統的網絡拓撲圖。

圖1 地面協調系統拓撲圖

地面協調系統主要由工控機、PLC系統、無線以太網交換機、無線通訊系統、視頻監控系統等組成，實現生產管理、車輛信息交換、系統在線數據監控、系統運行數據備份功能。表2為地面協調系統的主要功能。

表2 地面協調系統功能

1.2 自動定位系統

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

1）粗略定位監測系統。

粗略定位監測系統由一個精確定位編碼器構成，增量式編碼器安裝于從動輪走行電機減速器低速端，每轉固定發出多個脈沖，脈沖通過高速計數器模塊記錄至PLC中并轉換為實際位置（mm）。

2）精確定位和識別系統。

精確定位和識別系統由碼牌、讀碼頭、譯碼板組成。碼牌是裝配有一個二進制代碼和一個時鐘孔的模板，安裝在每個焦爐的相應位置上；閱讀頭包括6對光柵，整合在U型保護套內。光柵的光學信號通過光纖傳至信號處理單元（譯碼板）。當閱讀頭經過一個碼牌時，相應的編碼通過光柵被串行讀取，然后傳輸到譯碼板上。譯碼板安裝在電氣柜內。

依靠爐號識別系統獲取車輛的位置爐號，根據地面協調系統發來的目標爐號，計算當前車輛的位置與目標地址的距離。根據距離的遠近，利用“粗定位”及“精定位”算法，按特定的曲線函數計算當前車速，使車輛按不同速度移動，直至到達目標位置，停止走行，自動定位精度可達±5 mm。

1.3 無線通訊系統

裝煤車、推焦車、攔焦車、電機車配置有無線通訊系統，以實現與中控室地面車輛協調控制系統間的信號傳遞及聯鎖運行。

無線通訊系統組成：以太網交換機、無線接入點（AP）、天線（帶防雷保護）。

無線通訊系統采用最新的2.4 G/5 G無線通訊技術，網絡接口速度可以達到300 M。

圖2 無線系統平面布置圖

圖2 為7 m焦爐現場無線系統的平面布置圖，在焦側布置了6個AP，機側布置了3個AP，爐頂布置了2個AP，整個無線系統的布置完全覆蓋了兩套焦爐的區域，能可靠實現車輛與地面協調系統間聯鎖信號的傳遞，保障了車輛全自動運行。

1.4 焦爐車輛自動控制系統

焦爐車輛自動控制系統由信號檢測元件、驅動控制系統、PLC系統、上位機及軟件等組成。焦爐車輛在地面協調系統統一協調控制下，依據生產計劃，通過穩定可靠的傳感器，按照程序執行各單元自動操作，同時反饋執行狀態。配備應急處理機制，保障系統可靠及安全。

1.4.1 車輛配置

四大車運行機構全部采用變頻調速，變頻器采用矢量控制，能夠保證電機低頻下滿轉矩輸出。

推焦、平煤為變頻驅動，推焦桿、平煤桿等關鍵位置采用“編碼器+限位開關”方式檢測，推焦、平煤行程采用編碼器控制，保證設備運行的可靠性。

電氣系統中所有斷路器、接觸器通斷信號進PLC，系統可實時對電氣故障進行反饋和處理。

配置自動定位系統和無線通訊系統，以實現車輛的準確定位及與車輛地面協調系統間的信號傳遞。

取門、清門、清框、小爐門、導焦柵移動及鎖閉、內外導套油缸、揭蓋油缸、閘板開閉油缸等主要機構油缸為帶內置位移傳感器的油缸，實時行程顯示

取門機構配合爐號識別系統，通過車上配置的PLC及工控機對每一爐號的參數進行記憶，實現隨不同爐號爐體變形，自動調整取門臺車及傾斜油缸的動作行程，保證爐門的精準開閉，實現取門機構智能自適應功能。

HMI配置為工控機一熱一備，具有上位機運行狀態監控、操作提示、故障報警、故障診斷及故障記錄等功能。

1.4.2 焦爐車輛控制系統操作模式

共有四種：全自動方式、半自動方式、聯鎖手動方式和機旁手動操作方式。

1）全自動。車輛根據地面協調系統提供的推焦計劃、車輛聯鎖等信息自動運行。操作員必須啟動每個焦爐循環，在每個焦爐循環的末尾，設備收到下個焦爐循環的信息。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）。在各車司機室實現焦爐車輛各功能單元自動操作。操作員可在車輛司機室內一鍵式啟動每個功能單元，本模式下機構聯鎖與全自動模式相同。

3）聯鎖手動。實現焦爐車輛各機構動作手動操作。操作員可在車輛司機室內操作臺操作各機構動作，本模式下動作聯鎖與全自動模式相同。

4）機旁手動。實現維修狀態或調試狀態下各動作手動操作。操作員在機旁操作箱的每個操作命令都直接與輸出相關聯，無動作聯鎖。

1.4.3 應急處理系統

停電時有緊急措施，控制柴油機驅動的機械強拉裝置，可將余焦推出之后，將推焦桿從炭化室內退出。

停電時有緊急措施，控制柴油機驅動的機械強拉裝置，將平煤桿退出。

在停電狀態下，車輛配備不間斷電源UPS，后備時間不小于30 min。

泵站出現故障時，蓄能器向系統提供壓力油，通過相應電磁換向閥，驅動執行機構油缸動作。

供電事故時，液壓交換機蓄能器組可以驅動執行機構油缸動作完成四次交換過程。另外設有手動泵，在蓄能器組不能使用后，可以繼續手動提供壓力油供給系統使用。

重要和危險地方設應急照明，照度值不低于工作照明的10%。

1.4.4 全自動退出機制

為了確保全自動運行人身和設備的安全，當機車出現：推焦電流異常、在規定時間內不能完成單元動作、關鍵限位信號出現異常、切換操作模式時等異常情況下，立即退出全自動狀態，并輸出報警信號。

1.4.5 車輛狀態監測及故障診斷

對焦爐設備的每臺車輛上的各機構運行狀態信息進行采集、處理，對各機構間的聯鎖保護、裝煤量、推焦力、操作指令、允許運行時間等信息進行采集、處理、存儲及控制，并在工控機上顯示。

故障診斷主要完成故障報警信息的顯示及記錄，故障查詢、統計及分析等功能，當系統出現異常時，可在上位機上彈出報警畫面、通過聲光進行報警提示，縮短故障排除時間，為設備維護提供參考信息。故障報警信息均保存在系統的實時故障數據庫和歷史故障數據庫中。

1.4.6 視頻監控系統

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

2 結語

焦爐車輛智能化操作系統，最終實現目標：車輛爐號自動識別、準確定位；車輛間聯鎖及通訊可靠；各車輛自動操作穩定可靠；車輛狀態監測可靠并有效反饋；車輛監控及報警系統及時高效，達到焦爐車輛“有人值守、無人操作”。目前該系統已經在國內某鋼廠7 m焦爐設備上成功應用，極大提高了太重焦爐機械設備的智能化水平，因此有著廣闊的市場前景。