焦爐車輛自動對位系統的改進

張 浩

（太原重工股份有限公司技術中心，山西 太原 030024）

焦爐車輛是焦炭生產工藝中的專用設備，用于完成推焦、裝煤、熄焦等工藝操作，通過軌道運行于焦爐各炭化室間。長期以來焦爐生產環境惡劣、操作質量落后，車輛的走行定位均以手動操作方式為主。生產過程中經常出現定位不準或重復多次定位的現象，存在安全隱患。近年來隨著信息化和智能化技術的快速發展和應用，焦爐機械設備自動化和智能化水平不斷提高，焦爐機械成套設備一鍵操作、無人操作、自動運行逐漸成為焦化機械成套設備發展趨勢。自動對位系統是焦爐車輛智能操作系統的核心組成部分。為滿足工藝要求，車輛走行控制精度需在5 mm之內，且要求走行過程快速、平穩、準確，同時需克服生產現場高溫、灰塵、腐蝕等環境因素。目前國內外普遍應用碼盤式自動對位系統。因軌道不平或者雨雪天氣影響，碼盤式自動對位系統會出現對位失效的情況，需要人工進行干預。

1 硬件組成

本系統是一種離散位置對位系統，通過讀取安裝在焦爐端臺的下部和爐頂軌道側面沿著縱向每個爐孔中心處碼盤來進行爐號識別及對位。硬件上包括粗定位和精定位2個子系統。粗定位系統主要硬件是安裝在從動輪走行電機減速器低速端的增量編碼器，用于測量焦爐車輛的實際位移；精定位系統由閱讀頭、譯碼板、碼盤組成，見圖1所示。碼盤上打有一套BCD碼和時鐘方形孔來表示爐號信息。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譯碼板進行信號處理。當閱讀頭經過一個碼盤時，相應的編碼通過光柵被串行讀取，然后傳輸到譯碼板上。2個子系統依據焦爐車輛不同階段的控制要求，協同實現自動對位功能。

圖1 精定位子系統

2 控制策略

為實現焦爐車輛快速、準確的自動對位功能，必須對走行變頻器的速度給定進行策略規劃，依據車輛距離目標爐號的遠近，將其分為粗定位規劃階段和精定位規劃階段。

2.1 粗定位規劃

車輛距目標爐號位置大于350 mm（即碼盤寬度）時為粗定位規劃階段。增量式編碼器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中并轉換為車輛實際位置（mm）。根據目標爐號剩余距離由算法控制變頻器輸出值，并實時調整。以正向為例，則最大剎車距離s為：

式中：vmax為車輛最大速度，t為變頻器減速時間。

剎車加速度a（為計算簡單，加速度取正）：

設某時刻車輛到目標位置剩余距離為△s，由物理公式v2=2ax可得此時車輛速度vt：

變頻器給定值f為（假設變頻器0~50 Hz輸出對應0~10 000）：

從走行曲線中可以看出，粗定位結束時（距目標位置350 mm）變頻器給定較大，不利于精定位對準。因此在此曲線基礎上加偏移量，使得初始給定不變，且粗定位結束時變頻器給定減少至350 mm，曲線如圖3。

圖3 增加偏移量后的粗定位規劃曲線

假設偏移量為△f，計算可得

假設最終變頻器給定為ffinal，可得

通過粗定位速度規劃階段，車輛快速接近目標爐號位置并平穩降速，為精定位規劃階段車輛準確對位打下堅實基礎。

2.2 精定位規劃

車輛距目標爐號位置大于350 mm（即碼盤寬度）時為粗定位規劃階段。同樣，根據目標爐號剩余距離由算法控制變頻器輸出值，并實時調整。當閱讀頭檢測到碼盤邊緣時觸發精定位算法，將剩余目標位置修正為350 mm，消除粗定位階段長距離運行誤差。變頻器輸出給定以正向為例，假設變頻器最小輸出為fmin，則

若車輛對位時因軌道不平或雨雪天氣等原因造成車輛超過目標爐號位置，即變頻器輸出為正、距目標爐號位置為負時，則繼續讓車輛按原方向行進一段距離，然后反方向繼續對位直至對準。算法允許車輛反復對位次數為兩次，若超出允許值則判斷自動對位失敗。碼盤對準后變頻器停止輸出。

圖4 精定位規劃示意曲線

當車輛上的碼盤閱讀頭與目標爐號位置的碼盤精準對位后，會將預先存儲的該爐號位置數據寫入到旋轉編碼器的位置數據中，對編碼器的位置數據進行校正，消除編碼器的數據誤差。

通過精定位速度規劃階段，車輛準確停至目標爐號位置，并識別碼盤上爐號信息，車輛自動對位完成。

3 方案改進

碼盤式自動定位系統的應用，減少了對熟練人工操作的依賴，大大提高了系統的生產效率；獨立的定位和編碼器計數定位的雙重定位系統，互為安全校驗，減少了人工誤操作，避免生產事故的發生；采用粗、精定位雙重定位系統可以獲得最優化的速度控制曲線，最大限度使機車高速行駛，節省了走行時間。

但由于軌道不平或者雨雪天氣影響，車輛走行輪在行進過程中經常出現打滑，顛簸等因素，難免會造成編碼器計數偏離實際運行距離，對測量結果形成累計誤差，這將大大影響了對位系統的精度和可靠性。誤差較大時會造成車輛反復對位、車輛無故停止、車輛沖出目標位等后果，這就需要人工干預，重新校準編碼器。為了提高車輛自動運行率，最終實現焦爐車輛無人化操作，下面給出一種改進方案：

原系統粗定位過程中，依靠安裝于從動輪走行電機減速器低速端的一個增量式編碼器來獲取車輛的實際位置。現將軌道另一側對角線位置的從動輪上增加一組增量式編碼器，與原編碼器互為校驗。當車輛正常運行時，編碼器計數差值較小，以其中一側編碼器為準；當一側或雙側車輪打滑時，兩組編碼器計數會發生偏差，超過一定閾值時判斷為運行異常。此時，系統將減少變頻器給定，將車輛降為低速，按照目標方向尋找最近的碼盤對準并進行編碼器校準。校準完成后繼續自動進行計劃爐號的對位，系統流程見圖2所示。

圖2 粗定位規劃曲線

圖5 改進方案流程圖

4 結語

碼盤式自動對位系統可快速、平穩、準確的實現焦爐車輛自動走行、自動定位功能。通過對該系統的改進，可有效減低因軌道不平或者雨雪天氣影響造成的走行中斷，減少人工干預，提高自動化運行率，最終可實現焦爐車輛無人化操作。目前該系統已經在國內某鋼廠7 m焦爐設備上成功應用。