編碼電纜對位技術與碼盤對位技術在焦爐機械中的應用

王志萍

（太原重工股份有限公司技術中心，山西 太原 030024）

焦爐機械是焦爐的重要生產(chǎn)機械，工作在高溫、高粉塵、振動大、腐蝕氣體嚴重的場合，焦爐車輛的安全、穩(wěn)定運行可保證焦爐的正常生產(chǎn)。自動對位系統(tǒng)可實現(xiàn)裝煤車、推焦車、攔焦車、電機車的自動爐號識別并實現(xiàn)自動對位，并能夠?qū)崿F(xiàn)裝煤車、推焦車、攔焦車、電機車間的聯(lián)鎖作業(yè)。

目前國內(nèi)焦爐四大車廣泛采用兩種類型的對位系統(tǒng)。編碼電纜對位系統(tǒng)和碼盤對位系統(tǒng)。

1 編碼電纜對位

1.1 簡介

編碼電纜對位技術是一種連續(xù)的非接觸式絕對位置檢測方式，采用了電磁感應和格雷編碼原理。數(shù)據(jù)通信是通過沿機車軌道安裝的編碼電纜和安裝在移動機車上的感應天線之間的電磁感應來實現(xiàn)的。編碼電纜不僅能檢測出焦爐各機車的地址，還能完成各機車與中控室以及各機車之間的數(shù)據(jù)傳輸。

該檢測方式得到的是車輛的絕對地址，即使系統(tǒng)斷電也不受影響，消除機車因各種原因引起的位置偏差。由于編碼電纜與天線箱之間靠電磁感應原理工作，因此它不受任何環(huán)境的影響。編碼電纜沿軌道敷設，與機車距離5～20 cm，沒有任何磨損存在，也不怕車輛在走行過程中的震動和抖動問題。

但是在焦化廠使用中會出現(xiàn)由于紅焦炭跌落在編碼電纜上，致使編碼電纜溫度過高，導致編碼電纜損壞。焦爐各車輛在爐前工作，溫度較高，而地址檢測系統(tǒng)為電子產(chǎn)品，耐高溫性能差，故障率較高，須專人維護。為了防高溫灼烤，編碼電纜等元器件必須采取隔熱措施，這使得投資大，成本相對較低，但后期使用成本較高，主要是焦側(cè)高溫燒損，通訊速率較低。

1.2 編碼系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成包括地面控制部分（放置在中控室）、車載部分、編碼電纜部分、軟件等四部分組成。

1.2.1 中控室部分

1）工控機1 臺。其功能：自動編排焦爐的生產(chǎn)計劃，收集各機車發(fā)回的位置信息和狀態(tài)信息，經(jīng)過分析處理，形成聯(lián)鎖控制信號，通過中控PLC，發(fā)送到各機車；記錄焦爐生產(chǎn)情況，形成報表；能動態(tài)顯示焦爐生產(chǎn)全過程、推焦和裝煤電流、炭化室結焦狀況；曲線模擬顯示車上顯示屏的內(nèi)容；報表生成和打印。

2）遠程監(jiān)控站1 臺，打印機1 臺。

3）中控室控制柜1 臺，含PLC、UPS、通信器及地址發(fā)生器，發(fā)送地址檢測載波，并與焦爐各車輛進行數(shù)據(jù)通信，并實行聯(lián)鎖控制。包括：地址發(fā)生器（對編碼電纜循環(huán)發(fā)送地址檢測信號）、通信控制器（將PLC要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到編碼電纜上，接收編碼電纜傳過來的載波信號，送至中控PLC）、軟件（包括顯示屏軟件、上位數(shù)據(jù)處理軟件、動畫處理軟件、數(shù)據(jù)通信軟件、地址檢測軟件、自動對位軟件及操作系統(tǒng)軟件）。

1.2.2 車載部分

車載部分由地址檢測單元、信號天線、車載控制器、顯示屏等幾部分組成（見下頁圖1）。

圖1 車上與地面控制圖

1）地址檢測單元。利用固定在移動機車上的天線箱沿著扁平格雷母線方向移動,從始端通過比較格雷母線內(nèi)部各對地址芯線與基準芯線的相位,可以得到天線箱所在位置的一組二進制碼,通過對格雷母線芯線的編制,形成格雷地址碼,再經(jīng)過計算處理,就可以得到天線箱的絕對地址。

2）車載控制器。由PLC 模塊組成，實現(xiàn)機車聯(lián)鎖等信號的采集和數(shù)據(jù)處理。

3）通信器。發(fā)送數(shù)據(jù)至編碼電纜，接收中控發(fā)送來的信號。

4）信號天線單元。感應無線收發(fā)天線，分為地址和通訊信號天線單元兩種，信號天線單元與編碼電纜共同完成地址檢測和數(shù)據(jù)傳輸功能。

5）顯示屏。觸摸顯示屏或語音數(shù)碼顯示屏具有語音提示和顯示功能，可以顯示機車重要參數(shù)以及提醒司機進行關鍵操作。

1.2.3 編碼電纜

編碼電纜芯線由兩種對線，基準線不交叉，地址線是按格雷碼規(guī)律編制（見下頁圖2）。它利用各對地址線接收到的信號的相位與基準信號的相位相比較，以同相為“0”，反相為“1”組合得到唯一的地址編碼。由于編碼電纜為多對以一定規(guī)律交叉扭絞結構，可以有效抑制外部干擾。

圖2 編碼電纜技術系統(tǒng)圖

2 碼盤自動對位

2.1 簡介

碼盤式自動對位系統(tǒng)采用了先進的無線通訊技術、自動爐號識別技術、光纖傳感器及碼牌來實現(xiàn)焦爐車輛的自動對位、監(jiān)控，從而達到焦爐四大車對位、聯(lián)鎖的目的。系統(tǒng)的位置識別均為通過碼盤識別裝置閱讀的數(shù)據(jù)值與PLC 系統(tǒng)累計的旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)值結合起來完成。PLC 根據(jù)目標設定值與現(xiàn)在位置值的比較后，計算出車輛應行駛的速度再結合走行驅(qū)動控制完成機車精確定位。當機車走行經(jīng)過某一個碼牌時，譯碼板能譯出碼牌號，并以BCD 碼形式輸出。車輛控制系統(tǒng)接收到該BCD 碼，并將其轉(zhuǎn)換為行程，該行程用來修正粗對位編碼器的值，技術結構見圖3。

圖3 爐號識別技術結構圖

自動對位系統(tǒng)和爐號識別采用編碼器和碼盤對位組成的“粗定位+精定位”二級定位系統(tǒng)，能實時檢測機車位置，爐號自動識別，結合生產(chǎn)計劃，自動走行到目標位置并將爐號發(fā)送到地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)粗定位規(guī)劃階段主要目的是確保走行過程的快速。當大車距離目標較遠時，利用安裝在從動輪上的增量編碼器計算大車的實際位移以及與目標的實時距離，并依據(jù)理論公式計算出控制系統(tǒng)對走行變頻器的速度設定（距離越小，速度越小）；當?shù)竭_一定的距離（距離目標350 mm）或閱讀頭的一組光電傳感器被目標編碼牌遮擋后，大車結束粗定位規(guī)劃階段的走行，進入精定位規(guī)劃階段（見圖4）。此時，閱讀頭內(nèi)的6 個不同功能的光電傳感器所發(fā)出的光電信號將因碼牌的遮擋無法到達接收器中，從而產(chǎn)生脈沖信號，該信號通過解碼板譯碼后送入控制系統(tǒng)進行精定位。當閱讀頭進入編碼牌邊緣處時，控制系統(tǒng)認為距離目標距離為350 mm（一個編碼牌的長度），對編碼器計數(shù)模塊的計數(shù)區(qū)進行校驗性質(zhì)的強制賦值，并將剩余目標距離直接作為速度設定值發(fā)送給走行變頻器（見圖5）。隨著剩余目標距離的縮短，速度逐漸降低直至為零，最終使大車精確定位在目標位置處，從而完成精定位規(guī)劃階段的走行，控制系統(tǒng)對走行變頻器的速度給定。

圖4 速度與車輛位置曲線

圖5 精定位子系統(tǒng)

2.2 系統(tǒng)組成

它是由車上部分即PLC、人機界面及軟件、碼盤識別裝置、無線通訊系統(tǒng)和車下部分即碼盤、地面控制系統(tǒng)（中控室上位機）、無線通訊系統(tǒng)組成。通過碼盤識別裝置確定機車目前所處的位置，配合變頻調(diào)速系統(tǒng)和走行距離檢測完成精確定位。通過觸摸屏向車上人員傳遞各車的狀況和作業(yè)計劃；通過無線數(shù)傳電臺把本車信息傳給其他各車和中控室。中控室主要負責收集、分析、處理各機車發(fā)送來的信息，形成報表，同時根據(jù)推焦計劃指揮各車工作。

2.2.1 車上部分

控制系統(tǒng)（PLC）、人機界面及軟件、碼盤識別裝置、無線通訊系統(tǒng)、編碼器。

1）碼盤識別裝置。碼盤識別裝置是由適合焦化環(huán)境的外罩和安裝在里面的光柵組成，讀取頭上的支撐固定在機器的結構上，光纖的輸入點防塵、防水。負責完成對碼盤信息的讀取，并傳送到PLC 輸入模塊，由PLC 完成對位置的快速識別，控制車輛走行和定位。傳感器固定在移動車輛上，在車輛移動時，其檢測槽從相對爐體靜止的碼盤上方通過，經(jīng)紅外線檢測和編碼將有關信息輸入PLC 中。

2）無線數(shù)傳電臺。無線數(shù)傳電臺是把PLC 中的有關數(shù)據(jù)通過電磁波發(fā)往有關各車和中控室，是控制信息交流的橋梁，車上有1 臺，地面中控室有1 臺。

3）控制箱。控制箱內(nèi)主要裝有PLC 和各種控制模塊，它主要完成對位傳感器的信息收集，自動對位控制及網(wǎng)絡通訊。

4）觸摸屏。負責顯示本車及其他設備狀態(tài)信息、爐況、作業(yè)計劃，同時可通過觸摸屏對設備進行操作。

5）走行編碼器。編碼器裝在一個特制的檢測輪上，每個車裝1 臺，它用來檢測碼盤與碼盤之間的距離，目的是為了控制車速和做動畫顯示，它的輸出接在控制箱內(nèi)PLC 的高速輸入端。

2.2.2 車下部分

碼盤、地面控制系統(tǒng)（中控室上位機）、無線通訊系統(tǒng)。

1）碼牌。沿焦爐的排列走向，每個炭化室前或機車停靠點的合適位置設置一個碼牌。碼牌選用不銹鋼材質(zhì)，耐高溫1 000 ℃，以適應現(xiàn)場惡劣的環(huán)境。碼牌上刻有BCD 碼，代表爐號信息，當閱讀頭經(jīng)過某一個碼牌時，相應的二進制編碼通過光柵被讀取，然后通過光纖傳輸?shù)阶g碼板上。譯碼板對串行輸入信號進行解碼，將其轉(zhuǎn)換成電子信號（BCD 碼）。此外，還設置有其他二進制輸出信號，例如“在指定位置前”“在指定位置”“在指定位置后”等。碼牌除了提供定位點信息（爐號、裝煤位、檢修位等），還提供設備在該點的準確對位信息。

2）無線通訊系統(tǒng)。由于焦爐車輛在軌道上移動，各車輛之間聯(lián)鎖信號不能直接發(fā)送，各車輛的信號發(fā)送至地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)，地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)再給各車輛發(fā)送聯(lián)鎖信號，執(zhí)行各車輛與地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)間的信號傳遞，實現(xiàn)各車輛間的聯(lián)鎖運行。每臺車上有一個無線客戶端和兩組全向天線及防雷器，每個車相應的在機焦側(cè)及爐頂沿軌道方向設置無線通訊箱，與車輛之間進行無線通訊，確保在車輛移動的不同位置均可以接受到車輛發(fā)送的信號。地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)各車的無線接入點通過光纖組成環(huán)網(wǎng)，確保地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)與各車輛之間的信號傳送。

3）地面控制系統(tǒng)。PLC 系統(tǒng)，臺式電腦，打印機等。主要功能包括：焦爐生產(chǎn)管理（編排推焦計劃）、各車輛間信息交換（接收各車狀態(tài)信息、發(fā)送操作指令以及車輛聯(lián)鎖等）、各系統(tǒng)間信息傳送（實現(xiàn)焦爐生產(chǎn)管理系統(tǒng)與地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換）、監(jiān)控在線數(shù)據(jù)（機車當前位置、狀態(tài)）、備份運行數(shù)據(jù)（備份操作記錄、故障記錄）。

3 碼盤和編碼電纜定位系統(tǒng)指標參數(shù)比較（見表1）

表1 碼盤和編碼電纜定位系統(tǒng)指標參數(shù)比較

4 結語

碼盤式自動對位系統(tǒng)檢測及對位精度要高，而且設備可靠性更高，可快速、平穩(wěn)、準確的實現(xiàn)焦爐車輛自動走行、自動定位功能。碼盤對位系統(tǒng)已經(jīng)在國內(nèi)多個鋼廠焦爐設備上成功應用，有著廣闊的市場前景。