淺談自適應焦爐機車定位系統的設計

李龍，王黎明，武國強，王鴻儒，馬文

（1.中北大學信息探測與處理山西省重點實驗室，山西 太原 030051；2.太原重工股份有限公司；3.山西太重數智科技股份有限公司，山西 太原 030000）

1 前言

焦炭是一種固體燃料，它在高爐煉鐵、水煤氣制造、城市煤氣工業生產、肥料工業等領域都扮演著重要的角色。近年來，得益于我國消費形式的升級以及工業化的升級，我國治金工業發展迅速。焦炭行業因此獲利，其需求量、出口量大幅提升。如今，我國已是世界上最大的焦炭生產國和消費國，我國以3.35 億噸、占世界產量的、出口占全世界的的焦炭產量位居世界第一。國內外焦炭需求量的迅猛增長對我國的焦炭行業既是機遇，也是挑戰。這種形勢對于我國的經濟發展起到了重要作用，但與此同時，大規模的焦炭需求量也使得焦炭生產行業遇到了一系列新的問題，其中就包括如何提高焦炭生產效率、如何降低生產過程中的安全隱患及如何增加原材料的利用率等問題。其中焦化機車在生產焦炭的過程中需要做到安全運行、不產生意外事故就是亟待解決的問題之一。推焦車、停焦車、熄焦車、裝煤車在盛產過程中需要保證定位精準，配合得當，這也是整個焦炭生產過程中的安全保障。假如其中一個環節出現問題，例如，爐號對位錯誤導致燃燒的焦炭灑落等，就有可能直接造成重大經濟損失甚至人員傷亡。

近年來，我國生產自動化的水平有所提升，但大部分焦化機車的操作依舊依賴人工操作，或依賴國外自動定位設備。對于人工操作，工作量大、效率底下且操作不當容易導致設備故障甚至安全隱患。焦化設備的碼牌識別自動定位系統能夠在無須人工確認的前提下，自動完成對位配合。在焦化設備的各車輛上安裝該系統，可以通過作業管理及爐號識別，使各車輛能實現自動走行、自動定位，進而完成裝煤、推焦、攔焦、熄焦、導煙一系列任務，實現各車輛之間的高效運行。目前，焦化機車智能化、全自動化操作在我國在煉焦領域中具有較大的發展前景，推進自適應焦爐機車定位系統的國產化，技術國產化具有非常重要的現實意義。

2 焦爐機車位置識別功能系統設計

為了實現焦爐機車的準確定位，精確地采集到機車位置，爐孔編號和機車運行方向三條關鍵信息很有必要性。碼盤系統與對射式光電閱讀器是焦爐機車定位系統的核心，它可以識別機車的精準位置、焦爐編號以及運行方向。

2.1 碼盤編碼原理

碼盤編碼的目的是簡潔明了地表示焦爐機車的精準位置、焦爐編號、運行方向。整個碼盤上一排的ID 孔采用BCD 編碼+奇偶校驗位的方式進行編碼，BCD 碼(Binary-Coded Decimal)采用二進制編碼來代表十進制代碼。如圖1 所示。

圖1 碼盤示意圖

上一排的ID 編碼孔中的黃色區域代表通孔，對射式激光能夠穿過，系統解碼后，所還原出碼元為1，而灰色區域由于未開孔，對射式激光無法穿透，系統解碼后還原出的碼元為0，而最后一個過孔為奇偶校驗位：如果碼元為1，碼牌為偶數，如果碼元為0，此碼牌為奇數，再結合前面的9 位ID 號，得出整個的激光碼牌序行號。

而下面一排的10 個時鐘孔由于全部開通，因此2、3、5、6 路掃描激光通過時，與2、3、5、6 路激光分別對應的2 號、3 號、5 號與6 號接收端探測器輸出均為高電平1 與低電平0 相互交替的脈沖信號，即所謂的時鐘信號。

2.2 對射式激光閱讀器原理

（1）U 型槽結構。U 形槽是對射式光電閱讀器的安裝外殼，六個激光閱讀頭水平相向安裝，對稱的安裝在U 型槽兩側的內壁上，使得同一對閱讀頭能夠形成對射，每對激光閱讀頭相互距離為15cm。將6 對激光閱讀頭分成左右兩組，每組三個，且保持左右對稱分布，其結構圖如圖2 所示。

圖2 U 型閱讀器結構

（2）對射式光電傳感器原理。對射式光電傳感器原理主要由兩大部分夠成，如圖3 所示，發光端和接收端，二者電路構成的主要元器件分別為一個發光二極管和一個光敏三極管，發光二極管射出的光線所產生的耦合現象是受光端在接通或停止之間轉換的原理。

圖3 光電傳感器原理

在正常情況下，若發光端與受光端之間沒有障礙物遮擋時，此時光敏三級管導通，負載端接收到高電平（3.3V 穩定直流電壓）；當二者之間存在障礙物阻擋時，此時光敏三極管截止，負載端為低電平（0V 直流電壓）。

2.3 碼盤讀碼原理

（1）方向識別。如圖4 所示，假定U 型槽從碼盤的左面向右面運動，此時，固定于U 型槽內部的6 個閱讀頭的激光信號隨U 型槽從激光碼牌的左端開始掃描，一直掃描到碼盤的右端結束。由此可知，4 ～6 號閱讀頭發射激光在1 ～3 號發射激光的右邊，但相對于碼牌來說，激光是從左向右掃描，因此，對于碼牌上面一排ID 編碼孔來說，4 號閱讀頭的激光要比1 號的激光提前掃描到第一個編碼孔，即黃色編碼孔。同理，對于下面一排的時鐘孔來說，激光掃描到每個時鐘孔的掃描順序為6 號最先掃描，5 號次之，3 號第三個掃描，2 號最后掃描。優先級為6 →5 →3 →2。

圖4 傳感器的分布圖

此時，6 路激光對應的輸出端1-6 號閱讀頭輸出到PLC 的電信號如圖5 所示。

圖5 PLC 端電信號圖

我們可以看出，當U 型槽從激光碼牌的左面向右面運動時，第4 個接收端相對于第1 個接收端而言，優先掃描到碼牌上面一排的黃色孔，而對于時鐘信號而言，碼牌下面一排的4 個接收端探測器的初始采樣時鐘信號的高電平到來時（上升沿）刻優先級為：6 →5 →3 →2。而且通過觀察我們可以看出，1 號和4號接收的第一個ID 編碼孔時高電平的持續時間要比激光信號2、3、5、6 號接收端接受的時鐘的高電平保持時間要長。碼盤從右面向左面運動同理。

（2）位置識別。識別焦化機車方向后，例如左側1號閱讀頭率先讀取，2 號閱讀頭將讀取到十個時鐘信號，以這十個時鐘信號為一個周期，那么這十個時鐘信號都分別代表一個位置信息，綜合計算后，得到機車的實時地址信息。

（3）爐號識別。例如，發射端發射的激光信號1和4 分別掃描如圖4 所示的激光碼盤的上面一排較寬的ID 編碼孔，激光信號2、3、5、6 掃描激光碼盤的下面一排較窄的時鐘孔。上面一排的10 個ID 編碼孔只有第1 個開通（黃色表示已開孔，灰色表示沒有開孔），此時，1、4 路掃描激光通過第1 個孔時，與激光1、4 分別對應的1 號與4 號接收端探測器輸出到車載PLC 的電信號均保持為高電平1，其余9 個孔由于沒有開孔，掃描激光通過時，由于碼牌遮擋，即產生所謂的光障現象，此時，1 號與4 號接收端探測器輸出到車載PLC 的電信號均保持為為低電平0。

上面一排10 個編碼孔的最后一個孔為奇偶校驗孔，如果開孔，此時為黃色，掃描激光通過該孔時，此時與1、4 路閱讀頭激光分別對應的1 號與4 號接收端探測器輸出到車載PLC 的電信號均保持為高電平1，表明此時激光碼牌為偶數，如果最后一個沒有開孔，此時為灰色，掃描激光通過時，由于碼牌遮擋，導致光障現象，與激光1、4 分別對應的1 號與4 號接收端探測器輸出到車載PLC 的電信號均為低電平0，此時激光碼牌為奇數。

同時，由于上面一排ID 編碼孔的間距比下面一排時鐘孔的間距要寬，因此當6 路激光隨U 型槽運動掃描到激光碼牌時，激光信號1、4 掃描激光碼牌的第一個ID 編碼孔時高電平的持續時間要比激光信號2、3、5、6 掃描下面的時鐘的高電平保持時間要長。

此時，它的ID 號為如上圖4 所示標紅的10 位0 與1 構成的數字代碼，最高到底依次為：0000000001，其中最高位為奇偶校驗位，最低位代表黃色孔所對應的高電平，將上述10 位二進制代碼轉換成十進制數即為1。

3 軟件設計

系統的核心芯片采用高性能且功耗低的STM32F103RCT6 單片機，對閱讀頭所采集的碼盤信號進行數據處理，實現方向識別、焦化機車位置識別、爐號定位等功能，并將數據傳輸到車載PLC 與車載控制端，進一步實現車輛的前后移動與定位。系統軟件采用C 語言代碼編寫，其設計思想如下：首先，通電檢查，確保硬件電路無故障，同時恢復上一次斷電前的機車位置信息。接下來讀取激光閱讀頭采集到的碼盤數據，識別最先到來的信號，如果是1 號激光閱讀頭傳來的信號，那么左側1、2、3 號激光有效，4、5、6 號激光無效。反之4、5、6 號激光有效，1、2、3 無效。先讀取碼盤的信息，再判斷方向，讀取時鐘脈沖，進一步得到爐號，再存儲地址信息；最后，把焦化機車的方向、爐號、實際地址上傳。

4 信號處理模塊的設計

信號讀取模塊包含變壓電路、單片機電路、繼電器電路、輸入電路與輸出電路。

4.1 變壓電路芯片的選擇

整個系統需要利用12V 和3.3V 的電源，因此設計了變壓模塊，變壓器模塊需要用到的電壓調節芯片是LM2596S。圖6 為24V 轉12V 變壓器，其在本設計中硬件電路配有3 個，其作用是將電源模塊提供的穩定24V電壓轉換為12V 后提供給繼電器模塊與12V 轉3.3V 變壓器。圖7 為12V 轉3.3V 變壓器，其作用是將12V 電壓轉化為3.3V 電壓，進而給單片機模塊供電。

圖6 變壓電路圖12-24

圖7 變壓電路圖3.3-12

選擇LM2596S 芯片作為電路的電壓轉換芯片是因為其具有高效轉換和低熱損耗的特性，能夠輸出穩定的電壓，且輸出電壓可調范圍廣，并且成本低。與其他線性穩壓器相比，LM2596S 具有更低的成本。

4.2 單片機電路

本系統的核心芯片選用的是STM32F103RCT6，該芯片具有豐富的外圍設備接口，具有高性能的處理器，并且存在低功耗設計滿足大部分供電設備的需求，成本較低以及擁有較小的尺寸，適用于焦爐定位系統的開發與應用。通過輸入電路碼盤對對位傳感器進行遮擋得到的信號傳輸給單片機，通過單片機對采集信號進行解碼，得到爐號信息、焦爐機車的位置和運行方向信息，最后，通過數據傳輸模塊將綜合信息發送至PLC 端。單片機外圍電路如圖8 所示。

圖8 STM32F103RCT6 引腳接法

4.3 輸入電路

碼盤的輸入主要是6 對傳感器輸出的電脈沖信號，分別通過OL0、OL1、OL3、OL4、OL5、OL6 與STM32F103RCT6相連，當對射激光處于對射狀態時，此時光通量高于設定閾值，輸入端將3.3V 電信號給到單片機。當對射式光纖中間有碼盤阻擋時，光通量低于設定閾值，輸入端將0V 電信號給到單片機（圖9）。

圖9 輸入接口電路原理圖

4.4 繼電器電路

繼電器電路采用的是日本松樂品牌的芯片，三極管放大電路類型為共發射極放大電路，能夠把微弱的信號放大的輸入的交流信號電壓疊加在直流上，使三極管基極、發射極之間的正向電壓發生變化，通過三極管的控制作用，使集電極處于反向偏置，以使三極管起到放大作用。本硬件電路共有15 路繼電器，在電路板上排成一排，當碼盤被掃描，單片機將給出信號控制15 路繼電器熄合，進而直觀地將碼盤號、機械運行方向、定位狀態反饋于15 路繼電器的LED 燈上。

碼盤輸出接口電路輸出的3.3V 控制信號經過繼電器后輸出，通過SONGLE REPLY 的COM 端將焦爐機車所在爐號、實際地址、走行方向等信息端傳送給PLC 端。繼電器電路如圖10 所示。由該圖可知，碼盤輸出接口電路輸出的12V 高電平被由SONGLE REPLY 構成的電路轉換為PLC 可接受的24V 高電平。

圖10 繼電器電路

當單片機的PA1 引腳輸出+3.3V 時，圖中發光二極管D5 截止，g1 輸出低電平。當單片機的PA1 引腳輸出0V 時，發光二極管D5 導通，三極管Q1 飽和導通，g1輸出高電平24V。

5 系統實物圖

由圖11 所示，自適應焦爐機車定位系統可以精確識別到碼盤上顯示的目標爐號與當前爐號的精確位置與識別到機車運行方向，機車地址信息，符合設計的要求。

圖11 現場運行圖

6 結語

自適應焦爐機車定位系統采用U 形槽外殼，基于BCD 編碼+奇偶校驗位的編碼方式，能夠準確識別每個碼盤的信息，其采集的數據能與車載PLC 良好對接，完成焦爐機車自動走行定位的功能。該系統在山西省襄垣鴻達焦化設備有限公司所提供的場地作為測試平臺，完場了該項目的現場實驗。目前，該工廠的推焦車、停焦車、熄焦車、裝煤車、導煙車均使用該設備長達半年。最終結果表明，該系統能夠長時間穩定地工作，且滿足焦爐機車定位精確的要求。

從改革開放至今，我國國產自動化水平一直隨著我國的科技水平的提高而進步，對各大領域的發展起到了十分重要的作用。然而，焦爐機車的自動走行與自動定位系統的國產化較不成熟。因此，把高質量、高性能的“中國制造”產品帶入焦炭行業任重而道遠，我們需要加大對該領域的研究力度，減少對國外設備的依賴，早日實現技術、設備國產化。