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1 引言
焦?fàn)t機(jī)車是焦?fàn)t生產(chǎn)的重要工藝設(shè)備，長(zhǎng)期來(lái)焦?fàn)t生產(chǎn)環(huán)境惡劣、生產(chǎn)率低下、操作質(zhì)量落后。如何將處于爐頂溫度高、有害氣體及粉塵多、勞動(dòng)強(qiáng)度大的操作工人解放出來(lái)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本、保證安全生產(chǎn)是焦化行業(yè)一直亟待解決的難題。隨著國(guó)內(nèi)外機(jī)械設(shè)備制造質(zhì)量的逐步提高和自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，西歐、日本等國(guó)家先后對(duì)焦?fàn)t四大機(jī)車自動(dòng)生產(chǎn)進(jìn)行了大量的研究和開(kāi)發(fā)，其中機(jī)車自動(dòng)定位和行走技術(shù)是實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t機(jī)車無(wú)人駕駛的關(guān)鍵。目前德國(guó)、芬蘭、法國(guó)、日本以及中國(guó)的多座焦?fàn)t實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)定位，有些國(guó)家首先在熄焦車實(shí)現(xiàn)了無(wú)人駕駛。近幾年隨著無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、安全保障技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，焦?fàn)t機(jī)車生產(chǎn)的無(wú)人化已經(jīng)是提到議事日程的攻關(guān)課題。
濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)總公司（以下簡(jiǎn)稱為濟(jì)鋼）新建6#、7#焦?fàn)t的四大機(jī)車自動(dòng)化系統(tǒng)的目標(biāo)就是通過(guò)推焦車、攔焦車、熄焦車和裝煤車各自行走位置的精確測(cè)量和相互之間可靠的數(shù)據(jù)通訊，來(lái)實(shí)現(xiàn)三車推焦聯(lián)鎖和四車協(xié)調(diào)工作，以及在生產(chǎn)計(jì)劃控制下的自動(dòng)行走、自動(dòng)定位、自動(dòng)操作，從而實(shí)現(xiàn)四大機(jī)車的自動(dòng)化生產(chǎn)運(yùn)行和計(jì)算機(jī)生產(chǎn)管理和最終機(jī)車的無(wú)人駕駛的目標(biāo)。本文以濟(jì)鋼6#、7#焦?fàn)t系統(tǒng)的配置為基礎(chǔ)對(duì)焦?fàn)t機(jī)車的自動(dòng)定位和無(wú)人駕駛進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。
2 幾種機(jī)車定位技術(shù)比較
機(jī)車定位技術(shù)是焦?fàn)t機(jī)車自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)機(jī)車無(wú)人化操作核心問(wèn)題。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的定位技術(shù)主要有旋轉(zhuǎn)編碼器位置檢測(cè)、讀攜碼器編碼位置檢測(cè)、紅外定位技術(shù)、編碼電纜位置檢測(cè)、條形碼位置檢測(cè)、電磁感應(yīng)技術(shù)等。
(1) 編碼器位置檢測(cè)
編碼器位置檢測(cè)是在焦?fàn)t機(jī)車的行走輪上安裝碼盤(pán)對(duì)機(jī)車行走的位置進(jìn)行連續(xù)位置檢測(cè)，并與大車行走變頻器形成位置閉環(huán)控制。這種方法是最先采用的也是最簡(jiǎn)單的技術(shù)。但由于焦?fàn)t機(jī)車固有的特點(diǎn)即：行程長(zhǎng)、車輪附近溫度高、導(dǎo)軌隨溫度有形變等造成位置積累誤差大、電纜易燒壞、維護(hù)調(diào)整量大等缺點(diǎn)，這種辦法目前基本上已被棄置不用。
(2) 讀攜碼器加限位開(kāi)關(guān)技術(shù)
讀攜碼器定位系統(tǒng)由三部分組成，爐號(hào)識(shí)別系統(tǒng)（讀碼器/攜碼器）、粗定位裝置（裝于車輪上的碼盤(pán)）和精定位裝置（裝于地面的鐵板和限位開(kāi)關(guān)）。讀碼器安裝于機(jī)車上，攜碼器固定于爐墻（推焦車、加煤車、熄焦車）或除塵管道（攔焦車）等設(shè)備上。通過(guò)特定的寫(xiě)碼裝置將爐號(hào)代碼固化在攜碼器內(nèi)，讀碼器通過(guò)感應(yīng)方式讀出對(duì)應(yīng)的車輛位置。爐號(hào)識(shí)別系統(tǒng)首先確定機(jī)車位置，再通過(guò)碼盤(pán)反映出的位置進(jìn)行粗略定位，最后利用限位開(kāi)關(guān)減速和剎車達(dá)到精定位。目前芬蘭羅德洛基鋼廠就采用了這項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)。
這種定位設(shè)備由于安裝位置處于高溫區(qū)，機(jī)械變形造成攜碼器位置易變，另外由于感應(yīng)距離較小，易出現(xiàn)丟信號(hào)的現(xiàn)象，給維護(hù)帶來(lái)較大不便。
(3) 紅外定位技術(shù)
紅外定位技術(shù)主要有車載部分：活動(dòng)標(biāo)尺、信號(hào)檢測(cè)和傳送單元；地面站部分：固定標(biāo)尺組成。其基本原理為：地面固定標(biāo)尺是由金屬外殼封裝而成，外殼上等間隔分出若干個(gè)窗口，高頻調(diào)制的編碼紅外線通過(guò)這些窗口發(fā)出。車載活動(dòng)標(biāo)尺為紅外接收設(shè)備，接收到的調(diào)制后的高頻波在活動(dòng)標(biāo)尺上進(jìn)行分析，識(shí)別出機(jī)車的實(shí)際位置。由于采用調(diào)制后的高頻波可以有效的避免現(xiàn)場(chǎng)紅外線雜波的干擾，另外紅外線具有較長(zhǎng)的波長(zhǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境（多灰塵，多電氣干擾）中，仍能可靠的進(jìn)行工作，因而保證了定位的準(zhǔn)確和精確。
目前此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)北京首鋼股份有限公司、邯鄲鋼鐵股份有限公司、本溪鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司、濟(jì)鋼等焦化廠有較為成功的實(shí)例，測(cè)量精度可達(dá)到1cm。
(4) 編碼電纜定位技術(shù)
編碼電纜最早廣泛應(yīng)用于日本焦化廠，隨著上海寶山鋼鐵股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱為寶鋼）焦化廠引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)之后，我國(guó)基本上掌握了其原理以及制造技術(shù)。該系統(tǒng)由車載設(shè)備（天線箱）、地面站（扁平編碼電纜和位置檢測(cè)單元）組成。扁平電纜由若干對(duì)電纜排列而成，編碼電纜由多對(duì)以一定規(guī)律交叉扭絞結(jié)構(gòu)排列而成。它的基本原理是：天線箱發(fā)射的高頻信號(hào)通過(guò)電磁感應(yīng)被地面的編碼電纜接收，其中平行敷設(shè)的一對(duì)絞線，接收到的信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)，其他對(duì)絞線在不同的位置有不同的交叉點(diǎn)，其接收到的信號(hào)在經(jīng)過(guò)偶數(shù)個(gè)交叉后，相位與基準(zhǔn)信號(hào)相同，在經(jīng)過(guò)奇數(shù)個(gè)交叉點(diǎn)后，相位與基準(zhǔn)信號(hào)的相位相反，若規(guī)定同相位時(shí)地址為“0”，反相位時(shí)地址為“1”，地面位置檢測(cè)設(shè)備可以得到某一位置的唯一地址編碼，由此對(duì)應(yīng)于機(jī)車的一個(gè)地址。這項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)寶鋼、武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司等焦化廠已有多套系統(tǒng)投入運(yùn)行。
其它檢測(cè)方式如條形碼技術(shù)、電磁感應(yīng)技術(shù)由于應(yīng)用較少，在此不一一介紹，現(xiàn)將幾種定位技術(shù)的對(duì)比概括如表1所示。
表1 幾種焦?fàn)t機(jī)車定位方式的比較
3 無(wú)人駕駛的其他關(guān)鍵技術(shù)
機(jī)車的無(wú)人駕駛是一項(xiàng)非常復(fù)雜的技術(shù)，它不僅要求車輛具有精確、快速的定位設(shè)備，還需要其他譬如機(jī)車本身要具有安全可靠單元自動(dòng)控制，高度安全的三車連鎖，穩(wěn)定可靠的無(wú)線傳輸保障，人身和設(shè)備的保障措施，自動(dòng)安全的信息管理系統(tǒng)作為支撐。
3.1 可靠的機(jī)車本體控制技術(shù)
機(jī)車本體控制是整個(gè)無(wú)人駕駛的基礎(chǔ)，要將過(guò)去需要機(jī)車司機(jī)一項(xiàng)項(xiàng)操作的流程，通過(guò)流程指令貫穿并執(zhí)行，必須要有高度可靠的檢測(cè)設(shè)備和控制系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)外主要手段是采用故障率低的PLC+變頻設(shè)備和高度可靠的限位開(kāi)關(guān)、主令控制器、編碼器等設(shè)備配置而成，由于環(huán)境較為惡劣，HMI一般不采用普通PC機(jī)而采用防護(hù)等級(jí)和穩(wěn)定性較高的一體化工業(yè)級(jí)觸摸屏。濟(jì)鋼6#、7#焦?fàn)t機(jī)車系統(tǒng)采用了羅克韋爾自動(dòng)化公司的ControlLogix控制器、PanelView觸摸屏、變頻器，現(xiàn)場(chǎng)采用性能可靠的三菱公司限位開(kāi)關(guān)，平煤、推焦行程測(cè)量采用德國(guó)巴魯夫（Balluff）公司主令控制器。其控制及網(wǎng)絡(luò)配置圖如圖1所示。
3.2 三車連鎖系統(tǒng)
三車連鎖是保障機(jī)車安全操作的必要條件之一，通過(guò)這些計(jì)算機(jī)連鎖，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。其主要連鎖如下：
摘門(mén)聯(lián)鎖：允許推焦車摘門(mén)＝推焦車摘門(mén)機(jī)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)計(jì)劃推焦炭化室的中心位置（在規(guī)定允許范圍內(nèi)）＋當(dāng)前時(shí)間離計(jì)劃時(shí)間在規(guī)定允許范圍內(nèi)。允許攔焦車摘門(mén)＝攔焦車摘門(mén)機(jī)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)計(jì)劃推焦炭化室的中心位置（在規(guī)定允許范圍內(nèi)）＋當(dāng)前時(shí)間離計(jì)劃時(shí)間在規(guī)定允許范圍內(nèi)；
推焦聯(lián)鎖：一級(jí)允推＝推焦車、攔焦車、熄焦車對(duì)準(zhǔn)計(jì)劃推焦炭化室的中心位置（在規(guī)定允許范圍內(nèi)）＋攔焦車導(dǎo)焦柵到位（閉鎖）＋熄焦車卸焦門(mén)關(guān)閉＋當(dāng)前時(shí)間離計(jì)劃時(shí)間在規(guī)定允許范圍內(nèi)。二級(jí)允推＝一級(jí)允推＋攔焦車確認(rèn)＋熄焦車確認(rèn)；
平煤聯(lián)鎖：允許平煤＝推焦車對(duì)準(zhǔn)平煤中心位置（在規(guī)定允許范圍內(nèi)）＋ 裝煤車允許平煤＋小爐門(mén)打開(kāi)；
裝煤聯(lián)鎖：允許開(kāi)蓋＝裝煤車對(duì)準(zhǔn)計(jì)劃推焦炭化室（已推完焦）的中心位置（在規(guī)定允許范圍內(nèi)）＋機(jī)、焦側(cè)炭化室爐門(mén)關(guān)閉。允許裝煤＝裝煤車對(duì)準(zhǔn)計(jì)劃推焦炭化室（已推完焦）的中心位置（在規(guī)定允許范圍內(nèi)）＋已開(kāi)蓋＋機(jī)、焦側(cè)炭化室爐門(mén)關(guān)閉。允許取煤＝裝煤車對(duì)準(zhǔn)任一取煤口的中心位置（在規(guī)定允許范圍內(nèi)）。
圖1 機(jī)車控制及通訊網(wǎng)絡(luò)配置圖
3.3 自動(dòng)行走、自動(dòng)定位
圖 2 加煤車自動(dòng)稱量流程圖
推焦車、攔焦車：推焦動(dòng)作和平煤動(dòng)作在接焦操作完畢后，根據(jù)實(shí)際設(shè)定的工藝流程和串序方式（或計(jì)劃爐號(hào)），機(jī)車自動(dòng)（或按一下“確認(rèn)”按鈕）行走到下一計(jì)劃爐號(hào)，并一次定位在規(guī)定允許范圍內(nèi)的位置；
裝煤車：裝煤操作完畢后，裝煤車自動(dòng)（或按一下“確認(rèn)”按鈕）行走并定位到電子秤位置（規(guī)定允許范圍，此時(shí)向網(wǎng)關(guān)PLC發(fā)送稱重信號(hào)），稱皮重完畢后，裝煤車自動(dòng)（或按一下“確認(rèn)”按鈕）行走并定位到取煤位置（規(guī)定允許范圍），取煤完畢后，裝煤車自動(dòng)（或按一下“確認(rèn)”按鈕）行走并定位到電子秤位置（規(guī)定允許范圍，此時(shí)向網(wǎng)關(guān)PLC發(fā)送稱重信號(hào)），稱毛重完畢后，根據(jù)實(shí)際設(shè)定的工藝流程和串序方式（或計(jì)劃爐號(hào)），機(jī)車自動(dòng)（或按一下“確認(rèn)”按鈕）行走到下一計(jì)劃爐號(hào)，并一次定位在規(guī)定允許范圍內(nèi)的位置。其流程可參考圖2；
熄焦車：（位置判斷是否熄焦（行程開(kāi)關(guān)），定位熄焦、定位接焦）接焦完畢后，熄焦車自動(dòng)（或按一下“確認(rèn)”按鈕）行走并定位到熄焦位置（規(guī)定允許范圍），熄焦完畢后，熄焦車自動(dòng)（或按一下“確認(rèn)”按鈕）行走并定位到計(jì)劃卸焦位置（規(guī)定允許范圍），卸焦完畢后，根據(jù)實(shí)際設(shè)定的工藝流程和串序方式（或計(jì)劃爐號(hào)），機(jī)車自動(dòng)（或按一下“確認(rèn)”按鈕）行走到下一計(jì)劃爐號(hào)，并一次定位在規(guī)定允許范圍內(nèi)的位置。
3.4 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)
近幾年隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特別是數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，四大機(jī)車之間以及它們和主控室之間的數(shù)據(jù)通訊得到了有力地保證。目前國(guó)內(nèi)行業(yè)還是普遍采用國(guó)外的無(wú)線電臺(tái)技術(shù)。譬如濟(jì)鋼就選用了國(guó)外先進(jìn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)SCADA電臺(tái)，由于該產(chǎn)品采用數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)，具有較強(qiáng)的抗干擾性能。保證了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)交換及通信的需要。系統(tǒng)采用了先進(jìn)的基于正副本多冗余校驗(yàn)機(jī)制的DF1通信協(xié)議，保證了無(wú)線通信數(shù)據(jù)的可靠和準(zhǔn)確。其基本參數(shù)如下： CRC校驗(yàn)方式；波特率為9600；偶校驗(yàn)；頻率范圍為220～240MHz；載波功率為0.1W~2W。其具體網(wǎng)絡(luò)配置可參照?qǐng)D1所示。
3.5 安全保證技術(shù)
機(jī)車自動(dòng)化操作和無(wú)人駕駛的前提是必須保證設(shè)備和人身的安全，因此所有的焦?fàn)t機(jī)械必須在有人的情況下反復(fù)調(diào)試、運(yùn)行和磨合后方可投入自動(dòng)和無(wú)人駕駛。其中為了避免誤傷巡檢人員、損害爐體及機(jī)械，下面幾種安全保障措施是需要考慮實(shí)施的。
定位系統(tǒng)的冗余檢測(cè)：為保證位置檢測(cè)的精確性，目前的幾種定位系統(tǒng)都普遍采用冗余措施，譬如紅外線檢測(cè)可以采用雙探頭接收；其中只要一個(gè)探頭接收到信號(hào)即可確認(rèn)機(jī)車位置，并配有通訊診斷工具，及時(shí)提示維護(hù)人員注意紅外通訊狀況。
路障掃描檢測(cè)：為了避免車輛行走傷害檢修人員和與其他機(jī)械設(shè)備發(fā)生碰撞。人們可以考慮采用路障掃描措施，并且引入到機(jī)車動(dòng)作連鎖。目前采用較多的為超聲波和激光掃描，超聲波設(shè)備較為便宜，但受天氣及外界影響較大；激光設(shè)備價(jià)格較貴，但對(duì)環(huán)境要求較小。
此外為了確保識(shí)別推焦?fàn)t門(mén)打開(kāi)以及熄焦車卸焦完畢，系統(tǒng)可以考慮采用紅焦成像識(shí)別和紅外遠(yuǎn)程測(cè)溫系統(tǒng)為推焦和熄焦車關(guān)門(mén)提供參考指導(dǎo)或者參與動(dòng)作連鎖。為實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛，采用無(wú)線的傳輸?shù)霓k法將現(xiàn)場(chǎng)的電視信號(hào)傳輸?shù)街骺厥疫M(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，也是人們必須要考慮的措施之一。
3.6 焦?fàn)t機(jī)車管理系統(tǒng)
機(jī)車的信息管理系統(tǒng)主要包括：推排焦計(jì)劃自動(dòng)生成和遠(yuǎn)程下達(dá)；推焦電流管理；推焦系數(shù)的自動(dòng)計(jì)算和各種推焦報(bào)表的生成和自動(dòng)打印。如圖2所示，機(jī)車的基本數(shù)據(jù)如推焦電流、機(jī)車位置等信號(hào)通過(guò)機(jī)車PLC、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)PLC，再通過(guò)高速以太網(wǎng)傳送至集中控制室內(nèi)的服務(wù)器內(nèi)，進(jìn)行采集并存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，分析研究焦?fàn)t運(yùn)行情況，為焦?fàn)t操作提供指導(dǎo)意見(jiàn)。譬如通過(guò)推焦電流的曲線分析焦餅成熟程度和爐墻阻力情況。同時(shí)推排焦計(jì)劃等信息通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)逆方向發(fā)送至機(jī)車上的PLC，指導(dǎo)或直接驅(qū)動(dòng)機(jī)車完成行車、推排焦、裝煤、接焦、熄焦等一系列動(dòng)作。并且形成一系列的生產(chǎn)報(bào)表如推焦報(bào)表能自動(dòng)記錄推焦參數(shù)，統(tǒng)計(jì)推焦數(shù)據(jù)，并自動(dòng)計(jì)算K1、K2、K3系數(shù)，具備查詢打印功能。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隔離、防病毒措施等，這些數(shù)據(jù)可以直觀、便捷地被生產(chǎn)廠領(lǐng)導(dǎo)、車間技術(shù)人員瀏覽和分析，以便快速正確的做出指導(dǎo)生產(chǎn)的正確命令。
4 結(jié)語(yǔ)
隨著中國(guó)鋼鐵行業(yè)地崛起。中國(guó)焦化行業(yè)已經(jīng)行駛在快車道上，與之配套的焦?fàn)t機(jī)車自動(dòng)化近幾年有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)許多鋼廠都已經(jīng)進(jìn)行了許多具有前瞻性的工作。濟(jì)鋼在搞好機(jī)車本身控制系統(tǒng)的可靠基礎(chǔ)上，隨著機(jī)車定位技術(shù)的逐漸成熟，和其他配套保障措施的順利實(shí)施。在我國(guó)率先實(shí)現(xiàn)世界領(lǐng)先水平的機(jī)車的無(wú)人駕駛應(yīng)該指日可待。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)