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1 引言
焦爐機車是焦爐生產的重要工藝設備，長期來焦爐生產環境惡劣、生產率低下、操作質量落后。如何將處于爐頂溫度高、有害氣體及粉塵多、勞動強度大的操作工人解放出來，提高勞動生產率、降低生產成本、保證安全生產是焦化行業一直亟待解決的難題。隨著國內外機械設備制造質量的逐步提高和自動化技術的飛速發展，西歐、日本等國家先后對焦爐四大機車自動生產進行了大量的研究和開發，其中機車自動定位和行走技術是實現焦爐機車無人駕駛的關鍵。目前德國、芬蘭、法國、日本以及中國的多座焦爐實現了自動定位，有些國家首先在熄焦車實現了無人駕駛。近幾年隨著無線數據傳輸技術、計算機技術、安全保障技術進一步發展，焦爐機車生產的無人化已經是提到議事日程的攻關課題。
濟南鋼鐵集團總公司（以下簡稱為濟鋼）新建6#、7#焦爐的四大機車自動化系統的目標就是通過推焦車、攔焦車、熄焦車和裝煤車各自行走位置的精確測量和相互之間可靠的數據通訊，來實現三車推焦聯鎖和四車協調工作，以及在生產計劃控制下的自動行走、自動定位、自動操作，從而實現四大機車的自動化生產運行和計算機生產管理和最終機車的無人駕駛的目標。本文以濟鋼6#、7#焦爐系統的配置為基礎對焦爐機車的自動定位和無人駕駛進行簡單的分析。
2 幾種機車定位技術比較
機車定位技術是焦爐機車自動化的關鍵技術，也是實現機車無人化操作核心問題。當前國內外的定位技術主要有旋轉編碼器位置檢測、讀攜碼器編碼位置檢測、紅外定位技術、編碼電纜位置檢測、條形碼位置檢測、電磁感應技術等。
(1) 編碼器位置檢測
編碼器位置檢測是在焦爐機車的行走輪上安裝碼盤對機車行走的位置進行連續位置檢測，并與大車行走變頻器形成位置閉環控制。這種方法是最先采用的也是最簡單的技術。但由于焦爐機車固有的特點即：行程長、車輪附近溫度高、導軌隨溫度有形變等造成位置積累誤差大、電纜易燒壞、維護調整量大等缺點，這種辦法目前基本上已被棄置不用。
(2) 讀攜碼器加限位開關技術
讀攜碼器定位系統由三部分組成，爐號識別系統（讀碼器/攜碼器）、粗定位裝置（裝于車輪上的碼盤）和精定位裝置（裝于地面的鐵板和限位開關）。讀碼器安裝于機車上，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）等設備上。通過特定的寫碼裝置將爐號代碼固化在攜碼器內，讀碼器通過感應方式讀出對應的車輛位置。爐號識別系統首先確定機車位置，再通過碼盤反映出的位置進行粗略定位，最后利用限位開關減速和剎車達到精定位。目前芬蘭羅德洛基鋼廠就采用了這項檢測技術。
這種定位設備由于安裝位置處于高溫區，機械變形造成攜碼器位置易變，另外由于感應距離較小，易出現丟信號的現象，給維護帶來較大不便。
(3) 紅外定位技術
紅外定位技術主要有車載部分：活動標尺、信號檢測和傳送單元；地面站部分：固定標尺組成。其基本原理為：地面固定標尺是由金屬外殼封裝而成，外殼上等間隔分出若干個窗口，高頻調制的編碼紅外線通過這些窗口發出。車載活動標尺為紅外接收設備，接收到的調制后的高頻波在活動標尺上進行分析，識別出機車的實際位置。由于采用調制后的高頻波可以有效的避免現場紅外線雜波的干擾，另外紅外線具有較長的波長，在現場惡劣的環境（多灰塵，多電氣干擾）中，仍能可靠的進行工作，因而保證了定位的準確和精確。
目前此項技術已經在我國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）有限責任公司、濟鋼等焦化廠有較為成功的實例，測量精度可達到1cm。
(4) 編碼電纜定位技術
編碼電纜最早廣泛應用于日本焦化廠，隨著上海寶山鋼鐵股份有限公司（以下簡稱為寶鋼）焦化廠引進該項技術之后，我國基本上掌握了其原理以及制造技術。該系統由車載設備（天線箱）、地面站（扁平編碼電纜和位置檢測單元）組成。扁平電纜由若干對電纜排列而成，編碼電纜由多對以一定規律交叉扭絞結構排列而成。它的基本原理是：天線箱發射的高頻信號通過電磁感應被地面的編碼電纜接收，其中平行敷設的一對絞線，接收到的信號作為基準信號，其他對絞線在不同的位置有不同的交叉點，其接收到的信號在經過偶數個交叉后，相位與基準信號相同，在經過奇數個交叉點后，相位與基準信號的相位相反，若規定同相位時地址為“0”，反相位時地址為“1”，地面位置檢測設備可以得到某一位置的唯一地址編碼，由此對應于機車的一個地址。這項技術在我國寶鋼、武漢鋼鐵（集團）公司等焦化廠已有多套系統投入運行。
其它檢測方式如條形碼技術、電磁感應技術由于應用較少，在此不一一介紹，現將幾種定位技術的對比概括如表1所示。
表1 幾種焦爐機車定位方式的比較
3 無人駕駛的其他關鍵技術
機車的無人駕駛是一項非常復雜的技術，它不僅要求車輛具有精確、快速的定位設備，還需要其他譬如機車本身要具有安全可靠單元自動控制，高度安全的三車連鎖，穩定可靠的無線傳輸保障，人身和設備的保障措施，自動安全的信息管理系統作為支撐。
3.1 可靠的機車本體控制技術
機車本體控制是整個無人駕駛的基礎，要將過去需要機車司機一項項操作的流程，通過流程指令貫穿并執行，必須要有高度可靠的檢測設備和控制系統。目前國內外主要手段是采用故障率低的PLC+變頻設備和高度可靠的限位開關、主令控制器、編碼器等設備配置而成，由于環境較為惡劣，HMI一般不采用普通PC機而采用防護等級和穩定性較高的一體化工業級觸摸屏。濟鋼6#、7#焦爐機車系統采用了羅克韋爾自動化公司的ControlLogix控制器、PanelView觸摸屏、變頻器，現場采用性能可靠的三菱公司限位開關，平煤、推焦行程測量采用德國巴魯夫（Balluff）公司主令控制器。其控制及網絡配置圖如圖1所示。
3.2 三車連鎖系統
三車連鎖是保障機車安全操作的必要條件之一，通過這些計算機連鎖，大大降低了工人的勞動強度。其主要連鎖如下：
摘門聯鎖：允許推焦車摘門＝推焦車摘門機構對準計劃推焦炭化室的中心位置（在規定允許范圍內）＋當前時間離計劃時間在規定允許范圍內。允許攔焦車摘門＝攔焦車摘門機構對準計劃推焦炭化室的中心位置（在規定允許范圍內）＋當前時間離計劃時間在規定允許范圍內；
推焦聯鎖：一級允推＝推焦車、攔焦車、熄焦車對準計劃推焦炭化室的中心位置（在規定允許范圍內）＋攔焦車導焦柵到位（閉鎖）＋熄焦車卸焦門關閉＋當前時間離計劃時間在規定允許范圍內。二級允推＝一級允推＋攔焦車確認＋熄焦車確認；
平煤聯鎖：允許平煤＝推焦車對準平煤中心位置（在規定允許范圍內）＋ 裝煤車允許平煤＋小爐門打開；
裝煤聯鎖：允許開蓋＝裝煤車對準計劃推焦炭化室（已推完焦）的中心位置（在規定允許范圍內）＋機、焦側炭化室爐門關閉。允許裝煤＝裝煤車對準計劃推焦炭化室（已推完焦）的中心位置（在規定允許范圍內）＋已開蓋＋機、焦側炭化室爐門關閉。允許取煤＝裝煤車對準任一取煤口的中心位置（在規定允許范圍內）。
圖1 機車控制及通訊網絡配置圖
3.3 自動行走、自動定位
圖 2 加煤車自動稱量流程圖
推焦車、攔焦車：推焦動作和平煤動作在接焦操作完畢后，根據實際設定的工藝流程和串序方式（或計劃爐號），機車自動（或按一下“確認”按鈕）行走到下一計劃爐號，并一次定位在規定允許范圍內的位置；
裝煤車：裝煤操作完畢后，裝煤車自動（或按一下“確認”按鈕）行走并定位到電子秤位置（規定允許范圍，此時向網關PLC發送稱重信號），稱皮重完畢后，裝煤車自動（或按一下“確認”按鈕）行走并定位到取煤位置（規定允許范圍），取煤完畢后，裝煤車自動（或按一下“確認”按鈕）行走并定位到電子秤位置（規定允許范圍，此時向網關PLC發送稱重信號），稱毛重完畢后，根據實際設定的工藝流程和串序方式（或計劃爐號），機車自動（或按一下“確認”按鈕）行走到下一計劃爐號，并一次定位在規定允許范圍內的位置。其流程可參考圖2；
熄焦車：（位置判斷是否熄焦（行程開關），定位熄焦、定位接焦）接焦完畢后，熄焦車自動（或按一下“確認”按鈕）行走并定位到熄焦位置（規定允許范圍），熄焦完畢后，熄焦車自動（或按一下“確認”按鈕）行走并定位到計劃卸焦位置（規定允許范圍），卸焦完畢后，根據實際設定的工藝流程和串序方式（或計劃爐號），機車自動（或按一下“確認”按鈕）行走到下一計劃爐號，并一次定位在規定允許范圍內的位置。
3.4 無線數據傳輸技術
近幾年隨著無線網絡技術特別是數字網絡技術的飛速發展，四大機車之間以及它們和主控室之間的數據通訊得到了有力地保證。目前國內行業還是普遍采用國外的無線電臺技術。譬如濟鋼就選用了國外先進的點對點、點對多點SCADA電臺，由于該產品采用數字信號處理（DSP）技術，具有較強的抗干擾性能。保證了現場數據交換及通信的需要。系統采用了先進的基于正副本多冗余校驗機制的DF1通信協議，保證了無線通信數據的可靠和準確。其基本參數如下： CRC校驗方式；波特率為9600；偶校驗；頻率范圍為220～240MHz；載波功率為0.1W~2W。其具體網絡配置可參照圖1所示。
3.5 安全保證技術
機車自動化操作和無人駕駛的前提是必須保證設備和人身的安全，因此所有的焦爐機械必須在有人的情況下反復調試、運行和磨合后方可投入自動和無人駕駛。其中為了避免誤傷巡檢人員、損害爐體及機械，下面幾種安全保障措施是需要考慮實施的。
定位系統的冗余檢測：為保證位置檢測的精確性，目前的幾種定位系統都普遍采用冗余措施，譬如紅外線檢測可以采用雙探頭接收；其中只要一個探頭接收到信號即可確認機車位置，并配有通訊診斷工具，及時提示維護人員注意紅外通訊狀況。
路障掃描檢測：為了避免車輛行走傷害檢修人員和與其他機械設備發生碰撞。人們可以考慮采用路障掃描措施，并且引入到機車動作連鎖。目前采用較多的為超聲波和激光掃描，超聲波設備較為便宜，但受天氣及外界影響較大；激光設備價格較貴，但對環境要求較小。
此外為了確保識別推焦爐門打開以及熄焦車卸焦完畢，系統可以考慮采用紅焦成像識別和紅外遠程測溫系統為推焦和熄焦車關門提供參考指導或者參與動作連鎖。為實現無人駕駛，采用無線的傳輸的辦法將現場的電視信號傳輸到主控室進行遠程監視，也是人們必須要考慮的措施之一。
3.6 焦爐機車管理系統
機車的信息管理系統主要包括：推排焦計劃自動生成和遠程下達；推焦電流管理；推焦系數的自動計算和各種推焦報表的生成和自動打印。如圖2所示，機車的基本數據如推焦電流、機車位置等信號通過機車PLC、無線網絡發送到網關PLC，再通過高速以太網傳送至集中控制室內的服務器內，進行采集并存儲在關系數據庫內，分析研究焦爐運行情況，為焦爐操作提供指導意見。譬如通過推焦電流的曲線分析焦餅成熟程度和爐墻阻力情況。同時推排焦計劃等信息通過該網絡逆方向發送至機車上的PLC，指導或直接驅動機車完成行車、推排焦、裝煤、接焦、熄焦等一系列動作。并且形成一系列的生產報表如推焦報表能自動記錄推焦參數，統計推焦數據，并自動計算K1、K2、K3系數，具備查詢打印功能。通過網絡隔離、防病毒措施等，這些數據可以直觀、便捷地被生產廠領導、車間技術人員瀏覽和分析，以便快速正確的做出指導生產的正確命令。
4 結語
隨著中國鋼鐵行業地崛起。中國焦化行業已經行駛在快車道上，與之配套的焦爐機車自動化近幾年有了突飛猛進的發展。國內許多鋼廠都已經進行了許多具有前瞻性的工作。濟鋼在搞好機車本身控制系統的可靠基礎上，隨著機車定位技術的逐漸成熟，和其他配套保障措施的順利實施。在我國率先實現世界領先水平的機車的無人駕駛應該指日可待。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號