湯向東  錢(qián)揚(yáng)寅

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司煉鐵分廠）

摘要：現(xiàn)階段，我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平正在不斷提升，科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的研究也在不斷加快，各行各業(yè)都在推進(jìn)無(wú)人化，智能化。煉鐵3#高爐無(wú)人抓渣行車(chē)正是抓住了這一契機(jī)，秉著解決問(wèn)題，提高設(shè)備智能化，安全性的態(tài)度，對(duì)3#高爐水渣行車(chē)進(jìn)行智能化無(wú)人化的改造。在提高設(shè)備性能的同時(shí)，不斷推進(jìn)智能化進(jìn)程，為該領(lǐng)域的后續(xù)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：無(wú)人化；抓渣行車(chē)；定位技術(shù)；安全性

0  前言

高爐水渣是指煉鐵高爐礦渣在高溫熔融狀態(tài)下，經(jīng)過(guò)用水急速冷卻而成為粒化泡沫形狀，隨高壓水沖入渣池后進(jìn)行冷卻沉淀后，再由行車(chē)抓取水渣通過(guò)運(yùn)渣車(chē)輛進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)后再利用。目前絕大多數(shù)冶金企業(yè)仍由人工進(jìn)行行車(chē)操作，因此，人工操作行車(chē)時(shí)會(huì)存在抓渣效率低，人工成本高，水汽霧太大無(wú)法正常抓渣，安全性穩(wěn)定性差等幾個(gè)突出的問(wèn)題，針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題引進(jìn)無(wú)人行車(chē)技術(shù)，通過(guò)智能化改造完善行車(chē)控制，解決當(dāng)前困難。

1  無(wú)人行車(chē)的智能化

作為一項(xiàng)智能改造項(xiàng)目，本項(xiàng)目的難點(diǎn)在于抓渣行車(chē)中大、小車(chē)位置的精確定位及下方渣池的工作區(qū)域分塊布置。如果要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓渣行車(chē)的自動(dòng)抓渣作業(yè)，就必須要精準(zhǔn)定位，而且不應(yīng)受外界環(huán)境因素影響，如：水汽、大霧及雨雪天氣。另外，抓渣行車(chē)的抓斗上下整個(gè)行程高度自動(dòng)判斷如何去實(shí)現(xiàn)，抓斗上升過(guò)高可能會(huì)出現(xiàn)沖頂，抓斗下降過(guò)低可能會(huì)破壞渣池底部整個(gè)過(guò)濾系統(tǒng)層面。料渣的轉(zhuǎn)運(yùn)是通過(guò)裝載運(yùn)輸卡車(chē)進(jìn)行拖運(yùn)，公司內(nèi)部卡車(chē)大小形狀及裝載量不同，也是需要抓渣行車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)進(jìn)行判斷是何種類(lèi)型卡車(chē)，從而根據(jù)不同裝載量的卡車(chē)來(lái)對(duì)應(yīng)抓多少量渣到卡車(chē)上。

1.1  無(wú)人行車(chē)的定位

講到一個(gè)物體的位置定位方法，大致主要有激光定位、超聲波定位、位置開(kāi)關(guān)定位這幾種方法。在不需要精確定位及外部環(huán)境較好的場(chǎng)景中，以上幾種方法或許都可以勝任。但是高爐水沖渣，外部環(huán)境惡劣，金屬粉塵、水汽霧是主要影響因素。激光及超聲波定位，對(duì)外部使用環(huán)境有非常高的要求。在使用中，如果有金屬粉塵或水汽霧及雨雪天氣的干擾下，激光及超聲波會(huì)產(chǎn)生折射或反射，造成反饋信號(hào)的誤動(dòng)作或不動(dòng)作。而編碼電纜定位技術(shù)是在八十年代初世界上為解決煉焦、倉(cāng)儲(chǔ)、堆料場(chǎng)的移動(dòng)車(chē)輛的地址檢測(cè)和相互通信問(wèn)題而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)專(zhuān)用技術(shù)，具有很高的可靠性與抗干擾能力。該項(xiàng)技術(shù)在1997年后開(kāi)始在國(guó)內(nèi)研制成功，并成功應(yīng)用在焦?fàn)t四大車(chē)的自動(dòng)控制系統(tǒng)、天車(chē)行車(chē)定位系統(tǒng)和其他工業(yè)大型控制系統(tǒng)上。在無(wú)人行車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)項(xiàng)目上，我們使用兩條編碼電纜，分別是大車(chē)編碼電纜及小車(chē)編碼電纜。大車(chē)定位編碼電纜沿大車(chē)運(yùn)行方向安裝在抓渣行車(chē)軌道旁的通道上，小車(chē)定位編碼電纜沿小車(chē)運(yùn)行方向安裝在抓渣行車(chē)主梁通道上。大、小車(chē)編碼電纜各有一個(gè)天線箱，利用簡(jiǎn)單的單匝線圈的感應(yīng)原理，當(dāng)天線箱線圈中通入交變電流時(shí)，在天線箱附近會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。由于天線箱離編碼電纜很近，故編碼電纜近似處在一個(gè)交變的、均勻分布的磁場(chǎng)中，因此每對(duì)編碼電纜中的芯線會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)相應(yīng)的編碼、轉(zhuǎn)碼單元進(jìn)行處理，最后傳輸給車(chē)載PLC系統(tǒng)，在PLC的內(nèi)部換算下從而得出相應(yīng)的實(shí)際位置。通過(guò)安裝后調(diào)試，編碼電纜定位后的實(shí)際位置誤差在4毫米之內(nèi)，大在滿足了該項(xiàng)目大小車(chē)精確定位的要求。有了精確的定位手段，就可以在抓渣行車(chē)下方的渣池內(nèi)進(jìn)行工作區(qū)域的劃分。一個(gè)渣池對(duì)半分為兩個(gè)小渣池，我們將一個(gè)小渣池分成三行共15個(gè)工作塊，整個(gè)大渣池就是共30個(gè)工作塊，每個(gè)工作塊大小車(chē)都設(shè)置一個(gè)位置（即X、Y軸位置），運(yùn)行自動(dòng)抓渣作業(yè)時(shí)，PLC根據(jù)目前抓渣模式，發(fā)送指令后，行車(chē)會(huì)自動(dòng)去某個(gè)工作塊進(jìn)行抓渣。結(jié)合主控室上位機(jī)上的監(jiān)視畫(huà)面，主控人員對(duì)目前運(yùn)行情況一目了然。

抓渣行車(chē)的抓斗上下整個(gè)行程高度（即Z軸位置），在自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，自動(dòng)控制系統(tǒng)需對(duì)運(yùn)行高度進(jìn)行精確識(shí)別，如渣池的高度、渣池最底部的安全抓渣高度和裝載卡車(chē)車(chē)廂上方的卸渣高度。渣池高度影響抓斗的抓渣量，抓渣量過(guò)多會(huì)溢渣滿料，抓渣量少會(huì)影響料渣的轉(zhuǎn)運(yùn)效率。渣池底部的安全高度，如果過(guò)低會(huì)對(duì)池底部整個(gè)過(guò)濾層面進(jìn)行破壞，過(guò)高會(huì)抓渣抓不干凈，長(zhǎng)期下來(lái)會(huì)使底部過(guò)濾層面帶來(lái)不可逆的板結(jié)，影響冷卻水過(guò)濾效果。裝載卡車(chē)卸渣高度過(guò)高，卸渣時(shí)容易散料，過(guò)低抓斗會(huì)觸碰車(chē)廂造成車(chē)輛損壞。綜上所述，抓斗運(yùn)行時(shí)的位置也同大小定位一樣需要精確識(shí)別。

我們采取了利用絕對(duì)值編碼器來(lái)識(shí)別抓渣行車(chē)抓斗的高度位置。在行車(chē)上的起升和開(kāi)閉機(jī)構(gòu)滾筒旁各安裝一個(gè)絕對(duì)值編碼器。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)絕對(duì)值編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，絕對(duì)值編碼器通過(guò)機(jī)械位置確定相應(yīng)編碼位置。絕對(duì)值編碼器無(wú)需記憶、無(wú)需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要就去讀它的位置。這樣的特性，編碼器的抗干擾、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。在高度的起始零點(diǎn)標(biāo)定上，我們通過(guò)增加標(biāo)定程序，當(dāng)更換了鋼絲繩或更換抓斗后實(shí)際高度發(fā)生了變化，可以在主控畫(huà)面上進(jìn)行一鍵標(biāo)定，無(wú)需進(jìn)入復(fù)雜的程序內(nèi)部進(jìn)行修改，減輕了相關(guān)維護(hù)人員的工作量。至此，結(jié)合新增的變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)，車(chē)載編碼電纜及相應(yīng)設(shè)備識(shí)別行車(chē)大車(chē)、小車(chē)的縱向、橫向物理位置，利用絕對(duì)值編碼器識(shí)別抓渣行車(chē)抓斗的高度位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)抓渣行車(chē)X、Y、Z 三軸高精度定位。

1.2  運(yùn)渣車(chē)的識(shí)別及定位

使用裝載運(yùn)輸卡車(chē)進(jìn)行料渣的轉(zhuǎn)運(yùn)在經(jīng)濟(jì)上比傳統(tǒng)的皮帶傳送系統(tǒng)更為合適，傳統(tǒng)皮帶傳送，系統(tǒng)設(shè)備占地面積大，傳送過(guò)程中會(huì)引起粉塵污染及積污染，維護(hù)量大。煉鐵分廠一直使用運(yùn)輸卡車(chē)進(jìn)行料渣的轉(zhuǎn)運(yùn)，但由于運(yùn)輸公司車(chē)輛種類(lèi)復(fù)雜，裝載量也有所不同。投用后的無(wú)人自動(dòng)行車(chē)，如何自動(dòng)判別這些車(chē)輛，并進(jìn)行準(zhǔn)確定位也是在整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中具有重要的位置。

幾個(gè)設(shè)想：一是地面埋感應(yīng)線，通過(guò)車(chē)輪駛過(guò)感應(yīng)線來(lái)識(shí)別運(yùn)輸卡車(chē)進(jìn)場(chǎng)。可以識(shí)別有車(chē)輛進(jìn)場(chǎng)，但無(wú)法識(shí)別裝載量（大型車(chē)和小型車(chē)），且感應(yīng)線誤觸發(fā)的機(jī)率很大，此方案顯然不適合。二是使用傳統(tǒng)的光電傳感器，通過(guò)物體面反射反饋來(lái)識(shí)別車(chē)輛，此方案可以識(shí)別車(chē)輛進(jìn)場(chǎng)，如果在車(chē)頭、車(chē)中、車(chē)尾各安裝一個(gè)，通過(guò)大型車(chē)和小型車(chē)車(chē)身長(zhǎng)度反饋，似乎可以對(duì)大型車(chē)和小型車(chē)進(jìn)行識(shí)別。但是作為工作方式是光線反射物體表面的工作方式，對(duì)外界環(huán)境因素特別敏感。上面說(shuō)過(guò)鋼鐵企業(yè)中，外部環(huán)境惡劣，金屬粉塵、水汽霧是主要影響因素。我們現(xiàn)場(chǎng)安裝了一個(gè)光電傳感器作試驗(yàn)，試驗(yàn)分為白天和夜間兩種模式，信號(hào)接入PLC系統(tǒng)，在畫(huà)面上簡(jiǎn)單做了一個(gè)信號(hào)測(cè)試點(diǎn)。在光電傳感器前感應(yīng)范圍內(nèi)放置一個(gè)金屬物體，模擬實(shí)際中運(yùn)輸卡車(chē)。白天模式下1小時(shí)，陽(yáng)光充足，光線強(qiáng)烈，信號(hào)測(cè)試點(diǎn)丟失目標(biāo)20次；夜間模式下1小時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)水汽霧充足，人眼感觀能見(jiàn)度低，信號(hào)測(cè)試點(diǎn)丟失目標(biāo)32次，因此第二種方案更不行。

一次偶然的機(jī)會(huì)，發(fā)現(xiàn)小區(qū)停車(chē)場(chǎng)入口道閘識(shí)別車(chē)輛進(jìn)入靈敏度高，識(shí)別錯(cuò)誤率很低。查閱資料得知這個(gè)識(shí)別的東西叫車(chē)輛識(shí)別雷達(dá)，該雷達(dá)采用79GHZ MMIC技術(shù)，能夠識(shí)別目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向，檢測(cè)距離、寬度可調(diào)，可使用手機(jī)APP進(jìn)行在線調(diào)試，最重要的不愛(ài)電磁、光照、雨雪等外界環(huán)境干擾。我們?cè)诘孛孢\(yùn)輸卡車(chē)停車(chē)位置側(cè)面方向，各安裝了三個(gè)車(chē)輛識(shí)別雷達(dá)，分別位于車(chē)頭、車(chē)中及車(chē)尾位置。當(dāng)小型卡車(chē)進(jìn)場(chǎng)后，車(chē)頭及車(chē)中的雷達(dá)探測(cè)到信號(hào)后，自動(dòng)控制系統(tǒng)判別為小型車(chē)進(jìn)場(chǎng)，將對(duì)該車(chē)卸裝4抓斗的料渣。當(dāng)大型卡車(chē)進(jìn)場(chǎng)后，三個(gè)雷達(dá)全部探測(cè)到信號(hào)后，自動(dòng)控制系統(tǒng)判別為大型車(chē)進(jìn)場(chǎng)，將對(duì)該車(chē)卸裝5抓斗的料渣。進(jìn)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試和實(shí)際情況，為了使卡車(chē)車(chē)廂內(nèi)的料渣均勻，我們又在車(chē)頭前部安裝一個(gè)識(shí)別雷達(dá)，車(chē)輛會(huì)在卸裝第二斗之后做一次向前移車(chē)的動(dòng)作，車(chē)頭前的移車(chē)識(shí)別雷達(dá)會(huì)探測(cè)到移車(chē)信號(hào)，抓斗卸渣也會(huì)有相應(yīng)的變化。這種識(shí)別方式，可靠性強(qiáng)，抗外界干擾強(qiáng)，連續(xù)使用下來(lái)，零失誤。

2  無(wú)人行車(chē)的安全可靠性

2.1  無(wú)人行車(chē)本身的安全性

無(wú)人行車(chē)本身具有傳統(tǒng)行車(chē)所具有的各種安全限位，如門(mén)限位，大小車(chē)極限位，起升重錘限位，起升上限位及下降下限位，所有這些限位都必須進(jìn)入PLC系統(tǒng)參與無(wú)人行車(chē)的控制，并與限制畫(huà)面中一一對(duì)應(yīng)顯示，一旦其中某一個(gè)限位出現(xiàn)動(dòng)作或者故障，行車(chē)都會(huì)立馬停止運(yùn)行并畫(huà)面報(bào)警，提示操作檢修人員無(wú)人行車(chē)故障，確保無(wú)人行車(chē)本身的安全；除了這些硬保護(hù)，我們還利用定位編碼器在程序中做了相應(yīng)的軟保護(hù)，即無(wú)人行車(chē)到達(dá)多少高度就無(wú)法繼續(xù)上升，到達(dá)多少高度就無(wú)法下降等等，確保無(wú)人行車(chē)每個(gè)運(yùn)行方向都有一硬一軟兩套限位保護(hù)。

2.2  無(wú)人行車(chē)自動(dòng)裝渣的安全性

在無(wú)人行車(chē)自動(dòng)裝渣時(shí)，行車(chē)必須要在停車(chē)位有車(chē)，且車(chē)輛停穩(wěn)當(dāng)之后才會(huì)正常運(yùn)行裝渣程序，同時(shí)我們?cè)谕＼?chē)位安裝了卸料斗，無(wú)人行車(chē)抓斗必須進(jìn)入卸料斗位置才會(huì)被允許打開(kāi)抓斗進(jìn)行卸料，這樣既保證了運(yùn)輸車(chē)駕駛員的安全，又確保水渣不會(huì)被移到地面。在無(wú)人行車(chē)抓渣完畢往運(yùn)輸車(chē)移動(dòng)時(shí)，抓斗高度必須高于卸料斗高度，否則無(wú)人行車(chē)也將自動(dòng)停止，防止損壞設(shè)備，同時(shí)也保護(hù)運(yùn)輸車(chē)輛及駕駛員。

2.3  操作人員的安全性

高爐沖渣水池在冬季或雨天水汽很大，水蒸汽含有硫化物，對(duì)操作人體傷害較大，同時(shí)水渣行車(chē)分南北行車(chē)，二十四小時(shí)不間斷運(yùn)行，對(duì)人員的工作強(qiáng)度要求就較高，冬季上下樓梯因水汽結(jié)冰，操作人員更換行車(chē)操作時(shí)上下樓梯也非常容易摔倒受傷。而改為無(wú)人行車(chē)后，人員只需在主控室監(jiān)控操作行車(chē)即可，改善了工作環(huán)境，降低了用人成本，提高了工作效率，也保證了操作人員的人身安全，一舉多得。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的磨合，無(wú)人行車(chē)已能做到智能化，無(wú)人化，安全化的高標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)要求，這也是分廠對(duì)智能制造的一次新的實(shí)踐嘗試。我相信未來(lái)煉鐵分廠對(duì)智能化控制的推進(jìn)將更將有效，快捷，準(zhǔn)確，實(shí)用。