湯向東  錢揚寅

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司煉鐵分廠）

摘要：現(xiàn)階段，我國經(jīng)濟水平正在不斷提升，科學技術(shù)領(lǐng)域的研究也在不斷加快，各行各業(yè)都在推進無人化，智能化。煉鐵3#高爐無人抓渣行車正是抓住了這一契機，秉著解決問題，提高設(shè)備智能化，安全性的態(tài)度，對3#高爐水渣行車進行智能化無人化的改造。在提高設(shè)備性能的同時，不斷推進智能化進程，為該領(lǐng)域的后續(xù)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：無人化；抓渣行車；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行冷卻沉淀后，再由行車抓取水渣通過運渣車輛進行轉(zhuǎn)運后再利用。目前絕大多數(shù)冶金企業(yè)仍由人工進行行車操作，因此，人工操作行車時會存在抓渣效率低，人工成本高，水汽霧太大無法正常抓渣，安全性穩(wěn)定性差等幾個突出的問題，針對此類問題引進無人行車技術(shù)，通過智能化改造完善行車控制，解決當前困難。

1  無人行車的智能化

作為一項智能改造項目，本項目的難點在于抓渣行車中大、小車位置的精確定位及下方渣池的工作區(qū)域分塊布置。如果要實現(xiàn)自動抓渣行車的自動抓渣作業(yè)，就必須要精準定位，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，抓渣行車的抓斗上下整個行程高度自動判斷如何去實現(xiàn)，抓斗上升過高可能會出現(xiàn)沖頂，抓斗下降過低可能會破壞渣池底部整個過濾系統(tǒng)層面。料渣的轉(zhuǎn)運是通過裝載運輸卡車進行拖運，公司內(nèi)部卡車大小形狀及裝載量不同，也是需要抓渣行車自動控制系統(tǒng)來自動進行判斷是何種類型卡車，從而根據(jù)不同裝載量的卡車來對應(yīng)抓多少量渣到卡車上。

1.1  無人行車的定位

講到一個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，激光及超聲波會產(chǎn)生折射或反射，造成反饋信號的誤動作或不動作。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、倉儲、堆料場的移動車輛的地址檢測和相互通信問題而發(fā)展起來的一門專用技術(shù)，具有很高的可靠性與抗干擾能力。該項技術(shù)在1997年后開始在國內(nèi)研制成功，并成功應(yīng)用在焦爐四大車的自動控制系統(tǒng)、天車行車定位系統(tǒng)和其他工業(yè)大型控制系統(tǒng)上。在無人行車自動控制系統(tǒng)項目上，我們使用兩條編碼電纜，分別是大車編碼電纜及小車編碼電纜。大車定位編碼電纜沿大車運行方向安裝在抓渣行車軌道旁的通道上，小車定位編碼電纜沿小車運行方向安裝在抓渣行車主梁通道上。大、小車編碼電纜各有一個天線箱，利用簡單的單匝線圈的感應(yīng)原理，當天線箱線圈中通入交變電流時，在天線箱附近會產(chǎn)生交變磁場。由于天線箱離編碼電纜很近，故編碼電纜近似處在一個交變的、均勻分布的磁場中，因此每對編碼電纜中的芯線會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。通過相應(yīng)的編碼、轉(zhuǎn)碼單元進行處理，最后傳輸給車載PLC系統(tǒng)，在PLC的內(nèi)部換算下從而得出相應(yīng)的實際位置。通過安裝后調(diào)試，編碼電纜定位后的實際位置誤差在4毫米之內(nèi)，大在滿足了該項目大小車精確定位的要求。有了精確的定位手段，就可以在抓渣行車下方的渣池內(nèi)進行工作區(qū)域的劃分。一個渣池對半分為兩個小渣池，我們將一個小渣池分成三行共15個工作塊，整個大渣池就是共30個工作塊，每個工作塊大小車都設(shè)置一個位置（即X、Y軸位置），運行自動抓渣作業(yè)時，PLC根據(jù)目前抓渣模式，發(fā)送指令后，行車會自動去某個工作塊進行抓渣。結(jié)合主控室上位機上的監(jiān)視畫面，主控人員對目前運行情況一目了然。

抓渣行車的抓斗上下整個行程高度（即Z軸位置），在自動運行過程中，自動控制系統(tǒng)需對運行高度進行精確識別，如渣池的高度、渣池最底部的安全抓渣高度和裝載卡車車廂上方的卸渣高度。渣池高度影響抓斗的抓渣量，抓渣量過多會溢渣滿料，抓渣量少會影響料渣的轉(zhuǎn)運效率。渣池底部的安全高度，如果過低會對池底部整個過濾層面進行破壞，過高會抓渣抓不干凈，長期下來會使底部過濾層面帶來不可逆的板結(jié)，影響冷卻水過濾效果。裝載卡車卸渣高度過高，卸渣時容易散料，過低抓斗會觸碰車廂造成車輛損壞。綜上所述，抓斗運行時的位置也同大小定位一樣需要精確識別。

我們采取了利用絕對值編碼器來識別抓渣行車抓斗的高度位置。在行車上的起升和開閉機構(gòu)滾筒旁各安裝一個絕對值編碼器。當滾筒轉(zhuǎn)動時會帶動絕對值編碼器轉(zhuǎn)動，絕對值編碼器通過機械位置確定相應(yīng)編碼位置。絕對值編碼器無需記憶、無需找參考點，而且不用一直計數(shù)，什么時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。在高度的起始零點標定上，我們通過增加標定程序，當更換了鋼絲繩或更換抓斗后實際高度發(fā)生了變化，可以在主控畫面上進行一鍵標定，無需進入復雜的程序內(nèi)部進行修改，減輕了相關(guān)維護人員的工作量。至此，結(jié)合新增的變頻傳動控制系統(tǒng)，車載編碼電纜及相應(yīng)設(shè)備識別行車大車、小車的縱向、橫向物理位置，利用絕對值編碼器識別抓渣行車抓斗的高度位置，實現(xiàn)對抓渣行車X、Y、Z 三軸高精度定位。

1.2  運渣車的識別及定位

使用裝載運輸卡車進行料渣的轉(zhuǎn)運在經(jīng)濟上比傳統(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，傳送過程中會引起粉塵污染及積污染，維護量大。煉鐵分廠一直使用運輸卡車進行料渣的轉(zhuǎn)運，但由于運輸公司車輛種類復雜，裝載量也有所不同。投用后的無人自動行車，如何自動判別這些車輛，并進行準確定位也是在整個自動控制系統(tǒng)中具有重要的位置。

幾個設(shè)想：一是地面埋感應(yīng)線，通過車輪駛過感應(yīng)線來識別運輸卡車進場。可以識別有車輛進場，但無法識別裝載量（大型車和小型車），且感應(yīng)線誤觸發(fā)的機率很大，此方案顯然不適合。二是使用傳統(tǒng)的光電傳感器，通過物體面反射反饋來識別車輛，此方案可以識別車輛進場，如果在車頭、車中、車尾各安裝一個，通過大型車和小型車車身長度反饋，似乎可以對大型車和小型車進行識別。但是作為工作方式是光線反射物體表面的工作方式，對外界環(huán)境因素特別敏感。上面說過鋼鐵企業(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)場安裝了一個光電傳感器作試驗，試驗分為白天和夜間兩種模式，信號接入PLC系統(tǒng)，在畫面上簡單做了一個信號測試點。在光電傳感器前感應(yīng)范圍內(nèi)放置一個金屬物體，模擬實際中運輸卡車。白天模式下1小時，陽光充足，光線強烈，信號測試點丟失目標20次；夜間模式下1小時，現(xiàn)場水汽霧充足，人眼感觀能見度低，信號測試點丟失目標32次，因此第二種方案更不行。

一次偶然的機會，發(fā)現(xiàn)小區(qū)停車場入口道閘識別車輛進入靈敏度高，識別錯誤率很低。查閱資料得知這個識別的東西叫車輛識別雷達，該雷達采用79GHZ MMIC技術(shù)，能夠識別目標運動方向，檢測距離、寬度可調(diào)，可使用手機APP進行在線調(diào)試，最重要的不愛電磁、光照、雨雪等外界環(huán)境干擾。我們在地面運輸卡車停車位置側(cè)面方向，各安裝了三個車輛識別雷達，分別位于車頭、車中及車尾位置。當小型卡車進場后，車頭及車中的雷達探測到信號后，自動控制系統(tǒng)判別為小型車進場，將對該車卸裝4抓斗的料渣。當大型卡車進場后，三個雷達全部探測到信號后，自動控制系統(tǒng)判別為大型車進場，將對該車卸裝5抓斗的料渣。進過現(xiàn)場的調(diào)試和實際情況，為了使卡車車廂內(nèi)的料渣均勻，我們又在車頭前部安裝一個識別雷達，車輛會在卸裝第二斗之后做一次向前移車的動作，車頭前的移車識別雷達會探測到移車信號，抓斗卸渣也會有相應(yīng)的變化。這種識別方式，可靠性強，抗外界干擾強，連續(xù)使用下來，零失誤。

2  無人行車的安全可靠性

2.1  無人行車本身的安全性

無人行車本身具有傳統(tǒng)行車所具有的各種安全限位，如門限位，大小車極限位，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入PLC系統(tǒng)參與無人行車的控制，并與限制畫面中一一對應(yīng)顯示，一旦其中某一個限位出現(xiàn)動作或者故障，行車都會立馬停止運行并畫面報警，提示操作檢修人員無人行車故障，確保無人行車本身的安全；除了這些硬保護，我們還利用定位編碼器在程序中做了相應(yīng)的軟保護，即無人行車到達多少高度就無法繼續(xù)上升，到達多少高度就無法下降等等，確保無人行車每個運行方向都有一硬一軟兩套限位保護。

2.2  無人行車自動裝渣的安全性

在無人行車自動裝渣時，行車必須要在停車位有車，且車輛停穩(wěn)當之后才會正常運行裝渣程序，同時我們在停車位安裝了卸料斗，無人行車抓斗必須進入卸料斗位置才會被允許打開抓斗進行卸料，這樣既保證了運輸車駕駛員的安全，又確保水渣不會被移到地面。在無人行車抓渣完畢往運輸車移動時，抓斗高度必須高于卸料斗高度，否則無人行車也將自動停止，防止損壞設(shè)備，同時也保護運輸車輛及駕駛員。

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，對操作人體傷害較大，同時水渣行車分南北行車，二十四小時不間斷運行，對人員的工作強度要求就較高，冬季上下樓梯因水汽結(jié)冰，操作人員更換行車操作時上下樓梯也非常容易摔倒受傷。而改為無人行車后，人員只需在主控室監(jiān)控操作行車即可，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)過一段時間的磨合，無人行車已能做到智能化，無人化，安全化的高標準，嚴要求，這也是分廠對智能制造的一次新的實踐嘗試。我相信未來煉鐵分廠對智能化控制的推進將更將有效，快捷，準確，實用。