焦化廠機車連鎖裝置的設(shè)計

劉 寧，劉軍婷，張偉平

（1.山西省自動研究所，太原 030012；2.太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，太原 030024）

焦炭是工業(yè)生產(chǎn)的主要燃料之一，生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，尤其是推焦車、攔焦車、熄焦車三大機車的連鎖控制一直是焦化生產(chǎn)過程的核心問題。目前，三大機車之間的連鎖操作往往采用人工方式，不僅費時費力，還容易出現(xiàn)操作失誤，發(fā)生導(dǎo)焦槽到位不及時、推焦桿彎曲等生產(chǎn)事故，給企業(yè)帶來經(jīng)濟損失[1]。為此，國內(nèi)有部分焦化企業(yè)從國外引進了三車連鎖控制系統(tǒng)，但其建設(shè)與維護費用較高。隨著電子技術(shù)、傳感檢測技術(shù)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，在焦化生產(chǎn)自動控制技術(shù)的研究領(lǐng)域，針對焦?fàn)t爐號識別和三大機車的連鎖控制問題，分別出現(xiàn)了基于光電傳感器[2]、旋轉(zhuǎn)編碼器[3]、機器視覺與立體條形碼相結(jié)合技術(shù)[4]、感應(yīng)無線技術(shù)[5]等機車定位與爐號識別解決方案，在三大機車之間的通訊聯(lián)絡(luò)方面主要采用了γ射線、電力載波和無線數(shù)據(jù)通信等方式。但這些技術(shù)在焦化生產(chǎn)過程中仍然存在不足，難以廣泛應(yīng)用于焦化生產(chǎn)。

本文針對焦化生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境惡劣、粉塵大、車輛分散且運行頻繁等特點，將射頻識別（RFID）技術(shù)、西門子工業(yè)觸摸屏以及數(shù)傳電臺相結(jié)合，設(shè)計了一種焦車連鎖裝置，提高了焦化生產(chǎn)過程中三大機車的定位精度，保持了各車之間的相互通訊聯(lián)絡(luò)，降低了生產(chǎn)過程中事故的發(fā)生頻率，確保了生產(chǎn)安全。

1 機車連鎖工藝

推焦車、攔焦車、熄焦車三車協(xié)同工作的工藝流程如圖1所示。

圖1 焦化生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Coking production process

焦化生產(chǎn)必須嚴格按照生產(chǎn)計劃時刻表進行，以維持焦?fàn)t生產(chǎn)的連續(xù)性與安全性。中控系統(tǒng)根據(jù)炭化室的裝煤時間自動生成推焦計劃，當(dāng)某炭化室的計劃出焦時間到，推焦車和攔焦車必須在±5 min內(nèi)到達計劃出焦的爐室，中控系統(tǒng)才會發(fā)出摘取爐門指令，否則通過電氣連鎖，禁止操作人員摘取爐門。除了摘取爐門連鎖，在推焦過程中還存在推焦連鎖。焦?fàn)t生產(chǎn)過程的大部分事故往往發(fā)生在推焦過程中，如紅焦落地、導(dǎo)焦柵被推翻、紅焦推到熄焦車頭上等。為避免此類的事故發(fā)生，推焦連鎖裝置設(shè)計了兩級允許推焦的必要條件，其中一級允許推焦的必要條件為推焦車、攔焦車、熄焦車必須對準(zhǔn)計劃推焦的爐室中心位置，同時攔焦車的導(dǎo)焦柵到達導(dǎo)焦位置，且熄焦車車門處于關(guān)閉狀態(tài)；若具備了一級允許推焦的必要條件，攔焦車和推焦車發(fā)出允許推焦信號，并且計劃出焦時間與實際出焦時間之間的誤差在±5 min范圍內(nèi)，這就構(gòu)成二級允許推焦的必要條件。當(dāng)滿足上述兩級允許推焦條件時，中控系統(tǒng)才會發(fā)出允許推焦指令。若在推焦過程中出現(xiàn)異常情況，三大機車的工作人員均可隨時發(fā)出停止推焦的指令，避免推焦事故發(fā)生。

2 機車連鎖控制系統(tǒng)的構(gòu)架和功能

焦?fàn)t機車連鎖控制系統(tǒng)采用管理層和控制層2層構(gòu)架，具有結(jié)構(gòu)模塊化、組態(tài)靈活、擴充性好等特點，如圖2所示。管理層，即地面站由管理計算機、數(shù)據(jù)服務(wù)器、無線數(shù)字通信電臺、應(yīng)用軟件等組成，主要完成過程監(jiān)控、計劃的編排和傳輸、記錄和統(tǒng)計報表的生成、無線采集各機車的信息并形成控制命令、與各機車進行通信，實時交換數(shù)據(jù)?？刂茖?，即車載站由車載PLC控制器、車載無線數(shù)字通信電臺、車載顯示屏、射頻識別裝置、定位裝置等組成，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、信息顯示、位置檢測、爐號對位、連鎖控制、與中控室通信數(shù)據(jù)交換等功能。本系統(tǒng)利用無線擴頻技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，通過無線FSK通訊模式，采用雙差分天線接收技術(shù)和收發(fā)分離技術(shù)，有效抑制了各種干擾。

圖2 機車聯(lián)鎖控制系統(tǒng)構(gòu)架Fig.2 Structure of interlocking device

3 機車連鎖裝置的硬件配置

焦?fàn)t三大機車連鎖裝置包括分別屬于推焦車、攔焦車和熄焦車的3個子裝置，每個子裝置均由爐號識別、數(shù)據(jù)通訊、觸摸屏監(jiān)控顯示三部分組成，其硬件組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.1 PLC控制單元

根據(jù)焦車連鎖裝置方案的實際要求，選用西門子S7-1200PLC實現(xiàn)各裝置的控制、數(shù)據(jù)信息通訊和協(xié)調(diào)工作。選用SIMATIC HMI精簡系列面板實現(xiàn)焦車操作人員對各個焦車實時信息狀態(tài)的監(jiān)控。其網(wǎng)絡(luò)配置如圖4所示。

圖3連鎖裝置硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Interlocking device hardware structure

圖4 PLC網(wǎng)絡(luò)配置Fig.4 Network configuration for PLC

推焦車、攔焦車、熄焦車對應(yīng)的子裝置中，PLC硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)基本相同，主要由 CPU1214C（AC/ DC/RLY）、CM1241（RS-232）通信模塊和 CM1241（RS-422/485）通信模塊組成，CPU1214C集成了PROFINET通訊接口，可實現(xiàn)與上位機以及觸摸屏之間的通訊；CM1241（RS-232）通信模塊可實現(xiàn)與數(shù)傳電臺之間的通訊；CM1241（RS-422/485）通信模塊可實現(xiàn)與RFID讀寫器之間的通訊。

3.2 位置檢測及識別

RFID系統(tǒng)對環(huán)境具有較強的適應(yīng)能力，能夠抵御油污、粉塵或者遮擋物的干擾，并且能夠保證信息可靠和迅速地傳輸，因此本文選用RFID讀寫器和電子標(biāo)簽構(gòu)成的反射調(diào)制式系統(tǒng)作為爐號識別裝置[6]，其中RFID讀寫器選用DLC-6820近距離讀寫器，電子標(biāo)簽選用YD-13521抗金屬電子標(biāo)簽。考慮焦?fàn)t爐孔的寬度一般在350～550 mm之間，因此規(guī)定讀取距離不低于20～30 mm。另外，由于焦車在各自軌道上的運行方向不變，且行進的速度較慢，一般都小于1 m/s，因此電子標(biāo)簽可安裝在焦車運行的軌道旁?？紤]到生產(chǎn)環(huán)境的惡劣和設(shè)備維護的不方便，電子標(biāo)簽選用無源型，且具有一定的存儲空間，保證電子標(biāo)簽損壞更換時，不必更改控制程序。

焦車讀寫器的工作模式選擇為定時模式，定時間隔為19×10 ms，與PLC進行串口通信的協(xié)議為RS-485，波特率為9600 b/s，讀卡方式設(shè)置為單標(biāo)簽讀取，頻率設(shè)置為跳頻。

3.3 數(shù)據(jù)通信

焦?fàn)t生產(chǎn)是由分別運行在不同軌道上的推焦車、攔焦車、熄焦車共同完成，只有保證生產(chǎn)過程中三車的協(xié)調(diào)工作，才能保證生產(chǎn)的安全，避免事故的發(fā)生，因此，三大機車間的數(shù)據(jù)通訊顯得尤其重要[7]。本文采用數(shù)傳電臺完成焦車之間的數(shù)據(jù)傳輸工作。數(shù)傳電臺不僅能夠自行搭建覆蓋網(wǎng)絡(luò)，而且能夠靈活地組建網(wǎng)絡(luò)，具有很強的抗干擾能力。另外，數(shù)傳電臺能夠適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，并且能夠在電磁和高溫環(huán)境下長期工作[7]。

本文選用固迪公司GD230B-10W型數(shù)傳電臺，該型號數(shù)傳電臺采用了多任務(wù)處理技術(shù)，只需要將接口速率設(shè)置為與信道速率一致，就可以傳輸任意長的數(shù)據(jù)、文件以及圖片。數(shù)傳電臺的DB9孔型連接器和RJ-45連接器完成數(shù)傳電臺數(shù)據(jù)信號的輸入與輸出。

4 機車連鎖裝置的軟件設(shè)計

機車連鎖裝置的軟件設(shè)計包括下位機和上位機的軟件設(shè)計，合理的軟件設(shè)計不僅能使硬件結(jié)構(gòu)簡化，還能更好地監(jiān)控整個裝置的實時運行情況。

4.1 下位機軟件設(shè)計

下位機的主要功能是通過射頻讀寫器所讀取的爐室位置信息進行各車車位的識別，PLC的I/O和模擬量輸入模塊自動采集車上的開關(guān)信號（推焦桿前進信號、推焦桿后退信號、推焦桿前限信號、平煤桿前進信號、平煤桿后退信號、爐門、車門開關(guān)信號、人工允推按鈕信號等）和電流信號（推焦電流和平煤電流），并將這些數(shù)據(jù)按通信協(xié)議編成一個數(shù)據(jù)幀，送到車載數(shù)傳電臺通信模塊進行數(shù)據(jù)調(diào)制和放大，通過車載發(fā)射天線發(fā)射出去，實現(xiàn)各車之間、車與地面站之間的數(shù)據(jù)通訊、交互顯示，進一步完成車輛實際位置和推焦作業(yè)計劃爐號的比較確認。

在生產(chǎn)操作過程中，推焦車、攔焦車、熄焦車司機可通過HMI精簡系列面板同時觀察到其它車輛所在的位置和其他車輛發(fā)出的操作確認指令，還可以把相關(guān)作業(yè)指令作為車輛作業(yè)的聯(lián)鎖保護條件，確保作業(yè)正確無誤。系統(tǒng)具有智能自適應(yīng)、自診斷功能，管理級和控制級之間通過控制權(quán)自動巡檢移交模式，可將系統(tǒng)癱瘓的可能性降到最小。

以推焦車的PLC為例說明下位機的程序流程。推焦車PLC首先與中控室的上位機進行通信，確認推焦計劃，同時與攔焦車和熄焦車建立通信，確認各個焦車的具體位置信息，并將其顯示在HMI面板上，機車上的工作人員通過HMI面板確認其信息與計劃推焦表的信息是否一致；推焦車PLC繼續(xù)判斷導(dǎo)焦槽的位置信息和焦?fàn)t爐門的狀態(tài)。只有當(dāng)推焦車、攔焦車、熄焦車都到達計劃推焦的爐室，推焦側(cè)與攔焦側(cè)的焦?fàn)t爐門打開，攔焦車的導(dǎo)焦槽到位等條件都滿足的情況下，推焦車才會接收到推焦動作的電氣信號，流程如圖5所示。

圖5 推焦車PLC工作流程Fig.5 PLC flow chart of the coke pusher

4.2 上位機軟件設(shè)計

焦車連鎖裝置上位機監(jiān)控軟件使用 WinCC V6.0開發(fā)，實現(xiàn)對焦化生產(chǎn)現(xiàn)場的狀態(tài)監(jiān)控，其主要的功能是推焦時間計劃表的編排、各焦車位置狀態(tài)的監(jiān)視、焦車爐號錯誤識別的報警，拿門狀態(tài)的顯示、推焦故障時人工修改推焦計劃、推焦的歷史記錄和打印等。以直觀動態(tài)的方式真實反映現(xiàn)場各設(shè)備的位置、動作情況、計劃執(zhí)行情況、故障報警信息，同時信息數(shù)據(jù)接入生產(chǎn)局域?qū)＞W(wǎng)，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享和上層監(jiān)督，其功能框圖如圖6所示，生產(chǎn)過程中全程運行的監(jiān)控畫面如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of the system monitoring software

圖7 監(jiān)控系統(tǒng)主界面Fig.7 Main interface of the monitoring system

5 結(jié)語

本文介紹了焦化生產(chǎn)過程中三車連鎖裝置的設(shè)計，以工控機為上位機，PLC為下位機構(gòu)成裝置的整體方案。上位機主要實現(xiàn)焦化生產(chǎn)現(xiàn)場機車狀態(tài)的監(jiān)控以及煉焦生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)記錄存檔等功能，下位機主要實現(xiàn)焦?fàn)t號識別裝置、數(shù)據(jù)通訊裝置、觸摸屏監(jiān)控顯示裝置的控制功能，分別利用RFID裝置、HMI面板和無線數(shù)傳電臺實現(xiàn)了焦車的爐號識別與顯示以及焦車之間的數(shù)據(jù)傳輸。并基于TIA Protal V11和WinCC分別開發(fā)了下位機控制程序和上位機監(jiān)控軟件，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明整個裝置設(shè)計簡單方便、性能可靠，有效地提高了生產(chǎn)效率。

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