基于高精度定位技術(shù)的煉鋼車間天車安全監(jiān)控系統(tǒng)

韓立民 劉巖

摘 要：煉鋼是鋼鐵生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。煉鋼車間工藝復(fù)雜，從鐵水到合格鋼坯需要經(jīng)過一系列物理化學(xué)變化。天車作為煉鋼車間主要的倒運設(shè)備，其工作效率直接影響著整個鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)節(jié)奏，因此為了保證煉鋼車間天車的安全運行，為其提供一套安全監(jiān)控系統(tǒng)便格外重要。該文結(jié)合煉鋼車間天車的運行特點，基于高精度定位技術(shù)為煉鋼車間提供了一套天車安全運行的監(jiān)控系統(tǒng)。為天車的安全運行提供技術(shù)保障，進(jìn)而提高整個煉鋼車間的安全生產(chǎn)等級。

關(guān)鍵詞：煉鋼車間；編碼器；激光定位；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在鋼鐵冶煉的過程中涉及眾多復(fù)雜的物理化學(xué)變化。高爐冶煉完成后，鐵水在煉鋼車間內(nèi)要經(jīng)歷脫磷、脫碳、加合金料等多道工序處理。鐵水在不同工序之間的倒運都是通過煉鋼車間內(nèi)部天車實現(xiàn)的。煉鋼車間鐵水倒運天車為鑄造吊起重機(jī)，起重重量通常達(dá)到100 t～200 t。天車長期在高溫、高粉塵甚至含有有害氣體的惡劣環(huán)境中運行，天車能否安全平穩(wěn)運行不僅影響了煉鋼車間的生產(chǎn)效率，更關(guān)系到車間的工人的人身安全。依托電子技術(shù)的發(fā)展，將精度更高的檢測手段用于天車位置檢測，以此來確保天車安全運行已成為解決天車定位的重要方式。

1 研究意義

天車是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的起重設(shè)備，近年來天車定位技術(shù)發(fā)展較快。最初天車定位完全憑借天車工自行判斷。天車司機(jī)還需要地面指揮人員指導(dǎo)天車走行，這樣傳統(tǒng)的定位模式過度依賴人為操作，天車司機(jī)必須具有豐富的駕駛經(jīng)驗，才能滿足日常生產(chǎn)的需求。隨著編碼器的廣泛應(yīng)用，在天車大車輪軸上加裝編碼器的定位方式漸漸取代人工操作方式，編碼器統(tǒng)計輪軸的轉(zhuǎn)數(shù)，結(jié)合天車輪半徑，進(jìn)行天車在廠房內(nèi)部的定位，但是編碼器在煉鋼車間這種高揚塵，高溫度的環(huán)境中旋轉(zhuǎn)軸容易損壞。而且當(dāng)天車輪在軌道上出現(xiàn)打滑情況時，編碼器不能計算出旋轉(zhuǎn)的角度，會出現(xiàn)較大誤差。

2 高精度定位技術(shù)應(yīng)用

2.1 光電式編碼器

編碼器是一種安裝在轉(zhuǎn)動軸上，將軸的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為電脈沖信號或者數(shù)字量信號的傳感器。光電式絕對值編碼器是一種將光電檢測技術(shù)與編碼器技術(shù)相結(jié)合的新型傳感器。絕對值編碼器可以將位置信息轉(zhuǎn)換為唯一的二進(jìn)制定位編碼。與增量型傳感器相比，絕對值編碼器具有掉電保持、精確度高等特點。

絕對值編碼器由碼盤、光電發(fā)射器、光狹縫、光電接收器和齒輪組碼盤組成。被測軸在轉(zhuǎn)動過程中帶動絕對值碼盤轉(zhuǎn)動，在編碼器的任何一個位置都可以通過讀取光電接收器的明暗情況確定唯一編碼，進(jìn)而確定旋轉(zhuǎn)位移。當(dāng)軸轉(zhuǎn)動角度超過360°時，齒輪軸會帶動齒輪組碼盤旋轉(zhuǎn)進(jìn)位，增加編碼器量程。

2.2 激光測距儀

激光具有良好的相干性、方向性和單色性，被視作測距儀器的理想光源。根據(jù)測距原理的不同，常用的激光測距技術(shù)可以分為干涉測距、三角測距、脈沖測距和相位測距。其中相位法的測量原理是將激光發(fā)射到被測物體，經(jīng)過表面發(fā)射后，由測距儀接收。測距儀解析計算發(fā)射端和接收端的相位差，進(jìn)而計算出整段距離。這種測量方式精度高，抗干擾性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于中遠(yuǎn)距離測距。

2.3 格雷母線

基于感應(yīng)環(huán)線原理設(shè)計的格雷母線定位系統(tǒng)主要分為3個部分，分別是移動站、格雷母線和固定站。格雷母線內(nèi)部包括感應(yīng)環(huán)線，并按照格雷碼的排布方式制造。移動站安裝在被測物體上，且距離格雷母線10 cm左右，被測物體在移動過程中與格雷母線發(fā)生電磁感應(yīng)，固定站通過感應(yīng)強(qiáng)度，實時計算出移動物體的位置，并傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

天車大車的運行跨度為整個煉鋼車間跨間長度，在跨間高層平臺上安裝格雷母線，并將固定站分別安裝在母線兩側(cè)，小車的走行方向是沿著大車的寬度進(jìn)行，在小車梁上安裝激光測距儀，將反光板沿著激光方向安裝在大車橫梁上用于反射激光，以此來提高測距精確度。將光電式絕對值編碼器安裝在天車主鉤和副鉤提升電機(jī)軸側(cè)，根據(jù)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)計算出主鉤和副鉤的高度。另外為了保證天車的安全運行，在常規(guī)天車機(jī)械防碰撞基礎(chǔ)上，在天車大車兩側(cè)安裝激光測距儀，用于實時檢測天車與周邊天車或廠房墻壁的距離，當(dāng)?shù)竭_(dá)安全警戒距離時，向天車控制系統(tǒng)發(fā)出急停信號。

3.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

大車定位的格雷母線系統(tǒng)固定端向外發(fā)出位置檢測信號，系統(tǒng)采用Modbus TCP協(xié)議，通過以太網(wǎng)無線網(wǎng)橋?qū)⑿盘杺鬟f到控制系統(tǒng)中，天車控制系統(tǒng)安裝在天車配電室中。激光測距儀通過硬線電纜連接到天車PLC模擬量模塊，通過4 mA～20 mA傳輸方式將位置檢測信號發(fā)送到控制系統(tǒng)。絕對值編碼器通過PROFIBUS協(xié)議將天車主鉤和副鉤高度傳遞到控制系統(tǒng)中，具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3.2 軟硬件選型及流程

系統(tǒng)檢測儀表的選型如下：激光測距儀采用的型號為TC-20，量程為20 m，編碼器選擇絕對值編碼器BES58-P0SADPHDCD0，配安裝支架和保護(hù)裝置，通信方式為PROFIBUS-DP，電纜型號為6XV1 830-0EH10，格雷母線移動站選用型號為AFC-CTR01，格雷母線型號為AWC-EC100，終端箱型號為AWC-BS01。天車控制系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC，配343以太網(wǎng)卡和模擬量輸入輸出模塊。

天車走行過程中格雷母線系統(tǒng)實時定位大車的位置，安裝在小車上的激光測距儀實時檢測小車位置，安裝在天車鉤電機(jī)上的編碼器實時檢測主副鉤位置，安裝在大車上的激光測距儀用來防止天車發(fā)生碰撞。所有檢測數(shù)據(jù)通過PLC傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)軟件采用含有豐富協(xié)議的西門子WinCC7.3上位機(jī)系統(tǒng)。

4 結(jié)語

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新型檢測裝置被用于工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。為煉鋼車間提供一套基于高精度定位技術(shù)的煉鋼車間天車安全監(jiān)控系統(tǒng)，能在保證天車作業(yè)效率的同時，保證煉鋼車間的安全生產(chǎn)。

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