全自動熄焦車控制系統(tǒng)設計

中國是焦炭生產(chǎn)大國，大部分的焦化企業(yè)設備相對陳舊，同時焦化產(chǎn)業(yè)粗放型的生產(chǎn)控制模式逐步跟不上現(xiàn)代生產(chǎn)的自動化進程，準確、可靠地全自動控制技術(shù)是我國焦化產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，也是我國焦化產(chǎn)業(yè)面臨的一個技術(shù)難點。本文設計了全自動熄焦車控制系統(tǒng)。

1.熄焦車全自動生產(chǎn)作業(yè)流程

熄焦車的主要工作是將從焦爐內(nèi)推出的焦碳運送到淋水塔，通過噴淋高壓氨水將焦炭從1100℃高溫降到接近200℃，再將降溫后的焦炭運載至晾焦臺并卸焦、涼焦。熄焦車主要有接焦、熄焦、卸焦、走行等四個主要動作，根據(jù)其時序關(guān)系，確定了全自動熄焦車的工作流程圖,見圖1。

2.控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

整個控制系統(tǒng)分為車載部分和地面部分兩個部分[1]。車載部分是整個系統(tǒng)的信號采集中心、數(shù)據(jù)中心和控制中心。車載部分的嵌入式控機是整個系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心工和控制中心，前述的機車操作記錄和智能操作等功能均在嵌入式工控機中進行。地面部分主要功能分3個部分。

（1）生產(chǎn)計劃錄入和機車狀態(tài)顯示；

（2）外圍系統(tǒng)數(shù)據(jù)融入，中控室PLC通過光纖通信連接淋水塔系統(tǒng)，I/O點電氣連接采集晾焦臺信息；

（3）視頻監(jiān)控設備運行，通過機車的運行視頻來監(jiān)管熄焦車自動運行情況。

2.1地面部分控制系統(tǒng)的設計

地面部分控制系統(tǒng)的主要功能由中控室實現(xiàn)，如計劃錄入、機車狀態(tài)顯示等。

（1）位置檢測系統(tǒng)

位置檢測系統(tǒng)由地址發(fā)生器，編碼電纜，地址接收箱，地址檢測器，西門子PLC模塊組成。位置檢測系統(tǒng)基于感應無線技術(shù)，地址接收箱在編碼電纜某點的位置，將得到一個特殊的模擬信號組合，地址檢測器將該信號分解成數(shù)字信號，并送至西門子PLC模塊，為其他子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)包括工業(yè)通訊（RS-485）和以太網(wǎng)模式（TCP/IP）通訊兩種模式共同組成。兩種通訊方式同時冗余發(fā)送關(guān)鍵動作和限位信號，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

工業(yè)無線以太網(wǎng)模式（TCP/IP）通訊優(yōu)點為通訊效率高，可以達到10M/S以上的通訊效率，通常視頻圖像信號和數(shù)字信號都通過這種方式傳輸。

（3）視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是包括焦爐監(jiān)控攝像頭，車載監(jiān)控攝像頭，車載視頻，遠程監(jiān)控視頻，視頻處理器和無線通信網(wǎng)絡組成。

焦爐攝像頭安裝在焦爐上，負責監(jiān)控整個熄焦車軌道上的運行狀態(tài)。車載監(jiān)控攝像頭監(jiān)控車輛周圍的細節(jié)情況，視屏處理器負責圖像信號的轉(zhuǎn)換，監(jiān)控視頻承擔實施顯示，為人為操作提供支持。視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

（4）遠程控制系統(tǒng)

遠程控制系統(tǒng)主要通過上位機將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面控制PLC，再通過通訊網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)輸送至車載PLC，車載PLC控制變頻器和電動閥的動作。實現(xiàn)遠程操作機車動作，完成生產(chǎn)任務。遠程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。

2.2車載控制系統(tǒng)的設計

車載控制系統(tǒng)的主要設備為嵌入式工控機和S7-400HPLC組，子系統(tǒng)有：自動走行控制系統(tǒng)、自動接焦控制系統(tǒng)、自動熄焦控制系統(tǒng)、自動卸焦控制系統(tǒng)、故障檢測報警系統(tǒng)[2]。

（1）嵌入式工控機

嵌入式工控機是整個系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心和控制中心。嵌入式工控機主要記錄和分析機車操作過程中所有的歷史數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)計和分析，來指導機車實現(xiàn)操作自動化；嵌入式工控機在獲取推焦計劃后，能夠根據(jù)推焦計劃、工藝要求控制機車完成各項操作。

本文率先將無線感應技術(shù)、自動定位技術(shù)、遠程視頻監(jiān)控技術(shù)及工業(yè)以太網(wǎng)綜合應用于熄焦車全自動控制系統(tǒng)上，解決了焦化惡劣環(huán)境下車輛全自動控制的瓶頸問題。

（2）冗余S7-400HPLC組

S7-400H是按冗余方式設計的，可以在任何事件發(fā)生后繼續(xù)使用。S7-400HPLC組所有的主要器件都是雙重的，按照方案設計成雙重器件的有：中央處理器CPU電源模板PS40710A以及連接兩個中央處理器的硬件CPU417-4H、通信模塊CP443-1。

CPU故障后，備份CPU與主CPU同步連接自動建立，備份CPU發(fā)出Link-up請求，主站在禁止刪除、拷貝和生成塊功能后將所有數(shù)據(jù)發(fā)送給備份CPU。主站運行用戶程序，在禁止所有報警和中斷后向已Link-up的備份CPU發(fā)送上次更新后發(fā)生改變的動態(tài)數(shù)據(jù)。

（3）自動走行控制系統(tǒng)

自動走行控制系統(tǒng)主要通過車載控制PLC控制變頻器，變頻器控制電機轉(zhuǎn)速，調(diào)整走行速度。

根據(jù)車輛的工作流程，計算出熄焦車自動走行的目標位置。通過位置檢測系統(tǒng)，檢測出當前所在位置。計算出兩者的位置差異。通過PLC程序控制變頻器的工作頻率實現(xiàn)熄焦車的自動行走，走行過程中由于位置檢測系統(tǒng)時刻更新當前位置值，通過PID反饋調(diào)節(jié)不斷修正走行頻率，實現(xiàn)準確對位的功能。

自走行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見6所示。

（4）自動接焦控制系統(tǒng)

自動接焦控制系統(tǒng)主要是通過車載PLC、限位開關(guān)、位置檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)完成。當全自動熄焦車到達接焦位置時，自動檢測是否到達設定位置、熄焦車門關(guān)閉信號，并通過通訊系統(tǒng)檢測其他設備是否準備完畢，然后發(fā)送允許推焦信號到地面中控PLC系統(tǒng)中。自動接焦熄焦控制系統(tǒng)結(jié)見圖7所示。

（5）自動熄焦控制系統(tǒng)

自動熄焦控制系統(tǒng)主要是通過車載PLC，地面控制PLC、淋水塔控制PLC、位置檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)完成。

由于車內(nèi)為1100℃的高溫焦炭，控制信號從發(fā)出到水閥完全打開，氨水從蓄水罐到噴嘴噴出，會有5-10s延時。所以位置檢測系統(tǒng)檢測出全自動熄焦車在離熄焦塔10m位置處，通過數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)發(fā)送信號給水泵，保證熄焦車進入淋水塔時，淋水塔內(nèi)的熄焦噴嘴已經(jīng)開始噴水。設定的淋水程序完成，再自動進入下一個工作狀態(tài)。自動淋水熄焦控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖8所示。

（6）自動卸焦控制系統(tǒng)

自動卸焦控制系統(tǒng)主要是通過車載PLC，地面控制PLC,晾焦臺控制PLC、位置檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)完成[3]。

卸焦區(qū)域一般有三段位置輪流放焦，根據(jù)晾焦臺內(nèi)剩余焦炭的情況，決定本次卸焦的編號。由于卸焦臺比車斗長，且要求焦炭均勻放至于卸焦臺上，所以要求卸焦過程中以適當?shù)牡退傩凶摺８鶕?jù)下爐出焦的計劃時間，決定進入休息狀態(tài)還是直接進入下一輪的接焦狀態(tài)。自動卸焦控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖9所示。

（7）故障檢測報警系統(tǒng)

故障檢測系統(tǒng)主要是通過上位機監(jiān)控所有系統(tǒng)的運行情況并提示報警。

位置檢測系統(tǒng)：檢測的位置數(shù)據(jù)不連續(xù)，或者位置檢測系統(tǒng)無數(shù)據(jù)。及時報警，停止自動操作跳到人工操作。

自動走行系統(tǒng)：檢測車輛在自動走行過程中，通過位置檢測系統(tǒng)，查詢是否行走，行走方向是否正確，如有異常退出自動走行。

自動接焦控制系統(tǒng)：檢測設備車斗車門關(guān)閉信號，如果長時間不能關(guān)閉，或者關(guān)閉信號故障，則停止自動推焦，提示報警。

自動淋水熄焦控制系統(tǒng)：當啟動信號發(fā)出后，如果長時間無反饋信號到PLC系統(tǒng)，則判斷自動淋水熄焦系統(tǒng)故障，需要人為干預。

自動卸焦控制系統(tǒng)：當熄焦車到達卸焦臺區(qū)域后，如果長時間無反饋卸焦臺運行信號到PLC系統(tǒng)，則判斷自動卸焦控制系統(tǒng)故障，需要人為干預。

3.總結(jié)

熄焦車全自動控制系統(tǒng)設計借助于目前工業(yè)自動化技術(shù)，基于自動化行業(yè)“檢測感知+高效通訊+數(shù)字組網(wǎng)+智能控制+協(xié)同輸出+有效反饋”的幾個要點，以及“統(tǒng)一管理+分散控制”的原則，以實現(xiàn)熄焦車設備全自動操作為最終目的。