湯向東 錢揚寅
（江陰興澄特種鋼鐵有限公司煉鐵分廠）
摘要：現階段，我國經濟水平正在不斷提升，科學技術領域的研究也在不斷加快，各行各業都在推進無人化，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，提高設備智能化，安全性的態度，對3#高爐水渣行車進行智能化無人化的改造。在提高設備性能的同時，不斷推進智能化進程，為該領域的后續研究提供參考。
關鍵詞：無人化；抓渣行車；定位技術；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下，經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運后再利用。目前絕大多數冶金企業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，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域分塊布置。如果要實現自動抓渣行車的自動抓渣作業，就必須要精準定位，而且不應受外界環境因素影響，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，抓斗上升過高可能會出現沖頂，抓斗下降過低可能會破壞渣池底部整個過濾系統層面。料渣的轉運是通過裝載運輸卡車進行拖運，公司內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來自動進行判斷是何種類型卡車，從而根據不同裝載量的卡車來對應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、位置開關定位這幾種方法。在不需要精確定位及外部環境較好的場景中，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展起來的一門專用技術，具有很高的可靠性與抗干擾能力。該項技術在1997年后開始在國內研制成功，并成功應用在焦爐四大車的自動控制系統、天車行車定位系統和其他工業大型控制系統上。在無人行車自動控制系統項目上，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原理，當天線箱線圈中通入交變電流時，在天線箱附近會產生交變磁場。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生感應電動勢。通過相應的編碼、轉碼單元進行處理，最后傳輸給車載PLC系統，在PLC的內部換算下從而得出相應的實際位置。通過安裝后調試，編碼電纜定位后的實際位置誤差在4毫米之內，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進行工作區域的劃分。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置一個位置（即X、Y軸位置），運行自動抓渣作業時，PLC根據目前抓渣模式，發送指令后，行車會自動去某個工作塊進行抓渣。結合主控室上位機上的監視畫面，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，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滾筒旁各安裝一個絕對值編碼器。當滾筒轉動時會帶動絕對值編碼器轉動，絕對值編碼器通過機械位置確定相應編碼位置。絕對值編碼器無需記憶、無需找參考點，而且不用一直計數，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、數據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部進行修改，減輕了相關維護人員的工作量。至此，結合新增的變頻傳動控制系統，車載編碼電纜及相應設備識別行車大車、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運在經濟上比傳統的皮帶傳送系統更為合適，傳統皮帶傳送，系統設備占地面積大，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中具有重要的位置。
幾個設想：一是地面埋感應線，通過車輪駛過感應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），且感應線誤觸發的機率很大，此方案顯然不適合。二是使用傳統的光電傳感器，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，對外界環境因素特別敏感。上面說過鋼鐵企業中，外部環境惡劣，金屬粉塵、水汽霧是主要影響因素。我們現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，在畫面上簡單做了一個信號測試點。在光電傳感器前感應范圍內放置一個金屬物體，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，發現小區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，能夠識別目標運動方向，檢測距離、寬度可調，可使用手機APP進行在線調試，最重要的不愛電磁、光照、雨雪等外界環境干擾。我們在地面運輸卡車停車位置側面方向，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，自動控制系統判別為大型車進場，將對該車卸裝5抓斗的料渣。進過現場的調試和實際情況，為了使卡車車廂內的料渣均勻，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的變化。這種識別方式，可靠性強，抗外界干擾強，連續使用下來，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系統參與無人行車的控制，并與限制畫面中一一對應顯示，一旦其中某一個限位出現動作或者故障，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的軟保護，即無人行車到達多少高度就無法繼續上升，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控操作行車即可，改善了工作環境，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。