汤向东  钱扬寅

（江阴兴澄特种钢铁有限公司炼铁分厂）

摘要：现阶段，我国经济水平正在不断提升，科学技术领域的研究也在不断加快，各行各业都在推进无人化，智能化。炼铁3#高炉无人抓渣行车正是抓住了这一契机，秉着解决问题，提高设备智能化，安全性的态度，对3#高炉水渣行车进行智能化无人化的改造。在提高设备性能的同时，不断推进智能化进程，为该领域的后续研究提供参考。

关键词：无人化；抓渣行车；定位技术；安全性

0  前言

高炉水渣是指炼铁高炉矿渣在高温熔融状态下，经过用水急速冷却而成为粒化泡沫形状，随高压水冲入渣池后进行冷却沉淀后，再由行车抓取水渣通过运渣车辆进行转运后再利用。目前绝大多数冶金企业仍由人工进行行车操作，因此，人工操作行车时会存在抓渣效率低，人工成本高，水汽雾太大无法正常抓渣，安全性稳定性差等几个突出的问题，针对此类问题引进无人行车技术，通过智能化改造完善行车控制，解决当前困难。

1  无人行车的智能化

作为一项智能改造项目，本项目的难点在于抓渣行车中大、小车位置的精确定位及下方渣池的工作区域分块布置。如果要实现自动抓渣行车的自动抓渣作业，就必须要精准定位，而且不应受外界环境因素影响，如：水汽、大雾及雨雪天气。另外，抓渣行车的抓斗上下整个行程高度自动判断如何去实现，抓斗上升过高可能会出现冲顶，抓斗下降过低可能会破坏渣池底部整个过滤系统层面。料渣的转运是通过装载运输卡车进行拖运，公司内部卡车大小形状及装载量不同，也是需要抓渣行车自动控制系统来自动进行判断是何种类型卡车，从而根据不同装载量的卡车来对应抓多少量渣到卡车上。

1.1  无人行车的定位

讲到一个物体的位置定位方法，大致主要有激光定位、超声波定位、位置开关定位这几种方法。在不需要精确定位及外部环境较好的场景中，以上几种方法或许都可以胜任。但是高炉水冲渣，外部环境恶劣，金属粉尘、水汽雾是主要影响因素。激光及超声波定位，对外部使用环境有非常高的要求。在使用中，如果有金属粉尘或水汽雾及雨雪天气的干扰下，激光及超声波会产生折射或反射，造成反馈信号的误动作或不动作。而编码电缆定位技术是在八十年代初世界上为解决炼焦、仓储、堆料场的移动车辆的地址检测和相互通信问题而发展起来的一门专用技术，具有很高的可靠性与抗干扰能力。该项技术在1997年后开始在国内研制成功，并成功应用在焦炉四大车的自动控制系统、天车行车定位系统和其他工业大型控制系统上。在无人行车自动控制系统项目上，我们使用两条编码电缆，分别是大车编码电缆及小车编码电缆。大车定位编码电缆沿大车运行方向安装在抓渣行车轨道旁的通道上，小车定位编码电缆沿小车运行方向安装在抓渣行车主梁通道上。大、小车编码电缆各有一个天线箱，利用简单的单匝线圈的感应原理，当天线箱线圈中通入交变电流时，在天线箱附近会产生交变磁场。由于天线箱离编码电缆很近，故编码电缆近似处在一个交变的、均匀分布的磁场中，因此每对编码电缆中的芯线会产生感应电动势。通过相应的编码、转码单元进行处理，最后传输给车载PLC系统，在PLC的内部换算下从而得出相应的实际位置。通过安装后调试，编码电缆定位后的实际位置误差在4毫米之内，大在满足了该项目大小车精确定位的要求。有了精确的定位手段，就可以在抓渣行车下方的渣池内进行工作区域的划分。一个渣池对半分为两个小渣池，我们将一个小渣池分成三行共15个工作块，整个大渣池就是共30个工作块，每个工作块大小车都设置一个位置（即X、Y轴位置），运行自动抓渣作业时，PLC根据目前抓渣模式，发送指令后，行车会自动去某个工作块进行抓渣。结合主控室上位机上的监视画面，主控人员对目前运行情况一目了然。

抓渣行车的抓斗上下整个行程高度（即Z轴位置），在自动运行过程中，自动控制系统需对运行高度进行精确识别，如渣池的高度、渣池最底部的安全抓渣高度和装载卡车车厢上方的卸渣高度。渣池高度影响抓斗的抓渣量，抓渣量过多会溢渣满料，抓渣量少会影响料渣的转运效率。渣池底部的安全高度，如果过低会对池底部整个过滤层面进行破坏，过高会抓渣抓不干净，长期下来会使底部过滤层面带来不可逆的板结，影响冷却水过滤效果。装载卡车卸渣高度过高，卸渣时容易散料，过低抓斗会触碰车厢造成车辆损坏。综上所述，抓斗运行时的位置也同大小定位一样需要精确识别。

我们采取了利用绝对值编码器来识别抓渣行车抓斗的高度位置。在行车上的起升和开闭机构滚筒旁各安装一个绝对值编码器。当滚筒转动时会带动绝对值编码器转动，绝对值编码器通过机械位置确定相应编码位置。绝对值编码器无需记忆、无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要就去读它的位置。这样的特性，编码器的抗干扰、数据的可靠性大大提高了。在高度的起始零点标定上，我们通过增加标定程序，当更换了钢丝绳或更换抓斗后实际高度发生了变化，可以在主控画面上进行一键标定，无需进入复杂的程序内部进行修改，减轻了相关维护人员的工作量。至此，结合新增的变频传动控制系统，车载编码电缆及相应设备识别行车大车、小车的纵向、横向物理位置，利用绝对值编码器识别抓渣行车抓斗的高度位置，实现对抓渣行车X、Y、Z 三轴高精度定位。

1.2  运渣车的识别及定位

使用装载运输卡车进行料渣的转运在经济上比传统的皮带传送系统更为合适，传统皮带传送，系统设备占地面积大，传送过程中会引起粉尘污染及积污染，维护量大。炼铁分厂一直使用运输卡车进行料渣的转运，但由于运输公司车辆种类复杂，装载量也有所不同。投用后的无人自动行车，如何自动判别这些车辆，并进行准确定位也是在整个自动控制系统中具有重要的位置。

几个设想：一是地面埋感应线，通过车轮驶过感应线来识别运输卡车进场。可以识别有车辆进场，但无法识别装载量（大型车和小型车），且感应线误触发的机率很大，此方案显然不适合。二是使用传统的光电传感器，通过物体面反射反馈来识别车辆，此方案可以识别车辆进场，如果在车头、车中、车尾各安装一个，通过大型车和小型车车身长度反馈，似乎可以对大型车和小型车进行识别。但是作为工作方式是光线反射物体表面的工作方式，对外界环境因素特别敏感。上面说过钢铁企业中，外部环境恶劣，金属粉尘、水汽雾是主要影响因素。我们现场安装了一个光电传感器作试验，试验分为白天和夜间两种模式，信号接入PLC系统，在画面上简单做了一个信号测试点。在光电传感器前感应范围内放置一个金属物体，模拟实际中运输卡车。白天模式下1小时，阳光充足，光线强烈，信号测试点丢失目标20次；夜间模式下1小时，现场水汽雾充足，人眼感观能见度低，信号测试点丢失目标32次，因此第二种方案更不行。

一次偶然的机会，发现小区停车场入口道闸识别车辆进入灵敏度高，识别错误率很低。查阅资料得知这个识别的东西叫车辆识别雷达，该雷达采用79GHZ MMIC技术，能够识别目标运动方向，检测距离、宽度可调，可使用手机APP进行在线调试，最重要的不爱电磁、光照、雨雪等外界环境干扰。我们在地面运输卡车停车位置侧面方向，各安装了三个车辆识别雷达，分别位于车头、车中及车尾位置。当小型卡车进场后，车头及车中的雷达探测到信号后，自动控制系统判别为小型车进场，将对该车卸装4抓斗的料渣。当大型卡车进场后，三个雷达全部探测到信号后，自动控制系统判别为大型车进场，将对该车卸装5抓斗的料渣。进过现场的调试和实际情况，为了使卡车车厢内的料渣均匀，我们又在车头前部安装一个识别雷达，车辆会在卸装第二斗之后做一次向前移车的动作，车头前的移车识别雷达会探测到移车信号，抓斗卸渣也会有相应的变化。这种识别方式，可靠性强，抗外界干扰强，连续使用下来，零失误。

2  无人行车的安全可靠性

2.1  无人行车本身的安全性

无人行车本身具有传统行车所具有的各种安全限位，如门限位，大小车极限位，起升重锤限位，起升上限位及下降下限位，所有这些限位都必须进入PLC系统参与无人行车的控制，并与限制画面中一一对应显示，一旦其中某一个限位出现动作或者故障，行车都会立马停止运行并画面报警，提示操作检修人员无人行车故障，确保无人行车本身的安全；除了这些硬保护，我们还利用定位编码器在程序中做了相应的软保护，即无人行车到达多少高度就无法继续上升，到达多少高度就无法下降等等，确保无人行车每个运行方向都有一硬一软两套限位保护。

2.2  无人行车自动装渣的安全性

在无人行车自动装渣时，行车必须要在停车位有车，且车辆停稳当之后才会正常运行装渣程序，同时我们在停车位安装了卸料斗，无人行车抓斗必须进入卸料斗位置才会被允许打开抓斗进行卸料，这样既保证了运输车驾驶员的安全，又确保水渣不会被移到地面。在无人行车抓渣完毕往运输车移动时，抓斗高度必须高于卸料斗高度，否则无人行车也将自动停止，防止损坏设备，同时也保护运输车辆及驾驶员。

2.3  操作人员的安全性

高炉冲渣水池在冬季或雨天水汽很大，水蒸汽含有硫化物，对操作人体伤害较大，同时水渣行车分南北行车，二十四小时不间断运行，对人员的工作强度要求就较高，冬季上下楼梯因水汽结冰，操作人员更换行车操作时上下楼梯也非常容易摔倒受伤。而改为无人行车后，人员只需在主控室监控操作行车即可，改善了工作环境，降低了用人成本，提高了工作效率，也保证了操作人员的人身安全，一举多得。

经过一段时间的磨合，无人行车已能做到智能化，无人化，安全化的高标准，严要求，这也是分厂对智能制造的一次新的实践尝试。我相信未来炼铁分厂对智能化控制的推进将更将有效，快捷，准确，实用。