全自動熄焦車控制系統設計

中國是焦炭生產大國，大部分的焦化企業設備相對陳舊，同時焦化產業粗放型的生產控制模式逐步跟不上現代生產的自動化進程，準確、可靠地全自動控制技術是我國焦化產業技術發展的必然趨勢，也是我國焦化產業面臨的一個技術難點。本文設計了全自動熄焦車控制系統。

1.熄焦車全自動生產作業流程

熄焦車的主要工作是將從焦爐內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，根據其時序關系，確定了全自動熄焦車的工作流程圖,見圖1。

2.控制系統的總體結構

整個控制系統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的信號采集中心、數據中心和控制中心。車載部分的嵌入式控機是整個系統的核心，是系統的數據中心工和控制中心，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）生產計劃錄入和機車狀態顯示；

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

（3）視頻監控設備運行，通過機車的運行視頻來監管熄焦車自動運行情況。

2.1地面部分控制系統的設計

地面部分控制系統的主要功能由中控室實現，如計劃錄入、機車狀態顯示等。

（1）位置檢測系統

位置檢測系統由地址發生器，編碼電纜，地址接收箱，地址檢測器，西門子PLC模塊組成。位置檢測系統基于感應無線技術，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字信號，并送至西門子PLC模塊，為其他子系統提供數據。

（2）數據通訊系統

數據通訊系統包括工業通訊（RS-485）和以太網模式（TCP/IP）通訊兩種模式共同組成。兩種通訊方式同時冗余發送關鍵動作和限位信號，保障系統的穩定運行。

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

（3）視頻監控系統

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

焦爐攝像頭安裝在焦爐上，負責監控整個熄焦車軌道上的運行狀態。車載監控攝像頭監控車輛周圍的細節情況，視屏處理器負責圖像信號的轉換，監控視頻承擔實施顯示，為人為操作提供支持。視頻監控系統結構見圖4。

（4）遠程控制系統

遠程控制系統主要通過上位機將數據發送到地面控制PLC，再通過通訊網絡將數據輸送至車載PLC，車載PLC控制變頻器和電動閥的動作。實現遠程操作機車動作，完成生產任務。遠程控制系統結構見圖5。

2.2車載控制系統的設計

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

（1）嵌入式工控機

嵌入式工控機是整個系統的核心，是系統的數據中心和控制中心。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據，并進行統計和分析，來指導機車實現操作自動化；嵌入式工控機在獲取推焦計劃后，能夠根據推焦計劃、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、自動定位技術、遠程視頻監控技術及工業以太網綜合應用于熄焦車全自動控制系統上，解決了焦化惡劣環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，可以在任何事件發生后繼續使用。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據發送給備份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發送上次更新后發生改變的動態數據。

（3）自動走行控制系統

自動走行控制系統主要通過車載控制PLC控制變頻器，變頻器控制電機轉速，調整走行速度。

根據車輛的工作流程，計算出熄焦車自動走行的目標位置。通過位置檢測系統，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熄焦車的自動行走，走行過程中由于位置檢測系統時刻更新當前位置值，通過PID反饋調節不斷修正走行頻率，實現準確對位的功能。

自走行控制系統結構見6所示。

（4）自動接焦控制系統

自動接焦控制系統主要是通過車載PLC、限位開關、位置檢測系統、數據通訊系統完成。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、熄焦車門關閉信號，并通過通訊系統檢測其他設備是否準備完畢，然后發送允許推焦信號到地面中控PLC系統中。自動接焦熄焦控制系統結見圖7所示。

（5）自動熄焦控制系統

自動熄焦控制系統主要是通過車載PLC，地面控制PLC、淋水塔控制PLC、位置檢測系統和數據通訊系統完成。

由于車內為1100℃的高溫焦炭，控制信號從發出到水閥完全打開，氨水從蓄水罐到噴嘴噴出，會有5-10s延時。所以位置檢測系統檢測出全自動熄焦車在離熄焦塔10m位置處，通過數據通訊系統發送信號給水泵，保證熄焦車進入淋水塔時，淋水塔內的熄焦噴嘴已經開始噴水。設定的淋水程序完成，再自動進入下一個工作狀態。自動淋水熄焦控制系統結構見圖8所示。

（6）自動卸焦控制系統

自動卸焦控制系統主要是通過車載PLC，地面控制PLC,晾焦臺控制PLC、位置檢測系統和數據通訊系統完成[3]。

卸焦區域一般有三段位置輪流放焦，根據晾焦臺內剩余焦炭的情況，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的低速行走。根據下爐出焦的計劃時間，決定進入休息狀態還是直接進入下一輪的接焦狀態。自動卸焦控制系統結構見圖9所示。

（7）故障檢測報警系統

故障檢測系統主要是通過上位機監控所有系統的運行情況并提示報警。

位置檢測系統：檢測的位置數據不連續，或者位置檢測系統無數據。及時報警，停止自動操作跳到人工操作。

自動走行系統：檢測車輛在自動走行過程中，通過位置檢測系統，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：檢測設備車斗車門關閉信號，如果長時間不能關閉，或者關閉信號故障，則停止自動推焦，提示報警。

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

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

3.總結

熄焦車全自動控制系統設計借助于目前工業自動化技術，基于自動化行業“檢測感知+高效通訊+數字組網+智能控制+協同輸出+有效反饋”的幾個要點，以及“統一管理+分散控制”的原則，以實現熄焦車設備全自動操作為最終目的。