（控制理论与控制工程专业论文）电机车自动定位运行控制系统设计.pdf

摘要 焦化生产是钢铁企业中重要组成部分，运焦电机车有至关重要的作用，实现 电机车自动化运行定位控制系统是实现电机车无人驾驶的基础，是焦化行业提高 生产效率及生产安全保障的控制核心。本文针对焦化生产行业普遍采用人工驾驶， 定位精度差，劳动强度大，效率低的现状，在对国内外现有的控制系统进行了深 入详尽的对比和分析基础上，借鉴和传承了它们的成功经验，提出了一种切实可 行的电机车自动运行定位控制系统，提出了炉号识别与精确对j 下分离、运行定位 控制器与p l c 、变频器相配合的思想，进行新型电机车运行定位控制系统的研制， 并且设计了机车防撞装置。独特的系统解决方案具有炉号识别可靠、自动对正精 度高、建设维护成本低、系统移植性强等优点。 对电机车自动定位运行控制系统的关键技术：炉号识别、精确对正和定位运 行曲线，本文研究了采用了射频识别( r i f d ) 装置、三灯位景检测装置、电机车定 位运行控制器、p l c 控制等解决方案，可实现无差错的炉号识别，自动停车定位误 差在l o m m 以下，动态性能好，控制灵活可靠等系统同要求。本文研究的系统是 国内率先综合应用射频识别技术，自动定位技术和p l c 控制技术联合实现移动机 车定位的自动化运行系统，突破性的解决了焦化厂恶劣生产条件下的生产自动化 问题，极具市场推广价值。 关键词：运行定位；炉号识别；精确对正；三灯对正传感器；自动防撞 a b s t r a c t e l e c t r i cl o c o m o t i v ea u t or u n n i n gs y s t e mi st h ee s s e n t i a lf o u n d a t i o no fu n m a n n e d c o n t r o ls y s t e m i ti sa l s ot h ek e yp r o b l e mt h a tc o k i n ge n t e r p r i s eh a v et od e a lw i t hi n o r d e rt oi n s u r et h ee f f i c i e n c ya ns e c u r i t yo fp r o d u c t i o n t oc h a n g ea n di m p r o v et h e a c t u a l ，t h i sp a p e r i sb a s e do nt h ee f f i c i e n te x p e r i e n c el e a r n tt h r o u g ht h ec o m p a r i s o na n d a n a l y s i so ft h ep r e s e n td o m e s t i ca n df o r e i g nc o n t r o ls y s t e m s i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o r p r o p o s e sad o a b l em e t h o d t h ed e s i g nd i v i d e st h eo v e nn u m b e ri d e n t i f i c a t i o ns u b s y s t e m f r o ma c c u r a t ec o n t r a p o s i t i o ns u b s y s t e m ，c o m b i n e st h er u n n i n gc o n t r o l l e ra n dp l c c o n t r o l l e r , w h i c hc a ng r e a t l yr e d u c eb u i l d i n gc o s t s ，i n c r e a s et h ep r e c i s i o no fa u t o m a t i c c o n t r a p o s i l i o na n de n h a n c et h ea p p l i c a b i l i t yo ft h i sc o n t r o ls y s t e m a n dt h i sp a p e r d e s i g n e da na u t o m a t i cd e v i c eo fa n t i c o l l i s i o n t h ec r i t i c a lt e c h n i q u e so fa u t or u n n i n ga n do r i e n t a t i o nc o n t r o ls y s t e ma r co v e n n u m b e ri d e n t i f i c a t i o n ，a c c u r a t eo r i e n t a t i o nc u r v ec o n t r o la n dp l cc o n t r o ls y s t e m t h e p a p e rp r o p o s e ss o l u t i o n sr e s p e c t i v e l yr f i d ，t h r e e - l a s e ra i m i n gs e n s o r , s i n g l e - c h i p c o n t r o l l e ra n ds i m a t i cp l ce c t t h e s es o l u t i o n sc a ne n s u r ea c c u r a t ei d e n t i f i e a l i o no ft h e o v e nn u m b e ra n da c c u r a t eo r i e n t a t i o n ，s ot h a tt h ed e v i a t i o no ft h ea u t o m a t i cp a r k i n g p o s i t i o ni sw i t h i n1 0 m m t h et r a n s d u c e rm a k e sas a t i s f a c t o r yd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n d i m p r o v e st h es t a b i l i t yi nt h ep e r i o do fr u n n i n g i ti st h ef i r s tt i m et h a ta ni n t e g r a t e d a p p l i c a t i o no fr f i da n da u t o m a t i co r i e n t a t i o nc o n t r o ls y s t e ma r eu s e d t h i sc o n t r o l s y s t e mh a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l i c i t y , s t a b i l i t y , l o w e r c o s t sa n dr e a d i n e s si n m a i n t e n a n c e ，w h i c hc a nj u s t i f yi t sb e i n gu s e dw i d e l y k e y w o r d s ：r u n n i n ga n do r i e n t a t i o n ；o v e nn u m b e ri d e n t i f i c a t i o n ；a c c u r a t e c o n t r a p o s l t i o n ；a u t o m a t i c a n t i c o l l i s i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博i - 硕士学位论文“电扭笙自麴宝焦运盈控剑丕统遮盐：。除论文中已经注 明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表或 未公丌发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于： 保密口 不保岔白( 请在以上方框内打“4 ”) 论文作者签名：卯五网导师签名：乏天久， f i 期：渺b 年月们日 第1 章绪论 1 1 概述川” 焦炭是钢铁工业的重要原料，高炉炼一盹生铁大约需0 4 加6 吨的焦炭，随着 我国钢铁产量的逐年攀升，焦炭的需求量也相应增长。过去我国焦化工业采用的 粗放型生产控制模式已经无法满足当前的生产需要，采用精确可靠的节约型自动 控制技术是我国焦化工业的发展方向，也是摆在科技工作者面前的一个重要课题。 焦炭生产过程首先是将焦煤置于在密闭的焦炉炉室内( 炭化室) 经过1 4 - 1 8 h 的干馏后得到红焦，随后通过焦炉的移动机车将红焦从炉室移出送到熄焦室进行 熄炭。焦炉移动机车主要包含：推焦车、拦焦车、熄焦车和装煤车。工作过程是： 当焦炭炼成后，推焦车打开炉室机侧的炉门，拦焦车打开同一炉室焦侧的炉门并 把导焦栅插入炉室中，熄焦车位于拦焦车下侧准备接焦，当三车都已准备就绪后， 推焦车丌始进行推焦操作，将红焦推到熄焦车的熄焦罐中，由熄焦车运送到熄焦 窀；而装煤车只负责将焦煤通过焦炉炉室顶部的装煤口送入到煤室中，其运行相 对独立。 实际生产中，每个生产工作组包含并排的多个炉室，以涟源钢铁厂l # 焦炉为 例其有“5 个炉室，这就使得焦炉机车行走距离长，往复频繁，同时焦化生产环 境温度高、粉尘大，因此焦车移动控制一直是蕴藏危险因素较多，发生事故几率 较大的焦化生产环节。由于焦车分别工作在炉室的两侧，受其阻隔不能互视对方， 推焦车、拦焦车和熄焦车在推焦操作前的对正锁定于同一炉室对焦炉的安全生产 是至关重要，国内外都曾发生过因为三车对正偏差而导致“红焦落地”的严重事 故。如何保障三车安全高效运行，特别是在进行推焦前的三车精确对j 下与联锁控 制是焦炉生产的核心安全问题。 随着科技的不断进步和发展，现代化的管理控制方式越来越广泛的被应用， 工业控制计算机由于其优良的控制能力也已被越来越多的运用到工业测控领域， 而在冶会炼焦行业中，由于其工艺过程的特性加上几十年来生产管理的习惯方式， 使得其在自动化控制管理方面落后于其它专业，无论是生产设备还是监控管理软 件，都没有形成一个完整成熟的体系。国内大部分的焦厂生产的移动机车自动化 控制程度较低，很多仍停留在焦车人工的识别与定位，存在着严重的安全隐患。 因此改变现状，将应用计算机技术的自动控制系统应用于焦炉生产的移动机车控 制便显得极其重要。各国科技工作者相继研究开发了多种三车对位联锁自动控制 系统并取得了很好的成绩，一定程度上解决了这一问题。然而国内焦厂已经应用 的三车联锁控制系统大都是来自国外的产品，如日本、芬兰、德国等，虽然性能 优异，但建设费用高( 一般在2 5 0 万人民币以上) 、而且系统维护成本偏高。 国内目前大约有2 5 0 个左右的焦化厂，其中年产量在1 0 0 万吨以上经济实力 较强的大型焦化厂仅有1 7 家，昂贵的初期建设费用使三车联锁控制系统的应用范 围非常有限。虽然近年来三车联锁控制系统的国产化进程已经开始，但效果不十 分理想，控制精度、稳定可靠性都不尽人意。因此，转换设计思路，加速焦炉三 车联锁自动控制系统的国产化进程，改变我国焦化工业普遍落后生产状况，研制 出适应我国国情的经济实用的新型控制系统便显得十分迫切。 本课题来源于涟源钢铁厂焦炉的电气化改造项目，现有的焦炉生产过程采用 的是人工方式进行炉号识别与对正，采用对讲机、手动操作等方法进行联锁控制， 生产效率低下，恶劣的生产环境容易造成工人的疲劳，生产控制存在着严重的安 全隐患。本课题的初步目标是将工业自动控制技术引入到焦车移动控制中，并运 用现代化的管理手段提高现有焦炉生产的安全可靠性和生产效率，改变焦厂现有 的落后生产面貌，课题的最终目标是要提出一套适应我国国情的更具有实用性和 推广性的焦炉三车联锁自动控制系统的解决方案。 1 2 电机车控制国内外研究现状 焦炉机车属于重型机械设备，一般体积较大( 如推焦车的重量达2 0 0 吨以上) ， 行走时惯性较大，运行轨道长度一般不小于1 0 0 m ，焦炉机车按照生产工序的要求， 需要处于一种“运行一对正停车一运行”的往复行走状态。如何能实时准确获得 焦车当莳所处的有效炉号和使焦车能自动停车定位在指定的炉号位置，是实现联 锁自动控制的关键。焦炉生产处于露天工作环境，受天气的影响较大，加之车辆 是在温度高、粉尘大、腐蚀性气体严重的恶劣环境中作业，车辆分散、活动频繁、 运行时自身振动大，使系统的准确检测与定位控制难以保证，相互间信息联系不 能及时可靠的传递。针对这些问题各国工作者相继提出多种解决方案，值得我们 借鉴使用。 国内最早的应用是将光电传感器。一般采用旋转编码器，安装在车轮上用来 检测车辆运行位蹬，通过对旋转编码器输出的两路脉冲进行辨向，后接可逆计数 器就能实现焦车绝对位置的检测。这种方式具有设计难度低、电路设计简单、成 本低廉、安装调试方便、运行维护成本低等优点。基于此，很多设计方案都采用 了这思路。由于焦车是大型机械，而且是露天工作，在雨雪天气的影响下，在 焦车运行时不可避免的会产生滑移，同时在常年高温高热的环境下焦车轨道容易 出现变形，难以避免产生检测误差和累积误差。即使增加位置校正系统，也无法 保证对正精度的要求。 另一种低成本的解决方案是在铁轨旁安装齿条，用齿轮带动旋转编码器的办 法，可以达到同步运转，然而由于焦炉环境恶劣，铁轨不直不平，车辆横向窜动， 落焦堵塞、粉尘、振动等原因，经常造成齿轮脱啮，而不能正常使用。系统运行 可靠的前提是设计出一套能够适应焦车运行状况的套联动装置，这本身就会增 加系统的设计难度、同时也增加系统不稳定因素，使可靠性降低。 采用对射方式组成的红外线编码识别系统是9 0 年代我国出现的一种炉号识别 方法，它采用了绝对编码，理论上没有累积误差，在南京梅山焦化厂等就是采用 了这种方法。由于是光路耦合，在焦炉恶劣环境中烟雾粉尘会产生干扰，并带来 较突出的维护工作量，但总体上这还是一个较可靠实用的识别方式。 用接近丌关加金属码牌进行炉号识别对位是克服粉尘干扰采取的一种方案。由 于接近丌关有效感应距离短，不超过l o c m ，使接近开关与码牌间的距离难以控制， 不能保证对正精度。但接近开关的低成本、易维护、以及非接触性非常合适于焦 车这种振动非常强烈工作形式下的炉号识别。存在的不足是金属码牌不能实现绝 对编码，使炉号识别的软件工作量和系统的不稳定因素增加。 感应无线技术是发达国家七十年代末兴起的一项新技术，目前仅日本住友等几 个大公刊掌握浚技术，该技术主要应用于大型机车的数据通信、地址检测，并结 合计算机技术、自动化技术达到自动控制的目的i4 1 i s l 。感应无线技术将无线通讯与 炉号位置识别合于一体，能实现大型移动设备的定位和与地面通讯，能适应恶劣 的环境在技术上是较好的解决方案，己在武汉钢厂使用，效果非常理想。但这 种方案的最大缺点是技术非常复杂，成本昂贵，且焦侧( 拦焦车侧) 电缆易于损 坏，一旦损坏，维修困难，维修时间长，影响焦炉的连续生产，而且维修费用高。 射频识别( r f i d ) 技术是9 0 年代兴起的一项新型自动识别技术，它的突出优 点是利用无线射频方式进行非接触双向通讯，从而达到识别目标和数据交换的目 的，利用电子标签的信息标示可以完成多目标识别，r f i d 技术已见应用于交通、 商业自动化等领域1 6 。利用r f i d 技术进行焦炉炉号识别是一种全新的尝试，它是 将具有固定编号的电子标签设于每孔焦炉，利用车上的读写器来识别和确定车辆 的绝对地址，是解决焦炉车辆定位的行之有效的方法。它具有成本低，适应性强， 绝对码址无积累误差，抗干扰能力强，预埋标签无源等优点，是一种非常理想的 解决方案。其缺点是对正精度偏低，但如果射频识别仅用于炉号的识别还是完全 能够满足系统的精度要求的，是值得推荐的方式【7 1 。 总体说来，现有的三车联锁控制系统的炉号识别基本都能满足要求，存在的问 题是某些方法的可靠性有待提高；而停车对正的自动化控制不十分理想，主要体 现在对| f ( 定位) 精度不高，焦车的自动对正误差一般在4 - 5 0 m m 以上，以济钢引 进的芬兰控制系统为例，自动对正误差竞达到l o o m m 。如此高的误差，仍需机 车司机手动进行位置调整，人工的参与大大降低了自动控制的效率。国内的焦炉 一般使用年限较长，有的甚至达到6 0 年，焦炉老化是普遍存在的问题，随之带来 炉室弯曲变形等问题，使得焦车的停车对雁精度需进一步提高，根据目前国内焦 炉的具体情况，1 0 m m 的对j 下( 定位) 精度是比较适中的。现阶段，国内外的控 制系统中达到这一精度的寥寥无几，日本、德国的系统要么技术保密，要么技术 过于复杂，我们都无法直接借鉴。鉴于此，另辟蹊径，设计开发出新的炉号识别 和自动停车对正系统是我们的重要工作。 1 3 主要研究内容 本论文研究焦炉三车联锁自动控制问题，课题来源于焦化企业生产过程中的实 际问题。焦炉三车联锁自动控制系统是一个复杂的自动控制系统，包含的信息量 大、涉及到的学科知识多，本文将重点讨论以下几个方面： l 、系统总体结构规划设计 主要介绍了系统总体框架的组成和分层结构，提出了炉号识别与对正停车分离 的设计思想，针对联锁控制过程中需要解决的关键技术( 炉号识别、精确对f 和 数据通信) 的解决方案进行了比较与选择。这一章的最后部分介绍了本系统的微 处理器的选择和系统的电源处理。 2 、炉号识别子系统的研制 主要介绍了焦车炉号识别功能的实现，采用的是基于无线射频原理的射频识别 技术( r f i d ) 的解决方案，同时介绍了射频识别技术的分类、实现原理和具体硬 件实现电路设计。 3 、精确对正子系统的研制 主要介绍了焦车精确停车对正功能的实现，采用的是利用三灯位置检测装置和 定位遮光片配合工作进行对正精度的控制；同时对停车对正的自动控制过程的具 体实现进行了详细的说明。 4 、电机车自动运行定位控制器的研制 主要介绍了系统的焦车控制器的功能、组成以及硬件电路的设计说明和运行定 位曲线的软件设计说明及与变频器配合应用，实现电机车前后轮的同步控制。 5 、防撞予系统的研制 主要介绍了防撞装置的实现，利用激光测距仪进行距离测量，利用旋转编码 器进行速率测量，然后单片机读取这两个信号后，进行处理，控制电机车运行停 止，防j 卜撞车。 第2 章电机车控制系统总体结构 2 1 系统结构层次 系统分层设计是现代工业自动控制设计过程中经常采用的方法1 8 1 。所谓的分层 设计就是将系统中不同的功能予模块按照其相互作用与联系进行层次化的分类， 井依据层次进行相应的开发设计。系统招局分布( 图2 ，1 ) 粗略显示了三车联锁控 制的组成自五个j 三要部分：主控室( 主站) 、推焦车( 从站1 ) 、拦焦车( 从站2 ) 、 熄焦车( 从站3 ) 和分布在整个系统范围内的无线通讯网络。通信收发模块在无线 通讯网络中起着重要的纽带作用，数据的收发处理都集中在通信收发模块内部实 现，通过它的连接，位于主控室内的工业控制计算机可与各个焦车内部的焦车控 制器进行数字通讯，从而完成信息与指令的传递。焦车控制器是焦车内部的控制 中心，它与附属的炉号识别子系统，精确对正子系统共同完成焦车行走检测、炉 号识别、停车对正和推焦挣制等。 暑l 州，、l 无缱i l 车l 制船 r l 垌掣 “ 协 ，- 。 l 叫 黑毫璁吖 f l l 扩甲拦焦车工业控带婚 嚣 i 图2l 系统的布局分布 f i g + 2 1g e n e r a ll a y o u t o f t h es y s t a m 图中所示时刻也t f 好是焦车推焦前三车对正联定于n 号炉室的示意，只有当 三车都对花结柬后并满足推焦条件后，主控室才向推焦车发送允许推焦操作的指 令，否则推焦车始终处于锁定状态。 根据分层设计的思想和焦炉生产的实际情况，一个完楚的三车联锁自动控制 系统可分为三层：控制层、通信层和管理层，见圈2 2 。 系统可分为三层：控制层、通信层和管理层，见圈2 2 。 1 、控制层 第2 章电机车控制系统总体结构 2 1 系统结构层次 系统分层设计是现代工业自动控制设计过程中经常采用的方法嘲。所谓的分层 设计就是将系统中不同的功能予模块按照其相互作用与联系进行层次化的分类 并依据层次进行相应的开发设计。系统布局分布( 图2 1 ) 粗略显示了三车联锁控 制的组成有五个主要部分：主控室( 主站) 、推焦车( 从站1 ) 、拦焦车( 从站2 ) 、 熄焦车( 从站3 ) 和分布在整个系统范围内的无线通讯网络。通信收发模块在无线 通讯网络中起着重要的纽带作用，数据的收发处理都集中在通信收发模块内部实 现，通过它的连接，位于主控室内的工业控制计算机可与各个焦车内部的焦车控 制器进行数字通讯，从而完成信息与指令的传递。焦车控制器是焦车内部的控制 中心，它与附属的炉号识别子系统，精确对正予系统共同完成焦车行走检测、炉 号识别、停车对正和推焦控制等。 图2 1 系统的布局分布 f i g + 2 1g e n e r a ll a y o u to ft h es y s t e m 图中所示时刻也正好是焦车推焦前三车对正联定于n 号炉室的示意，只有当 三车都对f 结束后并满足推焦条件后，主控室才向推焦车发送允许推焦操作的指 令，否则推焦车始终处于锁定状态。 根据分层设计的思想和焦炉生产的实际情况，一个完整的三车联锁自动控制 系统可分为三层：控制层、通信层和管理层，见图2 2 。 1 、控制层 控制层是焦车内部的电气控制系统主体，由焦车控制器、炉号识别子系统、 精确对正子系统、键盘和彩色液晶显示面板等部分组成。控制层既是系统状态信 息的来源发布者，也是系统控制命令的执行者。 焦车控制器安装在焦车内部，是控制层的核心，以微处理器( 单片机) 作为 控制核心，它负责与各个子系统的信息沟通联系，并将获得的信息通过彩色液晶 显示面板显示出来供焦车司机参考，同时接收键盘的输入控制。焦车控制器也负 责执行主控计算机传送来的命令指令，通过自身的开关量输出模块将指令传送给 焦车内部原有的p i c 系统。 图2 2 系统总体结构分层不意图 f i g 2 2h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r el a y o u to f t h ew h o l es y s t e m 炉号以别子系统安装在每台焦车上，是焦车控制器的附属子系统，负责采集 焦车的当前所处的有效炉室区域的炉号位簧，对系统而言，炉号的无差错识别是 本系统运行的基本前提。炉号识别子系统中引入了微控制器可独立工作，可将分 析处理后的炉号信息直接传送给主控计算机供其记忆管理与控制，同时业显示在 焦车的显示面板中。 精确对证子系统安装于每台焦车上，也是焦车控制器的附属子系统，它负责 按照焦车控制器的指令，将焦车自动精确停在指定炉号的炉室区域，同样，精确 对正予系统的成败也关系到本系统自动控制实现的成败。精确对正系统内部也以 微控制器作为控制中心，通过位置检测装置的位臀检测信息，驱动制动停车装置， 并利用独特的控制方式，实现焦车的自动对位，同时对正信息会传送给主控计算 机并在焦车的显示面板上有相应的信息指示。 总体说来，控制层需要完成的功能包含：焦车的炉号识别、精确对正和焦车 状态信息、工序步骤、报警信息的在彩色液晶面板中的显示；同时允许复位、手 动切换、急停、报警等键盘信息的输入控制。 2 、通信层 通信层是连接管理层和控制层的中间纽带，由分布在主控室和各个焦车上的 数台通信收发器组成。通信收发器形成的无线通信网络将主控计算机与推焦车、 拦焦车和熄焦车连接到起，完成信息和命令的传送。 通信层需要完成的工作包括：通信协议的制定，与主控计算机( i p c ) 的通讯 接口设计，与焦车控制器( 微控制器) 的通讯接口设计。数据通信的可靠准确对 于系统的重要性是不言而喻的，如何保证通信的无差错是系统设计时候的首要考 虑的内容。 3 、管理层 管理层是整个系统的最上层，由工业计算机、打印机、键盘和运行于工业计 算机上的系统主控程序等部分组成。主要功能是进行各个焦车数据的采集和分发， 利用计算机优越的运算处理能力，对汇总后的信息进行分析判断，从而实现工作 计划的制定。值得一提的是，将工业计算机引入到自动控制领域带来的不仅是生 产的安全可靠性的提高和生产效率的提高，更重要的是它可以将先进科学的现代 管理控制体系引入到管理粗放的焦化工业中来。 主控程序是整个系统控制的最上层，负责推焦的管理控制，包含两个方面：推 焦计划自动编制和推焦操作自动管理两方面的内容。推焦计划自动编制是软件程 序可根据各厂的实际情况( 炉数、推焦串序规则、结焦时间) 的不同来调整相应 的参数，就可自动排出推焦计划，并可以打印成计划和报表。由于计算机的计算 精度高，可以使推焦计划更为准确。同时，在出现非正常情况下，也可以方便的 手动调整而形成新的推焦计划。推焦操作自动管理是软件程序对各个焦车的运行 情况进行全程的跟踪与记录，完成对三车的联锁控制，并对生产过程进行监督和 指导。 主控程序要实现的并不是对焦车状态参量的简单判断，而是要与生产计划相结 合，以生产流程为主线，资源有效的配置为辅线，进行全方位立体的管理控制。 焦炉生产本身就是个因素多元化，流程多样化的生产过程，因此在设计的过程 中要综合考虑，同时系统还应该具有易扩展性和易维护性。具体的实现采用的可 基于数据库的管理控制模型，根据现有的生产实际，每个模块都有相应的数据库 支持。 从图2 2 中可以看出本三车联锁控制系统是构建在焦车原有的控制系统的基 础之上，需要焦车原来的电气机构系统、机车执行机构、停车制动系统的支持。 三车联锁控制的关键技术：炉号识别、精确对正、运行速度曲线、p l c 控制和 数据通信，主要体现在控制层和通信层中，本文限于篇幅，将通过后续的三个章 节将对前4 个关键技术及防撞装置的设计进行详细阐述。 焦炉三车( 推焦车、拦焦车和熄焦车) 的联锁控制，尤其是在推焦前的联锁控 制，是焦炉生产安全的重要保障措施。本系统采用了微控制器组与工业控制计算 机构成的控制网络，借用其高速的运算能力和处理能力，可以把先进的信号检测 技术、传感器技术、自动控制技术以及管理控制理念引入到系统中来，使焦炉机 车联锁控制真正的实现自动化，从而加快我国焦化工业生产现代化前进的步伐。 2 2 控制系统的关键技术叫伽1 本系统采用炉号识别与对正分离的设计思想，即用两套装置分别完成炉号识别 和停车对正的工作，这是对现阶段国内外现有的各种解决方案的成败进行深入分 析后的一次尝试。由于功能上的简化，大大降低了系统结构的复杂程度，从而降 低了生产成本，提高系统的可靠性。 1 炉号识别：准确获得三车分别所处的有效炉室区域的炉号，这对三车的联 锁控制是至关重要的，尤其在推焦前的炉号识别不能有任何的差错。 2 。精确对币：焦车始终处于运动、停车切换的状态，当焦车获得操作指令后， 能在最短的时间内自动停在对正( 定位) 在指定炉号的炉室位置。同时保证焦车 对正标志与炉室的对j 下点的偏差小于系统的允许精度( 国内焦炉推荐的精度是 l o m m ) 。 3 运行速度控制曲线：实现根据起点至终点的距离选择不同的运行速度曲线， 并通过控制p l c 、变频器，实现电机车的快速升速、减速，最终根据炉号识别系统 及三灯对正传感器的输入信号实现电机车的精确定位。 4 p l c 控制系统：改变传统的继电器控制方式，引入p l c 控制，使电机车形 成一个有机的整体，不仅可以对电机车的各个部分实行自动控制与监测，而且也 为e 位机的通讯及互联网提供了便利的条件。 本系统对四个关键技术进行如下对比选择： 2 2 1 炉号识别 自动识别技术在工业控制领域应用的较为广泛，技术种类也较多，其中对于焦 炉炉号识别而言，采用绝对位置编码的识别方法是比较可取的。采用绝对编码的 识别方案，不含累积误差，自动纠错能力强。这里有几种选择： 1 、感应无线技术 感应无线位置检测技术是从7 0 年代开始发展起来的一项新的应用技术，其特 点是：非接触式、连续地迸行绝对位置检测，它利用固定于地面的轨道旁的一根 按一定编码排列的感应电缆与机车上的天线间的电磁感应作为行走位置检测手 段，具有分辨率高( 1 c m ) 的特性，可实现高精度的对正自动控制。同时由于感应 电缆对位置是绝对编码，所以系统运行可靠性高，误识别可能性小。感性无线技 术目前国外采用的比较多，国内的应用也已经开始，效果比较理想。但缺点也是 同时存在的：技术难度复杂，系统的整体建设成本和维护成本的偏高，同时由于 感应无线技术本身的限制，如果使系统精度提高( l c m 情况下) 建设成本将大幅 增加。出于焦炉生产环境恶劣，感应电缆容易损坏，前不久邯钢的一条感应电缆 就被掉落的红焦灼损。一般情况下，采用此方案的初期建设成本不少于1 5 0 万， 这对于广大的国内中小焦厂而言，具有定的推广阻力。 2 、红外线编码识别 红外线编码识别技术也是一种绝对编码识别方法。采用对射方式的光电传感器 组，9 0 年代初被应用于炉号识别领域中。在南京梅山焦化厂等就是采用了这种方 法，使用效果一般。但缺点非常明显，由于是光路耦合，在焦炉恶劣环境中烟雾 粉尘会产生干扰，容易受到焦炉恶劣生产环境的影响并带来较突出的维护工作 量，由于没有成型的技术产品，系统的技术实现存在一定的难度。光电传感器价 格偏高，这增加了系统的建设成本。 3 、射频识别技术 射频识别技术( r f i d ) 的突出优点是利用无线射频方式进行非接触数据通信， 从而达到识别目标和数据交换的目的。利用r f i d 技术进行炉号识别是一种全新的 尝试，它是将具有固定编号的电子标签埋设于对应炉室附近，利用车上的读写器 来识别和确定车辆的绝对地址，是解决焦炉炉号识别的行之有效的方法。相对于 其它方式，它具有成本低，适应性强，绝对码址无积累误差，抗干扰能力强，预 埋标签无源等优点，是一种非常理想的解决方案，虽然其一般识别精度为5 0 m m ， 不能满足精确对f 的要求，但是其对炉号的识别精度而言，还是显得绰绰有余。 由于射频识别技术已经相对成熟， r f i d 产品种类很多，像m o t o r o l a 、p h l l i p s 、 t l 等等世界著名厂家都生产r f i d 产品，并且它们的产品各有特点，自成系列， 这大大方便了我们的系统丌发设计。 无论是技术的成熟度、开发的难易程度，还是系统建设成本，射频识别技术都 占有一定的优势，本系统的炉号识别最终采用的正是射频识别技术。 2 2 2 精确对正m ” 精确对正本身的内容包含对正精度满足系统要求和停车对正的自动实现，也就 是精确性和自动性，这两方面内容。精确对正的控制基础是位置检测技术和停车 制动技术。对于停车制动而言，有成型的具有高可靠性的刹车装置可以配装，并 且本联锁控制系统是建立在焦车原有的电气控制系统之上，可采用焦车原有的停 车制动装置，焦车的位置检测、定位和控制是这部分研究的重点。 位置检测是对焦车运行位置和定位精度的进行检测的过程，由于是对运行中的 焦车进行位置检测，所以首选非接触的位最传感器来实现。常用的非接触位置传 感器的常用种类较多：高频振荡( 电感式) 位置开关，霍尔位置开关，光电开关， 超声波位置丌关等。考虑到位黄检测的精度和控制信号实时性要求，光电开关更 适用于焦车的精确对正，理想的光电开关检测精度可达l m m 以下，甚至微米级， 动作反应快，信号输出反应时间可达0 1 m s 以下，这是其它种类的位置传感器无 法比拟的。 由于本系统的现场环境比较恶劣、空气污浊，所以采用光束集中、穿透力强的 激光作为载波。每个炉室对应一个定位遮光片，定位遮光片的位置固定在焦车轨 道的熄焦车及牵引电机车一侧，其中心点与炉室的中心点重合，这样当安装了对 射式对正传感器的焦车经过时，由于定位遮光片的遮挡会使激光对正传感器输出 状态发生变化，从而获得了焦车位置的信息，根据位置信息进行停车制动的控制 即可完成自动停车对正。由于焦车重量较大，运行时惯性大，只有一个停车位置 检测点，很难保证停车制动的精度，需要增加一个位置检测点，同时考虑到焦车 是往复运行，解决的办法是采用三组对射式传感器( 即三灯对正传感器) 来进行 位胃的检测。由于三灯传感器之间距离较近，为了避免相互之间干扰，采用三种 0 i 同频率对激光进行调制与解调。由于定位遮光片采用了独特的结构设计，通过 对三灯对正传感器通断状态的记忆就可以实用而可靠的直接获得焦车的对正位置 是否满足要求，其控制精度取决于三灯传感器的间距及遮光片的宽度。检测方案 简单实用，检测精度高，建设成本低廉，技术实现难度小。 2 23 自动定位运行控制 电机车在启动前，司机通过电机车运行定位控制器设置好目标炉号，启动后 系统自动计算走行距离。根据距离不同自动调整最高走行速度，输入采用光耦隔 离，数字量信号采用继电器输出，电机车自动定位运行控制器输出最大走行速度 给p l c ，p l c 再控制变频器对电机车进行调速。旋转编码器安装在电机车轮轴上， 在电机车运行过程中，电机车定位运行控制器不断接收来自旋转编码器的信号， 又互差9 0 度的两项脉冲信号实现辨向及脉冲计数，以实现电机车运行时位置实时 反馈，根据运行距离及最大运行速度计算出电机车减速点所对应的运行距离，折 合成脉冲个数，控制电机车进行减速，并且以微速进入目标炉区。炉号识别系统 与电机车自动定位运行控制器相通讯，与旋转编码器共同完成位置实时监测，控 制电机车在炉区以微速运行。当电机车运行至对正区后，三灯对f 传感器发出对 j 卜信号，对正制动器立即投入定位制动，若遮光片偏离中间灯，则自动向相反方 向点动，最终使电机车停在对正区域，并保证l o m m 的对难精度。 电机车调速采用高性能型的交流变频调速系统，代替直流调速，克服了直流 电机结构复杂，成本高等缺点，实现了调速过程中动态性能好、调速范围宽、调 速精度高、快速性能好、启动和制动力矩大的控制要求，适合予对移动性能要求 高的场合。变频器选用西门子的s i m t a i c 。 2 2 4p l c 控制系统 用p l c 代替传统继电器式控制。可傻整机体积减小，车辆减轻，以实现更加 合理的结构布局和控制规程。另外，p l c 编程灵活，使控制更加方便、可靠，实时 性好，使整机形成一有机的整体f 1 4 j ，可方便对电机车各个部分的监测与自动控 制。 p l c 控制系统主要完成对变频器电源及运行和故障信号控制和监测、电机风扇 运行及故障信号控制和监测、空压机运行及故障信号的控制与监测、推焦系列动 作的控制与监测、走行与制动控制等。p l c 接收来自操作台的控制信号，并输出状 态信号给信号灯，蜂鸣器等；并由p l c 实现各控制信号的互锁。 本系统选用的是s i m a t i cs 7 3 0 0 系列的p l c ，c p u 为3 1 2 i f m 。 s 7 3 0 0 具有以下特点【1 6 l 【1 7 】： 循环周期短、处理速度快 指令集功能强大、可用于复杂功能 产品设计紧凑、可用于空间有限的场合 模块化结构、适于密集安装 有不同档次的c p u 、各式各样的功能模块和i o 模块可供选择 s 7 3 0 0 是由各种模块部件组成，各种模块部件能以不同的方式组合在一起。这 表明可将控制系统设计成完全符合应用的需要。 在本系统中，p l c 控制系统主要完成对各种用电设备的控制，故障检测及报 警功能，山于p l c 编程的灵活性，方便实现了各种控制信号的互锁以及设备故障 检测及报警。 控制功能：变频器的启动停止，空压机启动停止，油泵启动停止，走行风扇 启动停止以及电热器等电力设备的启动停止均要通过p l c 来进行控制，允许推 焦、走行汛响等均要通过p l c 来进行控制。某些电力设备一旦通过控制面板按钮f 或 旋钮) 启动后，信号通过p l c 扫描进入p l c 后，即进入自动控制状态，完全无需 人工于预，即可实现自动启动，停止，直至通过控制面板按镪输入停止信号，脱离 p l c 控制为止。如对电机车储气罐压力的控制，当启动空压机后，压力继电器的 压力低于6 m p a 时，p l c 数字量输入端低压信号有效，p l c 经过3 s 延时去抖动处 理后，若低压信号仍有效，则启动空压机进行补压：当压力继电器的压力高于8 m p a 时，将空压机停止。讲储气罐的压力维持在6 m p a 一8 m p a 之间，以保证焦罐车开 关门及电机车气动刹车所需的储气量。 故障检测及报警功能：要使整个电气控制系统运行安全可靠，必要的故障检 测及处理功能必不可少。对p l c 本身运行及故障状态的检测，对变频器运行及故 障状态的检测，对空压机的故障检测，对油泵的故障检测，对风扇的故障检测， 和对其他电力设备的故障检测都十分重要。一方面p l c 根据故障检测的结果，针 对不同的电力设备，可以采取不同的应对措施。另一方面，可通过控制面板上的 信号灯和蜂鸣器直观地反映出何种设备处于何种故障，使操作者对各种电力设备 的所处状态一目了然，如变频器价格昂贵，约占电机车电力设备总成本的5 0 ， 当斩波器发生故障时，系统必须马上切断变频器的电源，以免对变频器造成损害。 为保证生产的诈常运行，尽量缩短故障时间，有些设备设有备用单元，如空压机 采用的是两开一备的方式，可通过p l c 进行三选二选择，当发生故障时，可切断 故障空压机，并将无故障空压机自动投入，从而既可以将故障空压机转入检修状 态，又不影响生产的继续运行。 互锁功能：由予电机车控制系统本身是一个有机的电气控制系统，各种控制 量之间不是相互独立，而是相互影响、相互制约的，而采用p l c 控制可以方便可 靠的实现各种控制信号之间的联系和制约。如电机车在静止状态时。制动阀投入， 既电机车处于制动状态，此时按下电机车运行定位控制上的走行启动按钮，控制 器输出的丌关量启动停止信号为零，既启动状态无效，变频器控制电机为停转状 态，只有肖p l c 控制电机车解除制动状态，p l c 检测到拖闸松开信号，才能控制 变频器对电机车进行运行控制。 p l c 控制功能就这些，因为比较简单，以后就不再赘述。 2 3 微处理器的选择 在本系统的控制层中，焦车控制器、炉号识别系统和精确对正系统都是以微处 理器作为控制核心，从而构成了一个微控制器网络，这里显然有必要对微控制器 的选型做一介绍。 微控制器也就是通常所称的单片机，与通用微处理器( p c ) 相比有其独有的技 术特性和应用特点。在嵌入式系统低端的单片机领域，从8 位单片机诞生至今， 已近3 ( ) 年，在百花齐放的单片机家族中，8 0 c 5 1 系列一真扮演着一个独特的角色。 m c s 一5 1 已经发展成了众多型号系列的8 0 c 5 1m c u 家族。可以预期在未来相当长的 时问内，8 位机仍然是工业控制领域中的主流机型【1 8 】。 当前，嵌入式系统普遍采用f l a s hr o b l 技术。f l a s hr o m 的使用加速了单片机 技术的发展。基于f l a s hr o m 的i s p i a p 技术，极大地改变了单片机应用系统的 结构模式以及开发和运行条件；而在单片机中最早实现f l a s hr o m 技术的是a t m e l 公司的a t 8 9 c x x 系列。低廉的价格和优良的性能，使其成为自动控制领域的生力 军。 为了方便系统的调试，本系统的微控制器统一选用a t m e l 的a t 8 9 c 5 2 ，其主要 性能特点： 2 5 6 字节片内部数据存储器r a m ，用以存放可以读写的数据，如运算的中 间结果、撮终结果以及欲显示的数据等： 8 k 的f l a s hr o m ： 6 4 k 外部程序存储器空间和6 4 k 外部数据存储器空间； 4 个8 位并行i 0 接口，p o p 3 ，每个口可以用作输入，也可以用作输出： 一个全双工的串行口，可以实现单片机与单片机或其它微机之间的串行通 信： 3 个1 6 位的定时器计数器，每个定时计数器都可以设置成计数方式， 用以对外部事件进行计数，也可以设爱成定时方式； 8 个中断源、6 个中断矢量、两个优先级的中断控制系统： 片内有振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接，最高允 许振荡频率为4 0 h z ； 4 0 条引脚的双列直插式封装( d i p ) ； 十5 v 电源供电。 2 4 电源的处理1 电源的重要性是无须怀疑的，许多精良的设计由于对电源的处理不当，性能受 到影响，甚至无法实现。所以电源是系统设计时必须考虑的问题，为了使电路性 能稳定，电源的处理是至关重要的。 根据不同的工作原理可将电源分成三类：线性稳压电源、开关稳压电源及电荷 泵电源。它们各自都有一定的特点及适用范围，这里分别做一简介。 1 、线性稳压电源 线性稳压电源是因其内部调整管工作在线性范围而得名。一般认为线性稳压电 源的输入电压与输出电压之间的电压差( 般称为压差) 大，调整管上的损耗大， 效率低。但近年来开发出各种低压差( l d o ) 的新型线性稳压器i c ，一般可达到达 输出1 0 0 m a 电流时，其压差在l o o m y 左右的水平( 甚至于到7 0 8 0 m v 的水平) ，某 些小电流的低压差线性稳压器其压差仅几十毫伏。这样，调整管的损耗较小，效 率也有较大的提高，因此可延长电池的寿命。另外，线性稳压电源外围元件最少、 输出噪声最小、静态电流最小，价格也便宜。 2 、开