前言

    在焦化生產(chǎn)中,推焦車、攔焦車、加煤車(簡稱3 大機車) 的自動定位控制是極其重要的。在以往的控制方案中,主要是:

    ·攝像技術(shù)：受環(huán)境和物體表面位置影響大,如雪、雨、霧等氣候,物體表面位置高低不一時均無法使用,沒有成功應(yīng)用的例子。
    ·條形碼技術(shù)：對環(huán)境及讀出條件要求嚴格,不能用于數(shù)據(jù)動態(tài)更新,在各方面條件均較差的焦化生產(chǎn)中難以有所作為。
    ·聲表面技術(shù)：編碼由生產(chǎn)廠一次編好,但數(shù)據(jù)碼長度有限,只能近距離讀出,數(shù)據(jù)不能動態(tài)更新,受環(huán)境影響大。
    ·GPS(衛(wèi)星定位系統(tǒng)) 技術(shù)：可連續(xù)定位追蹤,能動態(tài)數(shù)據(jù)讀寫、刷新。缺點是,造價太高,運行費用昂貴,定位精度大于2 m ,無法滿足機車定位的基本要求(通常要求小于10 cm) 。以上4 種方案不同程度地存在缺陷,均沒能在焦化生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

    濟南鋼鐵集團總公司汲取前人經(jīng)驗教訓,借鑒了國外先進焦化生產(chǎn)的成功實例,于2002 年10月與芬蘭羅德羅基公司合作在焦化廠5 # 焦爐實施了全新的RFID (Radio Frequency Identification 無線射頻感應(yīng)辨識系統(tǒng)) 機車控制管理方案。實踐證明,RFID 無線微波技術(shù)對環(huán)境適應(yīng)能力強,可抵御灰塵、油污、振動、冰雪、雨霧或蓬布遮擋物等的干擾,實現(xiàn)全天侯工作,并能夠動態(tài)存儲爐號位置信息,保證了3 大機車定位控制和對機車信息管理的迅捷、可靠完成。

    1 　焦化機車控制工藝簡介

    濟南鋼鐵集團焦化廠5 # 焦爐爐孔65 孔;炭化室全長14 280 mm;炭化室有效長度13 480 mm;炭化室有效高度4 074 mm;爐高4 300 mm;爐寬450 mm;爐長14 280 mm;結(jié)焦時間16～17 h。整個焦爐配有推焦車、攔焦車、加煤車、熄焦車、電機車等設(shè)備,其中推焦車、攔焦車、加煤車3大機車的聯(lián)鎖控制非常關(guān)鍵。焦爐機車控制工藝設(shè)備布置見圖1。3 大機車自動控制系統(tǒng)中引入了RFID技術(shù),完成爐號識別和粗定位控制,并與精定位裝置及行走機車的變頻控制,共同實現(xiàn)3 大機車之間的全自動控制。以每個炭化室中心為界,在推焦車、攔焦車、加煤車的道軌上安裝存儲有爐號數(shù)據(jù)的電子標簽,在推焦車、攔焦車、加煤車上分別安裝1 臺電子標簽閱讀器以及精確定位裝置,實現(xiàn)了各機車自動粗定位、精確定位及推焦、攔焦、加煤的自動完成。

    2 　RFID 技術(shù)簡介

    2.1 　RFID 單系統(tǒng)構(gòu)成

    RFID 單系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成: ①感應(yīng)器,也稱電子標簽( Tag) 。每個電子標簽均擁有唯一的32 b的序列號,安裝在待識別物體的表面。②射頻信號處理控制系統(tǒng)(又稱閱讀器或讀出裝置) ,包括天線、射頻處理模塊RFM、控制模塊CTL 和上位主機系統(tǒng)(應(yīng)用軟件系統(tǒng)部分) 。控制模塊主要包括數(shù)據(jù)通信處理,外部輸入輸出接口。前端器件主要完成數(shù)據(jù)捕獲、數(shù)據(jù)傳輸;主機部分主要完成系統(tǒng)控制管理、遠程通信。閱讀器可無接觸地讀取或修改電子標簽中所保存的電子數(shù)據(jù),達到自動識別和加載信息、管理物體的目的。還可進一步通過計算機及計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對物體識別信息的采集、處理及遠程傳送等管理功能。

    2.2 　RFID 系統(tǒng)分類和工作原理

    射頻技術(shù)依采用頻率不同可分為低頻系統(tǒng)和高頻系統(tǒng)兩大類;根據(jù)電子標簽內(nèi)是否裝有電池供電,又可分為有源和無源兩大類;從電子標簽內(nèi)保存數(shù)據(jù)的方式可將其分為集成電路固化式、現(xiàn)場有線改寫式和現(xiàn)場無線改寫式3 大類;根據(jù)讀寫電子標簽數(shù)據(jù)的技術(shù)實現(xiàn)手段,又可將其分為廣播發(fā)射式、倍頻式和反射調(diào)制式3 大類。

    低頻系統(tǒng)指其工作頻率小于30 MHz ,典型工作頻率:125 kHz、225 kHz、13. 56MHz 等。其主要特點是電子標簽的成本較低、標簽內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)量較少、閱讀距離較短(無源情況,典型閱讀距離為10 cm) 、電子標簽外形多樣(卡狀、環(huán)狀、鈕扣狀、筆狀) 、易于防護、閱讀天線方向性不強等。高頻系統(tǒng)工作頻率大于400 MHz , 典型工作頻段:915MHz、2 450MHz、5 800 MHz 等。高頻系統(tǒng)優(yōu)點是標簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較大、閱讀距離較遠(可達幾米至十幾米) ,適應(yīng)物體高速運動性能好、外形為卡狀,閱讀天線及電子標簽天線均有較強的方向性;缺點是電子標簽及閱讀器成本均較高。

    有源電子標簽內(nèi)裝有電池,具有較遠的閱讀距離,不足之處是電池的壽命有限;無源電子標簽內(nèi)無電池,其工作用電完全靠閱讀器通過RF 方式產(chǎn)生的充電脈沖供給。在工作時,閱讀器首先發(fā)射一定時間量的射頻脈沖信號,對電子標簽上的電容充電,然后電容放電,供內(nèi)部電路短時間工作,一般可做到免維護。相比有源系統(tǒng),無源系統(tǒng)在閱讀距離及適應(yīng)物體運動速度方面略有限制。集成固化式電子標簽內(nèi)的數(shù)據(jù)信息一般在集成電路生產(chǎn)時就將信息以ROM 工藝模式固化,其保存的信息是不變的;現(xiàn)場有線改寫式電子標簽一般將電子標簽保存的信息寫入其內(nèi)部的E2PROM存貯區(qū)中,改寫時需要專用的編程器或?qū)懭肫?改寫過程中必須為其供電;現(xiàn)場無線改寫式電子標簽具有特定的改寫指令,一般也可由閱讀器直接完成, 電子標簽內(nèi)保存的信息也位于其E2PROM中的存貯區(qū),一般可改寫100 萬次以上。

    廣播發(fā)射式射頻識別系統(tǒng)實現(xiàn)方法較簡單。電子標簽必須采用有源方式工作,實時將其存儲的數(shù)據(jù)信息不間斷地向外廣播,閱讀器僅作為接收機使用。這種系統(tǒng)的缺點是由于電子標簽必須不停地發(fā)射信息,耗電大,對周邊環(huán)境造成電磁污染,降低了系統(tǒng)的安全保密性。倍頻式射頻識別系統(tǒng)實現(xiàn)起來難度較大。一般情況下,由閱讀器發(fā)出查詢信號,電子標簽返回的信號載頻為閱讀器發(fā)出射頻的倍頻。這種工作模式對閱讀器接收處理回應(yīng)信號提供了便利,但是,對無源電子標簽來說,電子標簽將收到的閱讀器發(fā)來的射頻能量轉(zhuǎn)換為倍頻回應(yīng)載頻時,能量轉(zhuǎn)換效率較低,電子標簽成本上升,系統(tǒng)工作需占用兩個工作頻點,一般較少采用。

    2.3 　選型依據(jù)

    RFID 有多種類型,需要根據(jù)焦化機車控制管理的特點和實際環(huán)境分析確定其應(yīng)用選型。

    1) 焦化環(huán)境惡劣,希望維護量越少越好,因此,盡可能選擇無源電子標簽。
    2) 由于3 大機車運行在專用鐵軌上,每次運行軌跡完全相同,可以允許不小于2～3 cm 的讀取距離,方向固定,機車運行速度小于1 m/ s。從成本和系統(tǒng)簡化考慮,選用低頻系統(tǒng)。需要注意的是:微波系統(tǒng)具有一定的漫發(fā)射性,當需要較精確的粗定位時,要對微波進行方向限制,實現(xiàn)定位檢測精度8 cm(5 # 焦爐工藝要求) 。簡易實現(xiàn)方法是在閱讀器上利用屏蔽管件定向接收。
    3) 每個安裝在軌道旁的電子標簽分別表示著工藝的物理位置。工藝位置是固定的,可以使用每個電子標簽唯一擁有的32 b 的序列號分辨。但當更換電子標簽時,將會帶來重新修訂位置識別程序的麻煩。所以,選用1 KB 存儲空間的電子標簽,系統(tǒng)維護者可以隨時地重新定義電子標簽,替換現(xiàn)場在用的電子標簽,而不必對控制程序進行改動。
    4) 倍頻射頻識別顯然不是我們所希望的。可以明確選擇反射調(diào)制式射頻識別系統(tǒng)。
    5) 機車上的閱讀器須將數(shù)據(jù)傳到距離20 m 的PLC 控制器,確定使用RS232 通信技術(shù)。

    鑒于RFID 系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境惡劣,我們選用芬蘭Idesco 公司的1K5012B 電子標簽和IR4040 B 閱讀器,基本可以滿足設(shè)計要求。1K5012B 電子標簽:存儲容量1 024B ,工作環(huán)境溫度25～85 ℃;防護等級IP67。IR4040 B 閱讀器:載波頻率24 kHz ,通信接口為RS232 + RS485 ,工作環(huán)境溫度20～70 ℃,防護等級IP67。由于加強了防護,因此兩者之間最大讀取距離4 cm。

    3 機車控制系統(tǒng)

    3.1 系統(tǒng)配置

    系統(tǒng)配置見圖2。

    其中包含4 套AB 公司的Control Logic PLC ,每個機車上各配備1 套PLC ,主站為焦爐本體控制系統(tǒng),主要完成與主控計算機和各個機車PLC 控制器之間的信息接收與傳送及數(shù)據(jù)管理。從站1、從站2、從站3 根據(jù)主站發(fā)出的無線指令,進行推焦、攔焦、加煤的手動、自動控制,機車的粗定位與精定位自動控制。同時3 個PLC 分別配有操作終端,實時顯示焦爐位置狀態(tài)及推排焦爐號人工設(shè)定及自動化設(shè)備的校正,在本體控制系統(tǒng)上設(shè)有主控計算機,完成推排焦計劃的系統(tǒng)管理。

    無線通信采用主從式無線通信方式完成各站間的信息傳送與接收。無線載波頻率406. 6 MHz ;頻道間隔25 kHz ;頻率穩(wěn)定性< ±1. 5 kHz ;通信速率9 600 b/ s ;通信方式為半雙工協(xié)議;發(fā)射類型F1D。電子標簽中存儲的爐號數(shù)據(jù)與粗精定位控制流程如圖3 所示。

    3.2 　控制流程

    推焦車：由主控計算機下達需推焦的目標爐號,從站1 依據(jù)爐號電子標簽的數(shù)據(jù)控制推焦車的運行狀態(tài),到達指定爐號。推焦車對位正確后,進行工藝上的順序控制,使推焦桿精確定位。當接收到允許推焦信號后,開始推焦。推焦結(jié)束后,使平煤桿精確定位。當接收到允許平煤信號后,完成平煤,等待下一循環(huán)。

    攔焦車：由主控計算機下達需攔焦的目標爐號,從站2 依據(jù)爐號電子標簽的數(shù)據(jù)控制攔焦車的運行狀態(tài),到達指定爐號。攔焦車對位正確后,進行工藝上的順序控制,使導焦柵精確定位,發(fā)出允許推焦信號。當接收到導焦柵退出信號后,完成導焦柵后退,等待下一循環(huán)。

    加煤車：由主控計算機下達需加煤的目標爐號,從站3 依據(jù)爐號電子標簽的數(shù)據(jù)控制加煤車的運行狀態(tài),到達指定爐號。加煤車對位正確后,進行工藝上的順序控制,開始加煤,加煤結(jié)束時,發(fā)出允許平煤信號。之后,從站3 繼續(xù)控制加煤車到達煤塔,進行補充煤料。完畢后,等待下一循環(huán)。生產(chǎn)控制工藝要求:3 大機車必須在長達60 m的運行軌道上實現(xiàn)多達195 個工藝位置點的自動識別,識別位置偏差精度不大于8 cm。只有這樣才能實現(xiàn)機車之間的聯(lián)鎖控制,從而避免3 大機車發(fā)生錯位事故,而且還為精確定位控制機車啟停和加減速運行創(chuàng)造了良好技術(shù)條件,從而實現(xiàn)高效機車控制系統(tǒng)。

    4 　結(jié)束語

    RFID 技術(shù)自2002 年6 月起在濟南鋼鐵集團總公司焦化廠5 # 焦爐投用以來,大大提高了焦化生產(chǎn)的自動化程度,避免了人為的操作失誤,提高了勞動生產(chǎn)率,系統(tǒng)故障率極低,成效顯著,是一項值得大力推廣的高新冶金工業(yè)控制技術(shù)。