全自动熄焦车控制系统设计

中国是焦炭生产大国，大部分的焦化企业设备相对陈旧，同时焦化产业粗放型的生产控制模式逐步跟不上现代生产的自动化进程，准确、可靠地全自动控制技术是我国焦化产业技术发展的必然趋势，也是我国焦化产业面临的一个技术难点。本文设计了全自动熄焦车控制系统。

1.熄焦车全自动生产作业流程

熄焦车的主要工作是将从焦炉内推出的焦碳运送到淋水塔，通过喷淋高压氨水将焦炭从1100℃高温降到接近200℃，再将降温后的焦炭运载至晾焦台并卸焦、凉焦。熄焦车主要有接焦、熄焦、卸焦、走行等四个主要动作，根据其时序关系，确定了全自动熄焦车的工作流程图,见图1。

2.控制系统的总体结构

整个控制系统分为车载部分和地面部分两个部分[1]。车载部分是整个系统的信号采集中心、数据中心和控制中心。车载部分的嵌入式控机是整个系统的核心，是系统的数据中心工和控制中心，前述的机车操作记录和智能操作等功能均在嵌入式工控机中进行。地面部分主要功能分3个部分。

（1）生产计划录入和机车状态显示；

（2）外围系统数据融入，中控室PLC通过光纤通信连接淋水塔系统，I/O点电气连接采集晾焦台信息；

（3）视频监控设备运行，通过机车的运行视频来监管熄焦车自动运行情况。

2.1地面部分控制系统的设计

地面部分控制系统的主要功能由中控室实现，如计划录入、机车状态显示等。

（1）位置检测系统

位置检测系统由地址发生器，编码电缆，地址接收箱，地址检测器，西门子PLC模块组成。位置检测系统基于感应无线技术，地址接收箱在编码电缆某点的位置，将得到一个特殊的模拟信号组合，地址检测器将该信号分解成数字信号，并送至西门子PLC模块，为其他子系统提供数据。

（2）数据通讯系统

数据通讯系统包括工业通讯（RS-485）和以太网模式（TCP/IP）通讯两种模式共同组成。两种通讯方式同时冗余发送关键动作和限位信号，保障系统的稳定运行。

工业无线以太网模式（TCP/IP）通讯优点为通讯效率高，可以达到10M/S以上的通讯效率，通常视频图像信号和数字信号都通过这种方式传输。

（3）视频监控系统

视频监控系统主要是包括焦炉监控摄像头，车载监控摄像头，车载视频，远程监控视频，视频处理器和无线通信网络组成。

焦炉摄像头安装在焦炉上，负责监控整个熄焦车轨道上的运行状态。车载监控摄像头监控车辆周围的细节情况，视屏处理器负责图像信号的转换，监控视频承担实施显示，为人为操作提供支持。视频监控系统结构见图4。

（4）远程控制系统

远程控制系统主要通过上位机将数据发送到地面控制PLC，再通过通讯网络将数据输送至车载PLC，车载PLC控制变频器和电动阀的动作。实现远程操作机车动作，完成生产任务。远程控制系统结构见图5。

2.2车载控制系统的设计

车载控制系统的主要设备为嵌入式工控机和S7-400HPLC组，子系统有：自动走行控制系统、自动接焦控制系统、自动熄焦控制系统、自动卸焦控制系统、故障检测报警系统[2]。

（1）嵌入式工控机

嵌入式工控机是整个系统的核心，是系统的数据中心和控制中心。嵌入式工控机主要记录和分析机车操作过程中所有的历史数据，并进行统计和分析，来指导机车实现操作自动化；嵌入式工控机在获取推焦计划后，能够根据推焦计划、工艺要求控制机车完成各项操作。

本文率先将无线感应技术、自动定位技术、远程视频监控技术及工业以太网综合应用于熄焦车全自动控制系统上，解决了焦化恶劣环境下车辆全自动控制的瓶颈问题。

（2）冗余S7-400HPLC组

S7-400H是按冗余方式设计的，可以在任何事件发生后继续使用。S7-400HPLC组所有的主要器件都是双重的，按照方案设计成双重器件的有：中央处理器CPU电源模板PS40710A以及连接两个中央处理器的硬件CPU417-4H、通信模块CP443-1。

CPU故障后，备份CPU与主CPU同步连接自动建立，备份CPU发出Link-up请求，主站在禁止删除、拷贝和生成块功能后将所有数据发送给备份CPU。主站运行用户程序，在禁止所有报警和中断后向已Link-up的备份CPU发送上次更新后发生改变的动态数据。

（3）自动走行控制系统

自动走行控制系统主要通过车载控制PLC控制变频器，变频器控制电机转速，调整走行速度。

根据车辆的工作流程，计算出熄焦车自动走行的目标位置。通过位置检测系统，检测出当前所在位置。计算出两者的位置差异。通过PLC程序控制变频器的工作频率实现熄焦车的自动行走，走行过程中由于位置检测系统时刻更新当前位置值，通过PID反馈调节不断修正走行频率，实现准确对位的功能。

自走行控制系统结构见6所示。

（4）自动接焦控制系统

自动接焦控制系统主要是通过车载PLC、限位开关、位置检测系统、数据通讯系统完成。当全自动熄焦车到达接焦位置时，自动检测是否到达设定位置、熄焦车门关闭信号，并通过通讯系统检测其他设备是否准备完毕，然后发送允许推焦信号到地面中控PLC系统中。自动接焦熄焦控制系统结见图7所示。

（5）自动熄焦控制系统

自动熄焦控制系统主要是通过车载PLC，地面控制PLC、淋水塔控制PLC、位置检测系统和数据通讯系统完成。

由于车内为1100℃的高温焦炭，控制信号从发出到水阀完全打开，氨水从蓄水罐到喷嘴喷出，会有5-10s延时。所以位置检测系统检测出全自动熄焦车在离熄焦塔10m位置处，通过数据通讯系统发送信号给水泵，保证熄焦车进入淋水塔时，淋水塔内的熄焦喷嘴已经开始喷水。设定的淋水程序完成，再自动进入下一个工作状态。自动淋水熄焦控制系统结构见图8所示。

（6）自动卸焦控制系统

自动卸焦控制系统主要是通过车载PLC，地面控制PLC,晾焦台控制PLC、位置检测系统和数据通讯系统完成[3]。

卸焦区域一般有三段位置轮流放焦，根据晾焦台内剩余焦炭的情况，决定本次卸焦的编号。由于卸焦台比车斗长，且要求焦炭均匀放至于卸焦台上，所以要求卸焦过程中以适当的低速行走。根据下炉出焦的计划时间，决定进入休息状态还是直接进入下一轮的接焦状态。自动卸焦控制系统结构见图9所示。

（7）故障检测报警系统

故障检测系统主要是通过上位机监控所有系统的运行情况并提示报警。

位置检测系统：检测的位置数据不连续，或者位置检测系统无数据。及时报警，停止自动操作跳到人工操作。

自动走行系统：检测车辆在自动走行过程中，通过位置检测系统，查询是否行走，行走方向是否正确，如有异常退出自动走行。

自动接焦控制系统：检测设备车斗车门关闭信号，如果长时间不能关闭，或者关闭信号故障，则停止自动推焦，提示报警。

自动淋水熄焦控制系统：当启动信号发出后，如果长时间无反馈信号到PLC系统，则判断自动淋水熄焦系统故障，需要人为干预。

自动卸焦控制系统：当熄焦车到达卸焦台区域后，如果长时间无反馈卸焦台运行信号到PLC系统，则判断自动卸焦控制系统故障，需要人为干预。

3.总结

熄焦车全自动控制系统设计借助于目前工业自动化技术，基于自动化行业“检测感知+高效通讯+数字组网+智能控制+协同输出+有效反馈”的几个要点，以及“统一管理+分散控制”的原则，以实现熄焦车设备全自动操作为最终目的。