顶装煤焦炉机车全自动操作系统

顶装煤焦炉机车全自动操作系统方案说明

2012年11月

岳阳千盟电子有限公司

目录

1.引言 (3)

2.系统方案概述................................................................................................. 错误！未定义书签。

2.1. 地址检测：.................................................................................................错误！未定义书签。

2.2. 通信技术.....................................................................................................错误！未定义书签。

2.3. 生产工艺及元器件选型方面.....................................................................错误！未定义书签。

2.4. 控制方式方面（根据用户需求选用）.....................................................错误！未定义书签。

2.5. 系统的实时监控和记录.............................................................................错误！未定义书签。

2.6. 视频识别技术.............................................................................................错误！未定义书签。

3.系统网络构成................................................................................................. 错误！未定义书签。

4.系统原理......................................................................................................... 错误！未定义书签。

5.系统功能......................................................................................................... 错误！未定义书签。

5.1. 管理功能 (12)

5.1.1. 生产计划编排与下达 (12)

5.1.2. 记录、统计、查询、打印功能 (12)

5.2. 联锁控制功能 (12)

5.3. 自动走行、自动定位功能 (13)

5.4. 机车驾驶室提示、显示功能 (13)

5.4.1. 中控室动画功能 (13)

5.4.2. 机车驾驶室显示功能 (13)

5.5. 其它功能 (14)

5.5.1. 推焦紧急停止 (14)

5.5.2. 自动识别炉号 (14)

5.5.3. 系统自适应功能 (14)

5.5.4. 网络功能 (15)

5.6. 全自动控制功能 (15)

5.6.1. 推焦车 (15)

5.6.2. 装煤车 (17)

5.6.3. 拦焦车 (18)

5.6.4. 熄焦车 (19)

5.6.5. 捣固全自动 (20)

5.7. 全自动操作异常处理 (21)

5.8. 塌煤情况处理.............................................................................................错误！未定义书签。

6.机车关键信号的冗余检测 (22)

7.机车接口要求 (23)

一、引言

实现焦炉机车全自动操作既是炼焦行业的发展趋势、也是企业发展战略的必然选择。首先，随着“数字化、网络化、智能化”工业系统意识在全世界范围得到认可，模块化仪表、通信国际标准接口等技术发展使全自动操作实现有了坚实的硬件基础；其次，国内近几年对焦炭行业发展的调整，新上的均是大型焦炉，对设备自动化方面的投入更是成为焦炉整体系统设计的一个重点；其三，随着国家由制造大国向制造强国的转变，国家对劳动者的保护意识的提高，提高员工待遇、降低劳动者工作强度这是企业必然需要面对的社会责任；其四，针对焦炉现场高粉尘、高污染、劳动力密集的现状，企业效益的提高必然要进行减员增效，要实现这些就需要尽可能的作业自动化！

二、系统方案概述

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。要实现焦炉机车全自动操作的目标：首先，要对各车辆的动态位置准确识别及各车辆的走行精确控制，同时各车之间及各车与中央控制室之间要有可靠的数据通信；其次，各车辆需要实现单元可靠的自动操作并把操作情况实时递给车辆对位系统；其三，通过多种冗余手段对常规检测信号进行分析，确保所有检测信号正确；其四，在全自动作业期间要有稳定高效的监视和报警系统，实时的监控系统运行。

为此在焦炉机车全自动操作系统中，将包含位置机车联锁系统

和自动对位系统、视频识别系统、远程监控和报警系统、生产管理系统等几个子系统。系统组织如下图：

图1 系统组织图

其中，位置检测系统、联锁控制系统、生产管理系统、以及自动对位系统均为原有焦炉机车安全联锁系统的基本系统。本系统中，在此基础上进行了整改，在生产管理系统中增加了全自动部分内容。另外，将原系统的通信器更替为新型DSP通信器，将通信波特率由原

来的2400BPS提升到4800/9600BPS，缩短了通讯时间，整体上提高了系统通信效率。地址检测器也升级为DSP智能地址检测器，检测位置信号更灵敏，适应范围更广，解析地址速度更快，对位置检测系统状态辨别更清晰。

视频识别系统，由摄像头和视频处理器构成。针对特殊位置进行视频图像识别，判断当前状态，为限位检测系统的有效弥补。特别是在塌焦和行车安全、动作安全等方面，具有无可替代性。同时，也为远程监视系统提供压缩后的图像包。

远程监视和报警系统，由工业显示器、视频服务器、无线电台、车载触摸屏以及灯光报警器等设备组成。该系统将各车压缩后图像包传输到中控，统一显示在中控的工业显示器上。同时与图像包传输的还有各车的限位、液压等当前状态，若这些信息中包含报警信息的话，并根据“警告、危险、紧急”等分级处理，并发出文字、灯光、声音等报警。同时，生成相关记录和统计，以方便维修部门维修。

自动操作控制系统，在控制上分成两个层次：第一层次，为焦炉自动协同，主要完成不同机车的协同工作，已达到自动操作的紧凑和高效；第二层次，为机车单元自动操作，主要完成中控室下发指令的单元操作。

各个系统的详细介绍，见第四部分系统原理。

三、系统结构

整个系统将包含1座煤塔（3列流嘴）、1座淋水塔、2台推焦车、2台装煤车、2台拦焦车、2台电机车（在设计时，将各类型机车均预留为3台）。整个系统的硬件组成主要分成3个部分：中控室部分、编码电缆部分、机车部分。

详细硬件结构图，见图2 系统结构总示意图:

煤塔系统

中控PLC

图2 系统结构总示意图

为了方便下一步的阐述，将系统简化如图3 系统结构简化图：

地上控制器

摄像头

HMI

机车PLC

系统车载捣固系统PLC

系统中控PROFIBUS -DP

图3 系统结构简化图

中控操作室为系统主要操作和监控地点，主要分成2个部分：一部分为画面监控，主要设备包含工业显示器和视频处理器、无线电台，主要完成对车上图像数据的接收、分析、复原显示等功能。另一部分为系统操作，主要设备包含2台上位机、以及数据服务器，主要完成生产管理（计划编排和工艺系数统计等）、系统在线数据监控（当前位置、收发数据、限位组态）、系统运行数据备份功能（关键信息

存储备查）。其中上位机2台为热冗余，互为备用。另还可以在远程增加客户端，实现远程监控系统运行。

中控柜内为系统核心部分，是系统内各机车协同作业的主要控制部分。主要设备有：PLC组（采用西门子CPU315-2DP+CP343-1）和机车单元（各单元含一个地址发生器、信号匹配器、地上通信器和地上控制器）。机车单元设备均为岳阳千盟电子设计制造，其中地上通讯器将采用新型DSP智能通信器，将波特率提高到4800bps（最高9600bps），可以独立诊断通信当前状态；新型DSP智能地址检测器，能更高效、更稳定的解析出当前位置信息，也可以独立诊断位置检测部分当前状态。另外，该部分与焦炉煤塔下煤系统PLC进行MPI通信连接，采集煤塔运行信息，另通过煤塔上的摄像头来检测下煤状态，来实现下煤自动化。中控柜主要完成系统通信主控、工艺和生产协同逻辑主控，实现系统安全联锁、机车作业协同、机车自动控制等功能。

四、系统原理

整个系统承续了岳阳千盟的焦炉机车生产管理系统的基本结构和基本功能，并在此基础上添加了智能控制、视频识别、故障报警、无线传输的技术应用。现就相关技术原理进行简单的介绍：

4.1 视频识别技术

一个图像智能识别、处理和传输控制器，实现视频区域设定、视频信号采集，经图像分割、特征提取、目标识别等一系列图像处理与分析后得到控制信号，并将控制信号和视频信号通过接口传输出

来，为现场监控、安全生产和全自动控制炼焦提供过程控制依据。

达达

达达

达达

基于达芬奇技术系统硬件框图

功能如下：

第一、实现各部分图像的实时采集并按要求进行存储和发送到指定部分；

第二、根据PLC指令采集所需部位的图像、向指令要求的机车或中控室发送特定的图像，例如：推焦过程中推焦车PLC自动要

求拦焦车、熄焦车发送导焦栅、熄焦车对位等这些部分的实

时图像，推焦车的视频识别设备自动将这些图像按要求进行

生成实时画面显示到工业电视上；

第三、根据图像特征识别出以下状态，并通过Profibus-DP或以太

网通信接口传给PLC系统，形成连锁控制信号，实现多种检

测手段的冗余检测功能：

1、车辆附近是否有人工作，是否有障碍物；

2、焦炉是否有炉门，避免取门机门钩认定损坏做出错误的判断，

造成设备和生产事故；

3、车辆是否对准，同编码电缆一起共同判断，避免某些机车长时

间使用后摘门机间隙过大，机构没有准确对位，机车进行摘

门或关门等动作时损坏设备；

4、炉门是否关好，避免一些检测信号出现故障出现错误的判断；

5、车辆的对位炉号是否是正确炉号，进一步验证编码电缆的地址

是否正确；

6、摘门后的炭化室是否出现塌焦现象等；

7、分析各种动作在动作过程中的图像，判断动作执行有无异常情

况。

4.2智能控制

4.2.1 自动走行。自动走行采用无级调速，联锁系统的PLC采用Profibus-DP的方式同车上PLC通讯（或者直接在原车的PLC上增加模块），联锁系统的PLC根据当前位置和目标位置自动计算出速度曲线，将变频器的速度曲线送到车上PLC对变频器进行实施控制，变频器的速度曲线采用S型速度曲线，S型的速度曲线可以减少变频器调速的过程中产生的冲击导致车辆的震动，提高系统的对位精度。

4.2.2 机车自动。机车的自动实现主要两个层次，第一次层次是工段层次，第二层次为机车层次。

工段层次，主要完成工段机车状态综合分析，协调机车生产，指挥机车单元动作。工段生产工艺大致分成两个部分：A工段推焦动作：装煤车下煤，拦焦车拦焦和关门，熄焦车卸焦接焦，推焦车摘门推焦。B工段装煤动作：装煤车装煤，拦焦车摘门和预备拦焦，熄焦车熄焦（或者接空罐和送满罐），推焦车关门平煤。各部分动作基本是同一时间范围内进行，需要进行协调，避免某一机车动作延迟，导致工艺时间延长，从而影响生产。系统根据工段机车状态，来发出相关指令来指挥个机车动作。

机车层次，主要完成机车当前状态确认，按系统中控命令执行相应的单元动作。机车在接受中控命令后，确认机车状态，执行相应单元自动动作。在单元自动中，若中控命令更新，再一次判断机车状态，向中控或者发送询问信息，或者存储中控指令做为下一指令，或者发送当前动作状态等。

4.3 故障报警系统

系统在设计上将组建机车无线网络，将机车运行关键性数据采集到中控，在中控室对整个系统进行图像和数字监控。该功能将颠覆传统的电气故障处理流程，将“故障发生——操作工-——生产班组——生产工段——维护工段——维护班组——技术人员——解决故障”的故障处理流程改变为“故障（或者隐患）发生——监控中心——技术人员——解决故障”，缩短故障时间，降低设备故障成本。故

障信息同时在车载触摸屏上用文字显示相关信息，也会存储在触摸屏的历史记录中。同时，也将在中控室建立故障信息数据库，对故障信息进行归类分析和统计，对设备管理提供有指向性信息。使设备管理改变被动状态，具有主动性和前瞻性。

五、系统功能

机车全自动操作系统是在机车联锁系统安全稳定的技术上发展来的新系统，所有原有的机车联锁系统的功能全部具备如下：

5.1 管理功能

5.1.1生产计划编排与下达

生产计划编排：根据5-2串序（或者9-2串序）生产工艺，结合出焦时间间隔、检修分段、倒班顺序，自动编排推焦计划、并可以人工修改、乱签等功能。

5.1.2记录、统计、查询、打印功能

在生产过程中，自动记录每一个碳化室的装煤时间、出焦时间、取煤时间、下煤起始时间、推焦电流和装煤电流等，在推焦、装煤结束后，自动形成一条记录以便随时查询；并能自动形成各种生产报表

5.2联锁控制功能

联锁控制：联锁控制时，由本系统去控制各车的各种动作，当给定的条件不符合时，即使人工进行操作，其操作也不能执行。

联锁解除：联锁解除时，本系统不控制各车的各种动作。

任何一个联锁控制都采用一个旋钮进行控制联锁/解除，以便机车检修、维修或当系统出现故障时解除联锁。上位机记录各种动作执行时是否采用联锁。

5.3自动走行、自动定位功能

根据生产计划，以及当前计划完成情况，自动确定机车下一步应该行走的目标位置，执行计划任务的机车，在车上按“自动走行”按键后，自动朝目标位置走行。并能根据距目标位置的远近，自动控制机车的速度，在自动走行中到达目标位置时自动停止、自动对位。

为确保安全，采用手动优先原则，即任何时候人工扳动走行手柄，自动走行立即取消，进入手动走行状态。

5.4机车驾驶室提示、显示功能

5.4.1中控室动画功能

中控室上位机以动画方式反映炼焦作业车辆工作情况，实时跟踪显示全炉区二维俯视图，机车移动状况及所处炉号，推焦和装煤过程，熄焦、卸焦过程，在推焦开始后，自动显示推焦二维横向图及红焦从炉孔通过流入熄焦车的过程，显示推焦电流和装煤电流动态曲线，显示各碳化室焦碳成熟程度（以颜色表示成熟程度）。

5.4.2机车驾驶室显示功能

在机车驾驶室用数字显示屏或触摸屏实时显示各机车的工作状况，并有相应的语音提示功能，画面如前面展示：

5.5其它功能

5.5.1推焦紧急停止

在熄焦车拦焦车操作台上装有紧急停止按钮，若在推焦过程中熄焦车或拦焦车发生故障要求停止推焦时，熄焦车或拦焦车可按下紧急停止按钮，推焦杆立即停止前进。

5.5.2自动识别炉号

根据所检测的机车位置，自动识别机车所处的炉号。

根据所检测的机车位置和计划推焦炉号的位置，判断机车应正确运行的方向。

5.5.3系统自适应功能

由于炉孔或焦杆变形等各种原因需改变碳化室中心地址时，本系

统会自动适应，并用新的中心地址去更新原数据区储存的中心地址。

5.5.4网络功能

系统上位机预留数据接口，以方便与企业局域网实现数据交换。

5.6全自动控制功能

在车上按下“全自动申请/撤消”按钮后，若满足全自动操作条件，系统进入全自动操作状态，按钮灯亮，系统实现如下功能。

5.6.1推焦车

工作流程说明：

根据生产计划中控室PLC将计划炉号及位置发给推焦车PLC。

推焦车PLC收到指令后，判断是否满足走行条件（如：周围是否有障碍物、机车检测信号是否满足走行条件），如果所有条件全满足推焦车自动走行到计划炉号并自动对位，当对位达到设定的范围内自动停止。视频识别系统对对位部分的图像信息进行处理，判断是否对准、

对的炉号是否是计划炉号，分析完所有信息都一致后机车将对准信号发给中控PLC系统。中控室PLC根据当前时间，给推焦车发出是否允许摘门指令。当所有条件满足后推焦车自动摘取炉门。当所有推焦条件满足后中控室PLC发给推焦车推焦指令，推焦车自动开始推焦。推焦过程中拦焦车的导焦栅到位、熄焦车的焦斗门关等关键限位失落，则紧急停止推焦并报警。推焦车结束后，中控室PLC自动控制推焦车自动关闭机侧炉门。炉门关闭后，中控室PLC自动控制推焦车自动走行至平煤位置，对准后自动开启小炉门。中控室PLC根据装煤车装煤计时到一定时间，自动启动开始平煤。自动平煤过程中，根据现场工艺和平岗行程控制平煤节奏“2长1短”。装煤结束后，自动平煤延时继续平煤。自动平煤结束后，平煤杆退回原位置，并关闭小炉门。推焦车PLC确认装好炉门后，自动走行到下一个计划炉号准备下次推焦车操作。

整个自动运行过程中司机只需监视，不需要做任何操作，如果在运行过程中司机发现情况再次只需按下“全自动申请/撤消”或者“暂停”按钮即可停止。

5.6.2装煤车

工作流程说明

根据推焦车和煤塔的情况，中控室PLC将计划装煤炉号及位置发给装煤车PLC，并控制装煤车自动走行。装煤车收到指令后，自动走行到计划炉号并自动对位，当对位达到设定的范围内自动停止。装煤车根据中控室PLC发给的实时控制指令开始装煤。在装煤的过程中装煤车上的车载系统会实时检测煤重等信息。装煤结束后自动走行到装煤车回皮位置对位。回皮结束后，根据现场工艺自动选择下煤口，并自动走行到煤塔对应的下煤口位置；对位后自动向中控PLC发送“请求下煤”申请。中控PLC系统收到“请求下煤”后，且准备下煤时，禁止煤车走行。当下煤结束后，发送允许装煤车走行，装煤车自动走行至称重位置，进行毛重称重。称重结束后，根据中控室PLC 的指令执行下一步操作。

当整个自动运行过程中司机只需监视，不需要做任何操作，如果在运行过程中司机发现情况再次只需按下“全自动申请/撤消”按钮即可停止。

装煤车自动中，不包含煤塔自动下煤，煤塔自动下煤在5.6.5进行介绍。

5.6.3拦焦车

工作流程说明

根据生产计划中控室PLC将计划炉号及位置发给拦焦车PLC。拦焦车PLC收到指令后，判断是否满足走行条件，如果所有条件全满足拦焦车自动走行到计划炉号并自动对位，当对位达到设定的范围内自动停止。中控室PLC根据当前时间，给拦焦车发出是否允许摘门指令。当所有条件满足后拦焦车自动摘取炉门，同时拦焦车自动开启除尘接口阀。将导焦栅对准计划炉号伸出到位，满足推焦条件后拦焦车自动发出允许推焦信号给中控室PLC，同时自动启动除尘风机。推焦结束后，拦焦车收到中控室PLC的指令后，自动关闭接口阀，将导焦栅收回原位，拦焦车自动将炉门关闭。拦焦车PLC确认装好炉门后，自动走行到下一个计划炉号准备下次推焦操作。

整个自动运行过程中司机只需监视，不需要做任何操作，如果在运行过程中司机发现情况再次只需按下“全自动申请/撤消”或者

“暂停”按钮即可停止。

5.6.4熄焦车

工作流程说明

根据生产计划中控室PLC将计划炉号及位置发给熄焦车PLC，熄焦车PLC收到指令后，判断是否满足走行条件。如果所有条件全满足熄焦车自动走行到计划炉号自动对位，当对位达到设定的范围内自动停止。满足接焦条件后熄焦车自动发出允许推焦信号给中控室PLC。

接焦过程中，若是移动接焦，则启动低速匀速接焦。推焦结束后，熄焦车收到中控室PLC的指令后，自动走行到熄焦塔对位。对位完成后发出熄焦淋水指令到中控室PLC，中控PLC发送“自动淋水”指令到熄焦系统。熄焦系统启动淋水，且需反馈“正在淋水”信号给本系统。淋水结束后，延时判定熄焦结束。熄焦结束后自动走行到晾焦台，按设定的放焦顺序（可按照现场工艺进行调整）开始放焦。如果运焦后部不允许放焦，焦台操作工按下禁止放焦指令，可以不让熄

焦车放焦，同时给系统发出故障警告信息。放焦结束后，自动关闭角斗门，自动走行到下一个计划炉号准备下次接焦车操作。

整个自动运行过程中司机只需监视，不需要做任何操作，如果在运行过程中司机发现情况再次只需按下“全自动申请/撤消”或者“暂停”按钮即可停止。

5.6.5下煤全自动

工作流程说明

中控室PLC与煤塔控制系统进行实时通讯，收集煤塔煤量信息，当煤量到达高/低限位时进行相应的信息提示。

中控室PLC根据装煤车位置和重量信息，判断当前煤车是否有下煤需求。当有下煤需求的机车，自动走行至选定下煤口时，发出“禁止煤车走行”信号，锁定装煤车禁止其走行。同时判断装煤车是否处于“准备接煤”状态，并且启动到位延时。

装煤车到位延时结束后，并且装煤车“准备接煤”，煤塔自动开启溜嘴进行放煤。煤塔位置视频识别系统或者装煤车煤箱称重系统判