曾承花

（鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司，浙江寧波 315000）

流程工業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分，以資源和可回收資源為原料，通過包含物理化學(xué)反應(yīng)的氣液固多相共存的連續(xù)化復(fù)雜生產(chǎn)全流程，為下游離散型制造業(yè)提供原材料和能源。這些工業(yè)包括石化、化工、鋼鐵、有色金屬、建材和電力等高耗能行業(yè)，是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)，是我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長的重要支撐力量。目前我國已成為世界上種類最齊全、規(guī)模最龐大的流程制造業(yè)大國。為解決資源、能源與環(huán)保的問題，我國流程工業(yè)正從局部、粗放生產(chǎn)的傳統(tǒng)流程工業(yè)向全流程、精細(xì)化生產(chǎn)的現(xiàn)代流程工業(yè)發(fā)展，以達(dá)到提高資源與能源的利用率、有效減少污染的目的，高效化和綠色化是我國流程工業(yè)發(fā)展的必然方向。

當(dāng)前，發(fā)達(dá)國家紛紛實(shí)施“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，強(qiáng)化制造業(yè)創(chuàng)新，重塑制造業(yè)競爭新優(yōu)勢。美國智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟提出實(shí)施21世紀(jì)“智能過程制造”的技術(shù)框架和路線[1]；德國提出了以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命發(fā)展戰(zhàn)略，即“工業(yè)4.0”計(jì)劃；英國宣布“英國工業(yè)2050戰(zhàn)略”，日本和韓國先后提出“I-Japan戰(zhàn)略”和“制造業(yè)創(chuàng)新3.0戰(zhàn)略”。面對第四次工業(yè)革命帶來的全球產(chǎn)業(yè)競爭格局的新調(diào)整，為搶占未來產(chǎn)業(yè)競爭制高點(diǎn)，我國宣布實(shí)施“中國制造2025”。智能制成為公認(rèn)的提升制造業(yè)整體競爭力的核心高技術(shù)，也是我國實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國的主攻方向。智能制造只有與制造業(yè)的特點(diǎn)與目標(biāo)密切結(jié)合，充分利用大數(shù)據(jù)，將人工智能、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)計(jì)算、建模、控制與優(yōu)化等信息技術(shù)與制造過程的物理資源緊密融合與協(xié)同，研發(fā)實(shí)現(xiàn)智能制造目標(biāo)的具有各種新功能的制造系統(tǒng)，才可能使制造業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

圖1 焦池視圖

近年來，我國石化工業(yè)企業(yè)大中型新建裝置基本都進(jìn)行了信息化建設(shè)，生產(chǎn)過程中采用了集散控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS）、可編程控制器（PLC）系統(tǒng)，安裝了先進(jìn)控制軟件，如緊急停車（ESD）系統(tǒng)、先進(jìn)控制（APC）系統(tǒng)、實(shí)時(shí)優(yōu)化（RTO）和運(yùn)行控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)工序的回路閉環(huán)控制、過程監(jiān)控和運(yùn)行優(yōu)化。但我國石化裝置新舊不一，部分裝置部分工序依然存在人力密集現(xiàn)象，生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃與管理、生產(chǎn)過程的運(yùn)行操作與管理系統(tǒng)的決策分析仍然依靠知識(shí)型工作者憑知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來完成。人的行為制約整個(gè)生產(chǎn)線和最終的產(chǎn)品質(zhì)量。因此，完成煉化企業(yè)老舊裝置剩余人力密集工序的智能化升級(jí)改造是意義重大的。本文通過對國內(nèi)某石化廠焦化裝置現(xiàn)場儲(chǔ)焦池行車抓斗現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出行之有效的智能化升級(jí)改造方案。

1 焦化裝置現(xiàn)場儲(chǔ)焦池行車抓斗現(xiàn)狀

某石化廠焦化裝置現(xiàn)場儲(chǔ)焦池，焦池長108m、寬35.5m。焦池上橫跨有編號(hào)為H001A（簡稱A行車）、H001B（簡稱B行車）的2臺(tái)行車，型號(hào)QZ32-35.5A7?，F(xiàn)要實(shí)現(xiàn)A行車的無人化作業(yè)，單臺(tái)設(shè)備大車作業(yè)范圍94m、小車作業(yè)范圍35.5m。目前行車采用箱梁端部懸掛的司機(jī)室現(xiàn)場操作，大、小車電機(jī)、起升、開閉電機(jī)均為變頻電機(jī)。

抓斗自初步堆積區(qū)將含水焦炭抓至堆焦瀝干區(qū)，然后再等待瀝干區(qū)焦炭充分干燥后，再從堆焦瀝干區(qū)抓至破碎機(jī)料斗內(nèi)。石油焦從堆積區(qū)全部抓到瀝干區(qū)約需4h，再從瀝干區(qū)抓到破碎機(jī)料斗約需4h，這是單車運(yùn)行操作的情況，每一次動(dòng)作大約需要3 min（一塔按1500～2000t焦炭）。焦池視圖見圖1。

2 問題分析及技改目標(biāo)

2.1 問題分析

目前行車都是用人工手動(dòng)操作，操作人員需要爬上較高的行車，進(jìn)入司機(jī)室進(jìn)行操作。大車位置、小車位置、起升高度都由人眼目測后操控?，F(xiàn)場環(huán)境惡劣、工作時(shí)間長、勞動(dòng)強(qiáng)度大且上下攀爬有一定程度的危險(xiǎn)，無法滿足裝置運(yùn)行效率。隨著勞動(dòng)力資源的日益短缺，成本愈加高昂。

近期抓斗行車故障頻發(fā)，因抓斗行車一般由傳統(tǒng)的閉合機(jī)構(gòu)以及提升結(jié)構(gòu)組成，兩者在運(yùn)行中承擔(dān)的重力相通，如抓斗在運(yùn)行中出現(xiàn)閉合不嚴(yán)的問題，容易出現(xiàn)物料泄漏的問題，不僅增加吊機(jī)的運(yùn)行難度，也會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)過載的問題，無法提高抓斗行車運(yùn)行的效率。另外，在抓斗行車中，提升設(shè)備的鋼絲容易過松的狀態(tài)，會(huì)出現(xiàn)物料抓取少以及設(shè)備操作強(qiáng)度大等問題，無法實(shí)現(xiàn)吊裝設(shè)備的高效運(yùn)行。在進(jìn)行抓斗吊裝設(shè)備的變頻調(diào)控中，存在著操作程序繁瑣的問題，導(dǎo)致抓斗吊裝系統(tǒng)的變頻器過載嚴(yán)重。綜合以上原因，通過AI技術(shù)對該系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)是非常必要的。焦池抓斗行車系統(tǒng)現(xiàn)場圖見圖2。

圖2 焦池抓斗行車系統(tǒng)現(xiàn)場圖

2.2 智能化技改工作思路

本次改造通過全自動(dòng)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制方式，同時(shí)保留焦化裝置原有的現(xiàn)場司機(jī)手動(dòng)控制方式，自動(dòng)程序按照既定程序完成焦池抓焦、瀝干等程序。抓焦瀝干等具體按照總的時(shí)間網(wǎng)絡(luò)編排，具體視時(shí)間網(wǎng)絡(luò)和池內(nèi)焦量綜合判斷，焦池內(nèi)料位判斷采用先進(jìn)的掃描技術(shù)。抓斗考慮防搖擺技術(shù)、行車大車、小車輪雙側(cè)需考慮同步自動(dòng)糾偏功能，防止車輪在雙側(cè)軌道出現(xiàn)不同步的情況，對常見的故障，如鋼絲繩偏移跳股，鋼絲繩斷股或斷裂、滾筒組同心度出現(xiàn)超標(biāo)、大小車車輪打滑、大小車輪啃軌等采用故障狀態(tài)的監(jiān)測判斷及故障判斷后設(shè)備的自動(dòng)保護(hù)功能，以達(dá)到自動(dòng)程序控制行車運(yùn)行、抓斗自初步堆積基坑區(qū)將含水焦炭抓至堆焦瀝干區(qū)，然后再從堆焦瀝干區(qū)抓至破碎機(jī)料斗內(nèi)，實(shí)現(xiàn)3種控制方式任意選擇：全自動(dòng)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、保留原有的現(xiàn)場司機(jī)室手動(dòng)控制，提高操作可靠性和安全性[2]。

3 智能化技改方案

3.1 自動(dòng)化原理描述

首先，自動(dòng)控制系統(tǒng)將整個(gè)焦池進(jìn)行信息化、數(shù)字化管理，即將焦池虛擬成若干個(gè)網(wǎng)格，在系統(tǒng)中存放有每個(gè)網(wǎng)格的準(zhǔn)確地址信息，同時(shí)，也可以通過計(jì)算機(jī)隨時(shí)更改各網(wǎng)格的地址。這樣整個(gè)焦池就被編碼成由多個(gè)網(wǎng)格組成的數(shù)字存貯焦池，利用應(yīng)用軟件實(shí)時(shí)設(shè)定抓取與投料的具體的網(wǎng)格號(hào)，控制系統(tǒng)就可根據(jù)各行車的位置信息控制行車到達(dá)指定的目的網(wǎng)格號(hào)，自動(dòng)完成抓取和投料作業(yè)。

假設(shè)操作人員設(shè)定作業(yè)順序后，系統(tǒng)開始自動(dòng)取料時(shí)，開始從初步堆料區(qū)“A”點(diǎn)進(jìn)行抓取，隨后通過安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器得到抓斗高度，通過重量變送器及拉力傳感器的保護(hù)保證對焦炭的抓取，抓斗從焦池提升至安全高度后，將此次抓取的焦炭放置瀝干區(qū)內(nèi)“B”點(diǎn)。待焦炭瀝干后，抓斗將“B”點(diǎn)焦炭抓到破碎機(jī)入口“C”點(diǎn)，此次行車完成抓取焦炭過程。系統(tǒng)根據(jù)編碼器的數(shù)值及力矩傳感器的極限判斷對“A”點(diǎn)、“B”點(diǎn)的焦炭是否抓取完成，若判定結(jié)果為“否”，則行車?yán)^續(xù)回到“A”點(diǎn)、“B”點(diǎn)位置繼續(xù)進(jìn)行抓取動(dòng)作；當(dāng)判定結(jié)果為“是”，則系統(tǒng)可根據(jù)加減間隔地址自動(dòng)計(jì)算出下次行車抓取位置，直至完成一個(gè)橫班的抓取焦炭工作。

圖3 操作系統(tǒng)圖

3.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)改造實(shí)施

如圖3所示，行車自動(dòng)控制系統(tǒng)利用現(xiàn)有的行車機(jī)械本體等，分階段實(shí)現(xiàn)焦化池2臺(tái)行車的自動(dòng)化、無人化改造。整套控制系統(tǒng)由行車控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)3部分組成。

行車控制系系統(tǒng)由現(xiàn)場環(huán)境天氣監(jiān)測系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、防碰撞系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、3D掃描系統(tǒng)、抓斗保護(hù)系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成。

通訊系統(tǒng)是將行車控制系統(tǒng)與地面控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，傳輸行車實(shí)時(shí)運(yùn)行信息到地面監(jiān)控系統(tǒng)的同時(shí)接受地面控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制指令，此外視頻監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)也通過通訊系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。通訊系統(tǒng)主要包含無線AP、天線、信號(hào)轉(zhuǎn)換器以及光纖等設(shè)備。

地面控制系統(tǒng)包括了視頻監(jiān)控系統(tǒng)、行車狀態(tài)信息監(jiān)控實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)等。遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)具體指地面操作站有相應(yīng)的操作臺(tái)和相應(yīng)的行車狀態(tài)顯示器件，司機(jī)可在半自動(dòng)系統(tǒng)指引下或者觀察實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)完成抓斗行車的遠(yuǎn)程操作，此功能一般僅在特殊情況下應(yīng)急使用。

行車本體改造包括：（1）完善行車大/小車的變頻器改造，包括增加增量型編碼器，增加通訊卡；（2）增加行車大/小車及吊具定位改造，包括增加刻度標(biāo)尺定位系統(tǒng)檢測實(shí)時(shí)精準(zhǔn)檢測行車的大/小車位移，增加絕對值式旋轉(zhuǎn)編碼器檢測開閉電機(jī)及起升電機(jī)的位移值；（3）增加激光掃描儀，用于焦池瀝干區(qū)的物料成像；（4）完善吊具的限位器，具備冗余功能；（5）改進(jìn)行車的重量限制器，使具備相應(yīng)精度及4～20 mA信號(hào)輸出功能，改進(jìn)風(fēng)速檢測儀表的表頭，使具備4～20 mA信號(hào)輸出功能。

其次，地面改造包括：（1）增設(shè)光纜通訊設(shè)備傳輸行車指令，增設(shè)無線AP傳輸視頻圖像；（2）增設(shè)現(xiàn)場控制柜，使系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程給行車斷電急停的功能；（3）增設(shè)1臺(tái)地面PLC柜，用于分配及協(xié)調(diào)多臺(tái)行車的作業(yè)；（4）增設(shè)硬件防火墻，用于硬件隔離無人行車系統(tǒng)和廠級(jí)系統(tǒng)；（5）增加中控室視頻監(jiān)控站，通過視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行情況。

3.3 行車大車及小車刻度表尺檢測系統(tǒng)的改造

本次改造新增行車大車及小車刻度表尺檢測系統(tǒng)，行車大小車位置檢測采用刻度標(biāo)尺定位技術(shù)。大車刻度標(biāo)尺沿大車軌道布置在拖纜支架上方，在行車端梁適當(dāng)位置伸出支架，固定大車刻度標(biāo)尺，安裝施工時(shí)確保大車刻度標(biāo)尺和大車游尺指針的間距為100±20 mm，實(shí)現(xiàn)大車的位移檢測；沿行車橫梁上的欄桿布置小車刻度標(biāo)尺，在小車前端或后端安裝小車游尺指針，安裝施工時(shí)確保小車刻度標(biāo)尺和小車游尺指針的間距為150±20 mm，實(shí)現(xiàn)小車的位移檢測；檢測到的大/小車位移地址傳送到車載電器柜內(nèi)的PLC，PLC根據(jù)當(dāng)前位置與目的地址以及參考行車位置動(dòng)態(tài)調(diào)整行車抱閘，精確控制行車停到目的地址[3]。

3.4 高度、重載檢測及防抓斗傾倒

高度、重載檢測及防抓斗傾倒自動(dòng)改造如下：（1）高度檢測。行車高度方向上，由于距離相對較短，采用旋轉(zhuǎn)編碼器的形式測量Z軸高度，同時(shí)與升降限位開關(guān)相配合，實(shí)現(xiàn)吊鉤升降運(yùn)動(dòng)的控制。編碼器采用絕對值式多圈編碼器，分辨率13位，編碼信號(hào)通過總線輸出到行車PLC，編碼器安裝在卷筒末端的出軸或減速機(jī)端蓋上。

（2）重量限制器現(xiàn)場的重量限制器不能滿足系統(tǒng)要求，需要對重量限制儀表進(jìn)行參數(shù)確認(rèn)及改造，改造內(nèi)容包括，更換重量限制儀表的精度，使儀表的測重誤差在±5%以內(nèi)，并且儀表能輸出4～20mA的電流信號(hào)，車載PLC采集重量限制儀表輸出的4～20mA信號(hào)，通過程序判斷抓斗是否正確抓取或放下物料以及是否觸底。具體改造內(nèi)容如表一所示。

（3）防抓斗傾倒。全局直觀狀態(tài)通過司機(jī)操作室外的視頻攝像機(jī)觀察；主控操作室根據(jù)現(xiàn)場的高度信息、結(jié)合力矩限制器重量信息進(jìn)行相應(yīng)的邏輯處理，保證行車抓斗在下降過程中保持抓斗平衡不會(huì)傾倒，上升時(shí)確保行車已安全起吊，使操作員可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察行車的情況，避免在抓取過程中出現(xiàn)錯(cuò)抓或碰撞的重大事故，保證起吊平穩(wěn)、安全[4]。

3.5 防撞系統(tǒng)

防碰撞是無人行車的一個(gè)重要功能，防止行車之間出現(xiàn)碰撞事故。防撞系統(tǒng)改造內(nèi)容為（1）網(wǎng)絡(luò)層：通訊冗余互補(bǔ)，利用行車間的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，將行車刻度標(biāo)尺定位系統(tǒng)及APON無線定位測距的數(shù)據(jù)發(fā)送給彼此，作為防撞距離參考，確保行車安全運(yùn)行。（2）管理層：庫管系統(tǒng)防撞補(bǔ)充，庫管系統(tǒng)每次下達(dá)的作業(yè)指令都會(huì)重新計(jì)算行車間的安全作業(yè)距離，并調(diào)整行車的作業(yè)目標(biāo)位或避讓系統(tǒng)。系統(tǒng)還會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控每臺(tái)行車的距離，當(dāng)小于安全距離時(shí)會(huì)發(fā)出停車信號(hào)。如在APON無線定位測距儀的主要技術(shù)指標(biāo)確定中，應(yīng)該遵循以下標(biāo)準(zhǔn)：①移動(dòng)搬運(yùn)設(shè)備地址測量精度：小于2cm；②測量范圍：0～1km；③工作環(huán)境溫度：-40～85℃；④刷新速度：125 Hz（最大）；⑤輸入電源：AC220 VAC±10%、DC4.5～48 V。通過對APON系統(tǒng)改造方案的分析可以發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)存在測距速度快、定位精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕、安裝方便快捷、調(diào)試周期短的優(yōu)勢[5]。

3.6 自動(dòng)追速程序

在正常抓斗控制的基礎(chǔ)上，本次新增自動(dòng)化追速程序，在抓斗的打開、閉合以及下降過程中，變頻器均為一速49 Hz高速度，以保證抓斗的高效率。但在抓斗上升過程中，當(dāng)出現(xiàn)開閉、起升鋼絲繩不同步時(shí)，PLC自動(dòng)監(jiān)測變頻器頻率和電流的變化，在滿足條件時(shí)就將開閉變頻器降低速度至二速38 Hz運(yùn)行，同時(shí)起升變頻器提高速度至二速50 Hz運(yùn)行，保證在短時(shí)間內(nèi)追上來，使起升鋼絲繩拉緊，一旦鋼絲繩拉緊后，兩變頻器電流將接近相等，自動(dòng)追速程序就停止，立刻恢復(fù)以一速49 Hz使開閉、起升鋼絲繩同步上升，進(jìn)而達(dá)到鋼絲繩受力均勻的目的[6]。

3.7 工業(yè)WIFI傳輸系統(tǒng)

行車車載PLC與地面通訊柜之間采用的是無線通訊，目前中石化《關(guān)于加強(qiáng)工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護(hù)的指導(dǎo)意見》中規(guī)定工業(yè)控制系統(tǒng)原則上不采用無線網(wǎng)絡(luò)。確需采用無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)對無線連接進(jìn)行授權(quán)、監(jiān)控和隔離，通過無線連接只應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，無線連接采集的數(shù)據(jù)不應(yīng)參與聯(lián)鎖和控制。無線設(shè)備室外型電信級(jí)無線AP網(wǎng)橋工作于5.8G Hz全頻段，提供了一種非常適用的，性價(jià)比極佳的遠(yuǎn)距離點(diǎn)對多點(diǎn)解決方案，真正實(shí)現(xiàn)高性能、多功能平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)型設(shè)備，融合了無線接入以及骨干網(wǎng)連接的功能。系統(tǒng)可通過用戶友好的WEB界面進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，易于安裝維護(hù)。無線設(shè)備的空中速率高達(dá)1500 Mbps，同時(shí)支持SuperG和TurboA模式，在TurboA模式下可高達(dá)1500 Mbps。具有射頻鏈路測試能力，有效解決了無線網(wǎng)絡(luò)安裝中最困難的安裝配置問題，使其安裝和維護(hù)簡便易行。

4 實(shí)施效果

某石化焦化裝置抓斗行車智能化改造，通過刻度標(biāo)尺精確定位技術(shù)、料堆測量3D掃描技術(shù)、行車防碰撞技術(shù)、工業(yè)無線通訊和視頻監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制技術(shù)、現(xiàn)場環(huán)境天氣監(jiān)測技術(shù)有機(jī)的融合于PLC控制系統(tǒng)中，解決了現(xiàn)場行車位置跟蹤和作業(yè)命令的傳輸及執(zhí)行，能完美地配合工藝流程的抓取、投放等作業(yè)功能，有效地簡化工作流程，可由1人操作多臺(tái)或全部行車，并將作業(yè)過程和作業(yè)結(jié)果與管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊與反饋，將最后的信息盲點(diǎn)納入到了全廠整體的管控中，提高工作效率，降低了勞動(dòng)生產(chǎn)負(fù)荷和安全風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約生產(chǎn)成本，降低故障發(fā)生率，便于維修與保養(yǎng)。提高企業(yè)產(chǎn)值與行業(yè)競爭力，使生產(chǎn)管理不斷趨于集約型、科學(xué)化、數(shù)字化。為最終全裝置的智能化打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。