洪雨

（國家能源集團(tuán)煤焦化有限責(zé)任公司總調(diào)度室，內(nèi)蒙古 烏海 016000）

基于自動(dòng)行走對位技術(shù)與無線通信聯(lián)鎖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t車輛全自動(dòng)化操作，其中五大車自動(dòng)行走對位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)四大車全自動(dòng)控制的關(guān)鍵與基礎(chǔ)，通過無線通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t操作從班計(jì)劃編排、計(jì)劃發(fā)布、計(jì)劃執(zhí)行的全程閉環(huán)自動(dòng)控制模式，對簡化操作流程、提高生產(chǎn)效率、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、確保安全生產(chǎn)有著十分重要的意義。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

（1）焦?fàn)t車輛的定位采用基于我國北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)毫米級(jí)北斗時(shí)空位置服務(wù)的方式，為連續(xù)的地址檢測方式，地址檢測單元采用一體化結(jié)構(gòu)，以提高地址的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。地址檢測和數(shù)據(jù)通信RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）載波相位差分技術(shù)。

（2）焦?fàn)t車輛與中央控制室的之間的數(shù)據(jù)交換以無線通訊為基礎(chǔ)，采用雙差分無線收發(fā)分離技術(shù)，具有抑制同頻串?dāng)_、變頻干擾的優(yōu)點(diǎn)。

（3）采用三層計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓普結(jié)構(gòu)，該方式具有抗干擾性強(qiáng)、通信可靠的優(yōu)點(diǎn)。

（4）軟件采用step7 編程開發(fā)軟件，從而確保系統(tǒng)的兼容性、運(yùn)行穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)組成

2.1 北斗精準(zhǔn)定位技術(shù)

使用基于RTK 差分技術(shù)的戶外作業(yè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)厘米級(jí)測量高精度一體化設(shè)備，在廠區(qū)的四車活動(dòng)區(qū)域和焦?fàn)t位置使用CGCS2000（2000 國家大地坐標(biāo)系）并結(jié)合北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的云計(jì)算糾偏，采集焦?fàn)t車輛活動(dòng)范圍和焦?fàn)t范圍的相對高精度坐標(biāo)。通過已采集測定的坐標(biāo)點(diǎn)畫出范圍提取CGCS2000中基于“高斯-克呂格投影”計(jì)算得出的分帶劃分區(qū)塊內(nèi)所有經(jīng)緯度坐標(biāo)，生成高精度坐標(biāo)點(diǎn)組成的矢量圖。

在車頂部開闊位置安裝北斗外置天線設(shè)備按運(yùn)行要求設(shè)置RTK 服務(wù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)回傳模式和網(wǎng)絡(luò)接口，接入國家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)。國家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)云計(jì)算平臺(tái)會(huì)根據(jù)反饋的焦?fàn)t車輛上的移動(dòng)站北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)（位置、授時(shí)），通過云計(jì)算技術(shù)匹配車輛附近的增強(qiáng)系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)基準(zhǔn)主站，并將最近的基準(zhǔn)參考站作為基準(zhǔn)參照坐標(biāo)點(diǎn)通過載波相位差分技術(shù)運(yùn)算得出焦?fàn)t車輛的相對厘米精度坐標(biāo)。將次近的增強(qiáng)系統(tǒng)內(nèi)基準(zhǔn)參考站設(shè)置為備用站，提供數(shù)據(jù)提煉參考和基準(zhǔn)參考站備份，以備坐標(biāo)基準(zhǔn)參考站出現(xiàn)故障使項(xiàng)目系統(tǒng)無法運(yùn)行。使用地理信息（GIS）換算得出焦?fàn)t車輛的姿態(tài)、時(shí)速等位置空間信息在云平臺(tái)上以經(jīng)緯度坐標(biāo)、運(yùn)行方向、運(yùn)行速度等方式進(jìn)行顯示。

通過衛(wèi)星定位坐標(biāo)數(shù)據(jù)，因?yàn)榇髿庹`差、衛(wèi)星誤差等原因所得到的坐標(biāo)是有離散的。通過運(yùn)算處理取值，將車輛每次行駛軌跡、?？奎c(diǎn)轉(zhuǎn)化為一系列坐標(biāo)系，利用車輛的每次停靠坐標(biāo)在坐標(biāo)矢量圖內(nèi)進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)到坐標(biāo)點(diǎn)作業(yè)，計(jì)算得出每個(gè)焦?fàn)t的中心坐標(biāo)點(diǎn)。使設(shè)備在積累數(shù)據(jù)的同時(shí)不斷進(jìn)行自學(xué)習(xí)，降低每次推焦偏離中心點(diǎn)的誤差。

2.2 窄波速毫米波脈沖相參雷達(dá)技術(shù)（以下簡稱毫米波雷達(dá)技術(shù)）

毫米波/太赫茲(terahertz，THz)波通常是指頻率為30GHz-100GHz-10THz的電磁波，位于微波和遠(yuǎn)紅外光之間，毫米波/太赫茲波輻射能穿透非金屬和非極性材料，能穿透煙霧和浮塵，對不同環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。在焦?fàn)t有煤塵、氣霧等干擾因素較多的作業(yè)環(huán)境中有優(yōu)于其他傳感設(shè)備的效果。

單具窄波束毫米波雷達(dá)能有效識(shí)別“爐框”（爐子之間的柱子）的邊沿，在1～1.5m 處，左右對準(zhǔn)精度控制在1cm精度范圍內(nèi)。通過POE(Power Over Ethernet)接口，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，同時(shí)提供供電。

測距原理：設(shè)光速為C，毫米波往返雷達(dá)與目標(biāo)之間的時(shí)間為T，則目標(biāo)相對雷達(dá)的距離R 為：R=C×T/2，式中數(shù)字2表示收發(fā)雙程。

2.3 軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎霉芾韺?、中央控制層、?zhí)行層三級(jí)架構(gòu)。大車部分為系統(tǒng)的執(zhí)行層，其主控器采用SIMENS S7-300 系列plc,中央控制層由SIMENS-S7300 系列plc（由位置檢測設(shè)備通信系統(tǒng)組成，通過無線通訊技術(shù)，并通過網(wǎng)絡(luò)適配器與企業(yè)的局域網(wǎng)進(jìn)行連接。

圖1 焦?fàn)t車輛設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)結(jié)構(gòu)

中央控制室為中央控制層，作到整個(gè)系統(tǒng)的承接，通過車上安裝的北斗定位器、毫米波雷達(dá)將各移動(dòng)大車的車五分控制器產(chǎn)生地址檢測信號(hào)發(fā)送中央控制中心，得到各車的實(shí)時(shí)精確絕對位置，機(jī)上部分通過控制器與機(jī)車plc 交換信息，通過HMI 將信號(hào)傳遞給大車司機(jī)，實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)中心通過收集、分析、處理各機(jī)車送來的信息形成控制命令指揮各車工作，自動(dòng)生成推焦、裝煤計(jì)劃及記錄、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、實(shí)時(shí)動(dòng)畫顯示各機(jī)車工作狀態(tài)。北斗定位器和天線箱、始端箱、終端箱等組成通信與位置檢測的媒介，是機(jī)車與地面中控室之間溝通的渠道，故設(shè)計(jì)采用全密封結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)惡劣的現(xiàn)場環(huán)境。

管理層為核心，由實(shí)時(shí)動(dòng)畫監(jiān)控和計(jì)劃管理軟件兩個(gè)組成部份，能夠完成手工計(jì)劃錄入與自動(dòng)編制作業(yè)計(jì)劃的功能，同時(shí)記錄推焦、裝煤，生成各類個(gè)性化報(bào)表，并存儲(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，動(dòng)畫以WINCC建模以動(dòng)畫形式真實(shí)反映生產(chǎn)現(xiàn)場各種作業(yè)機(jī)械的位置、動(dòng)作情況等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享和上層監(jiān)督功能。

3 行走精準(zhǔn)停車控制

自動(dòng)行走原理其中行走控制軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走功能的主要部分。本車的實(shí)時(shí)坐標(biāo)通過北斗接收機(jī)得到，通過系統(tǒng)算法判斷大車位置及所需要執(zhí)行行動(dòng)利用無線通訊設(shè)備發(fā)送指令到車上DCS 服務(wù)器，DCS 根據(jù)接收到的指令，通過PROFIBUS-DP 對行走變頻器進(jìn)行無級(jí)調(diào)速控制，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走定位精度在誤差范圍內(nèi)。

焦?fàn)t移動(dòng)車輛控制系統(tǒng)對整個(gè)焦?fàn)t車輛的作業(yè)進(jìn)行管理，包括車輛的聯(lián)鎖對位和推焦計(jì)劃執(zhí)行，在系統(tǒng)配置上分為地面控制中心和車上控制單元，車輛無人駕駛的自動(dòng)對位是發(fā)展的必然趨勢，自動(dòng)對位技術(shù)對位的精度要求相當(dāng)高，只有在保證精度的前提下，焦?fàn)t車輛才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對位，自動(dòng)對位的關(guān)鍵技術(shù)是對位的精度。

當(dāng)前研究較多關(guān)注車輛通訊技術(shù)的可靠性，缺少對車輛行走的對位精度的關(guān)注，數(shù)學(xué)模型中的車輛行走分為3 個(gè)階段，即行走起動(dòng)、行走均速、行走減速，其中最重要的是行走減速按雙曲線模型對速度進(jìn)行控制（如圖2）。

圖2 雙曲線數(shù)學(xué)模型

系統(tǒng)根據(jù)焦?fàn)t作業(yè)計(jì)劃發(fā)出工作指令后，通過無線通訊發(fā)送指令控制車上單元自動(dòng)執(zhí)行指令，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對位和自動(dòng)推焦，不受天氣和人為因素影響。

為實(shí)現(xiàn)大車快速準(zhǔn)確的自動(dòng)行走，對行走變頻器的給定速度進(jìn)行策略規(guī)劃，根據(jù)當(dāng)前位置與目標(biāo)位置的坐標(biāo)距離差值，將其分為粗定位標(biāo)志區(qū)和精定位標(biāo)志區(qū)。粗定位標(biāo)志區(qū)的主要作用是保持車輛高速持續(xù)行走，精定位標(biāo)志區(qū)主要作用是降低行走速度控制停車精度。當(dāng)大車在運(yùn)行時(shí)，利用安裝在大車上的北斗高精度設(shè)備對實(shí)際位移及與目標(biāo)的實(shí)時(shí)距離，并依據(jù)GIS 公式計(jì)算出控制系統(tǒng)對行走變頻器的速度設(shè)定（距離越小，速度越?。４筌嚱Y(jié)束粗定位行走，進(jìn)入精定位標(biāo)志區(qū)距離目標(biāo)值為3.4m,大車進(jìn)入降速和緩慢行駛階段，系統(tǒng)利用北斗高精度位置信息和毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)反饋監(jiān)控大車運(yùn)行軌跡，通過軟件算法判斷停車時(shí)間點(diǎn)并給DCS 服務(wù)器下達(dá)停車制動(dòng)指令。停車精度為15mm,完全滿足現(xiàn)場生產(chǎn)工藝需求。

4 焦?fàn)t全自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于北斗精準(zhǔn)定位及無線擴(kuò)頻通訊技術(shù)的焦?fàn)t五車聯(lián)鎖及自動(dòng)控制系統(tǒng)，技術(shù)先進(jìn)，安全性強(qiáng)，實(shí)用性強(qiáng)。充分考慮的焦化現(xiàn)場惡劣環(huán)境及用戶的生產(chǎn)管理需求，以硬件設(shè)備可靠穩(wěn)定，軟件功能豐富。

焦?fàn)t車輛設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)通過把焦?fàn)t車輛設(shè)備與局域網(wǎng)結(jié)合起來，使工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程操作和無人駕駛得以實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)行走技術(shù)的應(yīng)用可以提高單車作業(yè)效率。

大車一次行走對位準(zhǔn)確率達(dá)到98%以上，平均單爐作業(yè)時(shí)間為9～9.5min，實(shí)現(xiàn)推焦、裝煤計(jì)劃的自動(dòng)下達(dá)與執(zhí)行，以及推焦時(shí)間、推焦電流、裝煤時(shí)間、裝煤量、結(jié)焦時(shí)間等重要生產(chǎn)參數(shù)的自動(dòng)記錄、報(bào)表輸出。