李龍，王黎明，武國強，王鴻儒，馬文

（1.中北大學(xué)信息探測與處理山西省重點實驗室，山西 太原 030051；2.太原重工股份有限公司；3.山西太重數(shù)智科技股份有限公司，山西 太原 030000）

1 前言

焦炭是一種固體燃料，它在高爐煉鐵、水煤氣制造、城市煤氣工業(yè)生產(chǎn)、肥料工業(yè)等領(lǐng)域都扮演著重要的角色。近年來，得益于我國消費形式的升級以及工業(yè)化的升級，我國治金工業(yè)發(fā)展迅速。焦炭行業(yè)因此獲利，其需求量、出口量大幅提升。如今，我國已是世界上最大的焦炭生產(chǎn)國和消費國，我國以3.35 億噸、占世界產(chǎn)量的、出口占全世界的的焦炭產(chǎn)量位居世界第一。國內(nèi)外焦炭需求量的迅猛增長對我國的焦炭行業(yè)既是機遇，也是挑戰(zhàn)。這種形勢對于我國的經(jīng)濟發(fā)展起到了重要作用，但與此同時，大規(guī)模的焦炭需求量也使得焦炭生產(chǎn)行業(yè)遇到了一系列新的問題，其中就包括如何提高焦炭生產(chǎn)效率、如何降低生產(chǎn)過程中的安全隱患及如何增加原材料的利用率等問題。其中焦化機車在生產(chǎn)焦炭的過程中需要做到安全運行、不產(chǎn)生意外事故就是亟待解決的問題之一。推焦車、停焦車、熄焦車、裝煤車在盛產(chǎn)過程中需要保證定位精準(zhǔn)，配合得當(dāng)，這也是整個焦炭生產(chǎn)過程中的安全保障。假如其中一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，例如，爐號對位錯誤導(dǎo)致燃燒的焦炭灑落等，就有可能直接造成重大經(jīng)濟損失甚至人員傷亡。

近年來，我國生產(chǎn)自動化的水平有所提升，但大部分焦化機車的操作依舊依賴人工操作，或依賴國外自動定位設(shè)備。對于人工操作，工作量大、效率底下且操作不當(dāng)容易導(dǎo)致設(shè)備故障甚至安全隱患。焦化設(shè)備的碼牌識別自動定位系統(tǒng)能夠在無須人工確認(rèn)的前提下，自動完成對位配合。在焦化設(shè)備的各車輛上安裝該系統(tǒng)，可以通過作業(yè)管理及爐號識別，使各車輛能實現(xiàn)自動走行、自動定位，進而完成裝煤、推焦、攔焦、熄焦、導(dǎo)煙一系列任務(wù)，實現(xiàn)各車輛之間的高效運行。目前，焦化機車智能化、全自動化操作在我國在煉焦領(lǐng)域中具有較大的發(fā)展前景，推進自適應(yīng)焦?fàn)t機車定位系統(tǒng)的國產(chǎn)化，技術(shù)國產(chǎn)化具有非常重要的現(xiàn)實意義。

2 焦?fàn)t機車位置識別功能系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)焦?fàn)t機車的準(zhǔn)確定位，精確地采集到機車位置，爐孔編號和機車運行方向三條關(guān)鍵信息很有必要性。碼盤系統(tǒng)與對射式光電閱讀器是焦?fàn)t機車定位系統(tǒng)的核心，它可以識別機車的精準(zhǔn)位置、焦?fàn)t編號以及運行方向。

2.1 碼盤編碼原理

碼盤編碼的目的是簡潔明了地表示焦?fàn)t機車的精準(zhǔn)位置、焦?fàn)t編號、運行方向。整個碼盤上一排的ID 孔采用BCD 編碼+奇偶校驗位的方式進行編碼，BCD 碼(Binary-Coded Decimal)采用二進制編碼來代表十進制代碼。如圖1 所示。

圖1 碼盤示意圖

上一排的ID 編碼孔中的黃色區(qū)域代表通孔，對射式激光能夠穿過，系統(tǒng)解碼后，所還原出碼元為1，而灰色區(qū)域由于未開孔，對射式激光無法穿透，系統(tǒng)解碼后還原出的碼元為0，而最后一個過孔為奇偶校驗位：如果碼元為1，碼牌為偶數(shù)，如果碼元為0，此碼牌為奇數(shù)，再結(jié)合前面的9 位ID 號，得出整個的激光碼牌序行號。

而下面一排的10 個時鐘孔由于全部開通，因此2、3、5、6 路掃描激光通過時，與2、3、5、6 路激光分別對應(yīng)的2 號、3 號、5 號與6 號接收端探測器輸出均為高電平1 與低電平0 相互交替的脈沖信號，即所謂的時鐘信號。

2.2 對射式激光閱讀器原理

（1）U 型槽結(jié)構(gòu)。U 形槽是對射式光電閱讀器的安裝外殼，六個激光閱讀頭水平相向安裝，對稱的安裝在U 型槽兩側(cè)的內(nèi)壁上，使得同一對閱讀頭能夠形成對射，每對激光閱讀頭相互距離為15cm。將6 對激光閱讀頭分成左右兩組，每組三個，且保持左右對稱分布，其結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 U 型閱讀器結(jié)構(gòu)

（2）對射式光電傳感器原理。對射式光電傳感器原理主要由兩大部分夠成，如圖3 所示，發(fā)光端和接收端，二者電路構(gòu)成的主要元器件分別為一個發(fā)光二極管和一個光敏三極管，發(fā)光二極管射出的光線所產(chǎn)生的耦合現(xiàn)象是受光端在接通或停止之間轉(zhuǎn)換的原理。

圖3 光電傳感器原理

在正常情況下，若發(fā)光端與受光端之間沒有障礙物遮擋時，此時光敏三級管導(dǎo)通，負(fù)載端接收到高電平（3.3V 穩(wěn)定直流電壓）；當(dāng)二者之間存在障礙物阻擋時，此時光敏三極管截止，負(fù)載端為低電平（0V 直流電壓）。

2.3 碼盤讀碼原理

（1）方向識別。如圖4 所示，假定U 型槽從碼盤的左面向右面運動，此時，固定于U 型槽內(nèi)部的6 個閱讀頭的激光信號隨U 型槽從激光碼牌的左端開始掃描，一直掃描到碼盤的右端結(jié)束。由此可知，4 ～6 號閱讀頭發(fā)射激光在1 ～3 號發(fā)射激光的右邊，但相對于碼牌來說，激光是從左向右掃描，因此，對于碼牌上面一排ID 編碼孔來說，4 號閱讀頭的激光要比1 號的激光提前掃描到第一個編碼孔，即黃色編碼孔。同理，對于下面一排的時鐘孔來說，激光掃描到每個時鐘孔的掃描順序為6 號最先掃描，5 號次之，3 號第三個掃描，2 號最后掃描。優(yōu)先級為6 →5 →3 →2。

圖4 傳感器的分布圖

此時，6 路激光對應(yīng)的輸出端1-6 號閱讀頭輸出到PLC 的電信號如圖5 所示。

圖5 PLC 端電信號圖

我們可以看出，當(dāng)U 型槽從激光碼牌的左面向右面運動時，第4 個接收端相對于第1 個接收端而言，優(yōu)先掃描到碼牌上面一排的黃色孔，而對于時鐘信號而言，碼牌下面一排的4 個接收端探測器的初始采樣時鐘信號的高電平到來時（上升沿）刻優(yōu)先級為：6 →5 →3 →2。而且通過觀察我們可以看出，1 號和4號接收的第一個ID 編碼孔時高電平的持續(xù)時間要比激光信號2、3、5、6 號接收端接受的時鐘的高電平保持時間要長。碼盤從右面向左面運動同理。

（2）位置識別。識別焦化機車方向后，例如左側(cè)1號閱讀頭率先讀取，2 號閱讀頭將讀取到十個時鐘信號，以這十個時鐘信號為一個周期，那么這十個時鐘信號都分別代表一個位置信息，綜合計算后，得到機車的實時地址信息。

（3）爐號識別。例如，發(fā)射端發(fā)射的激光信號1和4 分別掃描如圖4 所示的激光碼盤的上面一排較寬的ID 編碼孔，激光信號2、3、5、6 掃描激光碼盤的下面一排較窄的時鐘孔。上面一排的10 個ID 編碼孔只有第1 個開通（黃色表示已開孔，灰色表示沒有開孔），此時，1、4 路掃描激光通過第1 個孔時，與激光1、4 分別對應(yīng)的1 號與4 號接收端探測器輸出到車載PLC 的電信號均保持為高電平1，其余9 個孔由于沒有開孔，掃描激光通過時，由于碼牌遮擋，即產(chǎn)生所謂的光障現(xiàn)象，此時，1 號與4 號接收端探測器輸出到車載PLC 的電信號均保持為為低電平0。

上面一排10 個編碼孔的最后一個孔為奇偶校驗孔，如果開孔，此時為黃色，掃描激光通過該孔時，此時與1、4 路閱讀頭激光分別對應(yīng)的1 號與4 號接收端探測器輸出到車載PLC 的電信號均保持為高電平1，表明此時激光碼牌為偶數(shù)，如果最后一個沒有開孔，此時為灰色，掃描激光通過時，由于碼牌遮擋，導(dǎo)致光障現(xiàn)象，與激光1、4 分別對應(yīng)的1 號與4 號接收端探測器輸出到車載PLC 的電信號均為低電平0，此時激光碼牌為奇數(shù)。

同時，由于上面一排ID 編碼孔的間距比下面一排時鐘孔的間距要寬，因此當(dāng)6 路激光隨U 型槽運動掃描到激光碼牌時，激光信號1、4 掃描激光碼牌的第一個ID 編碼孔時高電平的持續(xù)時間要比激光信號2、3、5、6 掃描下面的時鐘的高電平保持時間要長。

此時，它的ID 號為如上圖4 所示標(biāo)紅的10 位0 與1 構(gòu)成的數(shù)字代碼，最高到底依次為：0000000001，其中最高位為奇偶校驗位，最低位代表黃色孔所對應(yīng)的高電平，將上述10 位二進制代碼轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)即為1。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的核心芯片采用高性能且功耗低的STM32F103RCT6 單片機，對閱讀頭所采集的碼盤信號進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)方向識別、焦化機車位置識別、爐號定位等功能，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囕dPLC 與車載控制端，進一步實現(xiàn)車輛的前后移動與定位。系統(tǒng)軟件采用C 語言代碼編寫，其設(shè)計思想如下：首先，通電檢查，確保硬件電路無故障，同時恢復(fù)上一次斷電前的機車位置信息。接下來讀取激光閱讀頭采集到的碼盤數(shù)據(jù)，識別最先到來的信號，如果是1 號激光閱讀頭傳來的信號，那么左側(cè)1、2、3 號激光有效，4、5、6 號激光無效。反之4、5、6 號激光有效，1、2、3 無效。先讀取碼盤的信息，再判斷方向，讀取時鐘脈沖，進一步得到爐號，再存儲地址信息；最后，把焦化機車的方向、爐號、實際地址上傳。

4 信號處理模塊的設(shè)計

信號讀取模塊包含變壓電路、單片機電路、繼電器電路、輸入電路與輸出電路。

4.1 變壓電路芯片的選擇

整個系統(tǒng)需要利用12V 和3.3V 的電源，因此設(shè)計了變壓模塊，變壓器模塊需要用到的電壓調(diào)節(jié)芯片是LM2596S。圖6 為24V 轉(zhuǎn)12V 變壓器，其在本設(shè)計中硬件電路配有3 個，其作用是將電源模塊提供的穩(wěn)定24V電壓轉(zhuǎn)換為12V 后提供給繼電器模塊與12V 轉(zhuǎn)3.3V 變壓器。圖7 為12V 轉(zhuǎn)3.3V 變壓器，其作用是將12V 電壓轉(zhuǎn)化為3.3V 電壓，進而給單片機模塊供電。

圖6 變壓電路圖12-24

圖7 變壓電路圖3.3-12

選擇LM2596S 芯片作為電路的電壓轉(zhuǎn)換芯片是因為其具有高效轉(zhuǎn)換和低熱損耗的特性，能夠輸出穩(wěn)定的電壓，且輸出電壓可調(diào)范圍廣，并且成本低。與其他線性穩(wěn)壓器相比，LM2596S 具有更低的成本。

4.2 單片機電路

本系統(tǒng)的核心芯片選用的是STM32F103RCT6，該芯片具有豐富的外圍設(shè)備接口，具有高性能的處理器，并且存在低功耗設(shè)計滿足大部分供電設(shè)備的需求，成本較低以及擁有較小的尺寸，適用于焦?fàn)t定位系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。通過輸入電路碼盤對對位傳感器進行遮擋得到的信號傳輸給單片機，通過單片機對采集信號進行解碼，得到爐號信息、焦?fàn)t機車的位置和運行方向信息，最后，通過數(shù)據(jù)傳輸模塊將綜合信息發(fā)送至PLC 端。單片機外圍電路如圖8 所示。

圖8 STM32F103RCT6 引腳接法

4.3 輸入電路

碼盤的輸入主要是6 對傳感器輸出的電脈沖信號，分別通過OL0、OL1、OL3、OL4、OL5、OL6 與STM32F103RCT6相連，當(dāng)對射激光處于對射狀態(tài)時，此時光通量高于設(shè)定閾值，輸入端將3.3V 電信號給到單片機。當(dāng)對射式光纖中間有碼盤阻擋時，光通量低于設(shè)定閾值，輸入端將0V 電信號給到單片機（圖9）。

圖9 輸入接口電路原理圖

4.4 繼電器電路

繼電器電路采用的是日本松樂品牌的芯片，三極管放大電路類型為共發(fā)射極放大電路，能夠把微弱的信號放大的輸入的交流信號電壓疊加在直流上，使三極管基極、發(fā)射極之間的正向電壓發(fā)生變化，通過三極管的控制作用，使集電極處于反向偏置，以使三極管起到放大作用。本硬件電路共有15 路繼電器，在電路板上排成一排，當(dāng)碼盤被掃描，單片機將給出信號控制15 路繼電器熄合，進而直觀地將碼盤號、機械運行方向、定位狀態(tài)反饋于15 路繼電器的LED 燈上。

碼盤輸出接口電路輸出的3.3V 控制信號經(jīng)過繼電器后輸出，通過SONGLE REPLY 的COM 端將焦?fàn)t機車所在爐號、實際地址、走行方向等信息端傳送給PLC 端。繼電器電路如圖10 所示。由該圖可知，碼盤輸出接口電路輸出的12V 高電平被由SONGLE REPLY 構(gòu)成的電路轉(zhuǎn)換為PLC 可接受的24V 高電平。

圖10 繼電器電路

當(dāng)單片機的PA1 引腳輸出+3.3V 時，圖中發(fā)光二極管D5 截止，g1 輸出低電平。當(dāng)單片機的PA1 引腳輸出0V 時，發(fā)光二極管D5 導(dǎo)通，三極管Q1 飽和導(dǎo)通，g1輸出高電平24V。

5 系統(tǒng)實物圖

由圖11 所示，自適應(yīng)焦?fàn)t機車定位系統(tǒng)可以精確識別到碼盤上顯示的目標(biāo)爐號與當(dāng)前爐號的精確位置與識別到機車運行方向，機車地址信息，符合設(shè)計的要求。

圖11 現(xiàn)場運行圖

6 結(jié)語

自適應(yīng)焦?fàn)t機車定位系統(tǒng)采用U 形槽外殼，基于BCD 編碼+奇偶校驗位的編碼方式，能夠準(zhǔn)確識別每個碼盤的信息，其采集的數(shù)據(jù)能與車載PLC 良好對接，完成焦?fàn)t機車自動走行定位的功能。該系統(tǒng)在山西省襄垣鴻達焦化設(shè)備有限公司所提供的場地作為測試平臺，完場了該項目的現(xiàn)場實驗。目前，該工廠的推焦車、停焦車、熄焦車、裝煤車、導(dǎo)煙車均使用該設(shè)備長達半年。最終結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定地工作，且滿足焦?fàn)t機車定位精確的要求。

從改革開放至今，我國國產(chǎn)自動化水平一直隨著我國的科技水平的提高而進步，對各大領(lǐng)域的發(fā)展起到了十分重要的作用。然而，焦?fàn)t機車的自動走行與自動定位系統(tǒng)的國產(chǎn)化較不成熟。因此，把高質(zhì)量、高性能的“中國制造”產(chǎn)品帶入焦炭行業(yè)任重而道遠(yuǎn)，我們需要加大對該領(lǐng)域的研究力度，減少對國外設(shè)備的依賴，早日實現(xiàn)技術(shù)、設(shè)備國產(chǎn)化。