高炉冲渣行车自动化抓渣的改造及研究

高炉冲渣行车自动化抓渣的改造及研究
宋飞成
【摘要】高炉渣是炼铁生产过程中必不可少的副产物,水淬高炉渣是当前炼铁企业普遍采用的处理方法,该方法可很好的回收利用高炉渣,我国高炉渣的资源利用率已经达到95％以上,通常是用作水泥原料,可减少水泥生产过程石灰石的分解,进而降低二氧化碳的排放.传统的抓渣是由司机手动操作,开闭钢丝绳由司机观察手动调整,受制于视线和司机的操作习惯,进入秋冬季候,冲渣产生的大量水蒸气会严重干扰司机视线,导致开闭电机长期工作在过载状态,容易损坏电机,钢丝绳也需要经常更换.本方案通过对操作人员操作习惯的研究,采用矩阵式抓渣、定点放渣的方式,通过格雷母线和编码器对行车大小车实现精准定位,并通过PLC加变频器的控制方式,达到行车自动抓渣,提高行车作业效率,减少操作人员的劳动强度的目的.
【期刊名称】《中国金属通报》
【年(卷),期】2018(000)009
【总页数】2页(P52,54)
【关键词】自动化抓渣、PLC与变频器;、技术改造
【作者】宋飞成
【作者单位】中天钢铁集团有限公司,江苏常州 213011
【正文语种】中文
【中图分类】TF57
节能减排，发展循环经济是作为能源密集型钢铁企业的发展趋势。

水淬高炉渣是当前炼铁企业普遍采用的处理方法，该方法可很好的回收高炉渣。

传统抓渣操作是由司机手动操作，开闭钢丝绳由司机观察以后手动调整，但受制于视线和司机的操作习惯，存在以下问题：（1）高炉渣水淬处理以后具有一定的温度，冲入冲渣池的过程中会产生大量的水蒸气，水蒸气中含有二氧化硫等气体，对操作司机身体造成一定的伤害。

（2）天气恶劣及雾气较大时，司机在操作室无法看清抓斗的位置和状态，容易造成抓斗碰撞情况，损坏设备。

（3）当冲渣池中水位较高时，司机无法判断池中废渣的高度，较容易抓空；在抓冲渣池底部的时候，易将底部的钢板抓起，损坏滤水装置。

（4）抓渣工作单调，司机重复同样的抓料放料作业，容易疲劳造成安全事故。

为改善司机的工作环境、减轻工作负担、保证恶劣工作环境下抓渣作业的正常进行，同时降低设备的故障率，特提出对自抓渣作业进行自动化改造。

1 系统架构图
图1 系统架构图
如图所示，高炉自动抓渣系统主要由机上操作系统、通讯系统和地面操作系统三部分组成。

2 系统概述
2.1 机上操作系统
机上操作系统主要包含变频控制系统、PLC控制系统、定位系统、抓斗系统、称
重系统以及视频监控系统。

变频控制系统采用汇川高性能起重专用变频器，可安装抓斗控制工艺卡，由抓斗控制卡完成较为复杂的抓斗控制。

PLC选用高性能中型PLC，具有丰富的通讯接口
功能，选用DP通讯作为驱动控制系统的通讯方式，可方便扩展外围检测元器件。

定位系统包括起升定位系统、大车及小车定位系统。

根据抓渣行车的实际工况，起升定位系统选择在支持卷筒（低速侧）安装绝对值编码器来实时检测起升的高度值。

大车及小车定位均采用格雷母线方式，根据铺设在大车及小车运行方向的格雷母线，实时解码位置信息，PLC通过DP总线实时读取大车及小车的位置信息。

称重系统的实时重量信息通过模拟量接进PLC，由PLC计算实际重量。

视频监控系统主要
用于地面操作人员远程实时监控抓渣现场作业情况，监控摄像头分布安装于抓渣作业现场的各主要部分。

2.2 通讯系统
通讯系统主要分为两部分，第一部分为机上 PLC与变频器，定位系统等传感器设
备的通讯；另外一部分为机上PLC与地面操作站之间的通讯。

机上PLC与变频器及传感器设备之间采用DP通讯方式，直接进行硬件敷设。

机
上PLC与地面操作站之间的通讯，采用无线结合光纤通讯的方式，机上PLC通过无线AP1 (随行车移动），将机上的信号通过无线局域网传输到安装在行车行走轨道一侧固定位置的无线AP2,在无线AP2的位置安装一个以太网转光纤设备，通过敷设好的光纤电缆将信号传送到地面操作室，与组态软件及地面操作站的PLC完
成通讯。

视频监控设备采用同样的通讯方式将视频监控信号传送到地面操作站。

2.3 地面操作系统
地面操作系统包括行车状态监控和操作系统、视频监控显示设备及其它网络通讯辅助设备等。

行车状态监控及操作系统通过组态软件编辑画面显示，良好的人机交互界面可监控行车的全部状态信息。

操作人员在自动模式下仅需选择需要作业的冲渣池及放料点，随后操作系统将任务信息发送至机上PLC，由PLC自动完成抓料工作。

远程操作
系统包括各机构的操作主令、行车关键状态信息监控（指示灯、按钮灯）等设备，所有地面操作的信号都接入地面操作站中的PLC中。

在自动控制系统出现故障时，操作人员可选择在地面操作行车。

视频监控系统及实时动画显示系统会给行车操作人员提供行车的实时状态信息，保证系统的安全。

3 系统关键技术点分析
3.1 防摇技术与定位系统的结合
由于钢丝绳的柔性特性，在行车行走过程中，抓斗会不可避免的发生摇晃，有经验的操作司机会根据经验判断摇晃方向，适当调整大车或小车的速度来消除摆动，但无法完全避免摆动。

通过激活变频器内部防摇控制功能，可有效消除95%以上的摆动。

变频器防摇控制属于电子开环防摇，无需增加摆角检测装置，变频器根据输出的速度和加速度、起升实际高度，结合防摇摆的数学模型，实时计算并调整变频器的输出速度，以达到防摇的目的。

在定位启动过程中，防摇介入控制以保证在启动过程到高速运行过程中抓斗不发生摇晃，在接近目标位置后，防摇功能同样可保证抓斗不发生摇晃，最终精确定位过程中，行车会以一个较低的速度进行对位，在此过程中，防摇功能会根据目前的状态，在系统已经不会发生摇晃且速度低于一定值的时候自动关闭防摇，由定位系统在低速完成定位，该种方案可高效完成定位工作。

3.2 渣池中水渣髙度的识别
由于多数情况下池中有水，因此无法判断池中水渣具体高度。

同时也无法安装相应的扫描设备或视频识别装置来判断水渣的实际高度。

通常的抓渣操作流程基本为抓斗处于打开状态向下移动，当抓斗接触到水渣后，保持绳子足够松弛再进行抓斗操作。

在抓斗在打开状态向下运动时，抓斗的重量为定值，通过PLC读取抓斗的实际重量，当抓斗刚接触到渣土表面的瞬间，重量会有较大的突变，通过PLC记录此时起升编码器的数值，该值即为此处水渣高度的实际值，此外冲渣池底部的高度为定值，因此就可判断某一位置渣土的实际高度及该位置的水渣是否已经抓完。

3.3 自动抓渣任务的规划
自动抓渣系统由于无法安装检测设备，无法预知冲渣池中水渣的实际情况，因此需要结合3.2中渣土实际高度检测的方法来进行统计和任务规划。

本系统采取区域划分的方式进行抓渣作业，根据抓斗的实际大小对渣池进行矩阵分割。

开始自动抓渣作业时以冲渣池的某一角落为起点，先横向后纵向依次将冲渣池抓取一斗，在此作业过程中，系统会记录每个抓渣位置的高度，根据抓渣位置的高度信息即可判断出冲渣池中所有高度信息，再结束第一个循环开始继续第二个循环抓渣时，系统会根据高度信息判断抓渣位置是否已经抓空，直到所有的位置全部抓空。

4 结语
生产制造智能化是未来的发展方向，实现抓渣行车自动化也是高炉实现智能化制造的趋势。

该系统的应用满足了高炉日常抓渣的生产需求。

针对实际的运行工况，考虑生产安全及设备安全，本系统采用的软硬件开发结构，也具有一定的推广价值。