RFID技術(shù)在焦化三大機(jī)車自動(dòng)控制中的應(yīng)用

　前言

在焦化生產(chǎn)中,推焦車、攔焦車、加煤車(簡(jiǎn)稱3大機(jī)車)的自動(dòng)定位控制是極其重要的。在以往的控制方案中,主要是:

·攝像技術(shù)：受環(huán)境和物體表面位置影響大,如雪、雨、霧等氣候,物體表面位置高低不一時(shí)均無法使用,沒有成功應(yīng)用的例子。
·條形碼技術(shù)：對(duì)環(huán)境及讀出條件要求嚴(yán)格,不能用于數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新,在各方面條件均較差的焦化生產(chǎn)中難以有所作為。
·聲表面技術(shù)：編碼由生產(chǎn)廠一次編好,但數(shù)據(jù)碼長(zhǎng)度有限,只能近距離讀出,數(shù)據(jù)不能動(dòng)態(tài)更新,受環(huán)境影響大。
·GPS(衛(wèi)星定位系統(tǒng))技術(shù)：可連續(xù)定位追蹤,能動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)讀寫、刷新。缺點(diǎn)是,造價(jià)太高,運(yùn)行費(fèi)用昂貴,定位精度大于2m,無法滿足機(jī)車定位的基本要求(通常要求小于10cm)。以上4種方案不同程度地存在缺陷,均沒能在焦化生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)總公司汲取前人經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),借鑒了國(guó)外先進(jìn)焦化生產(chǎn)的成功實(shí)例,于2002年10月與芬蘭羅德羅基公司合作在焦化廠5#焦?fàn)t實(shí)施了全新的RFID(RadioFrequencyIdentification無線射頻感應(yīng)辨識(shí)系統(tǒng))機(jī)車控制管理方案。實(shí)踐證明,RFID無線微波技術(shù)對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),可抵御灰塵、油污、振動(dòng)、冰雪、雨霧或蓬布遮擋物等的干擾,實(shí)現(xiàn)全天侯工作,并能夠動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)爐號(hào)位置信息,保證了3大機(jī)車定位控制和對(duì)機(jī)車信息管理的迅捷、可靠完成。

1　焦化機(jī)車控制工藝簡(jiǎn)介

濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)焦化廠5#焦?fàn)t爐孔65孔;炭化室全長(zhǎng)14280mm;炭化室有效長(zhǎng)度13480mm;炭化室有效高度4074mm;爐高4300mm;爐寬450mm;爐長(zhǎng)14280mm;結(jié)焦時(shí)間16～17h。整個(gè)焦?fàn)t配有推焦車、攔焦車、加煤車、熄焦車、電機(jī)車等設(shè)備,其中推焦車、攔焦車、加煤車3大機(jī)車的聯(lián)鎖控制非常關(guān)鍵。焦?fàn)t機(jī)車控制工藝設(shè)備布置見圖1。3大機(jī)車自動(dòng)控制系統(tǒng)中引入了RFID技術(shù),完成爐號(hào)識(shí)別和粗定位控制,并與精定位裝置及行走機(jī)車的變頻控制,共同實(shí)現(xiàn)3大機(jī)車之間的全自動(dòng)控制。以每個(gè)炭化室中心為界,在推焦車、攔焦車、加煤車的道軌上安裝存儲(chǔ)有爐號(hào)數(shù)據(jù)的電子標(biāo)簽,在推焦車、攔焦車、加煤車上分別安裝1臺(tái)電子標(biāo)簽閱讀器以及精確定位裝置,實(shí)現(xiàn)了各機(jī)車自動(dòng)粗定位、精確定位及推焦、攔焦、加煤的自動(dòng)完成。

2　RFID技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1　RFID單系統(tǒng)構(gòu)成

RFID單系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成:①感應(yīng)器,也稱電子標(biāo)簽(Tag)。每個(gè)電子標(biāo)簽均擁有唯一的32b的序列號(hào),安裝在待識(shí)別物體的表面。②射頻信號(hào)處理控制系統(tǒng)(又稱閱讀器或讀出裝置),包括天線、射頻處理模塊RFM、控制模塊CTL和上位主機(jī)系統(tǒng)(應(yīng)用軟件系統(tǒng)部分)?？刂颇K主要包括數(shù)據(jù)通信處理,外部輸入輸出接口。前端器件主要完成數(shù)據(jù)捕獲、數(shù)據(jù)傳輸;主機(jī)部分主要完成系統(tǒng)控制管理、遠(yuǎn)程通信。閱讀器可無接觸地讀取或修改電子標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù),達(dá)到自動(dòng)識(shí)別和加載信息、管理物體的目的。還可進(jìn)一步通過計(jì)算機(jī)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體識(shí)別信息的采集、處理及遠(yuǎn)程傳送等管理功能。

2.2　RFID系統(tǒng)分類和工作原理

射頻技術(shù)依采用頻率不同可分為低頻系統(tǒng)和高頻系統(tǒng)兩大類;根據(jù)電子標(biāo)簽內(nèi)是否裝有電池供電,又可分為有源和無源兩大類;從電子標(biāo)簽內(nèi)保存數(shù)據(jù)的方式可將其分為集成電路固化式、現(xiàn)場(chǎng)有線改寫式和現(xiàn)場(chǎng)無線改寫式3大類;根據(jù)讀寫電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段,又可將其分為廣播發(fā)射式、倍頻式和反射調(diào)制式3大類。

低頻系統(tǒng)指其工作頻率小于30MHz,典型工作頻率:125kHz、225kHz、13.56MHz等。其主要特點(diǎn)是電子標(biāo)簽的成本較低、標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量較少、閱讀距離較短(無源情況,典型閱讀距離為10cm)、電子標(biāo)簽外形多樣(卡狀、環(huán)狀、鈕扣狀、筆狀)、易于防護(hù)、閱讀天線方向性不強(qiáng)等。高頻系統(tǒng)工作頻率大于400MHz,典型工作頻段:915MHz、2450MHz、5800MHz等。高頻系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較大、閱讀距離較遠(yuǎn)(可達(dá)幾米至十幾米),適應(yīng)物體高速運(yùn)動(dòng)性能好、外形為卡狀,閱讀天線及電子標(biāo)簽天線均有較強(qiáng)的方向性;缺點(diǎn)是電子標(biāo)簽及閱讀器成本均較高。

有源電子標(biāo)簽內(nèi)裝有電池,具有較遠(yuǎn)的閱讀距離,不足之處是電池的壽命有限;無源電子標(biāo)簽內(nèi)無電池,其工作用電完全靠閱讀器通過RF方式產(chǎn)生的充電脈沖供給。來源一卡通世界。在工作時(shí),閱讀器首先發(fā)射一定時(shí)間量的射頻脈沖信號(hào),對(duì)電子標(biāo)簽上的電容充電,然后電容放電,供內(nèi)部電路短時(shí)間工作,一般可做到免維護(hù)。相比有源系統(tǒng),無源系統(tǒng)在閱讀距離及適應(yīng)物體運(yùn)動(dòng)速度方面略有限制。集成固化式電子標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)信息一般在集成電路生產(chǎn)時(shí)就將信息以ROM工藝模式固化,其保存的信息是不變的;現(xiàn)場(chǎng)有線改寫式電子標(biāo)簽一般將電子標(biāo)簽保存的信息寫入其內(nèi)部的E2PROM存貯區(qū)中,改寫時(shí)需要專用的編程器或?qū)懭肫?改寫過程中必須為其供電;現(xiàn)場(chǎng)無線改寫式電子標(biāo)簽具有特定的改寫指令,一般也可由閱讀器直接完成,電子標(biāo)簽內(nèi)保存的信息也位于其E2PROM中的存貯區(qū),一般可改寫100萬次以上。

廣播發(fā)射式射頻識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法較簡(jiǎn)單。電子標(biāo)簽必須采用有源方式工作,實(shí)時(shí)將其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息不間斷地向外廣播,閱讀器僅作為接收機(jī)使用。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是由于電子標(biāo)簽必須不停地發(fā)射信息,耗電大,對(duì)周邊環(huán)境造成電磁污染,降低了系統(tǒng)的安全保密性。倍頻式射頻識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來難度較大。一般情況下,由閱讀器發(fā)出查詢信號(hào),電子標(biāo)簽返回的信號(hào)載頻為閱讀器發(fā)出射頻的倍頻。這種工作模式對(duì)閱讀器接收處理回應(yīng)信號(hào)提供了便利,但是,對(duì)無源電子標(biāo)簽來說,電子標(biāo)簽將收到的閱讀器發(fā)來的射頻能量轉(zhuǎn)換為倍頻回應(yīng)載頻時(shí),能量轉(zhuǎn)換效率較低,電子標(biāo)簽成本上升,系統(tǒng)工作需占用兩個(gè)工作頻點(diǎn),一般較少采用。

2.3　選型依據(jù)

RFID有多種類型,需要根據(jù)焦化機(jī)車控制管理的特點(diǎn)和實(shí)際環(huán)境分析確定其應(yīng)用選型。

1)焦化環(huán)境惡劣,希望維護(hù)量越少越好,因此,盡可能選擇無源電子標(biāo)簽。
2)由于3大機(jī)車運(yùn)行在專用鐵軌上,每次運(yùn)行軌跡完全相同,可以允許不小于2～3cm的讀取距離,方向固定,機(jī)車運(yùn)行速度小于1m/s。從成本和系統(tǒng)簡(jiǎn)化考慮,選用低頻系統(tǒng)。需要注意的是:微波系統(tǒng)具有一定的漫發(fā)射性,當(dāng)需要較精確的粗定位時(shí),要對(duì)微波進(jìn)行方向限制,實(shí)現(xiàn)定位檢測(cè)精度8cm(5#焦?fàn)t工藝要求)。簡(jiǎn)易實(shí)現(xiàn)方法是在閱讀器上利用屏蔽管件定向接收。
3)每個(gè)安裝在軌道旁的電子標(biāo)簽分別表示著工藝的物理位置。來源一卡通世界。工藝位置是固定的,可以使用每個(gè)電子標(biāo)簽唯一擁有的32b的序列號(hào)分辨。但當(dāng)更換電子標(biāo)簽時(shí),將會(huì)帶來重新修訂位置識(shí)別程序的麻煩。所以,選用1KB存儲(chǔ)空間的電子標(biāo)簽,系統(tǒng)維護(hù)者可以隨時(shí)地重新定義電子標(biāo)簽,替換現(xiàn)場(chǎng)在用的電子標(biāo)簽,而不必對(duì)控制程序進(jìn)行改動(dòng)。
4)倍頻射頻識(shí)別顯然不是我們所希望的。可以明確選擇反射調(diào)制式射頻識(shí)別系統(tǒng)。
5)機(jī)車上的閱讀器須將數(shù)據(jù)傳到距離20m的PLC控制器,確定使用RS232通信技術(shù)。

鑒于RFID系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境惡劣,我們選用芬蘭Idesco公司的1K5012B電子標(biāo)簽和IR4040B閱讀器,基本可以滿足設(shè)計(jì)要求。1K5012B電子標(biāo)簽:存儲(chǔ)容量1024B,工作環(huán)境溫度25～85℃;防護(hù)等級(jí)IP67。IR4040B閱讀器:載波頻率24kHz,通信接口為RS232+RS485,工作環(huán)境溫度20～70℃,防護(hù)等級(jí)IP67。由于加強(qiáng)了防護(hù),因此兩者之間最大讀取距離4cm。

3機(jī)車控制系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)配置

系統(tǒng)配置見圖2。

其中包含4套AB公司的ControlLogicPLC,每個(gè)機(jī)車上各配備1套PLC,主站為焦?fàn)t本體控制系統(tǒng),主要完成與主控計(jì)算機(jī)和各個(gè)機(jī)車PLC控制器之間的信息接收與傳送及數(shù)據(jù)管理。從站1、從站2、從站3根據(jù)主站發(fā)出的無線指令,進(jìn)行推焦、攔焦、加煤的手動(dòng)、自動(dòng)控制,機(jī)車的粗定位與精定位自動(dòng)控制。同時(shí)3個(gè)PLC分別配有操作終端,實(shí)時(shí)顯示焦?fàn)t位置狀態(tài)及推排焦?fàn)t號(hào)人工設(shè)定及自動(dòng)化設(shè)備的校正,在本體控制系統(tǒng)上設(shè)有主控計(jì)算機(jī),完成推排焦計(jì)劃的系統(tǒng)管理。

無線通信采用主從式無線通信方式完成各站間的信息傳送與接收。無線載波頻率406.6MHz;頻道間隔25kHz;頻率穩(wěn)定性±1.5kHz;通信速率9600b/s;通信方式為半雙工協(xié)議;發(fā)射類型F1D。電子標(biāo)簽中存儲(chǔ)的爐號(hào)數(shù)據(jù)與粗精定位控制流程如圖3所示。

3.2　控制流程

推焦車：由主控計(jì)算機(jī)下達(dá)需推焦的目標(biāo)爐號(hào),從站1依據(jù)爐號(hào)電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)控制推焦車的運(yùn)行狀態(tài),到達(dá)指定爐號(hào)。推焦車對(duì)位正確后,進(jìn)行工藝上的順序控制,使推焦桿精確定位。當(dāng)接收到允許推焦信號(hào)后,開始推焦。推焦結(jié)束后,使平煤桿精確定位。當(dāng)接收到允許平煤信號(hào)后,完成平煤,等待下一循環(huán)。

攔焦車：由主控計(jì)算機(jī)下達(dá)需攔焦的目標(biāo)爐號(hào),從站2依據(jù)爐號(hào)電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)控制攔焦車的運(yùn)行狀態(tài),到達(dá)指定爐號(hào)。攔焦車對(duì)位正確后,進(jìn)行工藝上的順序控制,使導(dǎo)焦柵精確定位,發(fā)出允許推焦信號(hào)。當(dāng)接收到導(dǎo)焦柵退出信號(hào)后,完成導(dǎo)焦柵后退,等待下一循環(huán)。

加煤車：由主控計(jì)算機(jī)下達(dá)需加煤的目標(biāo)爐號(hào),從站3依據(jù)爐號(hào)電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)控制加煤車的運(yùn)行狀態(tài),到達(dá)指定爐號(hào)。加煤車對(duì)位正確后,進(jìn)行工藝上的順序控制,開始加煤,加煤結(jié)束時(shí),發(fā)出允許平煤信號(hào)。之后,從站3繼續(xù)控制加煤車到達(dá)煤塔,進(jìn)行補(bǔ)充煤料。完畢后,等待下一循環(huán)。生產(chǎn)控制工藝要求:3大機(jī)車必須在長(zhǎng)達(dá)60m的運(yùn)行軌道上實(shí)現(xiàn)多達(dá)195個(gè)工藝位置點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別,識(shí)別位置偏差精度不大于8cm。只有這樣才能實(shí)現(xiàn)機(jī)車之間的聯(lián)鎖控制,從而避免3大機(jī)車發(fā)生錯(cuò)位事故,而且還為精確定位控制機(jī)車啟停和加減速運(yùn)行創(chuàng)造了良好技術(shù)條件,從而實(shí)現(xiàn)高效機(jī)車控制系統(tǒng)。

4　結(jié)束語

RFID技術(shù)自2002年6月起在濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)總公司焦化廠5#焦?fàn)t投用以來,大大提高了焦化生產(chǎn)的自動(dòng)化程度,避免了人為的操作失誤,提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率,系統(tǒng)故障率極低,成效顯著,是一項(xiàng)值得大力推廣的高新冶金工業(yè)控制技術(shù)。