RFID技術在焦化三大機車自動控制中的應用

　前言

在焦化生產(chǎn)中,推焦車、攔焦車、加煤車(簡稱3大機車)的自動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：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均無法使用,沒有成功應用的例子。
·條形碼技術：對環(huán)境及讀出條件要求嚴格,不能用于數(shù)據(jù)動態(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：編碼由生產(chǎn)廠一次編好,但數(shù)據(jù)碼長度有限,只能近距離讀出,數(shù)據(jù)不能動態(tài)更新,受環(huán)境影響大。
·GPS(衛(wèi)星定位系統(tǒng))技術：可連續(xù)定位追蹤,能動態(tài)數(shù)據(jù)讀寫、刷新。缺點是,造價太高,運行費用昂貴,定位精度大于2m,無法滿足機車定位的基本要求(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)中得到廣泛應用。

濟南鋼鐵集團總公司汲取前人經(jīng)驗教訓,借鑒了國外先進焦化生產(chǎn)的成功實例,于2002年10月與芬蘭羅德羅基公司合作在焦化廠5#焦爐實施了全新的RFID(RadioFrequencyIdentification無線射頻感應辨識系統(tǒng))機車控制管理方案。實踐證明,RFID無線微波技術對環(huán)境適應能力強,可抵御灰塵、油污、振動、冰雪、雨霧或蓬布遮擋物等的干擾,實現(xiàn)全天侯工作,并能夠動態(tài)存儲爐號位置信息,保證了3大機車定位控制和對機車信息管理的迅捷、可靠完成。

1　焦化機車控制工藝簡介

濟南鋼鐵集團焦化廠5#焦爐爐孔65孔;炭化室全長14280mm;炭化室有效長度13480mm;炭化室有效高度4074mm;爐高4300mm;爐寬450mm;爐長14280mm;結(jié)焦時間16～17h。整個焦爐配有推焦車、攔焦車、加煤車、熄焦車、電機車等設備,其中推焦車、攔焦車、加煤車3大機車的聯(lián)鎖控制非常關鍵。焦爐機車控制工藝設備布置見圖1。3大機車自動控制系統(tǒng)中引入了RFID技術,完成爐號識別和粗定位控制,并與精定位裝置及行走機車的變頻控制,共同實現(xiàn)3大機車之間的全自動控制。以每個炭化室中心為界,在推焦車、攔焦車、加煤車的道軌上安裝存儲有爐號數(shù)據(jù)的電子標簽,在推焦車、攔焦車、加煤車上分別安裝1臺電子標簽閱讀器以及精確定位裝置,實現(xiàn)了各機車自動粗定位、精確定位及推焦、攔焦、加煤的自動完成。

2　RFID技術簡介

2.1　RFID單系統(tǒng)構(gòu)成

RFID單系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成:①感應器,也稱電子標簽(Tag)。每個電子標簽均擁有唯一的32b的序列號,安裝在待識別物體的表面。②射頻信號處理控制系統(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和上位主機系統(tǒng)(應用軟件系統(tǒng)部分)。控制模塊主要包括數(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;主機部分主要完成系統(tǒng)控制管理、遠程通信。閱讀器可無接觸地讀取或修改電子標簽中所保存的電子數(shù)據(jù),達到自動識別和加載信息、管理物體的目的。還可進一步通過計算機及計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)對物體識別信息的采集、處理及遠程傳送等管理功能。

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)場有線改寫式和現(xiàn)場無線改寫式3大類;根據(jù)讀寫電子標簽數(shù)據(jù)的技術實現(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。其主要特點是電子標簽的成本較低、標簽內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)量較少、閱讀距離較短(無源情況,典型閱讀距離為10cm)、電子標簽外形多樣(卡狀、環(huán)狀、鈕扣狀、筆狀)、易于防護、閱讀天線方向性不強等。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)點是標簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較大、閱讀距離較遠(可達幾米至十幾米),適應物體高速運動性能好、外形為卡狀,閱讀天線及電子標簽天線均有較強的方向性;缺點是電子標簽及閱讀器成本均較高。

有源電子標簽內(nèi)裝有電池,具有較遠的閱讀距離,不足之處是電池的壽命有限;無源電子標簽內(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,閱讀器首先發(fā)射一定時間量的射頻脈沖信號,對電子標簽上的電容充電,然后電容放電,供內(nèi)部電路短時間工作,一般可做到免維護。相比有源系統(tǒng),無源系統(tǒng)在閱讀距離及適應物體運動速度方面略有限制。集成固化式電子標簽內(nèi)的數(shù)據(jù)信息一般在集成電路生產(chǎn)時就將信息以ROM工藝模式固化,其保存的信息是不變的;現(xiàn)場有線改寫式電子標簽一般將電子標簽保存的信息寫入其內(nèi)部的E2PROM存貯區(qū)中,改寫時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)場無線改寫式電子標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)射式射頻識別系統(tǒng)實現(xiàn)方法較簡單。電子標簽必須采用有源方式工作,實時將其存儲的數(shù)據(jù)信息不間斷地向外廣播,閱讀器僅作為接收機使用。這種系統(tǒng)的缺點是由于電子標簽必須不停地發(fā)射信息,耗電大,對周邊環(huán)境造成電磁污染,降低了系統(tǒng)的安全保密性。倍頻式射頻識別系統(tǒng)實現(xiàn)起來難度較大。一般情況下,由閱讀器發(fā)出查詢信號,電子標簽返回的信號載頻為閱讀器發(fā)出射頻的倍頻。這種工作模式對閱讀器接收處理回應信號提供了便利,但是,對無源電子標簽來說,電子標簽將收到的閱讀器發(fā)來的射頻能量轉(zhuǎn)換為倍頻回應載頻時,能量轉(zhuǎn)換效率較低,電子標簽成本上升,系統(tǒng)工作需占用兩個工作頻點,一般較少采用。

2.3　選型依據(jù)

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

1)焦化環(huán)境惡劣,希望維護量越少越好,因此,盡可能選擇無源電子標簽。
2)由于3大機車運行在專用鐵軌上,每次運行軌跡完全相同,可以允許不小于2～3cm的讀取距離,方向固定,機車運行速度小于1m/s。從成本和系統(tǒng)簡化考慮,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,當需要較精確的粗定位時,要對微波進行方向限制,實現(xiàn)定位檢測精度8cm(5#焦爐工藝要求)。簡易實現(xiàn)方法是在閱讀器上利用屏蔽管件定向接收。
3)每個安裝在軌道旁的電子標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,可以使用每個電子標簽唯一擁有的32b的序列號分辨。但當更換電子標簽時,將會帶來重新修訂位置識別程序的麻煩。所以,選用1KB存儲空間的電子標簽,系統(tǒng)維護者可以隨時地重新定義電子標簽,替換現(xiàn)場在用的電子標簽,而不必對控制程序進行改動。
4)倍頻射頻識別顯然不是我們所希望的。可以明確選擇反射調(diào)制式射頻識別系統(tǒng)。
5)機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。

鑒于RFID系統(tǒng)應用環(huán)境惡劣,我們選用芬蘭Idesco公司的1K5012B電子標簽和IR4040B閱讀器,基本可以滿足設計要求。1K5012B電子標簽:存儲容量1024B,工作環(huán)境溫度25～85℃;防護等級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℃,防護等級IP67。由于加強了防護,因此兩者之間最大讀取距離4cm。

3機車控制系統(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,每個機車上各配備1套PLC,主站為焦爐本體控制系統(tǒng),主要完成與主控計算機和各個機車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,進行推焦、攔焦、加煤的手動、自動控制,機車的粗定位與精定位自動控制。同時3個PLC分別配有操作終端,實時顯示焦爐位置狀態(tài)及推排焦爐號人工設定及自動化設備的校正,在本體控制系統(tǒng)上設有主控計算機,完成推排焦計劃的系統(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。電子標簽中存儲的爐號數(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：由主控計算機下達需推焦的目標爐號,從站1依據(jù)爐號電子標簽的數(shù)據(jù)控制推焦車的運行狀態(tài),到達指定爐號。推焦車對位正確后,進行工藝上的順序控制,使推焦桿精確定位。當接收到允許推焦信號后,開始推焦。推焦結(jié)束后,使平煤桿精確定位。當接收到允許平煤信號后,完成平煤,等待下一循環(huán)。

攔焦車：由主控計算機下達需攔焦的目標爐號,從站2依據(jù)爐號電子標簽的數(shù)據(jù)控制攔焦車的運行狀態(tài),到達指定爐號。攔焦車對位正確后,進行工藝上的順序控制,使導焦柵精確定位,發(fā)出允許推焦信號。當接收到導焦柵退出信號后,完成導焦柵后退,等待下一循環(huán)。

加煤車：由主控計算機下達需加煤的目標爐號,從站3依據(jù)爐號電子標簽的數(shù)據(jù)控制加煤車的運行狀態(tài),到達指定爐號。加煤車對位正確后,進行工藝上的順序控制,開始加煤,加煤結(jié)束時,發(fā)出允許平煤信號。之后,從站3繼續(xù)控制加煤車到達煤塔,進行補充煤料。完畢后,等待下一循環(huán)。生產(chǎn)控制工藝要求:3大機車必須在長達60m的運行軌道上實現(xiàn)多達195個工藝位置點的自動識別,識別位置偏差精度不大于8cm。只有這樣才能實現(xiàn)機車之間的聯(lián)鎖控制,從而避免3大機車發(fā)生錯位事故,而且還為精確定位控制機車啟停和加減速運行創(chuàng)造了良好技術條件,從而實現(xiàn)高效機車控制系統(tǒng)。

4　結(jié)束語

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