焦化装置现有抓斗行车智能化技术改造

曾承花

（镇海石化工程股份有限公司，浙江宁波 315000）

流程工业是制造业的重要组成部分，以资源和可回收资源为原料，通过包含物理化学反应的气液固多相共存的连续化复杂生产全流程，为下游离散型制造业提供原材料和能源。这些工业包括石化、化工、钢铁、有色金属、建材和电力等高耗能行业，是国民经济和社会发展的重要支柱产业，是我国经济持续增长的重要支撑力量。目前我国已成为世界上种类最齐全、规模最庞大的流程制造业大国。为解决资源、能源与环保的问题，我国流程工业正从局部、粗放生产的传统流程工业向全流程、精细化生产的现代流程工业发展，以达到提高资源与能源的利用率、有效减少污染的目的，高效化和绿色化是我国流程工业发展的必然方向。

当前，发达国家纷纷实施“再工业化”战略，强化制造业创新，重塑制造业竞争新优势。美国智能制造领导联盟提出实施21世纪“智能过程制造”的技术框架和路线[1]；德国提出了以智能制造为主导的第四次工业革命发展战略，即“工业4.0”计划；英国宣布“英国工业2050战略”，日本和韩国先后提出“I-Japan战略”和“制造业创新3.0战略”。面对第四次工业革命带来的全球产业竞争格局的新调整，为抢占未来产业竞争制高点，我国宣布实施“中国制造2025”。智能制成为公认的提升制造业整体竞争力的核心高技术，也是我国实现制造强国的主攻方向。智能制造只有与制造业的特点与目标密切结合，充分利用大数据，将人工智能、移动互联网、移动计算、建模、控制与优化等信息技术与制造过程的物理资源紧密融合与协同，研发实现智能制造目标的具有各种新功能的制造系统，才可能使制造业实现跨越式发展。

图1 焦池视图

近年来，我国石化工业企业大中型新建装置基本都进行了信息化建设，生产过程中采用了集散控制系统（DCS）、现场总线系统（FCS）、可编程控制器（PLC）系统，安装了先进控制软件，如紧急停车（ESD）系统、先进控制（APC）系统、实时优化（RTO）和运行控制系统，实现了生产工序的回路闭环控制、过程监控和运行优化。但我国石化装置新旧不一，部分装置部分工序依然存在人力密集现象，生产经营计划与管理、生产过程的运行操作与管理系统的决策分析仍然依靠知识型工作者凭知识和经验来完成。人的行为制约整个生产线和最终的产品质量。因此，完成炼化企业老旧装置剩余人力密集工序的智能化升级改造是意义重大的。本文通过对国内某石化厂焦化装置现场储焦池行车抓斗现状进行分析，提出行之有效的智能化升级改造方案。

1 焦化装置现场储焦池行车抓斗现状

某石化厂焦化装置现场储焦池，焦池长108m、宽35.5m。焦池上横跨有编号为H001A（简称A行车）、H001B（简称B行车）的2台行车，型号QZ32-35.5A7。现要实现A行车的无人化作业，单台设备大车作业范围94m、小车作业范围35.5m。目前行车采用箱梁端部悬挂的司机室现场操作，大、小车电机、起升、开闭电机均为变频电机。

抓斗自初步堆积区将含水焦炭抓至堆焦沥干区，然后再等待沥干区焦炭充分干燥后，再从堆焦沥干区抓至破碎机料斗内。石油焦从堆积区全部抓到沥干区约需4h，再从沥干区抓到破碎机料斗约需4h，这是单车运行操作的情况，每一次动作大约需要3 min（一塔按1500～2000t焦炭）。焦池视图见图1。

2 问题分析及技改目标

2.1 问题分析

目前行车都是用人工手动操作，操作人员需要爬上较高的行车，进入司机室进行操作。大车位置、小车位置、起升高度都由人眼目测后操控。现场环境恶劣、工作时间长、劳动强度大且上下攀爬有一定程度的危险，无法满足装置运行效率。随着劳动力资源的日益短缺，成本愈加高昂。

近期抓斗行车故障频发，因抓斗行车一般由传统的闭合机构以及提升结构组成，两者在运行中承担的重力相通，如抓斗在运行中出现闭合不严的问题，容易出现物料泄漏的问题，不仅增加吊机的运行难度，也会出现系统过载的问题，无法提高抓斗行车运行的效率。另外，在抓斗行车中，提升设备的钢丝容易过松的状态，会出现物料抓取少以及设备操作强度大等问题，无法实现吊装设备的高效运行。在进行抓斗吊装设备的变频调控中，存在着操作程序繁琐的问题，导致抓斗吊装系统的变频器过载严重。综合以上原因，通过AI技术对该系统进行改造升级是非常必要的。焦池抓斗行车系统现场图见图2。

图2 焦池抓斗行车系统现场图

2.2 智能化技改工作思路

本次改造通过全自动远程控制、远程手动控制方式，同时保留焦化装置原有的现场司机手动控制方式，自动程序按照既定程序完成焦池抓焦、沥干等程序。抓焦沥干等具体按照总的时间网络编排，具体视时间网络和池内焦量综合判断，焦池内料位判断采用先进的扫描技术。抓斗考虑防摇摆技术、行车大车、小车轮双侧需考虑同步自动纠偏功能，防止车轮在双侧轨道出现不同步的情况，对常见的故障，如钢丝绳偏移跳股，钢丝绳断股或断裂、滚筒组同心度出现超标、大小车车轮打滑、大小车轮啃轨等采用故障状态的监测判断及故障判断后设备的自动保护功能，以达到自动程序控制行车运行、抓斗自初步堆积基坑区将含水焦炭抓至堆焦沥干区，然后再从堆焦沥干区抓至破碎机料斗内，实现3种控制方式任意选择：全自动远程控制、远程手动控制、保留原有的现场司机室手动控制，提高操作可靠性和安全性[2]。

3 智能化技改方案

3.1 自动化原理描述

首先，自动控制系统将整个焦池进行信息化、数字化管理，即将焦池虚拟成若干个网格，在系统中存放有每个网格的准确地址信息，同时，也可以通过计算机随时更改各网格的地址。这样整个焦池就被编码成由多个网格组成的数字存贮焦池，利用应用软件实时设定抓取与投料的具体的网格号，控制系统就可根据各行车的位置信息控制行车到达指定的目的网格号，自动完成抓取和投料作业。

假设操作人员设定作业顺序后，系统开始自动取料时，开始从初步堆料区“A”点进行抓取，随后通过安装的旋转编码器得到抓斗高度，通过重量变送器及拉力传感器的保护保证对焦炭的抓取，抓斗从焦池提升至安全高度后，将此次抓取的焦炭放置沥干区内“B”点。待焦炭沥干后，抓斗将“B”点焦炭抓到破碎机入口“C”点，此次行车完成抓取焦炭过程。系统根据编码器的数值及力矩传感器的极限判断对“A”点、“B”点的焦炭是否抓取完成，若判定结果为“否”，则行车继续回到“A”点、“B”点位置继续进行抓取动作；当判定结果为“是”，则系统可根据加减间隔地址自动计算出下次行车抓取位置，直至完成一个横班的抓取焦炭工作。

图3 操作系统图

3.2 自动控制系统改造实施

如图3所示，行车自动控制系统利用现有的行车机械本体等，分阶段实现焦化池2台行车的自动化、无人化改造。整套控制系统由行车控制系统、通信系统、地面控制系统3部分组成。

行车控制系系统由现场环境天气监测系统、变频控制系统、PLC控制系统、防碰撞系统、定位系统、3D扫描系统、抓斗保护系统、称重系统以及视频监控系统组成。

通讯系统是将行车控制系统与地面控制系统进行通讯，传输行车实时运行信息到地面监控系统的同时接受地面控制系统的自动控制指令，此外视频监控系统的信号也通过通讯系统进行传输。通讯系统主要包含无线AP、天线、信号转换器以及光纤等设备。

地面控制系统包括了视频监控系统、行车状态信息监控实时操作系统、远程操作系统等。远程操作系统具体指地面操作站有相应的操作台和相应的行车状态显示器件，司机可在半自动系统指引下或者观察实时视频监控系统完成抓斗行车的远程操作，此功能一般仅在特殊情况下应急使用。

行车本体改造包括：（1）完善行车大/小车的变频器改造，包括增加增量型编码器，增加通讯卡；（2）增加行车大/小车及吊具定位改造，包括增加刻度标尺定位系统检测实时精准检测行车的大/小车位移，增加绝对值式旋转编码器检测开闭电机及起升电机的位移值；（3）增加激光扫描仪，用于焦池沥干区的物料成像；（4）完善吊具的限位器，具备冗余功能；（5）改进行车的重量限制器，使具备相应精度及4～20 mA信号输出功能，改进风速检测仪表的表头，使具备4～20 mA信号输出功能。

其次，地面改造包括：（1）增设光缆通讯设备传输行车指令，增设无线AP传输视频图像；（2）增设现场控制柜，使系统具备远程给行车断电急停的功能；（3）增设1台地面PLC柜，用于分配及协调多台行车的作业；（4）增设硬件防火墙，用于硬件隔离无人行车系统和厂级系统；（5）增加中控室视频监控站，通过视频实时监控现场设备的运行情况。

3.3 行车大车及小车刻度表尺检测系统的改造

本次改造新增行车大车及小车刻度表尺检测系统，行车大小车位置检测采用刻度标尺定位技术。大车刻度标尺沿大车轨道布置在拖缆支架上方，在行车端梁适当位置伸出支架，固定大车刻度标尺，安装施工时确保大车刻度标尺和大车游尺指针的间距为100±20 mm，实现大车的位移检测；沿行车横梁上的栏杆布置小车刻度标尺，在小车前端或后端安装小车游尺指针，安装施工时确保小车刻度标尺和小车游尺指针的间距为150±20 mm，实现小车的位移检测；检测到的大/小车位移地址传送到车载电器柜内的PLC，PLC根据当前位置与目的地址以及参考行车位置动态调整行车抱闸，精确控制行车停到目的地址[3]。

3.4 高度、重载检测及防抓斗倾倒

高度、重载检测及防抓斗倾倒自动改造如下：（1）高度检测。行车高度方向上，由于距离相对较短，采用旋转编码器的形式测量Z轴高度，同时与升降限位开关相配合，实现吊钩升降运动的控制。编码器采用绝对值式多圈编码器，分辨率13位，编码信号通过总线输出到行车PLC，编码器安装在卷筒末端的出轴或减速机端盖上。

（2）重量限制器现场的重量限制器不能满足系统要求，需要对重量限制仪表进行参数确认及改造，改造内容包括，更换重量限制仪表的精度，使仪表的测重误差在±5%以内，并且仪表能输出4～20mA的电流信号，车载PLC采集重量限制仪表输出的4～20mA信号，通过程序判断抓斗是否正确抓取或放下物料以及是否触底。具体改造内容如表一所示。

（3）防抓斗倾倒。全局直观状态通过司机操作室外的视频摄像机观察；主控操作室根据现场的高度信息、结合力矩限制器重量信息进行相应的逻辑处理，保证行车抓斗在下降过程中保持抓斗平衡不会倾倒，上升时确保行车已安全起吊，使操作员可实时动态观察行车的情况，避免在抓取过程中出现错抓或碰撞的重大事故，保证起吊平稳、安全[4]。

3.5 防撞系统

防碰撞是无人行车的一个重要功能，防止行车之间出现碰撞事故。防撞系统改造内容为（1）网络层：通讯冗余互补，利用行车间的网络进行实时通讯，将行车刻度标尺定位系统及APON无线定位测距的数据发送给彼此，作为防撞距离参考，确保行车安全运行。（2）管理层：库管系统防撞补充，库管系统每次下达的作业指令都会重新计算行车间的安全作业距离，并调整行车的作业目标位或避让系统。系统还会实时监控每台行车的距离，当小于安全距离时会发出停车信号。如在APON无线定位测距仪的主要技术指标确定中，应该遵循以下标准：①移动搬运设备地址测量精度：小于2cm；②测量范围：0～1km；③工作环境温度：-40～85℃；④刷新速度：125 Hz（最大）；⑤输入电源：AC220 VAC±10%、DC4.5～48 V。通过对APON系统改造方案的分析可以发现，该技术存在测距速度快、定位精度高、运行稳定、抗干扰能力强、体积小、重量轻、安装方便快捷、调试周期短的优势[5]。

3.6 自动追速程序

在正常抓斗控制的基础上，本次新增自动化追速程序，在抓斗的打开、闭合以及下降过程中，变频器均为一速49 Hz高速度，以保证抓斗的高效率。但在抓斗上升过程中，当出现开闭、起升钢丝绳不同步时，PLC自动监测变频器频率和电流的变化，在满足条件时就将开闭变频器降低速度至二速38 Hz运行，同时起升变频器提高速度至二速50 Hz运行，保证在短时间内追上来，使起升钢丝绳拉紧，一旦钢丝绳拉紧后，两变频器电流将接近相等，自动追速程序就停止，立刻恢复以一速49 Hz使开闭、起升钢丝绳同步上升，进而达到钢丝绳受力均匀的目的[6]。

3.7 工业WIFI传输系统

行车车载PLC与地面通讯柜之间采用的是无线通讯，目前中石化《关于加强工业控制系统安全防护的指导意见》中规定工业控制系统原则上不采用无线网络。确需采用无线网络时，应对无线连接进行授权、监控和隔离，通过无线连接只应进行数据的采集，无线连接采集的数据不应参与联锁和控制。无线设备室外型电信级无线AP网桥工作于5.8G Hz全频段，提供了一种非常适用的，性价比极佳的远距离点对多点解决方案，真正实现高性能、多功能平台的经济型设备，融合了无线接入以及骨干网连接的功能。系统可通过用户友好的WEB界面进行远程管理，易于安装维护。无线设备的空中速率高达1500 Mbps，同时支持SuperG和TurboA模式，在TurboA模式下可高达1500 Mbps。具有射频链路测试能力，有效解决了无线网络安装中最困难的安装配置问题，使其安装和维护简便易行。

4 实施效果

某石化焦化装置抓斗行车智能化改造，通过刻度标尺精确定位技术、料堆测量3D扫描技术、行车防碰撞技术、工业无线通讯和视频监控系统、现场总线控制技术、现场环境天气监测技术有机的融合于PLC控制系统中，解决了现场行车位置跟踪和作业命令的传输及执行，能完美地配合工艺流程的抓取、投放等作业功能，有效地简化工作流程，可由1人操作多台或全部行车，并将作业过程和作业结果与管理系统进行实时通讯与反馈，将最后的信息盲点纳入到了全厂整体的管控中，提高工作效率，降低了劳动生产负荷和安全风险，节约生产成本，降低故障发生率，便于维修与保养。提高企业产值与行业竞争力，使生产管理不断趋于集约型、科学化、数字化。为最终全装置的智能化打下了坚实基础。