基于北斗定位技术在焦炉车辆无人值守的应用研究

洪雨

（国家能源集团煤焦化有限责任公司总调度室，内蒙古 乌海 016000）

基于自动行走对位技术与无线通信联锁技术，实现焦炉车辆全自动化操作，其中五大车自动行走对位技术是实现四大车全自动控制的关键与基础，通过无线通信系统，实现焦炉操作从班计划编排、计划发布、计划执行的全程闭环自动控制模式，对简化操作流程、提高生产效率、降低工人劳动强度、确保安全生产有着十分重要的意义。

1 系统的设计方案

（1）焦炉车辆的定位采用基于我国北斗地基增强系统毫米级北斗时空位置服务的方式，为连续的地址检测方式，地址检测单元采用一体化结构，以提高地址的实时性和稳定性。地址检测和数据通信RTK（实时动态）载波相位差分技术。

（2）焦炉车辆与中央控制室的之间的数据交换以无线通讯为基础，采用双差分无线收发分离技术，具有抑制同频串扰、变频干扰的优点。

（3）采用三层计算机网络拓普结构，该方式具有抗干扰性强、通信可靠的优点。

（4）软件采用step7 编程开发软件，从而确保系统的兼容性、运行稳定性。

2 系统组成

2.1 北斗精准定位技术

使用基于RTK 差分技术的户外作业实时动态厘米级测量高精度一体化设备，在厂区的四车活动区域和焦炉位置使用CGCS2000（2000 国家大地坐标系）并结合北斗地基增强系统的云计算纠偏，采集焦炉车辆活动范围和焦炉范围的相对高精度坐标。通过已采集测定的坐标点画出范围提取CGCS2000中基于“高斯-克吕格投影”计算得出的分带划分区块内所有经纬度坐标，生成高精度坐标点组成的矢量图。

在车顶部开阔位置安装北斗外置天线设备按运行要求设置RTK 服务对应的数据回传模式和网络接口，接入国家北斗地基增强系统。国家北斗地基增强系统云计算平台会根据反馈的焦炉车辆上的移动站北斗卫星数据（位置、授时），通过云计算技术匹配车辆附近的增强系统内多个基准主站，并将最近的基准参考站作为基准参照坐标点通过载波相位差分技术运算得出焦炉车辆的相对厘米精度坐标。将次近的增强系统内基准参考站设置为备用站，提供数据提炼参考和基准参考站备份，以备坐标基准参考站出现故障使项目系统无法运行。使用地理信息（GIS）换算得出焦炉车辆的姿态、时速等位置空间信息在云平台上以经纬度坐标、运行方向、运行速度等方式进行显示。

通过卫星定位坐标数据，因为大气误差、卫星误差等原因所得到的坐标是有离散的。通过运算处理取值，将车辆每次行驶轨迹、停靠点转化为一系列坐标系，利用车辆的每次停靠坐标在坐标矢量图内进行坐标点到坐标点作业，计算得出每个焦炉的中心坐标点。使设备在积累数据的同时不断进行自学习，降低每次推焦偏离中心点的误差。

2.2 窄波速毫米波脉冲相参雷达技术（以下简称毫米波雷达技术）

毫米波/太赫兹(terahertz，THz)波通常是指频率为30GHz-100GHz-10THz的电磁波，位于微波和远红外光之间，毫米波/太赫兹波辐射能穿透非金属和非极性材料，能穿透烟雾和浮尘，对不同环境适应能力强。在焦炉有煤尘、气雾等干扰因素较多的作业环境中有优于其他传感设备的效果。

单具窄波束毫米波雷达能有效识别“炉框”（炉子之间的柱子）的边沿，在1～1.5m 处，左右对准精度控制在1cm精度范围内。通过POE(Power Over Ethernet)接口，实现以太网通信，同时提供供电。

测距原理：设光速为C，毫米波往返雷达与目标之间的时间为T，则目标相对雷达的距离R 为：R=C×T/2，式中数字2表示收发双程。

2.3 软件实现技术

网络拓扑采用管理层、中央控制层、执行层三级架构。大车部分为系统的执行层，其主控器采用SIMENS S7-300 系列plc,中央控制层由SIMENS-S7300 系列plc（由位置检测设备通信系统组成，通过无线通讯技术，并通过网络适配器与企业的局域网进行连接。

图1 焦炉车辆设备远程监控管理平台结构

中央控制室为中央控制层，作到整个系统的承接，通过车上安装的北斗定位器、毫米波雷达将各移动大车的车五分控制器产生地址检测信号发送中央控制中心，得到各车的实时精确绝对位置，机上部分通过控制器与机车plc 交换信息，通过HMI 将信号传递给大车司机，实时网络中心通过收集、分析、处理各机车送来的信息形成控制命令指挥各车工作，自动生成推焦、装煤计划及记录、统计报表、实时动画显示各机车工作状态。北斗定位器和天线箱、始端箱、终端箱等组成通信与位置检测的媒介，是机车与地面中控室之间沟通的渠道，故设计采用全密封结构，以适应恶劣的现场环境。

管理层为核心，由实时动画监控和计划管理软件两个组成部份，能够完成手工计划录入与自动编制作业计划的功能，同时记录推焦、装煤，生成各类个性化报表，并存储生产数据，动画以WINCC建模以动画形式真实反映生产现场各种作业机械的位置、动作情况等，实现系统数据共享和上层监督功能。

3 行走精准停车控制

自动行走原理其中行走控制软件设计是实现自动行走功能的主要部分。本车的实时坐标通过北斗接收机得到，通过系统算法判断大车位置及所需要执行行动利用无线通讯设备发送指令到车上DCS 服务器，DCS 根据接收到的指令，通过PROFIBUS-DP 对行走变频器进行无级调速控制，最终实现自动行走定位精度在误差范围内。

焦炉移动车辆控制系统对整个焦炉车辆的作业进行管理，包括车辆的联锁对位和推焦计划执行，在系统配置上分为地面控制中心和车上控制单元，车辆无人驾驶的自动对位是发展的必然趋势，自动对位技术对位的精度要求相当高，只有在保证精度的前提下，焦炉车辆才能实现自动对位，自动对位的关键技术是对位的精度。

当前研究较多关注车辆通讯技术的可靠性，缺少对车辆行走的对位精度的关注，数学模型中的车辆行走分为3 个阶段，即行走起动、行走均速、行走减速，其中最重要的是行走减速按双曲线模型对速度进行控制（如图2）。

图2 双曲线数学模型

系统根据焦炉作业计划发出工作指令后，通过无线通讯发送指令控制车上单元自动执行指令，实现精准对位和自动推焦，不受天气和人为因素影响。

为实现大车快速准确的自动行走，对行走变频器的给定速度进行策略规划，根据当前位置与目标位置的坐标距离差值，将其分为粗定位标志区和精定位标志区。粗定位标志区的主要作用是保持车辆高速持续行走，精定位标志区主要作用是降低行走速度控制停车精度。当大车在运行时，利用安装在大车上的北斗高精度设备对实际位移及与目标的实时距离，并依据GIS 公式计算出控制系统对行走变频器的速度设定（距离越小，速度越小）。大车结束粗定位行走，进入精定位标志区距离目标值为3.4m,大车进入降速和缓慢行驶阶段，系统利用北斗高精度位置信息和毫米波雷达数据反馈监控大车运行轨迹，通过软件算法判断停车时间点并给DCS 服务器下达停车制动指令。停车精度为15mm,完全满足现场生产工艺需求。

4 焦炉全自动控制系统的实现

基于北斗精准定位及无线扩频通讯技术的焦炉五车联锁及自动控制系统，技术先进，安全性强，实用性强。充分考虑的焦化现场恶劣环境及用户的生产管理需求，以硬件设备可靠稳定，软件功能丰富。

焦炉车辆设备远程监控平台通过把焦炉车辆设备与局域网结合起来，使工业现场设备的远程操作和无人驾驶得以实现。自动行走技术的应用可以提高单车作业效率。

大车一次行走对位准确率达到98%以上，平均单炉作业时间为9～9.5min，实现推焦、装煤计划的自动下达与执行，以及推焦时间、推焦电流、装煤时间、装煤量、结焦时间等重要生产参数的自动记录、报表输出。