基于北斗定位技術在焦爐車輛無人值守的應用研究

洪雨

（國家能源集團煤焦化有限責任公司總調度室，內蒙古 烏海 016000）

基于自動行走對位技術與無線通信聯鎖技術，實現焦爐車輛全自動化操作，其中五大車自動行走對位技術是實現四大車全自動控制的關鍵與基礎，通過無線通信系統，實現焦爐操作從班計劃編排、計劃發布、計劃執行的全程閉環自動控制模式，對簡化操作流程、提高生產效率、降低工人勞動強度、確保安全生產有著十分重要的意義。

1 系統的設計方案

（1）焦爐車輛的定位采用基于我國北斗地基增強系統毫米級北斗時空位置服務的方式，為連續的地址檢測方式，地址檢測單元采用一體化結構，以提高地址的實時性和穩定性。地址檢測和數據通信RTK（實時動態）載波相位差分技術。

（2）焦爐車輛與中央控制室的之間的數據交換以無線通訊為基礎，采用雙差分無線收發分離技術，具有抑制同頻串擾、變頻干擾的優點。

（3）采用三層計算機網絡拓普結構，該方式具有抗干擾性強、通信可靠的優點。

（4）軟件采用step7 編程開發軟件，從而確保系統的兼容性、運行穩定性。

2 系統組成

2.1 北斗精準定位技術

使用基于RTK 差分技術的戶外作業實時動態厘米級測量高精度一體化設備，在廠區的四車活動區域和焦爐位置使用CGCS2000（2000 國家大地坐標系）并結合北斗地基增強系統的云計算糾偏，采集焦爐車輛活動范圍和焦爐范圍的相對高精度坐標。通過已采集測定的坐標點畫出范圍提取CGCS2000中基于“高斯-克呂格投影”計算得出的分帶劃分區塊內所有經緯度坐標，生成高精度坐標點組成的矢量圖。

在車頂部開闊位置安裝北斗外置天線設備按運行要求設置RTK 服務對應的數據回傳模式和網絡接口，接入國家北斗地基增強系統。國家北斗地基增強系統云計算平臺會根據反饋的焦爐車輛上的移動站北斗衛星數據（位置、授時），通過云計算技術匹配車輛附近的增強系統內多個基準主站，并將最近的基準參考站作為基準參照坐標點通過載波相位差分技術運算得出焦爐車輛的相對厘米精度坐標。將次近的增強系統內基準參考站設置為備用站，提供數據提煉參考和基準參考站備份，以備坐標基準參考站出現故障使項目系統無法運行。使用地理信息（GIS）換算得出焦爐車輛的姿態、時速等位置空間信息在云平臺上以經緯度坐標、運行方向、運行速度等方式進行顯示。

通過衛星定位坐標數據，因為大氣誤差、衛星誤差等原因所得到的坐標是有離散的。通過運算處理取值，將車輛每次行駛軌跡、停靠點轉化為一系列坐標系，利用車輛的每次停靠坐標在坐標矢量圖內進行坐標點到坐標點作業，計算得出每個焦爐的中心坐標點。使設備在積累數據的同時不斷進行自學習，降低每次推焦偏離中心點的誤差。

2.2 窄波速毫米波脈沖相參雷達技術（以下簡稱毫米波雷達技術）

毫米波/太赫茲(terahertz，THz)波通常是指頻率為30GHz-100GHz-10THz的電磁波，位于微波和遠紅外光之間，毫米波/太赫茲波輻射能穿透非金屬和非極性材料，能穿透煙霧和浮塵，對不同環境適應能力強。在焦爐有煤塵、氣霧等干擾因素較多的作業環境中有優于其他傳感設備的效果。

單具窄波束毫米波雷達能有效識別“爐框”（爐子之間的柱子）的邊沿，在1～1.5m 處，左右對準精度控制在1cm精度范圍內。通過POE(Power Over Ethernet)接口，實現以太網通信，同時提供供電。

測距原理：設光速為C，毫米波往返雷達與目標之間的時間為T，則目標相對雷達的距離R 為：R=C×T/2，式中數字2表示收發雙程。

2.3 軟件實現技術

網絡拓撲采用管理層、中央控制層、執行層三級架構。大車部分為系統的執行層，其主控器采用SIMENS S7-300 系列plc,中央控制層由SIMENS-S7300 系列plc（由位置檢測設備通信系統組成，通過無線通訊技術，并通過網絡適配器與企業的局域網進行連接。

圖1 焦爐車輛設備遠程監控管理平臺結構

中央控制室為中央控制層，作到整個系統的承接，通過車上安裝的北斗定位器、毫米波雷達將各移動大車的車五分控制器產生地址檢測信號發送中央控制中心，得到各車的實時精確絕對位置，機上部分通過控制器與機車plc 交換信息，通過HMI 將信號傳遞給大車司機，實時網絡中心通過收集、分析、處理各機車送來的信息形成控制命令指揮各車工作，自動生成推焦、裝煤計劃及記錄、統計報表、實時動畫顯示各機車工作狀態。北斗定位器和天線箱、始端箱、終端箱等組成通信與位置檢測的媒介，是機車與地面中控室之間溝通的渠道，故設計采用全密封結構，以適應惡劣的現場環境。

管理層為核心，由實時動畫監控和計劃管理軟件兩個組成部份，能夠完成手工計劃錄入與自動編制作業計劃的功能，同時記錄推焦、裝煤，生成各類個性化報表，并存儲生產數據，動畫以WINCC建模以動畫形式真實反映生產現場各種作業機械的位置、動作情況等，實現系統數據共享和上層監督功能。

3 行走精準停車控制

自動行走原理其中行走控制軟件設計是實現自動行走功能的主要部分。本車的實時坐標通過北斗接收機得到，通過系統算法判斷大車位置及所需要執行行動利用無線通訊設備發送指令到車上DCS 服務器，DCS 根據接收到的指令，通過PROFIBUS-DP 對行走變頻器進行無級調速控制，最終實現自動行走定位精度在誤差范圍內。

焦爐移動車輛控制系統對整個焦爐車輛的作業進行管理，包括車輛的聯鎖對位和推焦計劃執行，在系統配置上分為地面控制中心和車上控制單元，車輛無人駕駛的自動對位是發展的必然趨勢，自動對位技術對位的精度要求相當高，只有在保證精度的前提下，焦爐車輛才能實現自動對位，自動對位的關鍵技術是對位的精度。

當前研究較多關注車輛通訊技術的可靠性，缺少對車輛行走的對位精度的關注，數學模型中的車輛行走分為3 個階段，即行走起動、行走均速、行走減速，其中最重要的是行走減速按雙曲線模型對速度進行控制（如圖2）。

圖2 雙曲線數學模型

系統根據焦爐作業計劃發出工作指令后，通過無線通訊發送指令控制車上單元自動執行指令，實現精準對位和自動推焦，不受天氣和人為因素影響。

為實現大車快速準確的自動行走，對行走變頻器的給定速度進行策略規劃，根據當前位置與目標位置的坐標距離差值，將其分為粗定位標志區和精定位標志區。粗定位標志區的主要作用是保持車輛高速持續行走，精定位標志區主要作用是降低行走速度控制停車精度。當大車在運行時，利用安裝在大車上的北斗高精度設備對實際位移及與目標的實時距離，并依據GIS 公式計算出控制系統對行走變頻器的速度設定（距離越小，速度越小）。大車結束粗定位行走，進入精定位標志區距離目標值為3.4m,大車進入降速和緩慢行駛階段，系統利用北斗高精度位置信息和毫米波雷達數據反饋監控大車運行軌跡，通過軟件算法判斷停車時間點并給DCS 服務器下達停車制動指令。停車精度為15mm,完全滿足現場生產工藝需求。

4 焦爐全自動控制系統的實現

基于北斗精準定位及無線擴頻通訊技術的焦爐五車聯鎖及自動控制系統，技術先進，安全性強，實用性強。充分考慮的焦化現場惡劣環境及用戶的生產管理需求，以硬件設備可靠穩定，軟件功能豐富。

焦爐車輛設備遠程監控平臺通過把焦爐車輛設備與局域網結合起來，使工業現場設備的遠程操作和無人駕駛得以實現。自動行走技術的應用可以提高單車作業效率。

大車一次行走對位準確率達到98%以上，平均單爐作業時間為9～9.5min，實現推焦、裝煤計劃的自動下達與執行，以及推焦時間、推焦電流、裝煤時間、裝煤量、結焦時間等重要生產參數的自動記錄、報表輸出。