基于高精度定位技术的炼钢车间
天车安全监控系统
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来源：《中国新技术新产品》2019年第09期
摘要：炼钢是钢铁生产的重要环节。

炼钢车间工艺复杂，从铁水到合格钢坯需要经过一系列物理化学变化。

天车作为炼钢车间主要的倒运设备，其工作效率直接影响着整个钢铁企业的生产节奏，因此为了保证炼钢车间天车的安全运行，为其提供一套安全监控系统便格外重要。

该文结合炼钢车间天车的运行特点，基于高精度定位技术为炼钢车间提供了一套天车安全运行的监控系统。

为天车的安全运行提供技术保障，进而提高整个炼钢车间的安全生产等级。

关键词：炼钢车间；编码器；激光定位；控制系统
中图分类号：TP274 文献标志码：A
0 引言
在钢铁冶炼的过程中涉及众多复杂的物理化学变化。

高炉冶炼完成后，铁水在炼钢车间内要经历脱磷、脱碳、加合金料等多道工序处理。

铁水在不同工序之间的倒运都是通过炼钢车间内部天车实现的。

炼钢车间铁水倒运天车为铸造吊起重机，起重重量通常达到100 t～200 t。

天车长期在高温、高粉尘甚至含有有害气体的恶劣环境中运行，天车能否安全平稳运行不仅影响了炼钢车间的生产效率，更关系到车间的工人的人身安全。

依托电子技术的发展，将精度更高的检测手段用于天车位置检测，以此来确保天车安全运行已成为解决天车定位的重要方式。

1 研究意义
天车是工业生产中不可或缺的起重设备，近年来天车定位技术发展较快。

最初天车定位完全凭借天车工自行判断。

天车司机还需要地面指挥人员指导天车走行，这样传统的定位模式过度依赖人为操作，天车司机必须具有丰富的驾驶经验，才能满足日常生产的需求。

随着编码器的广泛应用，在天车大车轮轴上加装编码器的定位方式渐渐取代人工操作方式，编码器统计轮轴的转数，结合天车轮半径，进行天车在厂房内部的定位，但是编码器在炼钢车间这种高扬尘，高温度的环境中旋转轴容易损坏。

而且当天车轮在轨道上出现打滑情况时，编码器不能计算出旋转的角度，会出现较大误差。

2 高精度定位技术应用
2.1 光电式编码器
编码器是一种安装在转动轴上，将轴的机械位移转换为电脉冲信号或者数字量信号的传感器。

光电式绝对值编码器是一种将光电检测技术与编码器技术相结合的新型传感器。

绝对值编码器可以将位置信息转换为唯一的二進制定位编码。

与增量型传感器相比，绝对值编码器具有掉电保持、精确度高等特点。

绝对值编码器由码盘、光电发射器、光狭缝、光电接收器和齿轮组码盘组成。

被测轴在转动过程中带动绝对值码盘转动，在编码器的任何一个位置都可以通过读取光电接收器的明暗情况确定唯一编码，进而确定旋转位移。

当轴转动角度超过360°时，齿轮轴会带动齿轮组码盘旋转进位，增加编码器量程。

2.2 激光测距仪
激光具有良好的相干性、方向性和单色性，被视作测距仪器的理想光源。

根据测距原理的不同，常用的激光测距技术可以分为干涉测距、三角测距、脉冲测距和相位测距。

其中相位法的测量原理是将激光发射到被测物体，经过表面发射后，由测距仪接收。

测距仪解析计算发射端和接收端的相位差，进而计算出整段距离。

这种测量方式精度高，抗干扰性强，被广泛应用于中远距离测距。

2.3 格雷母线
基于感应环线原理设计的格雷母线定位系统主要分为3个部分，分别是移动站、格雷母线和固定站。

格雷母线内部包括感应环线，并按照格雷码的排布方式制造。

移动站安装在被测物体上，且距离格雷母线10 cm左右，被测物体在移动过程中与格雷母线发生电磁感应，固定站通过感应强度，实时计算出移动物体的位置，并传输到控制系统中。

3 系统架构
天车大车的运行跨度为整个炼钢车间跨间长度，在跨间高层平台上安装格雷母线，并将固定站分别安装在母线两侧，小车的走行方向是沿着大车的宽度进行，在小车梁上安装激光测距仪，将反光板沿着激光方向安装在大车横梁上用于反射激光，以此来提高测距精确度。

将光电式绝对值编码器安装在天车主钩和副钩提升电机轴侧，根据电机的旋转计算出主钩和副钩的高度。

另外为了保证天车的安全运行，在常规天车机械防碰撞基础上，在天车大车两侧安装激光测距仪，用于实时检测天车与周边天车或厂房墙壁的距离，当到达安全警戒距离时，向天车控制系统发出急停信号。

3.1 网络架构
大车定位的格雷母线系统固定端向外发出位置检测信号，系统采用Modbus TCP协议，通过以太网无线网桥将信号传递到控制系统中，天车控制系统安装在天车配电室中。

激光测距仪通过硬线电缆连接到天车PLC模拟量模块，通过4 mA～20 mA传输方式将位置检测信号发送到控制系统。

绝对值编码器通过PROFIBUS协议将天车主钩和副钩高度传递到控制系统中，具体网络结构图如图1所示。

3.2 软硬件选型及流程
系统检测仪表的选型如下：激光测距仪采用的型号为TC-20，量程为20 m，编码器选择绝对值编码器BES58-P0SADPHDCD0，配安装支架和保护装置，通信方式为PROFIBUS-DP，电缆型号为6XV1 830-0EH10，格雷母线移动站选用型号为AFC-CTR01，格雷母线型号为AWC-EC100，终端箱型号为AWC-BS01。

天车控制系统采用西门子S7-300PLC，配343以太网卡和模拟量输入输出模块。

天车走行过程中格雷母线系统实时定位大车的位置，安装在小车上的激光测距仪实时检测小车位置，安装在天车钩电机上的编码器实时检测主副钩位置，安装在大车上的激光测距仪用来防止天车发生碰撞。

所有检测数据通过PLC传递给上位机，上位机软件采用含有丰富协议的西门子WinCC7.3上位机系统。

4 结语
随着电子技术的发展，越来越多的新型检测装置被用于工业生产当中。

为炼钢车间提供一套基于高精度定位技术的炼钢车间天车安全监控系统，能在保证天车作业效率的同时，保证炼钢车间的安全生产。

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为了确保天车的安全可靠运行，天车上必须采取防撞措施。

特别对于炼钢的出坯跨吊车来说，吊车主要用于钢坯的侧运，吊车的吨位大，运行速度快，安全可靠性尤为重要。

传统的防撞方式为机械极限，即采用行程开关等元件执行简单的限位功能。

这种方式可以起到基本的防撞作用，但由于机械极限容易损坏需要经常维修更换，而且机械极限的动作距离短，起到的安全作用有限，很难满足现场的需求。

后来随着光电技术的发展，现在的天车上大多采用激光反射板式天车防撞设备，由于此类装置以激光为检测介质，一是，大幅度减小现场蒸汽粉尘
等的影响，二是该装置多为智能型装置，可以设定和发送报警、减速、停车等功能指令，有效地保证天车的安全运行。

但其仍然存在的很大的安全隐患，即该装置的反射板在温度超过60℃时容易变形，引起测量误差，造成误动作；同时反射板在安装时需要与发射装置对位，对安装调试也增加了一定难度。

所以，武钢的设备维护人员一直苦于想寻找一种安全可靠、维护方便的天车防撞产品。

OSM150正是这样一种直反式激光防撞装置，当然它的出现引起武钢设备维护人员高度重视也就成为必然，之后立即在现场安装试用。

试用后发现该产品相对于以前的产品有很大的优势，
智能防碰撞系统具有以下特点：算法先进，确保报警信号及时发出
附加安装，不改变塔吊原有线路和结构，不会产生任何负面效果
声光提示，简单便捷，既可及时提醒司机注意危险又不会分散司机注意力
集中管理，所有数据更改和参数调整都可以在监控室完成而不需要上塔吊操作
集中观测，监控室可以实时观测各个塔吊上设备的运转情况，能够及时发现故障
通信可靠，通信距离远，穿越障碍物能力强安装拆卸方便，安装过程对塔吊作业影响小
塔上设备操作简单，司机不需要修改任何数据，避免人为误操作造成的故障体积小、结构紧凑，占用驾驶室空间小，便于安装和使用。