一、研究的背景与问题：

湛江钢铁炼铁厂一、二高炉系统焦化工程于2015年7月投产，设有4×65孔JNX3-70-2型复热式顶装焦炉，布置于同一条中心线，同时配套3套焦炉机车及4套干熄炉。

鉴于湛江钢铁焦炉当时的运营状况，装煤车、推焦车、导焦车以及电车、上升管系统、炉盖浇浆、炉前作业、炉门清扫、炉框清扫等环节均采用手动、半自动操作。其中，炉前作业、炉顶作业环境恶劣、劳动强度大，存在危害作业人员健康及安全的潜在隐患。为确保现场作业人员身心健康，协同推进宝钢智慧制造与焦炉机车无人化作业，在工业系统自动化的大趋势下，湛江钢铁对焦炉机车进行了综合性升级改造，旨在减少重复性高强度劳动程度，提高智能化设备水平、设备自动智能水平，提高竞争力。

二、解决问题的思路与技术方案：

1、总体思路

（1）通过推焦车、装煤车、导焦车、电车的无人化改造，采用5G信号传输、自动检测技术等技术，使用自动作业流程代替焦炉机车司机的操作。

（2）进行通用自动化改造，包括无线数传改造、焦炉机车自动运行安全保障系统、焦炉机车信息收集分析系统、焦炉机车自动作业管理系统、控制软件升级，实现车辆的远程集中控制、智能监盘以及设备状态分析。

（3）提升辅助作业自动化水平。主要通过上升管自动化改造、新增焦炉自动测温、改进推焦车与导焦车清门清框装置及炉前扒焦装置，减少操作工的劳动强度、同时确保安全，也是焦炉车辆全自动安全运行的必备条件。

 图1 解决思路流程图

2、技术方案

（1）作业车辆无人化改造

①推焦车。推焦车全自动模式的投运可在远程控制室进行，车上控制系统保留现有全部的单元自动及机旁手动控制功能，同时操作室配置自动语音播报系统。增加尾焦处理自动补水装置、炉门启闭到位检测装置、小炉门到位检测装置、头尾焦斗料位检测以及调度机车装置，对余煤回送及石墨吹扫进行改造、对小炉门开闭机构进行改造、同时增加淌焦板清理机械臂。

 图2 推焦车自动推焦、平煤

改造后推焦车运作流程：

 图3 推焦车改造后运行流程图

②装煤车无人化改造.装煤车全自动模式的投运可在远程控制室进行，车上控制系统保留现有全部的单元自动及机旁手动控制功能，操作室配置自动语音播报系统，自动播报四大车关键作业以及主要故障信息。增设加煤口堵塞检测装置，取盖装置改造。

图4 调整车辆对位精度、检查装煤车取盖装置

改造后装煤车运作流程：

 图5 装煤车改造后运行流程图

③导焦车无人化改造。导焦车全自动模式的投运可在远程控制室进行，车上控制系统保留现有全部的单元自动及机旁手动控制功能。操作室配置自动语音播报系统，自动播报改造车辆关键作业以及主要故障信息。具体改项内容：停电应急装置改造、增加尾焦处理自动补水装置、增设炉门启闭到位检测装置、导焦车增加淌焦板清理机械臂。

图6 探讨自动化过程中存在的问题、导焦车自动导焦

改造后导焦车运作流程：

图7 导焦车改造后运行流程图

④电车无人化改造

电车设备改造：电车定位、台车与牵引中心位置校对、电车与牵引对位、电车与导焦车对位。

 电车检测系统改造：设备自检系统、故障检测、故障分离、故障评价、故障决策。

检测系统稳定性提升：在电车从动轮增加走行编码器，采用双编码器设计，确保定位的准确性；增加每台电车制动器开到位检测，保证走行系统稳定可靠、运行；变频器负荷平衡控制；增加3个高音报警器，紧急情况下能够进行报警提示；优化台车锁闭位置检测传感安装方式、检测方式位置，提高检测精度；扩展PLC数据采集模块，对新增检测装置进行数据采集。

电车控制系统改造：停车按钮。在新设门禁旁边增设正常、紧急停车按钮，便于进入电车区域的人员可快速进行相应的操作；电车与导焦车对位联锁。将感应信号采集进电车控制系统，用来联锁电车的动作；异物入侵报警。将电子围栏和门禁系统的入侵信号采集进干熄焦电气室，送至干熄焦系统新增的信号输入卡。通过地面系统通讯给电车控制系统，用来联锁电车的动作。当检测到有入侵信号时，系统报警并根据需要禁止电车走行；防碰撞优化。采用集成继电器开关的紧凑型距离传感器来测量电车之间的距离，将可配置的继电器开关检测信号送入控制系统进行电车的联锁控制，达到防碰撞的目的；走行控制智能化。升级现有电车走行控制软件功能，在人工手动指定的基础上，实现电车接焦炉号的自动智能化识别功能，做到走行控制智能化；电车、牵引和吊车智能运行模型。实现电车作业自动化；红焦到干熄炉路径最优化、模型化；四大车和干熄炉生产节奏协调智能化。

改造后电车运作流程：

 图8 电车改造后运行流程图

（2）通用自动化改造

通用部分主要包括以下改造：

高温区液压系统改造：对处于高温区的关键部位液压系统进行改造，将机车上处于高温环境油缸增加高温区液压系统冷却装置。在靠近高温热源区的带内置传感器液压缸增设压缩空气吹扫冷却。

车辆自动对位改造：改造存在对位问题的装煤车及电车对位装置，采用进口自动对位装置替换目前产品，从动轮增加重型编码器及计数模块进行距离检测，提高自动对位系统的可靠性、稳定性。

（3）横铁入位改造

设计并更换一、二号焦炉机、焦侧共计炉门538个，保证在推焦车关炉门时能一次性关门成功。

（4）无线数传改造

车辆自动化无线传输系统为视频传输和信号传输共用，在推焦车工作区域新建一套无线传输系统用于机车作业集控，提供稳定可靠工作的通信网络。

（5）焦炉机车自动运行安全保障系统

建立自动化生产要求的安全系统，在机车区域内，建立探测/识别/定位系统，提前发现安全隐患，并通过计算帮助现场人员处理安全状况，同时生产人员可不断提出新需求，持续优化安全处理模式，实现智能化管理。

（6）焦炉机车信息收集分析系统

①车辆新增检测设备：液压与空压系统增加检测装置；增加主电源检测装置；每台取门机台车进退机构、导焦栅进退机构各增加1个前限位、后限位；增加车辆运行模式指示。

②设备数据收集分析软件的开发：信息定义与编码；电源系统状态信号收集，连锁控制与故障显示模块；油缸传感器分析模块；各炉门的取门机前后行程统计、基准测量、自适应行程参数记录；各车辆状态信息收集和控制逻辑；各车辆设备的运行记录数据库建立；各车辆设备的操作记录数据库建立；设备信息及故障判断数据库的建立。

（7）焦炉机车自动作业管理系统

①服务器上数据库模型的开发；设备状态信息的汇总、归档；作业车辆的远程监控；统计报表系统；车辆作业时间和出炉效率统计；操作站HMI；推焦作业计划的调整和根据出炉实绩下发车辆作业系统。

（8）控制软件升级

① L2系统改造：推焦作业计划优化、推焦实绩完善及新增功能的整合等；新增加的直行温度自动测温数据；优化火落判定模型。

②机车作业连锁控制改造：开发通信校验软件；改进车辆间协调作业模式，增加中控机车作业集控系统；开发炭化室作业状态数据库；开发车辆作业时间和协调作业时间自动记录和统计软件。

③ 车辆作业新增功能：推焦车新增自动放余焦、自动换炉门、横铁到位自动判定、自动清炉门、自动清框、自动换车等自动功能。导焦车新增自动换炉门、自动清炉门、自动清框、尾焦处理自动补水功能、横铁到位自动检测、自动换车等功能。装煤车新增自动换车等自动功能。4）推焦、装煤、导焦新增自动换车功能。

（3）炉顶作业自动化改造

①上升管系统自动化改造：增加气动设备。中央控制系统改造。在各焦炉煤塔电气室新增上升管用PLC盘，用于对上升管系统进行控制。配套设施改造。采用全新开发并使用效果良好的新型上升管水封盖及座、多功能执行机构；辅助增加上升管隔热设施及对操作台进行改造。

②立火道自动测温及火落

立火道自动测温：在焦炉炉顶立火道配置红外自动连续测温及其配套装置，安装于有特征点的立火道，通过算法模型，根据测温结果，作为焦炉加热控制重要参数。装置能在线测量，不受雨天、装煤车走行等因素干扰，实现焦炉立火道自动连续测温。

火落管理：更换性能无法满足检测要求的热电偶；优化热电偶安装位置，使之测得数据真实高效；更新数据模型，使曲线在对比度、反馈真实度等指标具备指导焦炉加热条件。

③煤塔下料口安全改造：改造后每个漏嘴将有2个关到位冗余的限位开关；增加一套独立的PLC系统，将所有煤塔漏嘴的开到位、关到位、装煤车到位、漏嘴开、漏嘴关等信号送该PLC系统进行控制。实现PLC自动控制后，任何一次漏嘴关闭而没有同时收到两个关到位限位开关的信号时，装煤车不能移车。

三、主要创新性成果

本项目获授权专利10项，企业技术秘密6项。

图9 主要技术成果

四、应用情况与效果

图10 焦化集控

首次运用数字孪生技术，成功收集并整合车辆运行信号与数据。通过3D建模，实时展示车辆状态，并配合远程控制系统，实现了国内首套完全远程操控的焦炉四大车设备。

首次引入5G远程视频监控系统。在湛江钢铁、大重与联通的联合下，车辆安装了首套5G网络高清视频远程传输系统。该系统可根据车辆运行状态，自动切换监盘画面至当前运行机构，有效解决了画面杂乱无序的问题。

此外，我们首次在焦炉机车上搭载智能分析系统，并新建数据服务器。实时收集车辆状态、运行时间与参数、故障信息，并对这些数据进行存档与分析。从继电器工作次数到设备整体状态评分，我们能够预判设备寿命并提供维护建议，使设备管理更加智能化。

应用上述成果后，湛江钢铁焦炉区域的劳动效率、经济效益和社会效益得到显著提升。具体体现在以下几个方面：

 图11 焦炉机车自动化率效果对比

湛江钢铁1、2#焦炉四大车全自动运行率达95.6%。本项目使用新工艺及设备代替了部分在现场作业的操作人员，使得员工远离现场恶劣作业环境、降低了劳动负荷，提高了自动化率。项目实现后正式员工优化64人，协力员工优化24人。

在全自动集中控制的统一调度下，湛江钢铁一二焦炉作业速度由247.7炉/天提升到了257.5炉/天，大大提高了作业效率，提高了生产力，3年总效益可达2829.41万元。

湛江钢铁积累了大量创新经验，不仅在智能生产方面有较明显进步，而且在机车之间的安全连锁等方面，也取得了长足的进步，为行业内的改造提供了相关经验，加速了国内焦炉机车智能化新技术的发展。

信息来源：宝钢湛江钢铁有限公司