“無(wú)人化”垃圾吊智能控制系統(tǒng)功能分析

李文鵬

（廣州環(huán)投從化環(huán)保能源有限公司，廣東廣州 510000）

在垃圾焚燒發(fā)電廠中，經(jīng)生活垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)運(yùn)回的垃圾將進(jìn)入鍋爐進(jìn)行焚燒處理，生活垃圾燃燒產(chǎn)生的熱量通過(guò)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)做功最終轉(zhuǎn)化為電能。在焚燒作業(yè)過(guò)程中，垃圾入廠多通過(guò)大型的橋式起重機(jī)以及液壓式抓斗完成投料、轉(zhuǎn)料、堆料、挖溝稱重和記錄等一系列工序，完成整個(gè)的投料作業(yè)。這些操作都將用到垃圾儲(chǔ)坑中的垃圾吊來(lái)進(jìn)行操作，所以對(duì)垃圾吊的運(yùn)行控制工作就貫穿了整個(gè)作業(yè)過(guò)程。

廣州市某垃圾焚燒發(fā)電廠于2017年初建成投產(chǎn)。垃圾儲(chǔ)坑采用北京起重機(jī)研究院生產(chǎn)的垃圾吊系統(tǒng)，配有兩臺(tái)垃圾吊，均為操作司機(jī)采用人工操作完成垃圾的轉(zhuǎn)料、堆料、投料等工作，操作過(guò)程繁瑣，占用人力成本較大。為緩解人力資源緊張的情況，為積極改善上述情況，提高垃圾吊自動(dòng)化控制投入率，加強(qiáng)垃圾吊生產(chǎn)管理標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論與技術(shù)設(shè)計(jì)垃圾吊的自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)上述操作作業(yè)過(guò)程的自動(dòng)運(yùn)行、遠(yuǎn)程控制，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工手動(dòng)操作，使運(yùn)行過(guò)程更準(zhǔn)確、穩(wěn)定，安全系數(shù)及效率更高，使得工人工作條件得到優(yōu)化改善，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 “無(wú)人化”垃圾吊智能控制系統(tǒng)

1.1 垃圾吊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

在整個(gè)垃圾吊系統(tǒng)中，使用橋式高架起重機(jī)作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由它帶動(dòng)垃圾吊實(shí)現(xiàn)在廠房平面的移動(dòng)以及升降動(dòng)作。因此制定合適的起重機(jī)控制策略，是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中的重點(diǎn)。起重機(jī)由小車(chē)（天車(chē)）、導(dǎo)軌、大車(chē)（橋）三部分構(gòu)成。小車(chē)是用來(lái)起升負(fù)載的部件，它作直線運(yùn)動(dòng)；橋沿著與它垂直方向的固定導(dǎo)軌移動(dòng)；導(dǎo)軌一般由兩條橫梁（橋）組成，一般與現(xiàn)場(chǎng)的固定構(gòu)件相連接，如廠房墻壁。沿著橋的方向、導(dǎo)軌方向以及小車(chē)升降的垂直方向的3個(gè)自由度的結(jié)合使得負(fù)載可以到達(dá)三維工作空間內(nèi)的任何位置。

1.2 “無(wú)人化”垃圾吊智能控制系統(tǒng)原理

垃圾吊全自動(dòng)系統(tǒng)分為4個(gè)子系統(tǒng)：垃圾池堆料管理系統(tǒng)、垃圾池卸料門(mén)系統(tǒng)、垃圾池自動(dòng)投料系統(tǒng)、遠(yuǎn)程操作及監(jiān)視。利用垃圾池堆料管理系統(tǒng)、垃圾池卸料門(mén)系統(tǒng)、垃圾池自動(dòng)投料系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)垃圾吊全自動(dòng)控制。并在遠(yuǎn)程操作及監(jiān)視系統(tǒng)配合下，在主控室設(shè)置垃圾吊遠(yuǎn)程控制臺(tái)、建立垃圾吊全自動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)視畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)垃圾池的堆料三維畫(huà)面顯示，卸料門(mén)的開(kāi)啟狀態(tài)監(jiān)視，垃圾吊的運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視、計(jì)量報(bào)表、打印等功能。

該系統(tǒng)主要通過(guò)三維數(shù)字建模、采集垃圾坑垃圾堆料情況，結(jié)合垃圾吊大小車(chē)編碼器，采用XYZ軸坐標(biāo)方式，對(duì)垃圾池空間點(diǎn)進(jìn)行智能數(shù)據(jù)化處理，從而得到垃圾池的三維空間數(shù)據(jù)模型。將垃圾池內(nèi)1#爐投料口、2#爐投料口，垃圾分區(qū)（進(jìn)料區(qū)，發(fā)酵區(qū)，投料區(qū)）、卸料門(mén)1-7#實(shí)現(xiàn)智能數(shù)字化管理。通過(guò)三維空間數(shù)據(jù)模型，自動(dòng)分區(qū)統(tǒng)計(jì)垃圾容積、估算垃圾總量；自動(dòng)計(jì)算垃圾發(fā)酵時(shí)間；自動(dòng)計(jì)算各小區(qū)高度、頂部面斜率，為垃圾吊全自動(dòng)控制提供準(zhǔn)確、可靠的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 垃圾吊控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)

升級(jí)方案整體保留原垃圾吊系統(tǒng)功能，采用新增外掛垃圾吊PLC 控制器的方案，與原控制系統(tǒng)建立通訊接口，并實(shí)現(xiàn)所需數(shù)據(jù)的通訊交換。考慮升級(jí)后系統(tǒng)與原有的控制系統(tǒng)的兼容和相對(duì)獨(dú)立性，新添加的現(xiàn)場(chǎng)傳感器等設(shè)備均接入新增的垃圾吊PLC 控制器。新增的垃圾吊PLC控制器與原控制系統(tǒng)并列運(yùn)行。遠(yuǎn)程自動(dòng)控制具備一鍵接管和異常切除自動(dòng)功能。如圖1所示。

圖1 優(yōu)化后系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.2 激光堆料掃描系統(tǒng)

采用激光堆料掃描系統(tǒng)（兩臺(tái)激光掃描裝置），分別安裝在兩臺(tái)垃圾吊上，對(duì)垃圾池進(jìn)行實(shí)時(shí)地形掃描，以獲取垃圾池堆料實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；通過(guò)采集1#、2#垃圾吊大小車(chē)編碼器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)1#、2#垃圾吊運(yùn)行軌跡空間坐標(biāo)及垃圾池可運(yùn)行空間坐標(biāo)。結(jié)合上述兩種數(shù)據(jù)，利用專(zhuān)用軟件繪制垃圾池三維空間模型觀察垃圾吊投料情況，確定1#、2#爐投料口三維空間坐標(biāo)情況。觀察卸料門(mén)位置，1#、2#垃圾吊轉(zhuǎn)料情況，確定1～7#卸料門(mén)三維空間坐標(biāo)情況。垃圾分區(qū)可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行設(shè)定。計(jì)算效果及模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算效果及模型圖

得到以上數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)將垃圾池分為3個(gè)區(qū)，實(shí)現(xiàn)垃圾池分區(qū)管理。分3個(gè)區(qū)堆放，一個(gè)進(jìn)料區(qū)，一個(gè)發(fā)酵區(qū)，一個(gè)投料區(qū)。詳細(xì)統(tǒng)計(jì)各區(qū)、各層的大致發(fā)酵時(shí)間及堆放高度。每個(gè)區(qū)再分成3層，每層按堆放高度計(jì)算發(fā)酵時(shí)間，在投料時(shí)按上中下3層計(jì)算平均發(fā)酵時(shí)間。該系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)視1～7#卸料門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)，采用紅外或激光測(cè)量的方式監(jiān)視車(chē)輛卸料情況，實(shí)現(xiàn)卸料門(mén)自動(dòng)、遠(yuǎn)程控制的功能。

采用二維激光掃描儀對(duì)垃圾池進(jìn)行實(shí)時(shí)地形掃描（圖3），以獲取垃圾池垃圾三維實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。對(duì)掃描數(shù)據(jù)處理后，結(jié)合垃圾吊大車(chē)編碼器、小車(chē)編碼器，確定垃圾池三維坐標(biāo)方式，對(duì)垃圾池空間點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理，得到垃圾池的三維空間數(shù)據(jù)模型。根據(jù)三維模型，結(jié)合垃圾池運(yùn)行管理模式，建立垃圾庫(kù)管理軟件。垃圾庫(kù)管理軟件與新垃圾吊控制系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)垃圾吊無(wú)人運(yùn)行控制。最后將兩個(gè)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成每臺(tái)垃圾吊的三維坐標(biāo)。

圖3 實(shí)時(shí)掃描示意圖

坐標(biāo)系變換計(jì)算公式：

2.3 在抓斗安裝無(wú)線傾角傳感器

在抓斗合適位置增加傾角傳感器，增加無(wú)線傳輸裝置。由于北起垃圾吊抓斗無(wú)姿態(tài)檢測(cè)裝置，需增加傾角傳感器檢測(cè)抓斗運(yùn)行姿態(tài)，目前由于北起滑環(huán)觸點(diǎn)不夠且無(wú)法更換，更改為無(wú)線傳輸方式傳輸傾角傳感器信號(hào)至PLC。方案為：在中控室增加無(wú)線信號(hào)接收裝置，并引入PLC。

2.4 垃圾池卸料門(mén)系統(tǒng)

2.4.1 增加車(chē)輛檢測(cè)裝置

在現(xiàn)有車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)參與系統(tǒng)整體調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)各種非標(biāo)垃圾車(chē)檢測(cè)存在漏檢、誤檢的情況，目前車(chē)輛檢測(cè)裝置無(wú)法達(dá)到100%的檢測(cè)率。為保證垃圾車(chē)輛安全，需一套車(chē)輛檢測(cè)裝置。方案如下：在每個(gè)卸料門(mén)增加一套光幕格柵檢測(cè)裝置，與原有光電檢測(cè)裝置共同檢測(cè)車(chē)輛進(jìn)入卸料門(mén)黃線區(qū)域情況，防止車(chē)輛漏檢。

2.4.2 優(yōu)化進(jìn)料控制安全聯(lián)鎖

增加PLC 安全控制閉鎖邏輯，即車(chē)輛或人員進(jìn)入某一卸料門(mén)黃線區(qū)域后，正在轉(zhuǎn)料的垃圾吊會(huì)自動(dòng)規(guī)避該卸料門(mén)，不轉(zhuǎn)料該門(mén)垃圾，直至車(chē)輛或人員退出該卸料門(mén)黃線區(qū)域后，再進(jìn)行轉(zhuǎn)料操作。

2.4.3 垃圾池自動(dòng)投料

通過(guò)垃圾池三維立體空間模型和卸料門(mén)控制系統(tǒng)，結(jié)合原有垃圾吊控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)1#、2#垃圾吊自動(dòng)投料、自動(dòng)堆料、自動(dòng)攪拌功能，并在主控室實(shí)現(xiàn)功能操作及垃圾吊運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視。采用兩臺(tái)二維激光掃描儀對(duì)垃圾池進(jìn)行實(shí)時(shí)地形掃描，以獲取垃圾池垃圾三維實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。結(jié)合垃圾吊大車(chē)編碼器、小車(chē)編碼器、確定垃圾池三維坐標(biāo)方式，對(duì)垃圾池空間點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理，從而得到垃圾池的三維空間數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)化垃圾池及垃圾堆料信息，為垃圾池的智能控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.4.4 垃圾池自動(dòng)堆料

當(dāng)投入自動(dòng)堆料功能，系統(tǒng)結(jié)合垃圾池三維立體模型、分區(qū)設(shè)置，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)堆料區(qū)的卸料門(mén)開(kāi)啟/關(guān)閉，自動(dòng)指示垃圾車(chē)進(jìn)入卸料門(mén)卸料。例如：A 區(qū)為卸料區(qū)，當(dāng)1#卸料門(mén)正在卸料時(shí)，則進(jìn)行轉(zhuǎn)料操作的垃圾吊不能在1#卸料門(mén)空間內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)料工作，當(dāng)該卸料門(mén)區(qū)域的料層達(dá)到預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)料高度時(shí)，則1#卸料門(mén)關(guān)閉，燈光指示轉(zhuǎn)為紅色，2#卸料門(mén)開(kāi)啟，燈光指示轉(zhuǎn)為綠色，垃圾車(chē)進(jìn)入2#卸料門(mén)卸料，同時(shí)轉(zhuǎn)料操作的垃圾吊不能在2#卸料門(mén)空間內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)料工作。依次類(lèi)推。設(shè)置堆料區(qū)垃圾吊運(yùn)行空間軌跡范圍，垃圾吊車(chē)將堆料區(qū)卸料門(mén)入口處的垃圾，根據(jù)堆料區(qū)各個(gè)料層厚度實(shí)現(xiàn)堆料的順序放置。設(shè)置堆料區(qū)料層高度限值，當(dāng)堆料區(qū)全部堆料點(diǎn)高度均值高于料層高度限值時(shí)，系統(tǒng)提示報(bào)警、停止自動(dòng)堆料并轉(zhuǎn)手動(dòng)操作。設(shè)置卸料區(qū)高低位限制，高位則自動(dòng)轉(zhuǎn)料；低位則自動(dòng)停止。

3 遠(yuǎn)程操作及監(jiān)視

在中控室增加一套遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)1#、2#垃圾吊人工操作和全自動(dòng)操作功能。建立垃圾吊運(yùn)行監(jiān)視人機(jī)界面，顯示垃圾池堆料平面圖、立體三維模型圖、卸料門(mén)運(yùn)行狀態(tài)圖、1#、2#垃圾吊運(yùn)行參數(shù)圖等，該系統(tǒng)上位機(jī)組態(tài)管理軟件擬采用工控軟件IFix。

增加全景視頻監(jiān)視畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾實(shí)際控制的圖像監(jiān)視。全景監(jiān)控系統(tǒng)主要有全景攝像機(jī)，圖像合成軟件組成。形成垃圾坑全景顯示影像，安裝在垃圾坑內(nèi)攝像系統(tǒng)采用高清攝像機(jī)，采用網(wǎng)絡(luò)一體供電、傳輸，敷設(shè)線路采用防腐線管，盡可能減少線路腐蝕。

4 結(jié)束語(yǔ)

“無(wú)人化”垃圾吊智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用降低了垃圾吊投料的人工成本、設(shè)備維護(hù)成本、也降低了設(shè)備意外損壞的風(fēng)險(xiǎn)。“無(wú)人化”垃圾吊智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用符合垃圾吊自動(dòng)化、智能化的趨勢(shì)，在今后“無(wú)人化”智能控制的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越成熟，越來(lái)越廣泛。