“無人化”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)運車運回的垃圾將進入鍋爐進行焚燒處理，生活垃圾燃燒產(chǎn)生的熱量通過汽輪機帶動發(fā)電機做功最終轉(zhuǎn)化為電能。在焚燒作業(yè)過程中，垃圾入廠多通過大型的橋式起重機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，完成整個的投料作業(yè)。這些操作都將用到垃圾儲坑中的垃圾吊來進行操作，所以對垃圾吊的運行控制工作就貫穿了整個作業(yè)過程。

廣州市某垃圾焚燒發(fā)電廠于2017年初建成投產(chǎn)。垃圾儲坑采用北京起重機研究院生產(chǎn)的垃圾吊系統(tǒng)，配有兩臺垃圾吊，均為操作司機采用人工操作完成垃圾的轉(zhuǎn)料、堆料、投料等工作，操作過程繁瑣，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，提高垃圾吊自動化控制投入率，加強垃圾吊生產(chǎn)管理標準，運用現(xiàn)代控制理論與技術(shù)設(shè)計垃圾吊的自動控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)上述操作作業(yè)過程的自動運行、遠程控制，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工手動操作，使運行過程更準確、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)濟效益。

1 “無人化”垃圾吊智能控制系統(tǒng)

1.1 垃圾吊結(jié)構(gòu)簡述

在整個垃圾吊系統(tǒng)中，使用橋式高架起重機作為系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，由它帶動垃圾吊實現(xiàn)在廠房平面的移動以及升降動作。因此制定合適的起重機控制策略，是控制系統(tǒng)設(shè)計工作中的重點。起重機由小車（天車）、導(dǎo)軌、大車（橋）三部分構(gòu)成。小車是用來起升負載的部件，它作直線運動；橋沿著與它垂直方向的固定導(dǎo)軌移動；導(dǎo)軌一般由兩條橫梁（橋）組成，一般與現(xiàn)場的固定構(gòu)件相連接，如廠房墻壁。沿著橋的方向、導(dǎo)軌方向以及小車升降的垂直方向的3個自由度的結(jié)合使得負載可以到達三維工作空間內(nèi)的任何位置。

1.2 “無人化”垃圾吊智能控制系統(tǒng)原理

垃圾吊全自動系統(tǒng)分為4個子系統(tǒng)：垃圾池堆料管理系統(tǒng)、垃圾池卸料門系統(tǒng)、垃圾池自動投料系統(tǒng)、遠程操作及監(jiān)視。利用垃圾池堆料管理系統(tǒng)、垃圾池卸料門系統(tǒng)、垃圾池自動投料系統(tǒng)3個子系統(tǒng)實現(xiàn)垃圾吊全自動控制。并在遠程操作及監(jiān)視系統(tǒng)配合下，在主控室設(shè)置垃圾吊遠程控制臺、建立垃圾吊全自動系統(tǒng)監(jiān)視畫面，實現(xiàn)垃圾池的堆料三維畫面顯示，卸料門的開啟狀態(tài)監(jiān)視，垃圾吊的運行數(shù)據(jù)監(jiān)視、計量報表、打印等功能。

該系統(tǒng)主要通過三維數(shù)字建模、采集垃圾坑垃圾堆料情況，結(jié)合垃圾吊大小車編碼器，采用XYZ軸坐標方式，對垃圾池空間點進行智能數(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)（進料區(qū)，發(fā)酵區(qū)，投料區(qū)）、卸料門1-7#實現(xiàn)智能數(shù)字化管理。通過三維空間數(shù)據(jù)模型，自動分區(qū)統(tǒng)計垃圾容積、估算垃圾總量；自動計算垃圾發(fā)酵時間；自動計算各小區(qū)高度、頂部面斜率，為垃圾吊全自動控制提供準確、可靠的三維坐標數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 垃圾吊控制系統(tǒng)硬件平臺

升級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，并實現(xiàn)所需數(shù)據(jù)的通訊交換。考慮升級后系統(tǒng)與原有的控制系統(tǒng)的兼容和相對獨立性，新添加的現(xiàn)場傳感器等設(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)并列運行。遠程自動控制具備一鍵接管和異常切除自動功能。如圖1所示。

圖1 優(yōu)化后系統(tǒng)拓撲圖

2.2 激光堆料掃描系統(tǒng)

采用激光堆料掃描系統(tǒng)（兩臺激光掃描裝置），分別安裝在兩臺垃圾吊上，對垃圾池進行實時地形掃描，以獲取垃圾池堆料實時數(shù)據(jù)；通過采集1#、2#垃圾吊大小車編碼器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)1#、2#垃圾吊運行軌跡空間坐標及垃圾池可運行空間坐標。結(jié)合上述兩種數(shù)據(jù)，利用專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情況。觀察卸料門位置，1#、2#垃圾吊轉(zhuǎn)料情況，確定1～7#卸料門三維空間坐標情況。垃圾分區(qū)可根據(jù)實際運行情況進行設(shè)定。計算效果及模型如圖2所示。

圖2 計算效果及模型圖

得到以上數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)將垃圾池分為3個區(qū)，實現(xiàn)垃圾池分區(qū)管理。分3個區(qū)堆放，一個進料區(qū)，一個發(fā)酵區(qū)，一個投料區(qū)。詳細統(tǒng)計各區(qū)、各層的大致發(fā)酵時間及堆放高度。每個區(qū)再分成3層，每層按堆放高度計算發(fā)酵時間，在投料時按上中下3層計算平均發(fā)酵時間。該系統(tǒng)通過監(jiān)視1～7#卸料門開啟狀態(tài)，采用紅外或激光測量的方式監(jiān)視車輛卸料情況，實現(xiàn)卸料門自動、遠程控制的功能。

采用二維激光掃描儀對垃圾池進行實時地形掃描（圖3），以獲取垃圾池垃圾三維實時數(shù)據(jù)。對掃描數(shù)據(jù)處理后，結(jié)合垃圾吊大車編碼器、小車編碼器，確定垃圾池三維坐標方式，對垃圾池空間點進行數(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)合垃圾池運行管理模式，建立垃圾庫管理軟件。垃圾庫管理軟件與新垃圾吊控制系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)垃圾吊無人運行控制。最后將兩個坐標系轉(zhuǎn)換成每臺垃圾吊的三維坐標。

圖3 實時掃描示意圖

坐標系變換計算公式：

2.3 在抓斗安裝無線傾角傳感器

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

2.4 垃圾池卸料門系統(tǒng)

2.4.1 增加車輛檢測裝置

在現(xiàn)有車輛檢測系統(tǒng)參與系統(tǒng)整體調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)各種非標垃圾車檢測存在漏檢、誤檢的情況，目前車輛檢測裝置無法達到100%的檢測率。為保證垃圾車輛安全，需一套車輛檢測裝置。方案如下：在每個卸料門增加一套光幕格柵檢測裝置，與原有光電檢測裝置共同檢測車輛進入卸料門黃線區(qū)域情況，防止車輛漏檢。

2.4.2 優(yōu)化進料控制安全聯(lián)鎖

增加PLC 安全控制閉鎖邏輯，即車輛或人員進入某一卸料門黃線區(qū)域后，正在轉(zhuǎn)料的垃圾吊會自動規(guī)避該卸料門，不轉(zhuǎn)料該門垃圾，直至車輛或人員退出該卸料門黃線區(qū)域后，再進行轉(zhuǎn)料操作。

2.4.3 垃圾池自動投料

通過垃圾池三維立體空間模型和卸料門控制系統(tǒng)，結(jié)合原有垃圾吊控制系統(tǒng)，實現(xiàn)1#、2#垃圾吊自動投料、自動堆料、自動攪拌功能，并在主控室實現(xiàn)功能操作及垃圾吊運行狀態(tài)監(jiān)視。采用兩臺二維激光掃描儀對垃圾池進行實時地形掃描，以獲取垃圾池垃圾三維實時數(shù)據(jù)。結(jié)合垃圾吊大車編碼器、小車編碼器、確定垃圾池三維坐標方式，對垃圾池空間點進行數(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 垃圾池自動堆料

當投入自動堆料功能，系統(tǒng)結(jié)合垃圾池三維立體模型、分區(qū)設(shè)置，自動實現(xiàn)堆料區(qū)的卸料門開啟/關(guān)閉，自動指示垃圾車進入卸料門卸料。例如：A 區(qū)為卸料區(qū)，當1#卸料門正在卸料時，則進行轉(zhuǎn)料操作的垃圾吊不能在1#卸料門空間內(nèi)進行轉(zhuǎn)料工作，當該卸料門區(qū)域的料層達到預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)料高度時，則1#卸料門關(guān)閉，燈光指示轉(zhuǎn)為紅色，2#卸料門開啟，燈光指示轉(zhuǎn)為綠色，垃圾車進入2#卸料門卸料，同時轉(zhuǎn)料操作的垃圾吊不能在2#卸料門空間內(nèi)進行轉(zhuǎn)料工作。依次類推。設(shè)置堆料區(qū)垃圾吊運行空間軌跡范圍，垃圾吊車將堆料區(qū)卸料門入口處的垃圾，根據(jù)堆料區(qū)各個料層厚度實現(xiàn)堆料的順序放置。設(shè)置堆料區(qū)料層高度限值，當堆料區(qū)全部堆料點高度均值高于料層高度限值時，系統(tǒng)提示報警、停止自動堆料并轉(zhuǎn)手動操作。設(shè)置卸料區(qū)高低位限制，高位則自動轉(zhuǎn)料；低位則自動停止。

3 遠程操作及監(jiān)視

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

增加全景視頻監(jiān)視畫面，實現(xiàn)對垃圾實際控制的圖像監(jiān)視。全景監(jiān)控系統(tǒng)主要有全景攝像機，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，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

“無人化”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)備維護成本、也降低了設(shè)備意外損壞的風(fēng)險?！盁o人化”垃圾吊智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用符合垃圾吊自動化、智能化的趨勢，在今后“無人化”智能控制的應(yīng)用將會越來越成熟，越來越廣泛。