垃圾焚燒發(fā)電廠垃圾吊和垃圾車作業(yè)安全智能聯(lián)鎖工藝研究

周明，曾崢，陳洋，葉君輝，姜鵬濤，雪偉，韋思海

（1.中電國際新能源控股有限公司，上海 200086；2.德陽和新環(huán)保發(fā)電有限責任公司，四川 德陽 618003；3.杭州集益科技有限公司，浙江 杭州 311200）

垃圾焚燒發(fā)電廠的燃料來自發(fā)酵后的生活垃圾，焚燒發(fā)電工藝主要包括垃圾受料給料系統(tǒng)、垃圾焚燒系統(tǒng)、灰渣排放系統(tǒng)、余熱利用系統(tǒng)、滲濾液處理系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)、飛灰輸送暫存固化系統(tǒng)。在垃圾受料給料系統(tǒng)，主要有卸料平臺、卸料門、垃圾庫、垃圾吊、垃圾料斗以及垃圾吊控制室等。其中卸料門的啟閉已基本實現(xiàn)了電氣自動化，通過對垃圾車到來和離開的自動感應(yīng)，實現(xiàn)卸料門地自動開啟和關(guān)閉。

當前，垃圾庫里的垃圾吊作業(yè)與垃圾卸料平臺垃圾車的卸料作業(yè)是互相獨立的，二者之間的聯(lián)動依靠人工實現(xiàn)。通常情況下，垃圾吊操作員通過工業(yè)電視觀察垃圾車的卸料情況，確定垃圾吊抓取新料的動作時間，避免在垃圾車卸料時垃圾吊到新料區(qū)抓料。如何避免人為因素影響，確保垃圾吊抓料與垃圾車卸料安全協(xié)同，減少垃圾車等待時長，加快早高峰卸料期的垃圾車進出廠，對垃圾發(fā)電廠的安全高效生產(chǎn)運行顯得尤為重要。

本文以某垃圾焚燒發(fā)電廠為例，設(shè)計一套基于PLC的聯(lián)鎖控制工藝，實現(xiàn)垃圾吊與垃圾車作業(yè)的自動安全聯(lián)鎖控制，保證作業(yè)安全，減少車輛等待時長，杜絕人為因素影響，為同類垃圾焚燒發(fā)電廠提供借鑒。

1 垃圾庫運行和管理概況

生活垃圾由專用垃圾車經(jīng)廠區(qū)入口設(shè)置稱重計量設(shè)施后，在卸料大廳交通指揮員的統(tǒng)一指揮下，將垃圾卸入垃圾庫內(nèi)。下面是垃圾庫的主要運行和管理概況。

1.1 垃圾庫組成

某垃圾焚燒發(fā)電廠，垃圾受料給料系統(tǒng)，包括卸料平臺（卸料大廳）、垃圾庫、投料區(qū)。垃圾庫配置7個卸料門、2 臺垃圾吊、2 個投料區(qū)（投料口）、1 個垃圾滲濾液收集池等，如圖1 所示。垃圾庫長51m，寬24m，深17m，有效容積約為20808m3，可儲存垃圾約8947t，可儲存垃圾時間約7 天。垃圾產(chǎn)生的滲濾液通過垃圾庫設(shè)置的格柵滲濾到滲濾液池。在垃圾庫上部安裝兩臺行車及三臺抓斗（二用一備方式），用于垃圾的給料、堆料、倒料。兩臺垃圾吊的處理能力能完成兩條焚燒線的總的垃圾給料及倒料、堆料等工作。

圖1 垃圾受料給料系統(tǒng)平面布置圖

垃圾吊的運行由控制室操作人員遙控操作，配備手動控制、半自動控制兩種操作控制模式。垃圾吊控制室設(shè)有垃圾卸料門控制盤，該控制盤上有每個卸料門的開、閉按鈕、禁止開啟按鈕及開、閉指示燈，并能送出每個卸料門的位置信息等信號至遠方控制系統(tǒng)。垃圾車輛刷卡進出卸料平臺，并把相應(yīng)信號傳給垃圾吊控制室，垃圾吊控制室給出相應(yīng)的信號開啟/關(guān)閉卸料門。

1.2 垃圾吊和卸料門已有聯(lián)鎖控制

卸料門工作狀態(tài)的信號（門開及門閉）由卸料門控制系統(tǒng)送出給垃圾吊控制系統(tǒng)，允許開啟信號由垃圾吊控制系統(tǒng)送出給卸料門控制系統(tǒng)作為卸料門控制系統(tǒng)發(fā)開啟命令的閉鎖條件。卸料門開閉與垃圾吊位置進行互鎖，垃圾吊工作區(qū)域的卸料門不得打開；卸料門將卸料門的位置信號（全開或全關(guān)）輸送到垃圾抓斗操作室，并可接受來自垃圾抓斗操作室的指令：打開、關(guān)閉、禁止開啟。

卸料門的就地操作箱有開/關(guān)、緊急停止、報警按鈕。只能開啟垃圾抓斗控制室允許打開的卸料門，為了把垃圾卸入垃圾庫，開啟后的卸料門在操作人員關(guān)閉該門前，一直保持開啟狀態(tài)；如果按下緊急停止按鈕，為了確保安全，垃圾吊也聯(lián)鎖停止。

1.3 存在問題

從以上作業(yè)規(guī)程可以看出，垃圾吊作業(yè)與垃圾車卸料之間的聯(lián)動主要依靠卸料門和垃圾吊的位置互鎖，以及垃圾吊控制室人工控制和調(diào)度。位置互鎖控制方法只能基于當下的垃圾吊和卸料門狀態(tài)進行互鎖，不能對各自的到位時間和運行時間進行有效預測和作業(yè)狀態(tài)控制，影響了系統(tǒng)的運行效率，特別是在早高峰卸料期，垃圾吊與垃圾車之間的聯(lián)鎖，對垃圾車的排隊時間和垃圾庫的運行效率影響很大。因此，設(shè)計一套垃圾車與垃圾吊基于時間預測分析的聯(lián)鎖機制，實現(xiàn)自動聯(lián)鎖，解決人工聯(lián)鎖的問題。

2 聯(lián)鎖控制工藝

2.1 設(shè)備組成

如圖2、3 所示，在垃圾庫頂部靠近各卸料門位置A點分別設(shè)置超聲波料位計，用來檢測卸料區(qū)料位高度；垃圾吊大車、小車、抓斗分別安裝編碼器，用于檢測大車、小車、抓斗的位置信息，檢測信號連接到PLC1。在卸料平臺B 點，設(shè)置車輛感應(yīng)雷達，用于檢測車輛到位狀態(tài)；設(shè)置道閘，用于設(shè)置垃圾車通行障礙；設(shè)置計時器、紅綠燈、廣播，用于向垃圾車展示通行信號、等待時間、提示聲音等；信號連接至PLC2。PLC1 和PLC2 連接互相通信，PLC1 將垃圾車車輛檢測信號接入垃圾吊的安全聯(lián)鎖控制回路里。

圖2 垃圾受料給料系統(tǒng)縱面圖

圖3 垃圾吊和卸料平臺聯(lián)鎖控制系統(tǒng)示意圖

2.2 聯(lián)鎖控制流程

如圖2 所示，卸料門高度h1，新卸料的新料區(qū)垃圾堆高度h3，垃圾吊抓斗在新料區(qū)正上方（即大車小車在指定的區(qū)域）時h2，在其他位置時，需加上大車和小車位置。垃圾吊和垃圾車之間的聯(lián)鎖控制設(shè)計如下：

（1）當h3 ≥h1 時，則啟動紅燈、落下道閘，禁止車輛進入卸料平臺。

（2）當垃圾車已就位卸料時，即有垃圾車車輛檢測信號，則禁止垃圾吊進入h2 ≤h1 區(qū)域；已經(jīng)進入的，斷開垃圾吊下降控制指令，并上升使得h2 ≥h1，同時系統(tǒng)發(fā)出報警信號。

（3）當垃圾車未就位卸料時，當垃圾吊抓斗在新料區(qū)上方進行抓料作業(yè)時，計算抓料作業(yè)完成時長ΔT1，并在計時器上顯示剩余時長，亮紅燈，道閘放下狀態(tài)。當垃圾車中間到達等候時，垃圾車司機可實時獲得需等待時長，并提前做好倒車準備。

（4）當垃圾車未就位卸料時，當垃圾吊抓斗在堆料區(qū)或其他區(qū)作業(yè)時，垃圾吊操作員輸入垃圾車到位預期時長ΔT，計算垃圾吊到新料區(qū)卸料門上部h1 的時長ΔT2 以及垃圾吊到新料頂部并抓料完成的時長ΔT3，比較ΔT 與ΔT2、ΔT3。當ΔT ≤ΔT2 時，先卸垃圾車，垃圾吊繼續(xù)其他作業(yè)；當ΔT ≥ΔT3 時，垃圾吊先進新料區(qū)抓料，再垃圾車卸料；其他情況時，優(yōu)先選垃圾車卸料。當垃圾吊進入新料區(qū)上方時，啟動計時器ΔT1，亮紅燈，道閘放下狀態(tài)。

2.3 時長計算

垃圾吊的大車、小車、抓斗移動速度目前均采用三檔變頻控制，經(jīng)過改造后可實現(xiàn)無級變頻。

（1）抓斗作業(yè)時長：ΔT1、ΔT11。

抓斗在抓料過程中，抓斗在高度h2 處，變頻器控制抓斗提速至V1，再勻速下行，再做減速運動，停在料頂抓料，抓料后啟動加速至V1，再勻速上行，再減速上升高度h2。

式中，t1 為抓斗在h2 提速至V1 時長；t2 為抓斗繼續(xù)勻速下降時長；t3 為減速為0 至料頂h3 時長；t4為抓料時長，為常數(shù)；t5 為在料頂啟動加速運動時長；t6 為勻速上升時長；t7 為從V1 減速為0 至h2 時長。

通過PLC 設(shè)置變頻器參數(shù)確定抓斗速度V1，以及從速度V1 至0 或0 至V1 的變速時長，即t1、t3、t5、t7可通過變頻器參數(shù)確定。

當只計算垃圾吊勻速移動到垃圾門h1 高度且不停止時，垃圾吊移動時長

（2）ΔT2 計算。

抓斗從其他區(qū)移動到新料區(qū)時，為保證抓斗搖擺最小，大車、小車分時移動。因此，抓斗移動至卸料門上部h1 時長為ΔT2，可分解為大車、小車移動時長和抓斗下降時長，即ΔT11+ΔT4。

與抓斗運動相似，大車、小車運動過程又可分解為加速、勻速和減速。

上式中，S大車、S小車為大車、小車移動距離，由當前垃圾吊位置與目標新料區(qū)位置確定；V大車、V小車為大車、小車勻速運行速度，t11、t12、t21、t22 分別為大車、小車加速和減速過程時長，由PLC 設(shè)定變頻器確定。

（3）ΔT3 計算。

抓斗從其他區(qū)移動到新料區(qū)并完成抓料時長為ΔT3，計算過程與ΔT2 相同，得

2.4 聯(lián)鎖優(yōu)化控制

在實現(xiàn)垃圾吊任務(wù)的同時，采用能耗最低方式執(zhí)行：在較低速率運行時，垃圾吊能耗較小，在較高速率運行時，能耗較大。在保證作業(yè)效率條件下，使垃圾吊能耗最低，執(zhí)行以下策略：

（1）當垃圾車已就位卸料時，設(shè)垃圾車卸料時長為ΔT0，PLC1 計算垃圾吊到達卸料門高度h1 的最快時長ΔT2min 和最慢時長ΔT2max，其中控制參數(shù)為抓斗：V1、t1、t3； 大車：V大車、t11、t12； 小車：V小車、t21、t22，各參數(shù)在變頻器的允許工作范圍。

當ΔT2min≦ΔT0 ≦ΔT2max時，PLC1 調(diào)整設(shè)置上述各參數(shù)，使得ΔT2=ΔT0，使得平均能耗最低。當ΔT0 ≦ΔT2min，則垃圾吊來不及，垃圾吊繼續(xù)其他作業(yè)。當ΔT2max≦ΔT0，則垃圾吊可用最慢速度移動，或先進行其他作業(yè)，再調(diào)整參數(shù)去抓料動作。

（2）當垃圾車未就位卸料時，當垃圾吊抓斗在堆料區(qū)或其他區(qū)作業(yè)時，垃圾車到位預期時長ΔT，PLC1 計算ΔT2min、ΔT2max、ΔT3min、ΔT3max。當ΔT ≦ΔT2min時，先垃圾車卸料，垃圾吊繼續(xù)其他作業(yè)；當ΔT ≥ΔT3max時，先垃圾吊抓料；當ΔT ≥ΔT3min時，PLC1 設(shè)置合適的參數(shù)，使得ΔT3=ΔT，垃圾吊進行抓料作業(yè)；其他情況，優(yōu)先垃圾車卸料。

3 結(jié)語

目前，垃圾焚燒發(fā)電廠，垃圾吊和垃圾車的安全聯(lián)鎖主要由垃圾吊控制室人工操控，操作員勞動強度較大，并且存在較大安全隱患。在現(xiàn)有運行規(guī)程的基礎(chǔ)上，研究了垃圾吊和垃圾車之間作業(yè)的聯(lián)鎖控制機制。

（1）基于垃圾吊移動和作業(yè)時長的預測和垃圾車到卸料平臺時長的比較，實現(xiàn)了二者之間的聯(lián)鎖。

（2）提出了垃圾吊優(yōu)運行化控制工藝，在安全聯(lián)鎖的前提下，調(diào)整垃圾吊運行速度，降低了垃圾吊運行能耗。

本文提出的安全聯(lián)鎖控制機制，提高了垃圾庫的整體作業(yè)效率以及運行安全可靠性，減少了垃圾運送高峰時期的垃圾車排隊時間，為國內(nèi)同類垃圾焚燒發(fā)電廠的高效運行提供借鑒。