“无人化”垃圾吊智能控制系统功能分析

李文鹏

（广州环投从化环保能源有限公司，广东广州 510000）

在垃圾焚烧发电厂中，经生活垃圾转运车运回的垃圾将进入锅炉进行焚烧处理，生活垃圾燃烧产生的热量通过汽轮机带动发电机做功最终转化为电能。在焚烧作业过程中，垃圾入厂多通过大型的桥式起重机以及液压式抓斗完成投料、转料、堆料、挖沟称重和记录等一系列工序，完成整个的投料作业。这些操作都将用到垃圾储坑中的垃圾吊来进行操作，所以对垃圾吊的运行控制工作就贯穿了整个作业过程。

广州市某垃圾焚烧发电厂于2017年初建成投产。垃圾储坑采用北京起重机研究院生产的垃圾吊系统，配有两台垃圾吊，均为操作司机采用人工操作完成垃圾的转料、堆料、投料等工作，操作过程繁琐，占用人力成本较大。为缓解人力资源紧张的情况，为积极改善上述情况，提高垃圾吊自动化控制投入率，加强垃圾吊生产管理标准，运用现代控制理论与技术设计垃圾吊的自动控制系统，可实现上述操作作业过程的自动运行、远程控制，代替传统的人工手动操作，使运行过程更准确、稳定，安全系数及效率更高，使得工人工作条件得到优化改善，提高经济效益。

1 “无人化”垃圾吊智能控制系统

1.1 垃圾吊结构简述

在整个垃圾吊系统中，使用桥式高架起重机作为系统的执行机构，由它带动垃圾吊实现在厂房平面的移动以及升降动作。因此制定合适的起重机控制策略，是控制系统设计工作中的重点。起重机由小车（天车）、导轨、大车（桥）三部分构成。小车是用来起升负载的部件，它作直线运动；桥沿着与它垂直方向的固定导轨移动；导轨一般由两条横梁（桥）组成，一般与现场的固定构件相连接，如厂房墙壁。沿着桥的方向、导轨方向以及小车升降的垂直方向的3个自由度的结合使得负载可以到达三维工作空间内的任何位置。

1.2 “无人化”垃圾吊智能控制系统原理

垃圾吊全自动系统分为4个子系统：垃圾池堆料管理系统、垃圾池卸料门系统、垃圾池自动投料系统、远程操作及监视。利用垃圾池堆料管理系统、垃圾池卸料门系统、垃圾池自动投料系统3个子系统实现垃圾吊全自动控制。并在远程操作及监视系统配合下，在主控室设置垃圾吊远程控制台、建立垃圾吊全自动系统监视画面，实现垃圾池的堆料三维画面显示，卸料门的开启状态监视，垃圾吊的运行数据监视、计量报表、打印等功能。

该系统主要通过三维数字建模、采集垃圾坑垃圾堆料情况，结合垃圾吊大小车编码器，采用XYZ轴坐标方式，对垃圾池空间点进行智能数据化处理，从而得到垃圾池的三维空间数据模型。将垃圾池内1#炉投料口、2#炉投料口，垃圾分区（进料区，发酵区，投料区）、卸料门1-7#实现智能数字化管理。通过三维空间数据模型，自动分区统计垃圾容积、估算垃圾总量；自动计算垃圾发酵时间；自动计算各小区高度、顶部面斜率，为垃圾吊全自动控制提供准确、可靠的三维坐标数据。

2 系统设计

2.1 垃圾吊控制系统硬件平台

升级方案整体保留原垃圾吊系统功能，采用新增外挂垃圾吊PLC 控制器的方案，与原控制系统建立通讯接口，并实现所需数据的通讯交换。考虑升级后系统与原有的控制系统的兼容和相对独立性，新添加的现场传感器等设备均接入新增的垃圾吊PLC 控制器。新增的垃圾吊PLC控制器与原控制系统并列运行。远程自动控制具备一键接管和异常切除自动功能。如图1所示。

图1 优化后系统拓扑图

2.2 激光堆料扫描系统

采用激光堆料扫描系统（两台激光扫描装置），分别安装在两台垃圾吊上，对垃圾池进行实时地形扫描，以获取垃圾池堆料实时数据；通过采集1#、2#垃圾吊大小车编码器数据，实现1#、2#垃圾吊运行轨迹空间坐标及垃圾池可运行空间坐标。结合上述两种数据，利用专用软件绘制垃圾池三维空间模型观察垃圾吊投料情况，确定1#、2#炉投料口三维空间坐标情况。观察卸料门位置，1#、2#垃圾吊转料情况，确定1～7#卸料门三维空间坐标情况。垃圾分区可根据实际运行情况进行设定。计算效果及模型如图2所示。

图2 计算效果及模型图

得到以上数据后，系统将垃圾池分为3个区，实现垃圾池分区管理。分3个区堆放，一个进料区，一个发酵区，一个投料区。详细统计各区、各层的大致发酵时间及堆放高度。每个区再分成3层，每层按堆放高度计算发酵时间，在投料时按上中下3层计算平均发酵时间。该系统通过监视1～7#卸料门开启状态，采用红外或激光测量的方式监视车辆卸料情况，实现卸料门自动、远程控制的功能。

采用二维激光扫描仪对垃圾池进行实时地形扫描（图3），以获取垃圾池垃圾三维实时数据。对扫描数据处理后，结合垃圾吊大车编码器、小车编码器，确定垃圾池三维坐标方式，对垃圾池空间点进行数据化处理，得到垃圾池的三维空间数据模型。根据三维模型，结合垃圾池运行管理模式，建立垃圾库管理软件。垃圾库管理软件与新垃圾吊控制系统结合，实现垃圾吊无人运行控制。最后将两个坐标系转换成每台垃圾吊的三维坐标。

图3 实时扫描示意图

坐标系变换计算公式：

2.3 在抓斗安装无线倾角传感器

在抓斗合适位置增加倾角传感器，增加无线传输装置。由于北起垃圾吊抓斗无姿态检测装置，需增加倾角传感器检测抓斗运行姿态，目前由于北起滑环触点不够且无法更换，更改为无线传输方式传输倾角传感器信号至PLC。方案为：在中控室增加无线信号接收装置，并引入PLC。

2.4 垃圾池卸料门系统

2.4.1 增加车辆检测装置

在现有车辆检测系统参与系统整体调试过程中，发现各种非标垃圾车检测存在漏检、误检的情况，目前车辆检测装置无法达到100%的检测率。为保证垃圾车辆安全，需一套车辆检测装置。方案如下：在每个卸料门增加一套光幕格栅检测装置，与原有光电检测装置共同检测车辆进入卸料门黄线区域情况，防止车辆漏检。

2.4.2 优化进料控制安全联锁

增加PLC 安全控制闭锁逻辑，即车辆或人员进入某一卸料门黄线区域后，正在转料的垃圾吊会自动规避该卸料门，不转料该门垃圾，直至车辆或人员退出该卸料门黄线区域后，再进行转料操作。

2.4.3 垃圾池自动投料

通过垃圾池三维立体空间模型和卸料门控制系统，结合原有垃圾吊控制系统，实现1#、2#垃圾吊自动投料、自动堆料、自动搅拌功能，并在主控室实现功能操作及垃圾吊运行状态监视。采用两台二维激光扫描仪对垃圾池进行实时地形扫描，以获取垃圾池垃圾三维实时数据。结合垃圾吊大车编码器、小车编码器、确定垃圾池三维坐标方式，对垃圾池空间点进行数据化处理，从而得到垃圾池的三维空间数据模型。数据化垃圾池及垃圾堆料信息，为垃圾池的智能控制提供数据基础。

2.4.4 垃圾池自动堆料

当投入自动堆料功能，系统结合垃圾池三维立体模型、分区设置，自动实现堆料区的卸料门开启/关闭，自动指示垃圾车进入卸料门卸料。例如：A 区为卸料区，当1#卸料门正在卸料时，则进行转料操作的垃圾吊不能在1#卸料门空间内进行转料工作，当该卸料门区域的料层达到预设转料高度时，则1#卸料门关闭，灯光指示转为红色，2#卸料门开启，灯光指示转为绿色，垃圾车进入2#卸料门卸料，同时转料操作的垃圾吊不能在2#卸料门空间内进行转料工作。依次类推。设置堆料区垃圾吊运行空间轨迹范围，垃圾吊车将堆料区卸料门入口处的垃圾，根据堆料区各个料层厚度实现堆料的顺序放置。设置堆料区料层高度限值，当堆料区全部堆料点高度均值高于料层高度限值时，系统提示报警、停止自动堆料并转手动操作。设置卸料区高低位限制，高位则自动转料；低位则自动停止。

3 远程操作及监视

在中控室增加一套远程操作系统，可以实现1#、2#垃圾吊人工操作和全自动操作功能。建立垃圾吊运行监视人机界面，显示垃圾池堆料平面图、立体三维模型图、卸料门运行状态图、1#、2#垃圾吊运行参数图等，该系统上位机组态管理软件拟采用工控软件IFix。

增加全景视频监视画面，实现对垃圾实际控制的图像监视。全景监控系统主要有全景摄像机，图像合成软件组成。形成垃圾坑全景显示影像，安装在垃圾坑内摄像系统采用高清摄像机，采用网络一体供电、传输，敷设线路采用防腐线管，尽可能减少线路腐蚀。

4 结束语

“无人化”垃圾吊智能控制系统的应用降低了垃圾吊投料的人工成本、设备维护成本、也降低了设备意外损坏的风险。“无人化”垃圾吊智能控制系统的应用符合垃圾吊自动化、智能化的趋势，在今后“无人化”智能控制的应用将会越来越成熟，越来越广泛。