基于橋式起重機(jī)多層布置的空間避讓策略

鄢鵬程 勾 通 陳立新

北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007

0 引言

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程步伐的加快，城市人口日益增長，城市生活垃圾的產(chǎn)生量也在不斷增加。由于垃圾焚燒發(fā)電對環(huán)境的污染小，且為清潔能源，故越來越受到重視。用于垃圾焚燒發(fā)電廠內(nèi)垃圾庫中的橋式起重機(jī)（以下簡稱橋機(jī)）承擔(dān)著垃圾的搬運(yùn)、倒料、投料等功能。隨著科技的進(jìn)步和日益增長的生產(chǎn)需要，在實(shí)際生產(chǎn)中，對起重機(jī)的功能需求越來越趨向于多樣化、智能化。

發(fā)電廠本身對生產(chǎn)穩(wěn)定性的需求相對嚴(yán)苛，為了適應(yīng)現(xiàn)實(shí)的需求，在保證生產(chǎn)安全的同時(shí)兼具一定的冗余性成為了對起重機(jī)的新要求。同時(shí)，由于土地資源受限，導(dǎo)致垃圾庫的容量受限，用戶只能向立體空間擴(kuò)建廠房，盡可能地最大化利用資源，故會出現(xiàn)多層布置的起重機(jī)運(yùn)行情況。這種要求在一些特殊的廠房設(shè)計(jì)中表現(xiàn)尤為突出和重要，常規(guī)橋機(jī)基本上都是單層布置，即運(yùn)行在同一水平軌道。多臺起重機(jī)相向而行時(shí)，可直接通過激光或雷達(dá)等檢測裝置作為減速或停止動作的開關(guān)。

在多層布置的起重機(jī)應(yīng)用場景中，對防碰撞開關(guān)的穩(wěn)定性要求極高，常規(guī)僅靠激光或雷達(dá)等防碰撞檢測無法做到空間避讓，且存在安裝困難、維護(hù)專業(yè)性高、調(diào)試復(fù)雜等諸多難點(diǎn)。

1 多層布置的橋機(jī)空間避讓難點(diǎn)

單層布置的起重機(jī)只需考慮一維空間即大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)方向上的防碰撞，實(shí)現(xiàn)的方法有很多，方案也較成熟，比如采用激光、雷達(dá)、紅外線等檢測裝置，防撞裝置無需知道起重機(jī)的具體位置，僅需2臺起重機(jī)運(yùn)行到設(shè)定的距離時(shí)減速或停止即可。

當(dāng)起重機(jī)多層布置時(shí)，避讓對象不再只是起重機(jī)的大車機(jī)構(gòu)。在不同的時(shí)間段內(nèi)，防碰撞的對象可能是上層起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)及其吊具，這些對象存在搖晃、伸縮等特性，不具備安裝固定位置傳感器的安裝條件。

為了提高作業(yè)效率，多層布置的起重機(jī)一般會同時(shí)作業(yè)，作業(yè)區(qū)域存在交叉，如上層起重機(jī)需要越過下層起重機(jī)，起升機(jī)構(gòu)需在交叉跨越時(shí)上升到一定高度，以避讓下層起重機(jī)及廠房建筑物等。所以，需要考慮三維空間的防碰撞，即大車機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)和起升機(jī)構(gòu)。因此，多層布置的起重機(jī)防碰撞有以下難點(diǎn)：

1）2臺起重機(jī)不在同一平面，橡膠緩沖器在2臺起重機(jī)相向而行時(shí)不能起到防碰撞功能；

2）2臺起重機(jī)高度差過大，光電或激光等非接觸式防撞開關(guān)安裝角度太小且后期維護(hù)困難、易受吊具晃動干擾導(dǎo)致測距信號穩(wěn)定性差；

3）起重機(jī)的運(yùn)行環(huán)境惡劣，且因2臺起重機(jī)垂直方向高度差為15 m，考慮到防碰撞的角度問題，防撞距離比常規(guī)同軌道的起重機(jī)長近20 m，普通的防撞開關(guān)在經(jīng)濟(jì)、檢測距離和環(huán)境適應(yīng)性上很難同時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求。

基于以上特點(diǎn)和難點(diǎn)，僅依靠常規(guī)的防碰撞開關(guān)在起重機(jī)多層布置的場景中難以滿足需求。雙層布置的起重機(jī)三維圖如圖1所示。

圖1 雙層布置的起重機(jī)

2 多層布置的橋式起重機(jī)空間避讓策略

2.1 空間避讓系統(tǒng)集成

避讓系統(tǒng)主要由硬件和軟件組成，硬件主要為定位檢測裝置、工控機(jī)等，軟件為電氣控制系統(tǒng)。其集成設(shè)備如圖2所示。

圖2 空間避讓系統(tǒng)集成框圖

2.2 空間避讓系統(tǒng)集成的原理

每臺起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)、大車機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)安裝編碼器構(gòu)建了三維空間的定位系統(tǒng)，并將多層起重機(jī)置于同一空間坐標(biāo)系中，命名大車運(yùn)行方向?yàn)閄軸，小車運(yùn)行方向?yàn)閅軸，起升運(yùn)行方向?yàn)閆軸。

防碰撞檢測裝置1采用激光防碰撞檢測裝置，布置于同層起重機(jī)間；防碰撞檢測裝置2采用接觸式行程限位開關(guān)，每2個(gè)行程開關(guān)為一組，共設(shè)3組，布置于不同層起重機(jī)大車機(jī)構(gòu)交叉運(yùn)行區(qū)域的交接線處。

起重機(jī)間的通訊采用Profinet-IO方式，通過交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)內(nèi)；在工控機(jī)內(nèi)通過建模，將多臺起重機(jī)的位置構(gòu)建在同一坐標(biāo)系中；通過系統(tǒng)分析和計(jì)算，判斷各臺起重機(jī)是否處于安全區(qū)域。

2.3 空間避讓系統(tǒng)規(guī)劃作業(yè)區(qū)域

起重機(jī)是垃圾儲庫中供料系統(tǒng)的核心設(shè)備，位于垃圾儲庫正上方，主要承擔(dān)垃圾的投料、搬運(yùn)、取物、攪拌、稱重等工作。單層布置的起重機(jī)一般各司其職，雙層布置的起重機(jī)其工藝要求一般為相互配合工作，其工作特點(diǎn)是1臺起重機(jī)負(fù)責(zé)投料，1臺起重機(jī)則配合倒料、堆料等工序。每臺起重機(jī)在運(yùn)行時(shí)的功能不變，運(yùn)行區(qū)域呈周期性循環(huán)變化。由現(xiàn)場實(shí)際情況可知，常規(guī)的垃圾發(fā)電廠作業(yè)班組根據(jù)垃圾的發(fā)酵程度、結(jié)合操作人員的習(xí)慣操作對整體垃圾儲庫提出作業(yè)區(qū)域規(guī)劃，該規(guī)劃能極大地保證了垃圾在儲庫內(nèi)的充分發(fā)酵，同時(shí)提高了垃圾在燃燒爐中的燃燒效率，增加了發(fā)電產(chǎn)量。因此，對起重機(jī)運(yùn)行區(qū)域的規(guī)劃可使上下層起重機(jī)在水平方向上不存在交叉區(qū)域，達(dá)到運(yùn)行區(qū)域?qū)用娴姆琅鲎残Ч?。避讓系統(tǒng)的規(guī)劃作業(yè)區(qū)域如圖3所示。

圖3 空間避讓系統(tǒng)規(guī)劃作業(yè)區(qū)域

當(dāng)起重機(jī)需要交叉運(yùn)行時(shí)，僅在交叉運(yùn)行區(qū)域進(jìn)行跨越穿行，由大車機(jī)構(gòu)編碼器獲取2臺起重機(jī)X軸的位置。中央控制系統(tǒng)根據(jù)位置信息，在低于安全距離時(shí)大車機(jī)構(gòu)減速，同時(shí)避讓系統(tǒng)獲取Z軸位置，上層起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)上升至安全位置，一般選為上限位點(diǎn)，以避讓下層起重機(jī)小車機(jī)構(gòu)的最高點(diǎn)。當(dāng)2臺起重機(jī)運(yùn)行到交叉區(qū)域邊界線時(shí)，觸發(fā)接觸式行程開關(guān)1或3，中央控制系統(tǒng)獲取交叉跨越信號，并校驗(yàn)Y軸和Z軸方向上的安全凈距是否滿足要求，若滿足要求則上下層起重機(jī)繼續(xù)運(yùn)行完成交叉跨越。

為了更好地在交叉跨越區(qū)進(jìn)行作業(yè)，控制系統(tǒng)根據(jù)需要設(shè)置限位開關(guān)3和4，將交叉跨越區(qū)又劃分為2個(gè)區(qū)域，即限位開關(guān)1和2至限位開關(guān)3和4的區(qū)域，限位開關(guān)3和4至限位開關(guān)5和6的區(qū)域，通過系統(tǒng)選擇實(shí)現(xiàn)運(yùn)行區(qū)域切換。每一個(gè)邊界交叉處設(shè)2組限位開關(guān)，這2組限位開關(guān)采用串聯(lián)接線形式，確保只要有其中一個(gè)限位開關(guān)動作系統(tǒng)就能接受到反饋信息。雙限位開關(guān)形式比單限位開關(guān)更可靠，可實(shí)現(xiàn)性能的穩(wěn)定性提升。在控制系統(tǒng)中設(shè)置2臺起重機(jī)，任務(wù)互鎖以及通訊狀態(tài)檢測，并引入蜂鳴器報(bào)警功能，避讓系統(tǒng)提升了整個(gè)電氣系統(tǒng)的安全性和有效性。

3 應(yīng)用情況

目前，多層布置的空間避讓系統(tǒng)已在多個(gè)橋式起重機(jī)項(xiàng)目上得到應(yīng)用，應(yīng)用情況良好，上下層起重機(jī)在各種區(qū)域內(nèi)作業(yè)時(shí)，互不干涉，效率較高；交叉跨越時(shí)，上下層起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)能夠自動運(yùn)行到設(shè)定的安全高度，交叉跨越區(qū)域可切換，使作業(yè)更靈活，接觸式行程限位開關(guān)，定點(diǎn)比較精準(zhǔn)，安裝較為方便，后期維護(hù)工作量較小。

4 結(jié)論

基于橋式起重機(jī)多層布置的空間避讓系統(tǒng)，通過三維空間建模，以及對工藝的解析，得出區(qū)域規(guī)劃的理念，在控制系統(tǒng)中編寫符合生產(chǎn)規(guī)律的邏輯程序，對起重機(jī)的運(yùn)行區(qū)域進(jìn)行自動規(guī)劃，在提高起重機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，可有效解決常規(guī)防碰撞裝置安裝和調(diào)試的困難。限位開關(guān)的新型應(yīng)用，也開辟了安全限位開關(guān)等常見裝置的新用法。