面向固廢協(xié)同處置多功能組合機(jī)群上料系統(tǒng)

辛宏彥 袁旭潞 段 勇 胡曉飛 王正勇

1 北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007 2 北京市自動(dòng)化物流裝備工程技術(shù)研究中心 北京 100007 3 機(jī)械工業(yè)起重機(jī)械輕量化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100007

0 引言

作為集約化程度較高的固廢協(xié)同處置工程，由于具有緊扣減污降碳協(xié)同增效主題、明顯提升單位生產(chǎn)效能等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，前景廣闊，市場(chǎng)活力較強(qiáng)，但目前尚無(wú)理想專(zhuān)用裝備對(duì)應(yīng)支持，產(chǎn)品短缺。即使將功能單一的抓斗起重機(jī)混編到同一個(gè)儲(chǔ)庫(kù)里，也存在設(shè)備之間相互干涉、缺乏統(tǒng)一的調(diào)度和自動(dòng)化管理等問(wèn)題。特別是僅有手動(dòng)人工操作的情況下，作業(yè)流程靠司機(jī)自主安排，混合比例憑感覺(jué)進(jìn)行混勻拌料，裝備狀態(tài)憑司機(jī)三觀感覺(jué)，造成作業(yè)流程不科學(xué)、生產(chǎn)效率低下、協(xié)同效果不佳、生產(chǎn)數(shù)據(jù)不明、非計(jì)劃停機(jī)故障頻發(fā)等諸多痛點(diǎn)，難以滿(mǎn)足協(xié)同處置的實(shí)際需要，更難以適應(yīng)工廠自動(dòng)化、智能化的趨勢(shì)。針對(duì)上述問(wèn)題以及協(xié)同處置工程儲(chǔ)料車(chē)間工藝內(nèi)容的特點(diǎn)，本文開(kāi)發(fā)了面向固廢協(xié)同處置的多功能組合機(jī)群上料系統(tǒng)，突破了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，破解了現(xiàn)階段裝備短缺的瓶頸難題。

1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 高效安全的專(zhuān)屬管理調(diào)度

固廢協(xié)同處置工程原料庫(kù)區(qū)智能管理與機(jī)群智能調(diào)度技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了車(chē)間管理高效化、透明化和系統(tǒng)作業(yè)流程最優(yōu)化，激發(fā)協(xié)同處置原料工藝潛能，以機(jī)代人實(shí)現(xiàn)車(chē)間生產(chǎn)效率高速化，人工負(fù)荷降低。上料系統(tǒng)主要由多功能起重機(jī)集群構(gòu)成，起重機(jī)之間、起重機(jī)內(nèi)部均涉及多臺(tái)機(jī)構(gòu)部件的動(dòng)作交叉重疊，高效安全的專(zhuān)屬管理調(diào)度尤為關(guān)鍵。

1）原料庫(kù)區(qū)多物料智能管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)的精細(xì)化、高效化管理

利用物料感知功能、裝備稱(chēng)重等功能與管理信息系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)內(nèi)物料自動(dòng)識(shí)別和智能化管理，具備快速入庫(kù)、快速盤(pán)料、快速拌料、快速出庫(kù)上料、實(shí)時(shí)盤(pán)點(diǎn)、預(yù)警提示、料位優(yōu)化等功能，對(duì)于管理人員在物料分布的查詢(xún)，以及流動(dòng)情況的查詢(xún)，提供了極大方便，實(shí)現(xiàn)物料出/入庫(kù)控制、存放區(qū)域及存量統(tǒng)計(jì)、信息查詢(xún)等環(huán)節(jié)自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)的精細(xì)化、高效化管理。

2）機(jī)群智能調(diào)度技術(shù)提升起重機(jī)集群作業(yè)效率，激發(fā)協(xié)同處置原料工藝潛能

機(jī)群智能調(diào)度技術(shù)架構(gòu)如圖1 所示，針對(duì)車(chē)間不同物料種類(lèi)和儲(chǔ)區(qū)，系統(tǒng)通過(guò)自帶稱(chēng)量系統(tǒng)自動(dòng)記憶各物料進(jìn)料量及上料量，與物料感知系統(tǒng)協(xié)同自動(dòng)進(jìn)行料池的進(jìn)料、倒料、拌料及上料作業(yè)；系統(tǒng)與車(chē)間DCS 實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)互聯(lián)，完成車(chē)間具體指揮作業(yè)要求；系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的倒料、平料及上料等固定作業(yè)項(xiàng)目?jī)?yōu)先等級(jí)順序，自動(dòng)分配調(diào)撥對(duì)應(yīng)設(shè)備進(jìn)行作業(yè)，優(yōu)化儲(chǔ)料車(chē)間庫(kù)位料位分布，實(shí)現(xiàn)車(chē)間利用率最大化。

圖1 機(jī)群智能調(diào)度技術(shù)架構(gòu)

3）不同物料智能感知混勻系統(tǒng)

①物料種類(lèi)信息采集依托起重機(jī)查詢(xún)目標(biāo)物料存放區(qū)域的所在地址信息實(shí)現(xiàn)。圖2 為小車(chē)、大車(chē)運(yùn)行方向料位地址信息采集，起重機(jī)自動(dòng)校對(duì)所處料區(qū)是否為目標(biāo)料區(qū)。

圖2 不同物料智能感知混勻系統(tǒng)

②域內(nèi)三維料位信息 借助非接觸式的激光掃描方式進(jìn)行（見(jiàn)圖2c），掃描設(shè)備采用直裝于起重機(jī)本體形式。

③料斗料位信息 檢測(cè)使用微波雷達(dá)形式（見(jiàn)圖2d），根據(jù)需要定制耐高溫型號(hào)，對(duì)焚燒爐反流熱量具有一定的適應(yīng)性，使用時(shí)其自身應(yīng)配置吹掃裝置，消除長(zhǎng)時(shí)間工作飛塵等雜質(zhì)對(duì)探頭污物影響。

④物料三維信息界面顯示 各物料采集成功后，為便于操作人員對(duì)物料存儲(chǔ)情況的感官認(rèn)知，通過(guò)數(shù)顯技術(shù)將數(shù)據(jù)生成三維圖在Web 端和大屏端進(jìn)行顯示。

1.2 典型專(zhuān)用裝備

利用上料系統(tǒng)不同儲(chǔ)區(qū)清運(yùn)徹底與料斗破橋功能集成化技術(shù)創(chuàng)制的典型專(zhuān)用裝備，根據(jù)工藝需求，進(jìn)行有機(jī)功能組合解決不同性質(zhì)固廢分區(qū)存放工況下物料搬運(yùn)系統(tǒng)化處理難題。

受生產(chǎn)工藝方式及企業(yè)投資規(guī)模等多種制約因素疊加影響，上料系統(tǒng)需要在形式上滿(mǎn)足多元化的柔性組合要求。上料系統(tǒng)具有主輔物料的搬運(yùn)、主輔物料的混勻、庫(kù)區(qū)盤(pán)點(diǎn)與清庫(kù)以及料斗堵塞架橋后的破橋等功能，具體包括：功能1 主物料搬運(yùn)；功能2 輔物料搬運(yùn)；功能3 主物料儲(chǔ)區(qū)清池；功能4 輔物料儲(chǔ)區(qū)清池；功能5 投料側(cè)要求主抓具能到達(dá)料斗部位保證投料；功能6 投料側(cè)要求輔抓具能到達(dá)料斗部位保證投料及破橋；功能7拌料等。

1）橫置雙斗聯(lián)體小車(chē)形式抓斗起重機(jī)

橫置雙斗聯(lián)體小車(chē)形式抓斗起重機(jī)，該結(jié)構(gòu)形式小車(chē)在大車(chē)運(yùn)行方向配置主副抓斗2 套起升機(jī)構(gòu)，輔助抓斗布置在傳動(dòng)側(cè)主梁外側(cè)，小車(chē)結(jié)構(gòu)如圖3a 所示。抓斗上極限位置設(shè)置了斗體固定裝置，該裝置采用桁構(gòu)框架形式，剛度強(qiáng)、自重輕、較好實(shí)現(xiàn)抓斗機(jī)械防搖。小車(chē)設(shè)計(jì)均衡裝置和導(dǎo)行裝置保障小車(chē)的平順運(yùn)行。橋架方面在車(chē)輪部位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部位研發(fā)了局部折疊形式圍欄平臺(tái)（見(jiàn)圖3b）以保證維保便利性，可獨(dú)立完成除功能4 以外的所有功能。

圖3 橫置雙斗聯(lián)體小車(chē)形式抓斗起重機(jī)

2）自行式雙小車(chē)形式抓斗起重機(jī)

自行式雙小車(chē)形式抓斗起重機(jī)（見(jiàn)圖4），該形式為設(shè)備配備主/副2 臺(tái)攜帶不同抓具的小車(chē)，2 臺(tái)小車(chē)同軌運(yùn)行。由于主副小車(chē)均自帶平移動(dòng)力系統(tǒng)，整機(jī)效率得到有效提升，構(gòu)建高級(jí)別安全工作機(jī)制對(duì)雙小車(chē)防撞進(jìn)行多級(jí)保護(hù)。行車(chē)信息關(guān)聯(lián)智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)2 臺(tái)小車(chē)危險(xiǎn)區(qū)域低速、安全區(qū)域適速的運(yùn)行目標(biāo)，可獨(dú)立完成功能1、功能2、功能4、功能5、功能7。

圖4 自行式雙小車(chē)形式

3）牽引式雙小車(chē)形式抓斗起重機(jī)

牽引式雙小車(chē)形式抓斗起重機(jī)（見(jiàn)圖5），與自行式雙小車(chē)形式抓斗起重機(jī)不同點(diǎn)在于其通過(guò)垂直軸銷(xiāo)連接形式將主小車(chē)的動(dòng)力順利傳遞至副小車(chē)，副小車(chē)和抓具之間設(shè)置剛性套筒防搖裝置（見(jiàn)圖6）。該方案除了執(zhí)行物料抓取動(dòng)作之外，還可搬運(yùn)至焚燒爐爐口側(cè)進(jìn)行物料架橋時(shí)的破橋動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了一車(chē)雙用的優(yōu)勢(shì)，可獨(dú)立完成除功能3 以外的所有功能。

圖5 牽引式雙小車(chē)形式

圖6 剛性套筒防搖

4）平行獨(dú)立雙小車(chē)形式抓斗起重機(jī)

平行獨(dú)立雙小車(chē)形式如圖7 所示，配備2 種不同抓具的2 臺(tái)小車(chē)，平行布置在4 條獨(dú)立的小車(chē)軌道上，4條小車(chē)軌道安裝至3 根主梁，起重機(jī)中間主梁為雙全偏軌寬翼緣箱型主梁，2 根小車(chē)軌道分別置于主梁的2 塊腹板上方。端梁也由主端梁、副端梁構(gòu)成，之間通過(guò)鉸接進(jìn)行連接，避免出現(xiàn)剛性連接時(shí)由于軌道不平整等原因?qū)е碌能?chē)輪受載不均情況，可獨(dú)立完成除功能4 以外的所有功能。

圖7 平行獨(dú)立雙小車(chē)形式

5）單抓斗起重機(jī)

該形式采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主機(jī)配置1 臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)橋架、大車(chē)和1 臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)抓斗小車(chē)等主要部件構(gòu)成，本形式主要聯(lián)合其他組件實(shí)現(xiàn)上料系統(tǒng)的多樣性組合，可獨(dú)立完成功能1、功能3、功能5、功能7。

6）專(zhuān)用抓具技術(shù)體系

根據(jù)異類(lèi)物料的特性確定不同斗體結(jié)構(gòu)形式的抓斗，配備不同輔助檢測(cè)元器件，針對(duì)抓具快換性需求，確定抓斗與起重機(jī)鋼絲繩和電纜連接方式，保證既更換便捷又連接可靠。

通過(guò)以上5 種專(zhuān)用裝備和抓具體系靈活組合可全面覆蓋上述7 種功能，可以形成數(shù)十種工藝流程，滿(mǎn)足用戶(hù)結(jié)合功能需求及經(jīng)濟(jì)投入等綜合因素決策要求，實(shí)現(xiàn)了上料系統(tǒng)柔性供給型設(shè)計(jì)。

1.3 裝備健康管理技術(shù)體系

裝備健康管理技術(shù)體系，以健康分級(jí)、示警研判及故障排除等架構(gòu)提高了系統(tǒng)健康狀態(tài)穩(wěn)定性，促使協(xié)同處置工程產(chǎn)線起始位的上料系統(tǒng)主動(dòng)安全性顯著增強(qiáng)，大幅提升產(chǎn)線的可用度。裝備健康管理技術(shù)體系由6 種關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)組成。

1）系統(tǒng)編碼 上料系統(tǒng)具體由對(duì)象起重機(jī)、起重機(jī)所關(guān)聯(lián)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)所關(guān)聯(lián)的零部件等多層結(jié)構(gòu)組成。系統(tǒng)編碼依據(jù)各具體對(duì)象所在層級(jí)由全廠碼、系統(tǒng)碼、設(shè)備碼、部件碼記性架構(gòu)。

2）設(shè)備關(guān)鍵零部件健康狀態(tài)信息采集 系統(tǒng)健康信息采集分為2 類(lèi)：一類(lèi)以故障診斷為需求，由技術(shù)人員到場(chǎng)勘測(cè)而不進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)；一類(lèi)以傳感器技術(shù)為手段可以動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)采集及展示系統(tǒng)整體及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要零部件的工作狀態(tài)（見(jiàn)圖8、圖9）和運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)可以顯示起重機(jī)故障報(bào)警。

圖8 圖像監(jiān)測(cè)

圖9 振動(dòng)監(jiān)測(cè)

3）系統(tǒng)健康分級(jí)知識(shí)庫(kù) 以本單位相關(guān)設(shè)備歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)為依托，同時(shí)結(jié)合國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)資料，構(gòu)建系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)知識(shí)庫(kù)，對(duì)采集層所獲取的各類(lèi)信息與知識(shí)庫(kù)設(shè)定邊界條件進(jìn)行比對(duì)評(píng)判分級(jí)定損，決策形成后續(xù)維保計(jì)劃。

4）系統(tǒng)健康信息告警機(jī)制 主要由常規(guī)告警和關(guān)聯(lián)類(lèi)指標(biāo)2 部分構(gòu)成，大部分警示信息可以通過(guò)常規(guī)告警解決，針對(duì)常規(guī)告警可能存有的漏報(bào)、誤報(bào)需要關(guān)聯(lián)類(lèi)指標(biāo)輔助解決。

5）根因定位 利用系統(tǒng)的聯(lián)系性原理，針對(duì)告警信息、指標(biāo)異常信息，綜合匯集相關(guān)性部件狀態(tài)信息，進(jìn)行多種信息交匯多維度信息綜合評(píng)判、打破關(guān)聯(lián)的專(zhuān)業(yè)壁壘鎖定故障發(fā)生根因。

6）故障排除 由代償修復(fù)和代償2 部分內(nèi)容構(gòu)成；對(duì)于難度較低的軟故障，系統(tǒng)直接自我修復(fù)；針對(duì)難度較大等硬故障，直接報(bào)告管理人員，由管理人員作出復(fù)判確認(rèn)采取措施后繼續(xù)動(dòng)作。并啟動(dòng)代償機(jī)制（關(guān)聯(lián)病車(chē)讓行技術(shù)，車(chē)間實(shí)行設(shè)備高低跨布置（見(jiàn)圖10）或通過(guò)檢修吊將起重機(jī)整機(jī)起吊，病車(chē)推行至固定檢修區(qū)（見(jiàn)圖11）），實(shí)現(xiàn)故障排除。

圖10 高低跨布置

圖11 檢修吊作業(yè)整機(jī)起吊

2 科技局限性

協(xié)同處置工程多功能智能上料系統(tǒng)作為集多種工業(yè)技術(shù)于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，技術(shù)發(fā)展和工程應(yīng)用受關(guān)鍵配套件及關(guān)鍵技術(shù)等多重因素制約。

1）關(guān)鍵配套件方面 系統(tǒng)內(nèi)起重機(jī)械起升機(jī)構(gòu)為核心部件，目前采用國(guó)產(chǎn)配套件進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，鑒于國(guó)產(chǎn)起重專(zhuān)用電動(dòng)機(jī)、減速器、抓斗電纜卷筒等配套件技術(shù)水平限制，起升機(jī)構(gòu)空間尺寸和自重較大，直接導(dǎo)致起重機(jī)單機(jī)質(zhì)量增加，輪壓增大，作業(yè)區(qū)間縮?。婚g接加大廠房土建造價(jià)；個(gè)別工況需要重新構(gòu)建新設(shè)計(jì)方案滿(mǎn)足工藝需求。系統(tǒng)的輕量化、小型化等高端技術(shù)性能尚有較大提升空間。

2）關(guān)鍵技術(shù)方面 系統(tǒng)關(guān)鍵零部件健康狀態(tài)信息采集技術(shù)受制于目前傳感器技術(shù)、零部件檢測(cè)技術(shù)等相關(guān)行業(yè)水平影響，精準(zhǔn)化、便捷化等性能不夠理想。例如鋼絲繩斷絲動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、制動(dòng)輪機(jī)閘瓦磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)、車(chē)輪傾斜度監(jiān)測(cè)、軌道公差監(jiān)測(cè)等重點(diǎn)關(guān)注部位監(jiān)測(cè)手段不夠先進(jìn)，只能依托現(xiàn)有技術(shù)水平制定適宜的監(jiān)測(cè)策略，實(shí)際操作工藝較為復(fù)雜，部分指標(biāo)測(cè)定對(duì)人員的專(zhuān)業(yè)水平仍有較大依賴(lài)性。

鑒于上述內(nèi)容，需要積極開(kāi)展關(guān)鍵配套件的研制，形成對(duì)應(yīng)成熟產(chǎn)品譜系，與信息采集類(lèi)等專(zhuān)業(yè)結(jié)構(gòu)聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，打通健康狀態(tài)信息采集堵點(diǎn)。

3 推廣情況及社會(huì)效益

截至目前，已直接孵化協(xié)同處置工程相關(guān)項(xiàng)目30個(gè)，其關(guān)鍵科技成果推廣應(yīng)用至其他生活垃圾專(zhuān)項(xiàng)處置、危廢專(zhuān)項(xiàng)處置及生物質(zhì)發(fā)電等領(lǐng)域100 余項(xiàng)工程項(xiàng)目，出口至新加坡、越南等多個(gè)國(guó)家。項(xiàng)目所研發(fā)的技術(shù)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，因地制宜，迎合了現(xiàn)有市場(chǎng)不斷遞增的關(guān)于固廢處理項(xiàng)目同址合建協(xié)同處置的工藝需求，解決了企業(yè)有限投資下工效最大化的迫切要求，同時(shí)智能化系統(tǒng)較大提升了企業(yè)運(yùn)行效率，明顯壓縮了運(yùn)營(yíng)成本；健康管理技術(shù)的應(yīng)用締造了堅(jiān)強(qiáng)性裝備系統(tǒng)，抗故障性能明顯提升。

智能化上料工藝的投產(chǎn)應(yīng)用，大幅減少用工數(shù)量，大幅提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和生產(chǎn)效率，助力協(xié)同處置工程成為智能工廠。

4 結(jié)語(yǔ)

面向固廢協(xié)同處置的多功能組合機(jī)群上料系統(tǒng)，緊扣固廢協(xié)同處置領(lǐng)域?qū)Ｓ醚b備短缺的需求，以提升產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力為目的開(kāi)展各專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)研究，突破了協(xié)同處置工程原料庫(kù)區(qū)智能管理與多功能機(jī)群智能調(diào)度技術(shù)，實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)管理高效化、透明化和系統(tǒng)作業(yè)流程優(yōu)化，激發(fā)協(xié)同處置原料工藝潛能，以機(jī)代人實(shí)現(xiàn)車(chē)間生產(chǎn)效率高速化，人工負(fù)荷降低；攻克了不同儲(chǔ)區(qū)清運(yùn)徹底與料斗破橋功能集成化技術(shù)，創(chuàng)制典型專(zhuān)用裝備，根據(jù)需求場(chǎng)景有機(jī)組合，解決了協(xié)同處置庫(kù)區(qū)物料搬運(yùn)系統(tǒng)化處理難題；構(gòu)建了裝備健康管理技術(shù)體系，以健康分級(jí)、示警研判及故障排除等技術(shù)架構(gòu)，提高了系統(tǒng)健康狀態(tài)的穩(wěn)定性，促使協(xié)同處置工程產(chǎn)線起始位的上料系統(tǒng)主動(dòng)安全性顯著增強(qiáng)，大幅提升產(chǎn)線的可用度。

采用專(zhuān)用化多功能裝備和群機(jī)智能化管理調(diào)度技術(shù)及裝備健康管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同處置領(lǐng)域自動(dòng)化減人，智能化換人的技術(shù)進(jìn)步，迎合了現(xiàn)有市場(chǎng)不斷遞增的關(guān)于固廢處理項(xiàng)目同址合建協(xié)同處置的工藝需求，解決了企業(yè)有限投資下工效最大化的迫切要求，同時(shí)智能化系統(tǒng)極大提升了企業(yè)運(yùn)行效率，在協(xié)同處置領(lǐng)域智能專(zhuān)用裝備供給領(lǐng)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有，開(kāi)拓了新的市場(chǎng)并得到了認(rèn)可，具有廣闊的市場(chǎng)前景和良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。