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基于格雷母线定位技术的垃圾抓斗起重机自动化控制系统

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1 引言 垃圾抓斗起重机是生活垃圾焚烧厂供料系统的核心设备,主要担负垃圾焚烧炉进 料斗的供料和坑内垃圾的搬运、搅拌、倒垛、堆放等任务。其工作状态对于整个生活 垃圾焚烧厂的正常运行起着非常关键的作用。一旦垃圾抓斗起重机出现故障,无法及 时弥补而影响到垃圾焚烧炉的进料,将直接使整个生活垃圾焚烧厂陷于瘫痪状态。 由于垃圾抓斗起重机在多粉尘、高温、高湿和高腐蚀性气体环境工作,电控柜不 设在吊车上,而是安放在封闭式控制室集中控制。因此垃圾抓斗起重机的位置识别功 能十分重要,常规的方法是通过旋转编码器来识别垛位,通过大量的行程开关实现操 作区域防护、投料点定位,检修位置识别,由于现场工况太差,行程开关失效维护困 难,拖令电缆信号太多不易更换,特别容易产生安全问题,自动化操作运行不起来。 本方案提出采用格雷母线精确位置检测技术,非接触绝对位置检测方式工作,实 时检测精度达 5 毫米, 在多粉尘、 高温、 高湿和高腐蚀性气体环境中可长期稳定工作, 免维护。对整个料坑进行数字坐标化处理,通过触摸屏点击抓取和投料的位置,即可 实现自动抓取、自动重复完成投料和倒垛、自动泊车等工艺操作,并具有实时动态计 量、抓斗状态监测及故障诊断报警功能。 2 垃圾抓斗起重机工作特点 2.1 垃圾抓斗起重机的工艺要求 垃圾抓斗起重机一般采用桥式起重机,安装在垃圾池的上部,沿固定轨道行走, 抓斗借助卷起装置可以到达垃圾池中每一个角落完成各项作业。 根据垃圾焚烧气化工艺的规定,卸入垃圾池待焚烧的垃圾应满足以下工艺要求: 1) 卸入的垃圾应搬运到预定的区域,进行分区堆放,使垃圾在入炉焚烧前有 1 到 2 天的堆酵周期,以利于提高垃圾的燃烧热值; 2) 垃圾在入炉焚烧前应充分搅拌、移动和混合,使入炉垃圾的组成和性质保持 一定的稳定性,便于后续垃圾焚烧工序稳定、正常进行; 3) 定期抓空、移开垃圾池内垃圾渗沥液排水口的垃圾,使垃圾在堆酵期间渗出 的垃圾渗沥液及时从垃圾池排出, 以提高垃圾在垃圾池内的沥干效果和垃圾的燃烧效 率; 4) 垃圾焚烧前宜先将垃圾投放在焚烧炉进料斗内,且焚烧炉进料斗应设在一定 高度上,便于利用垃圾的自重实现适时供料和彻底焚烧等工艺流程。 2.2 垃圾抓斗起重机控制系统设计原则 1)灵活、方便的硬件配置以保证系统的功能性要求与硬件系统的最合理的配合, 从而构成最合理的性能价格比; 2)极低的设备维护成本和系统管理成本,要求选择的自动化控制系统具备良好的 可扩充性、开放性和在为多粉尘、高温、高湿和高腐蚀性气体环境长期稳定运行。 3 格雷母线定位装置 格雷母线位移检测系统以相互靠近的扁平状的格雷母线和天线箱之间的电磁耦 合来进行位置检测, 它是一种非常成熟的非接触绝对位置检测传感器, 该传感器主要 由四大部分构成:格雷母线、天线箱、地址编码发生器、地址解码器。格雷母线类似 一把有刻度的标尺,天线箱类似指针,指针指向的刻度即是当前位置值,无需初始参 考点,定位精度 5mm,可以连续在车上或地上得到位移量,地址信息可以通过数传电 台或信号电缆进行传输。一条格雷母线可以供多台移动设备使用,而且长度可依工程
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需要而定,多根格雷母线可拼接。防水、防油、防尘、耐酸碱,理论上无寿命极限。 3.1 格雷母线位置检测基本原理 格雷母线位置检测传感器以相互靠近的扁平状的格雷母线和天线箱之间的电磁 耦合来进行通信,并在通信的同时检测到天线箱在格雷母线长度方向上的位置。格雷 母线位置检测有两种工作方式: 地上检测方式: 地址编码发射器安装在小车上, 通过格雷母线接收地址信号, 地址解码器安装在固定站上,在地面站完成地址检测; 车上检测方式:地址编码发射器安装在固定站,通过格雷母线芯线发射地址 信号,天线箱、地址解码器安装在移动电机车上,电机车直接检测到地址。 为了保证电机车运行的绝对安全和位置准确, 本方案选择格雷母线通讯定位装置 的精密地上检测方式,其检测精度为 5mm。 3.2 格雷母线通信定位装置特点 非接触工作方式:非接触工作方式,无滑脱和磨损等故障; 绝对位置检测:能够连续地、高精度地检测绝对地址,位置检测精度达 5mm, 可以实现移动机车自动行走和全自动操作; 通信适用范围广:通过电磁耦合来进行通信,不受环境条件限制,接收灵敏 度高。例如在隧道内空间电磁波便很难传送 ,格雷母线能实现通信; 不受无管会管制; 数据通信的载频为低频, 所产生的电磁场只限于几米范围, 辐射比工厂使用高频无线电通信系统容许的级别低, 不需要向无管会申请即 可使用; 兼容性好:位置检测和数据通信可以合用一根格雷母线电缆,施工方便、安 装维护简单,占空间小,不影响现场外观,不改变现场设备; 抗干扰能力强:使用交叉扭绞结构及相位检测技术,天线箱与格雷母线两者 间隙从 30mm 到 300mm 均可正常工作,不受环境噪音和接收信号电平波动的 影响,能够在诸如铁矿石场等恶劣环境条件中长期可靠的工作; 适用于恶劣的工业环境:安装在室外的格雷母线电缆、天线箱、始端箱、终 端箱采用非金属材料制作而且采用密封工艺, 耐酸、 碱腐蚀, 防护等级 IP65, 使用寿命长。 3.3 格雷母线位置检测装置基本构成 格雷母线位置检测装置主要包括格雷母线、天线箱、地址编码发射器和地址编码 接收器 4 个部分。其结构见图 1.

图 1 格雷母线位置检测装置框图. 地址编码发生器:地址编码载波信号的发生和功率放大; 天线箱:天线箱将信号送给格雷母线标准线、交叉线。
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格雷母线:通过互感耦合检测地址编码载波信号; 地址检测单元:完成位置地址信号的解码,并将解码后信号传到 PLC 单元; 3.4 格雷母线技术性能参数 水平位置检测精度:5mm; 水平位置定位精度:≤10mm; 水平位置测量范围:大车、小车轨道长度; 位置检测感应距离:60mm≤感应距离≤300 mm; 发振频率:31kHz,39 kHz,46 kHz,62kHz。可根据现场的情况调整; 等效全向辐射功率(EIRP): ≤27dBm; 工作温度:-25℃~+80℃。工作湿度:< 95%; 工作电源:24VDC, 耗电:<100VA; 系统平均无故障连续运行时间:10000h。 4 基于格雷母线定位技术的垃圾抓斗起重机电气系统组成 本系统设计由两台垃圾抓斗起重机组成的起重机搬运系统, 用于完成对垃圾焚烧 发电厂的垃圾投料、倒垛、混料、移料等工作。每一台起重机都有自己独立的电气控 制系统、操作控制台和 HMI 显示面板,根据用户的需要可提供手动、半自动、全自动 的操作。 由于电控柜不设在垃圾抓斗起重机上,PLC 设在控制柜里,垃圾抓斗起重机上的 开关量信号、模拟量信号需要 PLC 处理,整个 PLC 系统连接图如图 3 所示。

图 3 PLC 系统连接框图 4.1 格雷母线在垃圾抓斗起重机上的配置

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格雷母线位置检测装置对垃圾抓斗起重机工作区域进行数字化,实现垃圾抓斗起 重机两车或多车间防撞;操作室防护;坑壁防护;厂房周边防护;进料斗中心位识别; 料坑垛位识别。 格雷母线位置检测装置通过总线与 PLC 进行数据交换。垃圾抓斗起重机的大车、 小车均采用格雷母线位置检测技术进行位置检测,其整体架构见图 4。

图 4 垃圾抓斗起重机位置检测框图 大车轨道长度为 75m, 采两台垃圾抓斗起重机共用一条格雷母线, 通过两种频率 区分,1#垃圾抓斗起重机使用 39KHz,2#垃圾抓斗起重机使用 47KHz,位置检测精度 为 5mm。 小车轨道长度为 25m,每台垃圾抓斗起重机小车应用一条格雷母线。置检测精度 为 5mm。 采用格雷母线精确位置检测技术,对垃圾抓斗起重机工作区域进行数字化,这样 便把吊车下方的矩形空间划分成若干个小矩形,即坐标空间。所以料坑垛位固定坐标 保存在 PLC 中,可以实现垃圾抓斗起重机自动调度,达到全自动操作。 将料坑垛位,操作区域,投料点,检修台坐标保存在 PLC 中。垃圾抓斗起重机工 作时,对大车、小车的绝对位置动态实时检测。并据此完成垛位识别,实现操作区域 防护、投料点定位,检修位置识别等功能。 另外将垃圾抓斗起重机大车位置传到相邻垃圾抓斗起重机 PLC 中, 自动实现垃圾 抓斗起重机防碰撞功能。 4.2 传统控制方式相比 与传统控制方式相比,可取消的设备统计如下表:
两种方案外部检测元件比较( 台起重机) 两种方案外部检测元件比较(两台 2 台起重机) 真诚做人,用心做事!
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序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 合 计

常规检测方案 安全门限位 小车前后极限 大车左/右极限 起升上下极限 起升常用上限 起升常用下限 抓斗下限 抓斗打开到位 起升制动确认 起升编码器 4个 4个 2个 4个 2个 2个 2个 2个 2个 2个

格雷母线方案 格雷母线方案 安全门限位 4个

取消的信号

取消的电缆

小车前后极限 4 个 大车左/右极限 2 个 起升上下极限 4 个 起升常用上限 2 个 起升常用下限 2 个 抓斗下限 2个 抓斗打开到位 2 个 起升制动确认 2 个 起升编码器 格雷母线 格雷母线 格雷母线 格雷母线 格雷母线 格雷母线 格雷母线 格雷母线 格雷母线 格雷母线 格雷母线 格雷母线 格雷母线 格雷母线 格雷母线 格雷母线 格雷母线 元件个数 29 个 2个 DI 输入点 4 个 DI 输入点 2 个 DI 输入点 2 个 DI 输入点 2 个 DI 输入点 2 个 DI 输入点 2 个 DI 输入点 2 个 DI 输入点 2 个 DI 输入点 4 个 DI 输入点 2 个 DI 输入点 2 个 DI 输入点 2 个 DI 输入点 2 个 DI 输入点 2 个 DI 输入点 2 个 总线信号 总线信号 2个 2个 固定信号电缆 8 芯 固定信号电缆 2 芯 固定信号电缆 2 芯 固定信号电缆 2 芯 固定信号电缆 2 芯 固定信号电缆 4 芯 固定信号电缆 4 芯 拖令电缆 拖令电缆 拖令电缆 拖令电缆 拖令电缆 拖令电缆 拖令电缆 拖令电缆 拖令电缆 拖令电缆 4芯 8芯 4芯 4芯 4芯 4芯 4芯 4芯 12 芯 12 芯

控制室左右保护开关 4 个 大车 1 号炉中心开关 1 个 大车 2 号炉中心开关 1 个 大车 3 号炉中心开关 1 个 大车 4 号炉中心开关 1 个 检修平台限位开关 大车常用左限开关 控制室前减速开关 控制室前保护开关 控制室下保护开关 小车中心开关 大车坑左限位开关 小车常用后限开关 小车坑前限位开关 防碰撞检测装置 大车编码器 小车编码器 元件个数 60 个 2个 2个 2个 4个 2个 2个 2个 2个 2个 2个 2个 2个

减少输入点 38 个

减少信号电缆 84 芯

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