基于橋式起重機多層布置的空間避讓策略

鄢鵬程 勾 通 陳立新

北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

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

發電廠本身對生產穩定性的需求相對嚴苛，為了適應現實的需求，在保證生產安全的同時兼具一定的冗余性成為了對起重機的新要求。同時，由于土地資源受限，導致垃圾庫的容量受限，用戶只能向立體空間擴建廠房，盡可能地最大化利用資源，故會出現多層布置的起重機運行情況。這種要求在一些特殊的廠房設計中表現尤為突出和重要，常規橋機基本上都是單層布置，即運行在同一水平軌道。多臺起重機相向而行時，可直接通過激光或雷達等檢測裝置作為減速或停止動作的開關。

在多層布置的起重機應用場景中，對防碰撞開關的穩定性要求極高，常規僅靠激光或雷達等防碰撞檢測無法做到空間避讓，且存在安裝困難、維護專業性高、調試復雜等諸多難點。

1 多層布置的橋機空間避讓難點

單層布置的起重機只需考慮一維空間即大車運行機構方向上的防碰撞，實現的方法有很多，方案也較成熟，比如采用激光、雷達、紅外線等檢測裝置，防撞裝置無需知道起重機的具體位置，僅需2臺起重機運行到設定的距離時減速或停止即可。

當起重機多層布置時，避讓對象不再只是起重機的大車機構。在不同的時間段內，防碰撞的對象可能是上層起重機的起升機構及其吊具，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。

為了提高作業效率，多層布置的起重機一般會同時作業，作業區域存在交叉，如上層起重機需要越過下層起重機，起升機構需在交叉跨越時上升到一定高度，以避讓下層起重機及廠房建筑物等。所以，需要考慮三維空間的防碰撞，即大車機構、小車機構和起升機構。因此，多層布置的起重機防碰撞有以下難點：

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

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

3）起重機的運行環境惡劣，且因2臺起重機垂直方向高度差為15 m，考慮到防碰撞的角度問題，防撞距離比常規同軌道的起重機長近20 m，普通的防撞開關在經濟、檢測距離和環境適應性上很難同時滿足設計要求。

基于以上特點和難點，僅依靠常規的防碰撞開關在起重機多層布置的場景中難以滿足需求。雙層布置的起重機三維圖如圖1所示。

圖1 雙層布置的起重機

2 多層布置的橋式起重機空間避讓策略

2.1 空間避讓系統集成

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

圖2 空間避讓系統集成框圖

2.2 空間避讓系統集成的原理

每臺起重機的起升機構、大車機構、小車機構安裝編碼器構建了三維空間的定位系統，并將多層起重機置于同一空間坐標系中，命名大車運行方向為X軸，小車運行方向為Y軸，起升運行方向為Z軸。

防碰撞檢測裝置1采用激光防碰撞檢測裝置，布置于同層起重機間；防碰撞檢測裝置2采用接觸式行程限位開關，每2個行程開關為一組，共設3組，布置于不同層起重機大車機構交叉運行區域的交接線處。

起重機間的通訊采用Profinet-IO方式，通過交換機將數據傳輸到工控機內；在工控機內通過建模，將多臺起重機的位置構建在同一坐標系中；通過系統分析和計算，判斷各臺起重機是否處于安全區域。

2.3 空間避讓系統規劃作業區域

起重機是垃圾儲庫中供料系統的核心設備，位于垃圾儲庫正上方，主要承擔垃圾的投料、搬運、取物、攪拌、稱重等工作。單層布置的起重機一般各司其職，雙層布置的起重機其工藝要求一般為相互配合工作，其工作特點是1臺起重機負責投料，1臺起重機則配合倒料、堆料等工序。每臺起重機在運行時的功能不變，運行區域呈周期性循環變化。由現場實際情況可知，常規的垃圾發電廠作業班組根據垃圾的發酵程度、結合操作人員的習慣操作對整體垃圾儲庫提出作業區域規劃，該規劃能極大地保證了垃圾在儲庫內的充分發酵，同時提高了垃圾在燃燒爐中的燃燒效率，增加了發電產量。因此，對起重機運行區域的規劃可使上下層起重機在水平方向上不存在交叉區域，達到運行區域層面的防碰撞效果。避讓系統的規劃作業區域如圖3所示。

圖3 空間避讓系統規劃作業區域

當起重機需要交叉運行時，僅在交叉運行區域進行跨越穿行，由大車機構編碼器獲取2臺起重機X軸的位置。中央控制系統根據位置信息，在低于安全距離時大車機構減速，同時避讓系統獲取Z軸位置，上層起重機的起升機構上升至安全位置，一般選為上限位點，以避讓下層起重機小車機構的最高點。當2臺起重機運行到交叉區域邊界線時，觸發接觸式行程開關1或3，中央控制系統獲取交叉跨越信號，并校驗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繼續運行完成交叉跨越。

為了更好地在交叉跨越區進行作業，控制系統根據需要設置限位開關3和4，將交叉跨越區又劃分為2個區域，即限位開關1和2至限位開關3和4的區域，限位開關3和4至限位開關5和6的區域，通過系統選擇實現運行區域切換。每一個邊界交叉處設2組限位開關，這2組限位開關采用串聯接線形式，確保只要有其中一個限位開關動作系統就能接受到反饋信息。雙限位開關形式比單限位開關更可靠，可實現性能的穩定性提升。在控制系統中設置2臺起重機，任務互鎖以及通訊狀態檢測，并引入蜂鳴器報警功能，避讓系統提升了整個電氣系統的安全性和有效性。

3 應用情況

目前，多層布置的空間避讓系統已在多個橋式起重機項目上得到應用，應用情況良好，上下層起重機在各種區域內作業時，互不干涉，效率較高；交叉跨越時，上下層起重機的起升機構能夠自動運行到設定的安全高度，交叉跨越區域可切換，使作業更靈活，接觸式行程限位開關，定點比較精準，安裝較為方便，后期維護工作量較小。

4 結論

基于橋式起重機多層布置的空間避讓系統，通過三維空間建模，以及對工藝的解析，得出區域規劃的理念，在控制系統中編寫符合生產規律的邏輯程序，對起重機的運行區域進行自動規劃，在提高起重機系統穩定性的同時，可有效解決常規防碰撞裝置安裝和調試的困難。限位開關的新型應用，也開辟了安全限位開關等常見裝置的新用法。