袁 楷 鄢鵬程 姜建寧 張士杰

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

在常見的混合物料中，垃圾焚燒發(fā)電廠中的混合生活垃圾是較新型的混合物料堆。在新的垃圾到場后，先要將其堆放在池中發(fā)酵，瀝掉垃圾中的水分使其燃值變高后再由起重機(jī)投放進(jìn)料口中燃燒。常規(guī)的起重機(jī)倒料、上料作業(yè)均由起重機(jī)司機(jī)憑經(jīng)驗(yàn)判定垃圾混合物料堆放在位置、投料的時(shí)機(jī)，做到精準(zhǔn)操作難度很大。如果能夠預(yù)知垃圾堆的三維形貌參數(shù)，即可準(zhǔn)確地判定垃圾堆的外形尺寸，而非以肉眼粗略判斷，從而既簡單又準(zhǔn)確高效地完成作業(yè)任務(wù)。不僅能解放勞動(dòng)力，還能減少培養(yǎng)勞動(dòng)力的時(shí)間和成本。因此，有必要采取新的手段配合垃圾混合物料的搬運(yùn)、投放等作業(yè)，故新的物料檢測系統(tǒng)迫在眉睫。

1 激光掃描儀的工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，混合物料測量系統(tǒng)主要由激光掃描儀裝置、位置檢測裝置、可編程控制器等組成。

圖1 激光掃面物料系統(tǒng)

1）激光掃描儀裝置

激光掃描儀由一個(gè)線狀激光傳感器和一個(gè)旋轉(zhuǎn)底座組成，線激光器的功能是向堆體表面投射線狀激光，在其表面形成高亮度的激光斑，而旋轉(zhuǎn)底座則用于捕獲激光照射下平面180゜的堆體表面。

2）位置檢測裝置

位置檢測裝置包括起重機(jī)大車主梁同步移動(dòng)平臺(tái)和變頻器2個(gè)部分，同步移動(dòng)平臺(tái)是激光掃描儀系統(tǒng)的載體，依靠電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置是為了方便它能夠進(jìn)行完整的掃描過程。變頻器用來獲取指令、控制掃描系統(tǒng)掃描的方向、速度和距離等。

3）可編程控制器

可編程控制器作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心和數(shù)據(jù)處理中心，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)處理好后向掃描系統(tǒng)發(fā)送控制指令，并接收來自掃描系統(tǒng)的應(yīng)答信號，以完成一個(gè)測量周期。同時(shí)，該系統(tǒng)還為用戶提供了交互界面，以便于用戶對測量系統(tǒng)進(jìn)行功能設(shè)定，并實(shí)現(xiàn)測量過程可視、自動(dòng)化等功能。

1.2 工作流程

從實(shí)用使用情況看，掃描過程不能占用過多運(yùn)行時(shí)間，掃描裝置、位置檢測裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和自動(dòng)控制程序四者必須做到高效結(jié)合。如果使用上位機(jī)作為掃描數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收處理的平臺(tái)，掃描周期太長且效率低下，則效果難以保證?？删幊炭刂破骶哂袑⑺恼吆隙鵀橐坏南忍靸?yōu)勢，選擇利用高性能可編程控制器、位置檢測裝置和激光掃描裝置實(shí)現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收處理功能，并使用高級編程語言對收到的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理。

1.3 安裝位置

將激光掃描儀放置于支架，然后安裝在主梁下方。相對于支架而言，抓斗在完全打開后跨度較大，若抓斗出現(xiàn)在激光掃描儀的掃描區(qū)域內(nèi)會(huì)對其作出誤判，進(jìn)而影響測量精度。因此，可將支架安裝在起重機(jī)主梁一側(cè)，且要保證其與主梁中心的距離小于抓斗張開半徑。這樣垂直安裝完成后，無論大車的運(yùn)行方向?yàn)楹?，均可?shí)時(shí)得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 安裝位置示意圖

2 激光掃描儀的工作方式及流程

2.1 工作方式

物料數(shù)據(jù)掃描裝置采用高速激光掃描器，激光掃描器以50次/s的頻率經(jīng)以太網(wǎng)發(fā)出，沿起重機(jī)橋架方向掃描獲得剖面數(shù)據(jù)，將起重機(jī)大車當(dāng)前位置與獲得的掃描數(shù)據(jù)結(jié)合，可換算出當(dāng)前掃描路徑上料位三維坐標(biāo)。如圖3所示。

圖3 物料掃面三維圖

獲取物料分布狀態(tài)，生成與物料分布狀態(tài)相對應(yīng)的控制指令，供起重機(jī)執(zhí)行相應(yīng)控制指令對應(yīng)的操作，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制或自動(dòng)供料。

2.2 工作流程

1）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際使用情況，起重機(jī)大車運(yùn)行速度為1.333～1.66 m/s，激光掃描儀返回每組數(shù)據(jù)長度為2 000～2 042字節(jié)，中央處理器采用定長緩沖區(qū)接收觸發(fā)方式，至少將緩沖區(qū)設(shè)置范圍為5 000字節(jié)（約2.5組數(shù)據(jù)長度）。因此，每接收2～3組數(shù)據(jù)能觸發(fā)一次接收條件，從緩沖區(qū)中讀取一組數(shù)據(jù)，即約每40～60 ms即可采集到1條掃描數(shù)據(jù)，每2組掃描數(shù)據(jù)之間間隔0.08～0.1 m。抓斗直徑通常約為5 m，劃分的矩陣區(qū)域約為3.5～4 m，故掃描間隔滿足物料掃描采樣。

2）設(shè)定好掃描相關(guān)程序的轉(zhuǎn)速后，開始進(jìn)行整個(gè)物料堆全面掃描。在全面掃描過程中要做好區(qū)域保護(hù)，如池邊、司機(jī)室等。若有多臺(tái)起重機(jī)在同一軌道作業(yè)，初次掃描應(yīng)保證其余未掃描車輛停靠在極限區(qū)域，保障掃描車輛能夠最大化掃描區(qū)域。

3）獲取三維測量數(shù)據(jù)，通過PLC計(jì)算出最佳位置抓取物料，最佳抓取位置有以下幾個(gè)關(guān)鍵因素：

①如垃圾池只有一個(gè)投料口，要保證此位置在掃描區(qū)域內(nèi)為最高物料點(diǎn)，由于最高點(diǎn)易抓取，若有相似點(diǎn)位，故應(yīng)考慮就近原則。

②若有多個(gè)投料口，應(yīng)劃分對應(yīng)投料口的區(qū)域，在對應(yīng)區(qū)域內(nèi)從最高點(diǎn)逐次抓取投料；若對應(yīng)區(qū)域內(nèi)少料或無料，則考慮就近區(qū)域內(nèi)依次抓取。

3）此控制方式可有效提高起重機(jī)工作效率，用儀器代替了人工判斷最佳抓取散料物，大幅提高。這種控制方式結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，具有良好的通用性，適用于目前大多數(shù)的抓取散料用起重機(jī)。

3 應(yīng)用案例

1）秸稈 秸稈的顏色相對單一，廠棚多采用兩側(cè)多根立柱，頂部彩鋼瓦鋼結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存庫，光線均衡，堆型好，有利于激光掃描儀采集數(shù)據(jù)，能提高其準(zhǔn)確性。不足之處在于一般此類倉庫運(yùn)行距離較長，如選擇高位投料法，第一高點(diǎn)與第二高點(diǎn)距離過長，增加檢測周期時(shí)間，不利于提高生產(chǎn)效率，此類問題可在PLC中對起重機(jī)劃分區(qū)域作出解決（見圖4）。

圖4 秸稈搬運(yùn)起重機(jī)工作圖

2）混合型生活垃圾 一般此類料物倉庫行車運(yùn)行距離較小，檢測周期較短，不僅可以檢測料堆高低，還可以檢測進(jìn)料口情況，檢測是否缺料需要上料。不足之處在于此類倉庫料堆堆形較差，倉庫邊緣角落掃面堆形較差，抓取料物難度增加，不利于高效生產(chǎn)，且容易造成抓斗及電纜損傷，此類問題可在起重機(jī)中設(shè)置邊緣區(qū)域解決（見圖5）。

圖5 垃圾搬運(yùn)起重機(jī)工作圖

3）灰渣 此類料物物質(zhì)單一，出料口固定，易于檢測料堆，提高準(zhǔn)確性。但是，其灰塵極大，容易吸附在激光掃描儀鏡頭表面，大大影響掃描料堆的準(zhǔn)確性，此類問題可在激光掃描儀上增加防塵罩及除塵裝置解決（見圖6）。

圖6 灰渣搬運(yùn)起重機(jī)工作圖

4 結(jié)束語

本文通過對抓取散料起重機(jī)及運(yùn)行原理的分析，得出其運(yùn)行效率低的可能原因，并提出一種激光掃描儀在混合物料檢測中獲取最佳抓取料物點(diǎn)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將采集的物料三維數(shù)據(jù)信號通過總線傳輸方式傳回PLC中央控制器，并通過物料三維數(shù)據(jù)值來判斷出最佳物料點(diǎn)。節(jié)省了時(shí)間，進(jìn)而提升了搬運(yùn)物料的運(yùn)行效率。但仍還有許多不足，愿與大家共同探討，為中國智能起重行業(yè)盡綿薄之力。