周明，曾崢，陳洋，葉君輝，姜鵬濤，雪偉，韋思海

（1.中電國(guó)際新能源控股有限公司，上海 200086；2.德陽(yáng)和新環(huán)保發(fā)電有限責(zé)任公司，四川 德陽(yáng) 618003；3.杭州集益科技有限公司，浙江 杭州 311200）

垃圾焚燒發(fā)電廠的燃料來(lái)自發(fā)酵后的生活垃圾，焚燒發(fā)電工藝主要包括垃圾受料給料系統(tǒng)、垃圾焚燒系統(tǒng)、灰渣排放系統(tǒng)、余熱利用系統(tǒng)、滲濾液處理系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)、飛灰輸送暫存固化系統(tǒng)。在垃圾受料給料系統(tǒng)，主要有卸料平臺(tái)、卸料門、垃圾庫(kù)、垃圾吊、垃圾料斗以及垃圾吊控制室等。其中卸料門的啟閉已基本實(shí)現(xiàn)了電氣自動(dòng)化，通過(guò)對(duì)垃圾車到來(lái)和離開(kāi)的自動(dòng)感應(yīng)，實(shí)現(xiàn)卸料門地自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉。

當(dāng)前，垃圾庫(kù)里的垃圾吊作業(yè)與垃圾卸料平臺(tái)垃圾車的卸料作業(yè)是互相獨(dú)立的，二者之間的聯(lián)動(dòng)依靠人工實(shí)現(xiàn)。通常情況下，垃圾吊操作員通過(guò)工業(yè)電視觀察垃圾車的卸料情況，確定垃圾吊抓取新料的動(dòng)作時(shí)間，避免在垃圾車卸料時(shí)垃圾吊到新料區(qū)抓料。如何避免人為因素影響，確保垃圾吊抓料與垃圾車卸料安全協(xié)同，減少垃圾車等待時(shí)長(zhǎng)，加快早高峰卸料期的垃圾車進(jìn)出廠，對(duì)垃圾發(fā)電廠的安全高效生產(chǎn)運(yùn)行顯得尤為重要。

本文以某垃圾焚燒發(fā)電廠為例，設(shè)計(jì)一套基于PLC的聯(lián)鎖控制工藝，實(shí)現(xiàn)垃圾吊與垃圾車作業(yè)的自動(dòng)安全聯(lián)鎖控制，保證作業(yè)安全，減少車輛等待時(shí)長(zhǎng)，杜絕人為因素影響，為同類垃圾焚燒發(fā)電廠提供借鑒。

1 垃圾庫(kù)運(yùn)行和管理概況

生活垃圾由專用垃圾車經(jīng)廠區(qū)入口設(shè)置稱重計(jì)量設(shè)施后，在卸料大廳交通指揮員的統(tǒng)一指揮下，將垃圾卸入垃圾庫(kù)內(nèi)。下面是垃圾庫(kù)的主要運(yùn)行和管理概況。

1.1 垃圾庫(kù)組成

某垃圾焚燒發(fā)電廠，垃圾受料給料系統(tǒng)，包括卸料平臺(tái)（卸料大廳）、垃圾庫(kù)、投料區(qū)。垃圾庫(kù)配置7個(gè)卸料門、2 臺(tái)垃圾吊、2 個(gè)投料區(qū)（投料口）、1 個(gè)垃圾滲濾液收集池等，如圖1 所示。垃圾庫(kù)長(zhǎng)51m，寬24m，深17m，有效容積約為20808m3，可儲(chǔ)存垃圾約8947t，可儲(chǔ)存垃圾時(shí)間約7 天。垃圾產(chǎn)生的滲濾液通過(guò)垃圾庫(kù)設(shè)置的格柵滲濾到滲濾液池。在垃圾庫(kù)上部安裝兩臺(tái)行車及三臺(tái)抓斗（二用一備方式），用于垃圾的給料、堆料、倒料。兩臺(tái)垃圾吊的處理能力能完成兩條焚燒線的總的垃圾給料及倒料、堆料等工作。

圖1 垃圾受料給料系統(tǒng)平面布置圖

垃圾吊的運(yùn)行由控制室操作人員遙控操作，配備手動(dòng)控制、半自動(dòng)控制兩種操作控制模式。垃圾吊控制室設(shè)有垃圾卸料門控制盤，該控制盤上有每個(gè)卸料門的開(kāi)、閉按鈕、禁止開(kāi)啟按鈕及開(kāi)、閉指示燈，并能送出每個(gè)卸料門的位置信息等信號(hào)至遠(yuǎn)方控制系統(tǒng)。垃圾車輛刷卡進(jìn)出卸料平臺(tái)，并把相應(yīng)信號(hào)傳給垃圾吊控制室，垃圾吊控制室給出相應(yīng)的信號(hào)開(kāi)啟/關(guān)閉卸料門。

1.2 垃圾吊和卸料門已有聯(lián)鎖控制

卸料門工作狀態(tài)的信號(hào)（門開(kāi)及門閉）由卸料門控制系統(tǒng)送出給垃圾吊控制系統(tǒng)，允許開(kāi)啟信號(hào)由垃圾吊控制系統(tǒng)送出給卸料門控制系統(tǒng)作為卸料門控制系統(tǒng)發(fā)開(kāi)啟命令的閉鎖條件。卸料門開(kāi)閉與垃圾吊位置進(jìn)行互鎖，垃圾吊工作區(qū)域的卸料門不得打開(kāi)；卸料門將卸料門的位置信號(hào)（全開(kāi)或全關(guān)）輸送到垃圾抓斗操作室，并可接受來(lái)自垃圾抓斗操作室的指令：打開(kāi)、關(guān)閉、禁止開(kāi)啟。

卸料門的就地操作箱有開(kāi)/關(guān)、緊急停止、報(bào)警按鈕。只能開(kāi)啟垃圾抓斗控制室允許打開(kāi)的卸料門，為了把垃圾卸入垃圾庫(kù)，開(kāi)啟后的卸料門在操作人員關(guān)閉該門前，一直保持開(kāi)啟狀態(tài)；如果按下緊急停止按鈕，為了確保安全，垃圾吊也聯(lián)鎖停止。

1.3 存在問(wèn)題

從以上作業(yè)規(guī)程可以看出，垃圾吊作業(yè)與垃圾車卸料之間的聯(lián)動(dòng)主要依靠卸料門和垃圾吊的位置互鎖，以及垃圾吊控制室人工控制和調(diào)度。位置互鎖控制方法只能基于當(dāng)下的垃圾吊和卸料門狀態(tài)進(jìn)行互鎖，不能對(duì)各自的到位時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行有效預(yù)測(cè)和作業(yè)狀態(tài)控制，影響了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，特別是在早高峰卸料期，垃圾吊與垃圾車之間的聯(lián)鎖，對(duì)垃圾車的排隊(duì)時(shí)間和垃圾庫(kù)的運(yùn)行效率影響很大。因此，設(shè)計(jì)一套垃圾車與垃圾吊基于時(shí)間預(yù)測(cè)分析的聯(lián)鎖機(jī)制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聯(lián)鎖，解決人工聯(lián)鎖的問(wèn)題。

2 聯(lián)鎖控制工藝

2.1 設(shè)備組成

如圖2、3 所示，在垃圾庫(kù)頂部靠近各卸料門位置A點(diǎn)分別設(shè)置超聲波料位計(jì)，用來(lái)檢測(cè)卸料區(qū)料位高度；垃圾吊大車、小車、抓斗分別安裝編碼器，用于檢測(cè)大車、小車、抓斗的位置信息，檢測(cè)信號(hào)連接到PLC1。在卸料平臺(tái)B 點(diǎn)，設(shè)置車輛感應(yīng)雷達(dá)，用于檢測(cè)車輛到位狀態(tài)；設(shè)置道閘，用于設(shè)置垃圾車通行障礙；設(shè)置計(jì)時(shí)器、紅綠燈、廣播，用于向垃圾車展示通行信號(hào)、等待時(shí)間、提示聲音等；信號(hào)連接至PLC2。PLC1 和PLC2 連接互相通信，PLC1 將垃圾車車輛檢測(cè)信號(hào)接入垃圾吊的安全聯(lián)鎖控制回路里。

圖2 垃圾受料給料系統(tǒng)縱面圖

圖3 垃圾吊和卸料平臺(tái)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)示意圖

2.2 聯(lián)鎖控制流程

如圖2 所示，卸料門高度h1，新卸料的新料區(qū)垃圾堆高度h3，垃圾吊抓斗在新料區(qū)正上方（即大車小車在指定的區(qū)域）時(shí)h2，在其他位置時(shí)，需加上大車和小車位置。垃圾吊和垃圾車之間的聯(lián)鎖控制設(shè)計(jì)如下：

（1）當(dāng)h3 ≥h1 時(shí)，則啟動(dòng)紅燈、落下道閘，禁止車輛進(jìn)入卸料平臺(tái)。

（2）當(dāng)垃圾車已就位卸料時(shí)，即有垃圾車車輛檢測(cè)信號(hào)，則禁止垃圾吊進(jìn)入h2 ≤h1 區(qū)域；已經(jīng)進(jìn)入的，斷開(kāi)垃圾吊下降控制指令，并上升使得h2 ≥h1，同時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

（3）當(dāng)垃圾車未就位卸料時(shí)，當(dāng)垃圾吊抓斗在新料區(qū)上方進(jìn)行抓料作業(yè)時(shí)，計(jì)算抓料作業(yè)完成時(shí)長(zhǎng)ΔT1，并在計(jì)時(shí)器上顯示剩余時(shí)長(zhǎng)，亮紅燈，道閘放下?tīng)顟B(tài)。當(dāng)垃圾車中間到達(dá)等候時(shí)，垃圾車司機(jī)可實(shí)時(shí)獲得需等待時(shí)長(zhǎng)，并提前做好倒車準(zhǔn)備。

（4）當(dāng)垃圾車未就位卸料時(shí)，當(dāng)垃圾吊抓斗在堆料區(qū)或其他區(qū)作業(yè)時(shí)，垃圾吊操作員輸入垃圾車到位預(yù)期時(shí)長(zhǎng)ΔT，計(jì)算垃圾吊到新料區(qū)卸料門上部h1 的時(shí)長(zhǎng)ΔT2 以及垃圾吊到新料頂部并抓料完成的時(shí)長(zhǎng)ΔT3，比較ΔT 與ΔT2、ΔT3。當(dāng)ΔT ≤ΔT2 時(shí)，先卸垃圾車，垃圾吊繼續(xù)其他作業(yè)；當(dāng)ΔT ≥ΔT3 時(shí)，垃圾吊先進(jìn)新料區(qū)抓料，再垃圾車卸料；其他情況時(shí)，優(yōu)先選垃圾車卸料。當(dāng)垃圾吊進(jìn)入新料區(qū)上方時(shí)，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器ΔT1，亮紅燈，道閘放下?tīng)顟B(tài)。

2.3 時(shí)長(zhǎng)計(jì)算

垃圾吊的大車、小車、抓斗移動(dòng)速度目前均采用三檔變頻控制，經(jīng)過(guò)改造后可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變頻。

（1）抓斗作業(yè)時(shí)長(zhǎng)：ΔT1、ΔT11。

抓斗在抓料過(guò)程中，抓斗在高度h2 處，變頻器控制抓斗提速至V1，再勻速下行，再做減速運(yùn)動(dòng)，停在料頂抓料，抓料后啟動(dòng)加速至V1，再勻速上行，再減速上升高度h2。

式中，t1 為抓斗在h2 提速至V1 時(shí)長(zhǎng)；t2 為抓斗繼續(xù)勻速下降時(shí)長(zhǎng)；t3 為減速為0 至料頂h3 時(shí)長(zhǎng)；t4為抓料時(shí)長(zhǎng)，為常數(shù)；t5 為在料頂啟動(dòng)加速運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)；t6 為勻速上升時(shí)長(zhǎng)；t7 為從V1 減速為0 至h2 時(shí)長(zhǎng)。

通過(guò)PLC 設(shè)置變頻器參數(shù)確定抓斗速度V1，以及從速度V1 至0 或0 至V1 的變速時(shí)長(zhǎng)，即t1、t3、t5、t7可通過(guò)變頻器參數(shù)確定。

當(dāng)只計(jì)算垃圾吊勻速移動(dòng)到垃圾門h1 高度且不停止時(shí)，垃圾吊移動(dòng)時(shí)長(zhǎng)

（2）ΔT2 計(jì)算。

抓斗從其他區(qū)移動(dòng)到新料區(qū)時(shí)，為保證抓斗搖擺最小，大車、小車分時(shí)移動(dòng)。因此，抓斗移動(dòng)至卸料門上部h1 時(shí)長(zhǎng)為ΔT2，可分解為大車、小車移動(dòng)時(shí)長(zhǎng)和抓斗下降時(shí)長(zhǎng)，即ΔT11+ΔT4。

與抓斗運(yùn)動(dòng)相似，大車、小車運(yùn)動(dòng)過(guò)程又可分解為加速、勻速和減速。

上式中，S大車、S小車為大車、小車移動(dòng)距離，由當(dāng)前垃圾吊位置與目標(biāo)新料區(qū)位置確定；V大車、V小車為大車、小車勻速運(yùn)行速度，t11、t12、t21、t22 分別為大車、小車加速和減速過(guò)程時(shí)長(zhǎng)，由PLC 設(shè)定變頻器確定。

（3）ΔT3 計(jì)算。

抓斗從其他區(qū)移動(dòng)到新料區(qū)并完成抓料時(shí)長(zhǎng)為ΔT3，計(jì)算過(guò)程與ΔT2 相同，得

2.4 聯(lián)鎖優(yōu)化控制

在實(shí)現(xiàn)垃圾吊任務(wù)的同時(shí)，采用能耗最低方式執(zhí)行：在較低速率運(yùn)行時(shí)，垃圾吊能耗較小，在較高速率運(yùn)行時(shí)，能耗較大。在保證作業(yè)效率條件下，使垃圾吊能耗最低，執(zhí)行以下策略：

（1）當(dāng)垃圾車已就位卸料時(shí)，設(shè)垃圾車卸料時(shí)長(zhǎng)為ΔT0，PLC1 計(jì)算垃圾吊到達(dá)卸料門高度h1 的最快時(shí)長(zhǎng)ΔT2min 和最慢時(shí)長(zhǎng)ΔT2max，其中控制參數(shù)為抓斗：V1、t1、t3； 大車：V大車、t11、t12； 小車：V小車、t21、t22，各參數(shù)在變頻器的允許工作范圍。

當(dāng)ΔT2min≦ΔT0 ≦ΔT2max時(shí)，PLC1 調(diào)整設(shè)置上述各參數(shù)，使得ΔT2=ΔT0，使得平均能耗最低。當(dāng)ΔT0 ≦ΔT2min，則垃圾吊來(lái)不及，垃圾吊繼續(xù)其他作業(yè)。當(dāng)ΔT2max≦ΔT0，則垃圾吊可用最慢速度移動(dòng)，或先進(jìn)行其他作業(yè)，再調(diào)整參數(shù)去抓料動(dòng)作。

（2）當(dāng)垃圾車未就位卸料時(shí)，當(dāng)垃圾吊抓斗在堆料區(qū)或其他區(qū)作業(yè)時(shí)，垃圾車到位預(yù)期時(shí)長(zhǎng)ΔT，PLC1 計(jì)算ΔT2min、ΔT2max、ΔT3min、ΔT3max。當(dāng)ΔT ≦ΔT2min時(shí)，先垃圾車卸料，垃圾吊繼續(xù)其他作業(yè)；當(dāng)ΔT ≥ΔT3max時(shí)，先垃圾吊抓料；當(dāng)ΔT ≥ΔT3min時(shí)，PLC1 設(shè)置合適的參數(shù)，使得ΔT3=ΔT，垃圾吊進(jìn)行抓料作業(yè)；其他情況，優(yōu)先垃圾車卸料。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，垃圾焚燒發(fā)電廠，垃圾吊和垃圾車的安全聯(lián)鎖主要由垃圾吊控制室人工操控，操作員勞動(dòng)強(qiáng)度較大，并且存在較大安全隱患。在現(xiàn)有運(yùn)行規(guī)程的基礎(chǔ)上，研究了垃圾吊和垃圾車之間作業(yè)的聯(lián)鎖控制機(jī)制。

（1）基于垃圾吊移動(dòng)和作業(yè)時(shí)長(zhǎng)的預(yù)測(cè)和垃圾車到卸料平臺(tái)時(shí)長(zhǎng)的比較，實(shí)現(xiàn)了二者之間的聯(lián)鎖。

（2）提出了垃圾吊優(yōu)運(yùn)行化控制工藝，在安全聯(lián)鎖的前提下，調(diào)整垃圾吊運(yùn)行速度，降低了垃圾吊運(yùn)行能耗。

本文提出的安全聯(lián)鎖控制機(jī)制，提高了垃圾庫(kù)的整體作業(yè)效率以及運(yùn)行安全可靠性，減少了垃圾運(yùn)送高峰時(shí)期的垃圾車排隊(duì)時(shí)間，為國(guó)內(nèi)同類垃圾焚燒發(fā)電廠的高效運(yùn)行提供借鑒。