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基于三维定位技术的桥式起重机空间避让策略 *
李 力 1, 2 岳文翀 1 潘彦宏 1 1. 北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007 2. 北京市自动化物流装备工程技术研究中心 北京 100007
摘 要：以某垃圾焚烧发电厂垃圾储仓所用抓斗桥式起重机为工程案列，浅析基于三维定位技术的桥式起重机空 间避让策略，并对相关检测硬件的选型进行介绍。 关键词：桥式起重机；三维定位技术；空间避让
中图分类号：TH215 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2019）22-0080-03 Abstract: In this paper, the grab bridge crane used in the waste storage bin of a waste incineration power plant is taken as the project list, the space avoidance strategy of the bridge crane based on the three-dimensional positioning technology is analyzed, and the selection of relevant detection hardware is introduced.
Keywords: bridge crane; 3D positioning technology; Space avoidance
0 引言
伴随着我国制造业的迅猛发展，桥式起重机作为最 常见的一种起重机械广泛应用在各行各业，如钢铁制造、 水泥生产、垃圾焚烧发电等行业。在应用中，多台桥式 起重机最为常见的布置形式为同一高程的同跨同轨运行 或单跨独立轨道运行。单跨独立轨道运行的起重机无需 考虑多车避让和防撞问题，水平同跨同轨运行的多台起 重机仅需考虑水平方向避让防撞的保护措施，防撞方法 可采用超声波传感器或激光传感器进行检测来达到减速 停车的目的。 随着用户生产需求以及工艺的不断变化，各种其他 特殊形式的起重机工艺布置也有一定程度的应用。如桥 式起重机的上下层空间布置（见图 1），甚至三层布置等。 在这种工况下，由于起重机需要在上下空间位置上以一 定速度进行交叉、跨越运行，此时，如操作员注意力不 集中则较容易发生空间碰撞，存在较大安全隐患。 两台起重机由于分别布置在上下不同高度的轨道 上，常规单维度的超声波和激光传感器都无法解决物体 的空间避让检测需求。在这种情况下，每台起重机分别 配置 PLC 控制系统及信号接收及通讯模块等，并配以 相关位置检测传感器，组成网络进行实施通讯。把各自 起重机的三维坐标位置信息进行数据交换，相互间能知 晓对方的实时位置，并通过相关的互锁程序，达到相互 避让的目的，以确保起重机的运行安全。
1 解决思路
图 1 桥式起重机上下层空间布置
* 基金项目：国机集团重点研发项目“智能起重机（搬运机器人）关键技术与成套装备研究”（SINOMACH 2017 科 244 号）
引 用 格 式 李力，岳文翀，潘彦宏 . 基于三维定位技术的桥式起重机空间避让策略 [J]. 起重运输机械，2019（22）：80-82.
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2 工程案例分析
2.1 项目工况 某垃圾焚烧发电厂垃圾池设 2 台 ( 一用一备 ) 电动
液压多瓣式垃圾抓斗起重机（以下简称垃圾吊），为 垃圾受料斗加料、对垃圾进行混合、搬运、搅拌等操 作，确保垃圾成分均匀。垃圾吊操作模式为固定式， 在垃圾吊控制室内操作人员对垃圾吊的运氢化松香
行进行控 制。供电的电压等级为 380 ／ 220V AC，周波变化范 围在 48.5 ～ 50.5 Hz；设备工作环境为垃圾仓间室内温 度 -10 ～ 45 ℃；平均相对湿度 10 ～ 95％；布置方式 为室内布置；抗震设防烈度为 8 度；设计基本地震加速 度值为 0.3 g；环境压力为常压。 2.2 两台垃圾吊运行位置情况
胶黏剂搅拌机两台垃圾吊分别运行在两种轨道高程，相对位置为 同一空间上下层关系，运行轨道高度相差 11 m。两台 垃圾吊原则上一用一备，但由于土建结构及工艺的要求， 上下层垃圾吊在运行的过程中，存在着大车运行轴线方 向在上下空间会车跨越的情况。
2.3 三维位置检测方法 为达到两台垃圾吊运行空间上安全避让的目的，
避免发生碰撞及其他安全问题。 两台垃圾吊分别采用 西门子 PLC 进行控制，在大车运行机构，小车运行机 构上加装二维码绝对值定位及编码器装置，每个机构的 两套定位装置全程分别检测两台垃圾吊的大车轴线方向 （简称 X 轴）和小车轴线方向（简称 Y 轴）的位置并 进行数据对比校验。同时，在起升机构上加装编码器和 高度行程开关，两套定位检测装置可分别检测两台垃圾 吊的抓斗起升轴线方向（简称 Z 轴）高度。通过上述检 测装置，垃圾吊的 PLC 中央控制系统可得到两台垃圾 吊三个机构运行方向（X , Y , Z 轴）的实时位置，为避 让程序提供可靠的数据支持。
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乳化液泵2.4 位置检测硬件选择 为了准确检测起重机的实时位置，在大、小车机构
分别配以某品牌二维码绝对值定位装置和编码器双套定 位装置，以达到冗余与数据校验的效果，其中以二维码 绝对值定位装置为主要数据源。由于编码器较为常见，
选型较为简单，以下以二维码绝对值定位装置为例，简 单介绍该装置的选型及配置要点。
该装置中的二维码读码器通过 Profibus DP 进行通 讯，波特率最大为 12 MBit/s，自动检测波特率；数据 输出格式为二进制码；读取距离为 100 mm，景深 ±20 mm，读取区域 50 mm×30 mm。此外，考虑垃圾仓内 环境恶劣，该定位装置防护等级 IP67；工作温度 -20 ℃ 到 60 ℃，无结露现象。
该装置中的二维码带为 2 行 Data Matrix 条码带， 长度可根据现场情况而定，单根长度为 100 m，起始码 为 0 m；条码带高为 25 mm；工作温度 -40 ℃到 150 ℃， 防油耐弱酸。 2.5 二维码定位装置 PLC 硬件组态配置
首先，安装该装置读头的 GSD 文件，建立 Profibus 网络并为读头分配地址，如图 2 所示。
图 2 建立网络及分配地址
其次，从变量表中看到读头映射数据，如图 3 所示。 PID256 （十六进制）为 X 轴位置数据。 PID260（十六进制）有符号整数型为Y 轴位置数据。 PIW 264（十六进制）为读头状态，4 表示读头发 生报警。 PIW 266（十六进制）为反映报警代码， 2 表示读 头离码带距离太近。
图 3 监控数据
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2.6 起重机空间避让相关策略 1） 两台垃圾吊一用一备，故在两台垃圾吊程序中
设置互锁，同一时间内仅允许单台车运行。 2） 下层垃圾吊运行时，上层垃圾吊应把抓斗升到
最高点，停在规定的泊车位（小车需停至跨中位置）， 并把停车到位信号发送给下层垃圾吊后，下层垃圾吊方 能运行，在高度上确保了下层垃圾吊的运行空间，避免 碰撞。
3） 上层垃圾吊运行时，下层垃圾吊应把抓斗升到 最高点，停在规定的泊车位，并把停车到位信号发送给 上层垃圾吊后，上层垃圾吊方能运行。当上层垃圾吊在 X 轴方向需要越过下层垃圾吊时，上层垃圾吊需把抓斗 升到最高点方能进行 X 轴方向跨越运行，如果此时上 层垃圾吊抓斗未升到最高点，程序将控制上层垃圾吊在 接近下层垃圾吊时自动减速停车。
2.7 外围其他的问题 为避免上层垃圾吊在X 轴方向跨越下层垃圾吊时，
掉落遗撒垃圾到下层垃圾吊设备上，下层垃圾吊在桥架 的跨中位置加装长度约 4.5 m 的防护罩，如图 4 所示。 跨越运行时，上层垃圾吊的小车必须开到大车桥架的跨 中（下层垃圾吊防护罩的正上方）方可进行跨越运行， 如有遗撒垃圾掉落，将落在下层垃圾吊的防护罩上。
图 4 跨中位置防护罩
3 结论
对于桥式起重机而言，上下层空间布置形式相较 于传统的同轨运行布置形式面临的安全条件更为苛刻严 峻。作为特种设备，应更加充分考虑各方面的工况条件 和特殊情况，应将多台起重机作为整体系统来进行综合 性的构架设计，从而达到更为安全合理的保护要求。
参考文献
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究 [J]. 内江科技 .2008（3）：128. [3] 冷建伟 , 李涛 , 安飞 , 等 . 新型的桥式起重机定位系统
[J]. 天津理工大学学报 , 2010(04):60-63. [4] 李自强 , 李光建 , 潘隆轩 . 桥式吊车多点自动定位程序
控制系统设计 [J]. 核动力工程 , 2010, (1):112-116.
作 者：李 力 ：automation.nhu@126 收稿日期：2019-10-14
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