黃發(fā)領(lǐng)，張曉江，李 青 ，周小龍

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合力股份有限公司 安徽 合肥 231622）

豎直式垃圾壓縮站主要用于處理城市生活垃圾，它能夠一次性壓縮、破碎垃圾。該垃圾壓縮機(jī)通過側(cè)翻斗將收集來的松散垃圾倒入壓縮機(jī)箱體內(nèi)，然后通過壓縮機(jī)構(gòu)對箱體內(nèi)的垃圾進(jìn)行壓縮，垃圾壓縮完成后將垃圾塊推入轉(zhuǎn)運(yùn)車內(nèi)運(yùn)走。通過處理，大大減小了垃圾塊的體積，提高了轉(zhuǎn)運(yùn)車的裝載量，同時(shí)也提高了城市生活垃圾堆放、集運(yùn)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

以前的垃圾壓縮站的控制系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的接觸器-繼電器控制模式，這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是接線復(fù)雜，控制觸點(diǎn)容易損壞且維修困難。而可編程邏輯控制器（PLC）是一種綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來的通用工業(yè)控制裝置，它面向控制過程、面向用戶，適應(yīng)工業(yè)環(huán)境。作為新一代的工業(yè)控制裝置，由于其具有通用性強(qiáng)、靈活性好、接線簡單、安裝方便、功能擴(kuò)展能力強(qiáng)、易于使用和修改等特點(diǎn)而獲得廣泛運(yùn)用。

1 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

豎直式垃圾壓縮站是由垃圾壓縮箱、壓縮機(jī)構(gòu)、側(cè)翻斗、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成，通常需要專業(yè)轉(zhuǎn)運(yùn)車配套使用，以提高垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)效率[2]。

當(dāng)垃圾收集車到來時(shí)，在現(xiàn)場工作人員的指引下將垃圾倒入側(cè)翻斗中，待側(cè)翻斗裝滿后，將垃圾倒入壓縮倉內(nèi)，啟動(dòng)壓縮機(jī)構(gòu)，使壓縮頭下降壓縮垃圾，當(dāng)?shù)谝粔K垃圾壓縮完成后，將垃圾塊推入儲(chǔ)存?zhèn)}內(nèi)。再用同樣的方法壓縮第二塊垃圾，待兩塊垃圾都壓縮完成后，將兩個(gè)垃圾塊推入轉(zhuǎn)運(yùn)車箱體內(nèi)，由專業(yè)轉(zhuǎn)運(yùn)車?yán)嚼盥駡?，完成整個(gè)工作流程，如圖1所示。

2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)豎直式垃圾壓縮站的工藝要求，壓縮站需要完成翻斗上下、前門升降、中門升降、推板伸縮、壓縮等一系列復(fù)雜的動(dòng)作，綜合考慮電機(jī)的啟動(dòng)、控制方式的選擇、運(yùn)行狀態(tài)指示等[3]。通過對輸入輸出點(diǎn)的估算得知，本系統(tǒng)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)共有48點(diǎn)，其中輸入點(diǎn)數(shù)為31點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)為17點(diǎn)，考慮到將來方便功能擴(kuò)展，所以還需要預(yù)留幾個(gè)點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，選擇型號為CP1H-XA40DR-A的歐姆龍PLC和CP1W-20EDR的擴(kuò)展模塊作為控制核心。

圖1 壓縮站的工作流程Fig.1 Compression station working flow

根據(jù)系統(tǒng)控制功能要求分配的部分PLC輸入輸出點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 PLC的部分輸入輸出點(diǎn)分配圖Fig.2 Part of the input and output point distribution diagram of PLC

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要完成對垃圾的裝載、壓縮和排出的動(dòng)作，動(dòng)作復(fù)雜且要求高，并沿用了以往的繼電器-電磁閥的控制模式，所以集合實(shí)際生產(chǎn)過程的問題，采用PLC的控制器來對系統(tǒng)進(jìn)行控制[4]。PLC的軟件部分采用梯形圖的方式來編寫，結(jié)構(gòu)簡單并易于修改。程序包括主程序、手動(dòng)程序、自動(dòng)程序和信號顯示程序，其中主程序是主要對各種操作信號的控制。

系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

限于篇幅，僅對系統(tǒng)的壓縮部分作簡要介紹。壓縮頭要依次完成壓頭下降、壓榨、壓頭上升等動(dòng)作，并且前一個(gè)動(dòng)作沒有完全完成，后一個(gè)動(dòng)作是執(zhí)行不了的。按下壓頭下降按鈕，壓縮頭開始快速下降，當(dāng)壓縮頭下降到下限位位置時(shí)，壓頭由快速下降變?yōu)槁傧陆?，壓頭開始對壓縮倉內(nèi)的垃圾進(jìn)行壓縮，當(dāng)垃圾壓縮完成后，此時(shí)按下壓頭上升按鈕，壓頭上升到規(guī)定位置即上限位位置時(shí)停止，此時(shí)壓縮過程執(zhí)行完畢，在整個(gè)過程中無論何時(shí)按下動(dòng)作停止按鈕，設(shè)備都會(huì)停止工作，直到再次按下操作按鈕。

在壓縮垃圾過程中，壓實(shí)率是垃圾壓縮的一個(gè)重要指標(biāo)。由于壓縮站壓縮主要是生活固態(tài)垃圾，松散雜亂，側(cè)翻斗每次倒入垃圾倉的垃圾無論體積、質(zhì)量、形狀還是材質(zhì)等都是不確定的，所以每次的壓頭下降行程也是不相同的，隨著垃圾量的增加，壓頭的下降行程也隨之減少，所以不能通過簡單的行程開關(guān)或者感應(yīng)開關(guān)來控制壓頭的循環(huán)壓縮，也不能通過簡單的定時(shí)和計(jì)數(shù)設(shè)置來控制循環(huán)操作，因此，如何讓垃圾壓縮有一個(gè)良好的壓實(shí)率在這里是一個(gè)難題[5]。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖Fig.3 System program flow diagram

為了保證壓實(shí)率，在這里我們采用了直線位移傳感器即一個(gè)集電極開路輸出NPN型的編碼器，采集壓頭下降行程距離的模擬量，通過PLC的內(nèi)部通道轉(zhuǎn)換為實(shí)際行程的數(shù)字量，再通過一個(gè)壓力繼電器在壓頭不同的行程上設(shè)置其最大壓力并在這些行程上安排不同的保壓時(shí)間，當(dāng)保壓時(shí)間到，壓頭上升。當(dāng)壓縮倉壓滿時(shí)，可得滿載信號。程序設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 自動(dòng)壓縮部分控制Fig.4 Automatic compression part control

另外，由于在以前的垃圾壓縮過程中經(jīng)常也會(huì)發(fā)生突發(fā)情況，如會(huì)遇到體積較大的建筑石塊或者堅(jiān)硬的大廢棄物等，造成垃圾壓縮故障，更嚴(yán)重者可能會(huì)使設(shè)備損壞，所以這次在設(shè)計(jì)豎直式垃圾設(shè)備時(shí)，添加了一個(gè)選配裝置對生活垃圾和建筑垃圾進(jìn)行簡單分類。

為了實(shí)現(xiàn)垃圾的智能分類，在原來設(shè)備的基礎(chǔ)上，添加一個(gè)運(yùn)送傳輸帶和一個(gè)盛放建筑垃圾的存儲(chǔ)倉，并且在運(yùn)輸帶下面安裝一個(gè)動(dòng)態(tài)電子稱重傳感器作為稱重系統(tǒng)。當(dāng)垃圾來臨時(shí)，將側(cè)翻斗的垃圾首先倒入運(yùn)送傳輸帶上，如果上面沒有大塊建筑垃圾，則直接通過傳送帶將垃圾倒入壓縮倉內(nèi)，若有，電子稱重傳感器的信號超過設(shè)定的閾值，通過一個(gè)氣動(dòng)缸將建筑垃圾推入建筑垃圾存儲(chǔ)倉，之后再重新啟動(dòng)傳輸帶運(yùn)送垃圾。垃圾智能分類流程圖如圖5所示。

圖5 垃圾智能分類流程圖Fig.5 Intelligent garbage classification flow chart

同時(shí)，為了避免有些建筑垃圾沒有被完全剔除，在壓縮時(shí)，利用壓力繼電器和編碼器設(shè)定了一個(gè)故障判斷條件，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到壓力繼電器的設(shè)定值并且編碼器檢測的位移小于設(shè)定值時(shí)，這時(shí)可認(rèn)為垃圾壓縮可能存在故障，故障報(bào)警燈報(bào)警。其中編碼器和PLC的接線原理如圖6所示。

圖6 編碼器接線原理圖Fig.6 The encoder wiring diagram

3 液壓系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

如圖7所示，豎直式垃圾壓縮站的垃圾裝載、壓縮和排出等一系列動(dòng)作，都是借助于PLC程序控制的液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的[6]。液壓系統(tǒng)中的液壓泵通過電動(dòng)機(jī)獲得動(dòng)力，液壓泵將液壓油傳給各個(gè)液壓油缸，并且執(zhí)行元件是通過液壓缸的伸縮來控制設(shè)備動(dòng)作的。液壓系統(tǒng)中共有12個(gè)液壓缸且都是單級缸，還有6組三位四通閥和3組二位四通閥對系統(tǒng)進(jìn)行控制，依次來完成垃圾站的各種動(dòng)作。液壓系統(tǒng)是一個(gè)集液壓泵、液壓缸、電磁換向閥、溢流閥、液控單向閥、壓力繼電器和液位計(jì)等組成的系統(tǒng)。

圖7 液壓系統(tǒng)圖Fig.7 Hydraulic system diagram

如使用壓縮裝置，則首先將模式選擇按鈕撥到 “壓縮模式”一側(cè)，另外，壓縮動(dòng)作分為自動(dòng)和手動(dòng)兩個(gè)方式。在自動(dòng)方式下，按下壓頭下降按鈕時(shí)，相應(yīng)的溢流閥和換向閥得電，此時(shí)壓縮過程形成差動(dòng)連接并且兩個(gè)液壓泵的液壓油形成合流，壓縮油缸帶動(dòng)壓頭快速下降，當(dāng)壓頭下降到下限位時(shí)，此時(shí)壓頭由快速下降變?yōu)槁傧陆?，慢慢壓縮垃圾，當(dāng)壓力達(dá)到壓力繼電器的設(shè)定值并且保壓時(shí)間到時(shí)，壓縮油缸帶動(dòng)壓頭上升到上限位位置時(shí)停止。此系統(tǒng)中溢流閥起到設(shè)定系統(tǒng)壓力的作用，防止系統(tǒng)過載，換向閥起到液壓油的換向流動(dòng)作用[12]。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)目前已設(shè)計(jì)完成并投入使用，經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)試使用之后表明，采用PLC的控制技術(shù)并結(jié)合相應(yīng)的液壓控制系統(tǒng)，使得壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中可靠性高，自動(dòng)化程度強(qiáng)，滿足生產(chǎn)工藝要求[7]，大大降低了運(yùn)營成本，并且改善了環(huán)衛(wèi)工人的工作環(huán)境，降低了他們的勞動(dòng)強(qiáng)度，受到了廣大用戶的好評。

[1]劉元媛.平臺式垃圾壓塊機(jī)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)研究[D].青島：青島科技大學(xué)，2012.

[2]張雪濤.豎直壓縮式垃圾中轉(zhuǎn)站總體方案及轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2012.

[3]韋家礎(chǔ)，謝永和.壓縮式垃圾車的液壓系統(tǒng)及電磁閥微電腦控制系統(tǒng)[J].專用汽車，2001(3):31-32.

[4]皮小明，何真?zhèn)?后裝式壓縮垃圾車的液壓系統(tǒng)及PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006（8）：123-124.

[5]溫玉婷.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)[J].電氣開關(guān)，2007（4）：54-55.

[6]盧光賢.機(jī)床液壓傳動(dòng)與控制[J].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2005:48-60.

[7]田金光.雙閥控制在電液位置系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].哈爾冰：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.