(北京航天動力研究所 流體與旋轉機械事業(yè)部，北京 100076)

0 引言

垃圾破碎機是破碎機的一種，用途廣泛，適用于破碎電子垃圾、醫(yī)療垃圾、餐廚垃圾、工業(yè)垃圾、生活垃圾等各種固體廢棄物。

隨著人們生活水平逐漸提高，人們對環(huán)境質量的要求也越來越高，但是經(jīng)濟的快速發(fā)展帶來了越來越多的固體垃圾，這些垃圾對環(huán)境造成了比較大的污染。垃圾處理不論是焚燒、熱解或是填埋，均需要對垃圾進行破碎，破碎之后垃圾的壓縮體積變小，便于運輸和減少遺灑，在最終的垃圾處理時可以大幅提高垃圾的資源利用效率。

本破碎機屬于對輥式低轉速粗破碎機，帶有兩個液壓驅動轉子的旋轉機械，用于切、撕和折斷物品。適用于破碎生活垃圾、大件垃圾等各類垃圾，廣泛用于焚燒廠、分選廠等垃圾破碎領域。

1 垃圾破碎機系統(tǒng)構成

垃圾破碎機分為三大部分：破碎主機部分、液壓動力裝置和電控柜組成。

主機部分主要由兩個帶刀齒的轉軸組成，每個轉軸旋轉與靜刀之間產生擠、壓、切、撕等力，扭矩最大至66 000 N·m，將垃圾破碎。為了防止纏繞、堵塞，兩個轉軸分別以各自的運行周期正反轉，因此兩個轉軸形成一個大周期(兩個小周期的最小公倍數(shù))，包括兩個轉軸同時正轉、同時反轉、一正一反、一轉一停等運行工況。

液壓動力裝置主要是一整套液壓系統(tǒng)的集合，包含液壓泵、變頻驅動電機、冷卻器、過濾器、液壓馬達等，其中液壓馬達安裝在主機上，通過脹套與轉軸連接在一起。破碎機相關的一次儀表也全部安裝在液壓系統(tǒng)各個部位，如油箱液位、溫度儀表、液壓泵工作、補油壓力儀表、吸油球閥接近開關、排料閥、伺服閥等。液壓系統(tǒng)最大工作壓力可達35 MPa。

電控柜根據(jù)相關一次儀表測量值實施報警連鎖，負責整個破碎系統(tǒng)的正常可靠運行，主要包括PLC(含通信模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊)，變頻器(250 kW)， 塑殼斷路器，隔離柵，信號放大器等電器元件。

本垃圾破碎機有以下特點。

低揚塵：低轉速垃圾破碎機以一個較低工作速度旋轉(最大轉速35 r/min)， 物料破碎時產生極少的揚塵及升熱。

低爆炸風險：與其他破碎系統(tǒng)如高速壓碎機相比，爆炸風險可以忽略。

2 控制系統(tǒng)硬件配置

2.1 液壓系統(tǒng)工作原理

垃圾破碎機控制系統(tǒng)通過液壓系統(tǒng)來控制破碎機的運轉，所以液壓系統(tǒng)的配置及使用要求決定了電控系統(tǒng)的構成及程序控制。液壓系統(tǒng)采用變量泵定量馬達容積調速、雙向變量泵換向回路，閉式循環(huán)油路系統(tǒng)[1]。液壓馬達通過聯(lián)軸器與破碎機轉軸相連，驅動破碎機勻速旋轉。液壓系統(tǒng)的核心裝置為液壓泵，液壓泵采用軸向柱塞泵形式，可以達到很高的壓力(最大可至45 MPa)。由于采用閉式系統(tǒng)且需要控制破碎機兩根轉軸旋轉，所以一根泵軸上串聯(lián)兩個主油泵、兩個補油泵和一個齒輪泵。液壓泵排量控制采用電氣控制方式，通過模擬量信號14～85 mA控制其在零和最大排量之間工作，詳見圖1。

圖1 液壓泵排量vs 輸入電流信號

具體控制實現(xiàn)，將模塊量輸出模塊的標準4～20 mA信號通過隔離放大器線性對應成0～100 mA，然后根據(jù)運行需要輸出不同的電流值使破碎機達到不同的運行速度。

2.2 儀表配置

為了保證破碎機的穩(wěn)定可靠運行，需實時監(jiān)測相關運行參數(shù)，當不滿足系統(tǒng)運行條件時需要給出相應的報警或提示信息甚至連鎖停車。液壓系統(tǒng)配置有壓力、溫度、液位、伺服閥、接近開關、電磁閥等儀表[2]。

壓力儀表主要有：軸1補油壓力變送器、軸2補油壓力變送器、齒輪泵壓力變送器、軸1正轉壓力變送器、軸1反轉壓力變送器、軸2正轉壓力變送器、軸2反轉壓力變送器，泵1補油過濾器壓力開關、泵2補油過濾器壓力開關、回油過濾器壓力開關。

溫度儀表：油箱液壓油溫度變送器；液位儀表：油箱液位開關，含三個開關量干節(jié)點，液位高、液位低、液位低低；伺服閥：伺服閥1、伺服閥2；接近開關用于泵1吸油球閥、球2吸油球閥、齒輪泵吸油球閥；電磁閥：排料閥門1、排料閥門2。

由于電機功率(250 kW)較大，為防止電機出現(xiàn)過載，電機定子繞組配置有熱敏電阻PTC。

2.3 PLC模塊

控制核心采用西門子PLC S7-1500系列，根據(jù)儀表及電氣配置，主要選用的模塊有：數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、通信模塊等。其中通信模塊采用常用的RS485口，MODBUS-RTU協(xié)議；模擬量輸入模塊須接入PTC電阻等[3]。詳細配置如圖2所示。

圖2 PLC模塊

2.4 網(wǎng)絡通信系統(tǒng)

近些年來，隨著自動控制、計算機、通信、網(wǎng)絡等技術的發(fā)展，以Profinet為代表的網(wǎng)絡總線通信正深入到各行各業(yè)，各電器元件供貨商也積極推出支持Profinet通信的產品，使得控制系統(tǒng)設計的靈活性大大增加，成本也大為降低。不同控制系統(tǒng)通過Profinet的集成不僅可以為工廠的統(tǒng)一信息管理(生產、物流、銷售、管理等)奠定基礎，并且也可以無縫的接入整個互聯(lián)網(wǎng)中實現(xiàn)控制系統(tǒng)的遠程監(jiān)管和管理[4]。

本系統(tǒng)采用Profinet總線通信將就地顯示屏、PLC、變頻器連接一個網(wǎng)絡，便于組件之間的大量信息傳遞，并留有富余接口，支持將本系統(tǒng)接入整個工廠的企業(yè)信息管理系統(tǒng)之中。詳見圖3所示。

圖3 Profinet總線通信

就地顯示屏除顯示垃圾破碎機的各運行參數(shù)，還可以操作破碎機的啟停和加減速等操作，減少了實體按鍵，電控柜更加整潔美觀。顯示屏具體組態(tài)[5-6]如圖4所示。

圖4 顯示屏組態(tài)

3 編程技巧處理

3.1 模塊化處理

模塊化編程將程序按功能進行封裝之后，可以使程序簡潔，調試簡化，移植性好，可靠性好，后期在修改連鎖報警值或一些計時值、計數(shù)值方面也更加方便。

本項目模擬量信號比較多，均采用4～20 mA進行信號傳輸，輸入輸出PLC處理時與0～27648成線性關系，因此將儀表量程與PLC設定值做成功能塊。為了增加此模塊的通用性，體現(xiàn)完全的線性對應關系，輸入值含：自變量、自變量對應量程上限、自變量對應量程下限、因變量對應量程上限、因變量對應量程下限，輸出值為因變量。由于在工藝過程中，各參數(shù)的顯示精度不同，且PLC處理實數(shù)的效率比較低下，實際計算過程采用整數(shù)進行處理，最后再通過小數(shù)點移位實現(xiàn)小數(shù)顯示，所以模塊輸入?yún)?shù)需要再增加一個小數(shù)點移位數(shù)。最終功能如圖5所示。

圖5 線性對應模塊

垃圾破碎機有兩個轉軸，每個轉軸上按一定規(guī)律分布用于破碎垃圾的刀齒。正常運轉時，由于轉軸及刀具可能會纏繞一些不易碎物品，所以轉軸采用周期性正反轉(中間有停止狀態(tài))運動，不過兩根軸分別采用不同的正反轉周期，因此兩根軸之間形成同時正轉、同時反轉、一正一反、一停一轉等狀態(tài)，可有效停止纏繞、堵塞等情況。

由于兩根軸的控制邏輯比較復雜(有正轉、反轉、停止，又需要調整轉速等)，中間變量使用較多，將其封裝成功能塊后，程序更加簡潔，調用也更加方便。軸獨立控制功能塊如圖6所示。

3.2 自定義指令

破碎機運行過程中，由于待破碎物品種類及特性各異，所以破碎過程中極易產生堵塞，同時由于破碎機是周期性正反轉運行，大概率情況下堵塞是間歇性的。為了更準確的描述堵塞現(xiàn)象以便提示操作人員進行及時處理，編程采用條件時間累計計時方式，即在計時時長m范圍內系統(tǒng)壓力超過設定值就開始計時，低于設定值就停止計時，如果累計堵塞時長超過設定時長n(m>n)就認為破碎機堵塞，給出報警信號。

圖6 軸獨立控制功能塊

PLC指令集里計時相關的指令有：脈沖定時器，擴展的脈沖定時器，接通延時定時器，保持型的接通延時定時器，斷電延時，脈沖計時及IEC定時器[3]。但眾多定時器里并沒有條件時間累計定時器，為了項目需要設計一個“指令”：條件時間累計定時器。

它以IEC TON定時器(時序圖見圖7)為基礎，在計時時長內將每次滿足條件的時長進行累計，待下次再滿足條件時，在每次條件時長基礎上進行累計，如果超過計時時長則復位各中間變量，含計時時長定時器、TON定時器及每次條件時長、條件累計時長等信息，其余需要復位中間變量的情況為：每次PLC上電，堵塞過程中變?yōu)檎r，發(fā)出堵塞報警信號后。最終條件時間累計定時器功能塊如圖8所示。

圖7 IEC TON時序圖

圖8 條件時間累計定時器功能塊

3.3 多重背景

模塊化處理帶來了極大的便利，但有時需要多次調用同一個功能塊，不過每次調用都需要生成一個背景數(shù)據(jù)塊，如果這些背景數(shù)據(jù)塊中的變量又很少，就會在項目中出現(xiàn)大量的背景數(shù)據(jù)塊“碎片”。此時如果采用多重背景[7]就可以減少背景數(shù)據(jù)塊的數(shù)量。另外，多重背景還可以保證模塊的完整性、增加模塊的可移植性。例如：在“獨立堵轉”功能塊中采用了“條件時間累加”功能塊，而其中又包含IEC TON標準時間記時器模塊?！蔼毩⒍罗D”功能塊的形式參數(shù)列表如圖9所示。

圖9 軸獨立控制功能塊形式參數(shù)

3.4 算法設計

由于顯示屏顯示面積有限，為了顯示更多破碎機運行的相關狀態(tài)及報警故障信息，本設計采用在同一文本區(qū)域分時顯示需要出現(xiàn)的運行或報警故障信息。

為了分時，設計了兩種算法實現(xiàn)：跳轉法和令牌法。

1)跳轉法

采用條件跳轉指令操作，每個需要顯示的信息對應一個唯一的標志，正常情況下每個掃描周期掃描一個標志，然后(下一個周期)循環(huán)至下個標志，如果有信息需要顯示則一直保持某個標志，直至設定時間，然后轉向下一個標志，周而復始。具體流程如圖10所示。

圖10 跳轉法流程

2)令牌法

采用令牌獨占循環(huán)方式。正常情況下令牌在所有信息里流轉(每個PLC掃描周期結束后流轉至下一個信息)，當有需要顯示的信息占用令牌時，令牌的“是否占用”位標志為“已占用”(此時令牌不再流轉)，并開始計時顯示時間，計時完成后結束令牌占用并接著流轉。具體流程如圖11所示。

圖11 令牌法流程

跳轉法需要n個跳轉條件，并且在每一個“顯示信息”判定后再直接跳轉至“結束”(因為PLC掃描為自上而下、自左向右順序方式)，n個計時器，當n數(shù)值較大時，占用系統(tǒng)資源太多，編程工作量也大大增加。當然采用n個計時器，可以對每個“顯示信息”顯示時間進行定制，不過對于本項目來說，每個信息有相同的顯示時間即可。

圖12 ABB變頻器現(xiàn)場總線控制字內容(ABB傳動協(xié)議)

令牌法僅需要1個令牌計數(shù)，1個定時器即可，大大減少了系統(tǒng)資源占用量，程序編制也簡潔可靠。

經(jīng)比較，本項目采用令牌法。

3.5 通信控制變頻器

Profinet通信可以通過組態(tài)相應ABB變頻器的GSD文件實現(xiàn)。

對變頻器的控制一般通過發(fā)現(xiàn)報文實現(xiàn)，最常用的兩個字為控制字CW和給定字Ref1[8]?？刂谱謱崿F(xiàn)對電機的初始化、啟動、停止等操作?？刂谱置恳晃坏木唧w定義詳見圖12。

操作電機時須向控制字寫入以下設定值(16進制)：

初始化 476 并延時至少100 ms

啟動 47F

停止 477

改變變頻電機運行速度須通過通信向給定字寫入速度給定，-20000…20000，分別對應反轉的最大速度和正轉的最大速度值。給定字實現(xiàn)對變頻電機的速度控制。

如果需要從變頻器獲得運行狀態(tài)信息，就需要讀取狀態(tài)字SW和速度實際值ACT1，其余如電機轉矩、輸出頻率、電機位置等信息亦可根據(jù)需要讀取?，F(xiàn)場總線狀態(tài)字詳細內容如圖13所示。

圖13 ABB變頻器現(xiàn)場總線狀態(tài)字內容(ABB傳動協(xié)議)

4 抗干擾設計

電氣控制系統(tǒng)采用了一個250 kW變頻器，由于變頻器功率較大、干擾也較強烈，所以需要專門對其干擾做處理。

為了控制成本及電氣控制系統(tǒng)更加集中，本設計將控制系統(tǒng)和變頻器集成在一個柜子中。為了防止變頻器干擾控制系統(tǒng)，將控制系統(tǒng)放置在一個金屬的搖門內，相當于把整個控制系統(tǒng)放置在一個理想的法拉弟籠中[9]，可有效屏蔽來自變頻器和外界的干擾。

首先，變頻器動力電纜采用帶有銅帶屏蔽層的電纜，在電機端子盒將電纜屏蔽層進行360度接地(如圖14所示)，屏蔽層另一端在配電柜內接地，可以有效的抑制電磁波的輻射和傳導。

圖14 360度接地

其次，控制電纜采用屏蔽型雙絞線電纜。屏蔽層雙端接地，由于兩端地電電勢不同可能會在屏蔽層中形成電流造成干擾，所以一般采用屏蔽層在控制柜端單端接地措施[10]。另外采用雙絞線，可使干擾電流在每個小環(huán)內成反方向，其干擾電勢相互抵消，可有效抑制共模干擾。

另外為了防止不同電壓等級電纜之間形成干擾，將24 V電纜和220 V電纜分開敷設，即走不同的電纜槽盒。

經(jīng)實際運行測試，各采樣數(shù)據(jù)值準確、穩(wěn)定，無跳變，為后續(xù)數(shù)值計算處理及報警或連鎖控制奠定基礎。

5 控制系統(tǒng)應用

系統(tǒng)上電運行后，各項操作如電機的啟動、停止、加速、減速，液壓馬達的正轉、反轉、停止、加速、減速等經(jīng)反復測試，反應迅速可靠。采集到的電機、液壓系統(tǒng)各參數(shù)值準確、穩(wěn)定，無跳變?？刂葡到y(tǒng)的油溫高、高高，液位低、低低，電機過載、定子溫度高高，補油壓力低、變頻器故障，電加熱器啟動、停止等報警或連鎖，經(jīng)實際測試，均符合設計預期，可有效提醒操作者破碎機運行中出現(xiàn)的各種問題，以及當出現(xiàn)危害破碎機運行的情況時，及時停車保護整個液壓系統(tǒng)和破碎機主機。

6 結束語

文中介紹了垃圾破碎機的基本構成，重點闡述了其控制系統(tǒng)的設計理念，通過Profinet總線通信、模塊化處理、多重背景、優(yōu)化核心算法及抗干擾處理，提高了程序的運行效率及可靠性。針對上游垃圾來量不同，可通過變頻調速系統(tǒng)選擇不同的處理速度，達到經(jīng)濟節(jié)能的目的。經(jīng)調試運行，控制系統(tǒng)各采樣參數(shù)穩(wěn)定、操作方便、運行可靠。