基于PLC的豎直式垃圾壓縮站的智能控制與實現(xiàn)

黃發(fā)領，張曉江，李 青 ，周小龍

（1.合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院，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。該垃圾壓縮機通過側翻斗將收集來的松散垃圾倒入壓縮機箱體內(nèi)，然后通過壓縮機構對箱體內(nèi)的垃圾進行壓縮，垃圾壓縮完成后將垃圾塊推入轉運車內(nèi)運走。通過處理，大大減小了垃圾塊的體積，提高了轉運車的裝載量，同時也提高了城市生活垃圾堆放、集運的經(jīng)濟效益[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)的缺點是接線復雜，控制觸點容易損壞且維修困難。而可編程邏輯控制器（PLC）是一種綜合了計算機技術、自動化控制技術、數(shù)字技術和通信網(wǎng)絡技術發(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、靈活性好、接線簡單、安裝方便、功能擴展能力強、易于使用和修改等特點而獲得廣泛運用。

1 系統(tǒng)原理設計

豎直式垃圾壓縮站是由垃圾壓縮箱、壓縮機構、側翻斗、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成，通常需要專業(yè)轉運車配套使用，以提高垃圾轉運效率[2]。

當垃圾收集車到來時，在現(xiàn)場工作人員的指引下將垃圾倒入側翻斗中，待側翻斗裝滿后，將垃圾倒入壓縮倉內(nèi)，啟動壓縮機構，使壓縮頭下降壓縮垃圾，當?shù)谝粔K垃圾壓縮完成后，將垃圾塊推入儲存?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，將兩個垃圾塊推入轉運車箱體內(nèi)，由專業(yè)轉運車拉到垃圾填埋場，完成整個工作流程，如圖1所示。

2 PLC控制系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

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、壓縮等一系列復雜的動作，綜合考慮電機的啟動、控制方式的選擇、運行狀態(tài)指示等[3]。通過對輸入輸出點的估算得知，本系統(tǒng)輸入/輸出點數(shù)共有48點，其中輸入點數(shù)為31點，輸出點數(shù)為17點，考慮到將來方便功能擴展，所以還需要預留幾個點，同時根據(jù)實際情況，選擇型號為CP1H-XA40DR-A的歐姆龍PLC和CP1W-20EDR的擴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，如圖2所示。

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

2.2 軟件設計

本系統(tǒng)需要完成對垃圾的裝載、壓縮和排出的動作，動作復雜且要求高，并沿用了以往的繼電器-電磁閥的控制模式，所以集合實際生產(chǎn)過程的問題，采用PLC的控制器來對系統(tǒng)進行控制[4]。PLC的軟件部分采用梯形圖的方式來編寫，結構簡單并易于修改。程序包括主程序、手動程序、自動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、壓頭上升等動作，并且前一個動作沒有完全完成，后一個動作是執(zhí)行不了的。按下壓頭下降按鈕，壓縮頭開始快速下降，當壓縮頭下降到下限位位置時，壓頭由快速下降變?yōu)槁傧陆担瑝侯^開始對壓縮倉內(nèi)的垃圾進行壓縮，當垃圾壓縮完成后，此時按下壓頭上升按鈕，壓頭上升到規(guī)定位置即上限位位置時停止，此時壓縮過程執(zhí)行完畢，在整個過程中無論何時按下動作停止按鈕，設備都會停止工作，直到再次按下操作按鈕。

在壓縮垃圾過程中，壓實率是垃圾壓縮的一個重要指標。由于壓縮站壓縮主要是生活固態(tài)垃圾，松散雜亂，側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或者感應開關來控制壓頭的循環(huán)壓縮，也不能通過簡單的定時和計數(shù)設置來控制循環(huán)操作，因此，如何讓垃圾壓縮有一個良好的壓實率在這里是一個難題[5]。

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

為了保證壓實率，在這里我們采用了直線位移傳感器即一個集電極開路輸出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)部通道轉換為實際行程的數(shù)字量，再通過一個壓力繼電器在壓頭不同的行程上設置其最大壓力并在這些行程上安排不同的保壓時間，當保壓時間到，壓頭上升。當壓縮倉壓滿時，可得滿載信號。程序設計如圖4所示。

圖4 自動壓縮部分控制Fig.4 Automatic compression part control

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

為了實現(xiàn)垃圾的智能分類，在原來設備的基礎上，添加一個運送傳輸帶和一個盛放建筑垃圾的存儲倉，并且在運輸帶下面安裝一個動態(tài)電子稱重傳感器作為稱重系統(tǒng)。當垃圾來臨時，將側翻斗的垃圾首先倒入運送傳輸帶上，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定的閾值，通過一個氣動缸將建筑垃圾推入建筑垃圾存儲倉，之后再重新啟動傳輸帶運送垃圾。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，為了避免有些建筑垃圾沒有被完全剔除，在壓縮時，利用壓力繼電器和編碼器設定了一個故障判斷條件，當系統(tǒng)壓力達到壓力繼電器的設定值并且編碼器檢測的位移小于設定值時，這時可認為垃圾壓縮可能存在故障，故障報警燈報警。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作，都是借助于PLC程序控制的液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)的[6]。液壓系統(tǒng)中的液壓泵通過電動機獲得動力，液壓泵將液壓油傳給各個液壓油缸，并且執(zhí)行元件是通過液壓缸的伸縮來控制設備動作的。液壓系統(tǒng)中共有12個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)進行控制，依次來完成垃圾站的各種動作。液壓系統(tǒng)是一個集液壓泵、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，另外，壓縮動作分為自動和手動兩個方式。在自動方式下，按下壓頭下降按鈕時，相應的溢流閥和換向閥得電，此時壓縮過程形成差動連接并且兩個液壓泵的液壓油形成合流，壓縮油缸帶動壓頭快速下降，當壓頭下降到下限位時，此時壓頭由快速下降變?yōu)槁傧陆担龎嚎s垃圾，當壓力達到壓力繼電器的設定值并且保壓時間到時，壓縮油缸帶動壓頭上升到上限位位置時停止。此系統(tǒng)中溢流閥起到設定系統(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作用[12]。

4 結束語

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

[1]劉元媛.平臺式垃圾壓塊機設計及控制系統(tǒng)研究[D].青島：青島科技大學，2012.

[2]張雪濤.豎直壓縮式垃圾中轉站總體方案及轉運設備研究[D].大連：大連交通大學，2012.

[3]韋家礎，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)設計[J].機械設計與制造，2006（8）：123-124.

[5]溫玉婷.PLC控制系統(tǒng)設計的要點[J].電氣開關，2007（4）：54-55.

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

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