移動式垃圾壓縮站控制系統(tǒng)設(shè)計

馬宗正，彭勁周，王清臣，王凱飛，張乾助

（1.河南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，鄭州 451191；2.上蔡縣恒通機械有限公司，上蔡縣 463800）

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，城市垃圾處理也變得越來越嚴峻[1]。目前我國垃圾處理的主要方法有填埋、熱解氣化、焚燒發(fā)電及堆肥，無論是哪一種處理方法，垃圾的收集與運輸是必不可少的一個在重要環(huán)節(jié)[2]，因此垃圾收集和運輸設(shè)備成為垃圾處理領(lǐng)域的研究熱點[3,4]。

由于垃圾密度較小，在收集和運輸過程中導(dǎo)致體積龐大，大大增加了成本，因此垃圾在收集的同時進行壓縮然后再運輸已經(jīng)成為一種有效減少垃圾體積、運輸量、場地和腐化性的方法。目前垃圾壓縮方法有兩種，一種是埋地式垃圾壓縮站[5]，一種是移動式垃圾壓縮站[6]，地埋式垃圾壓縮站垃圾壓縮處理能力要強于移動式垃圾壓縮站，移動式垃圾壓縮站機動性較強，為此移動式垃圾壓縮站在人口相對集中，但是場地受限制的地方應(yīng)用較為廣泛。

目前，移動式垃圾壓縮站的設(shè)計主要從提高垃圾壓縮力[7]、液壓系統(tǒng)自動化控制程度[8,9]、智能故障診斷的效率[10]等方面進行優(yōu)化設(shè)計，特別是控制方面，無論是垃圾的收集還是壓縮，基本還是采用獨立按鈕分別控制，自動化控制方面還有待改進，為此針對移動式垃圾壓縮站控制系統(tǒng)進行了設(shè)計。

1 總體方案設(shè)計及選擇

1.1 移動式垃圾壓縮站工作原理

移動式垃圾壓縮站的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括收料斗、提料液壓缸、推壓液壓缸、推壓板、尾門液壓缸、箱體、控制面板及液壓泵站組成。其中，收料斗負責收集垃圾，提料液壓缸負責將收料斗提升進而將垃圾倒入垃圾箱內(nèi)，推壓液壓缸通過推動推壓板實現(xiàn)垃圾的壓縮，尾門液壓缸實現(xiàn)垃圾箱體的密封，箱體是垃圾存儲裝置，控制面板通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)壓縮站的控制，液壓泵站提供需要的動力。

其工作過程如下：當載有垃圾的車輛，通過自卸或人工的方式將垃圾倒入收集料斗1內(nèi)，啟動控制開關(guān)，提料液壓缸3伸出，將收集料斗1提升至收集箱的上方把垃圾倒入垃圾箱6的前半部分；然后推壓液壓缸4伸出壓縮垃圾，反復(fù)壓縮3次，然后回到初始位置。當垃圾箱內(nèi)部垃圾裝滿時，由專用轉(zhuǎn)運車拉到垃圾填埋場，啟動尾門控制開關(guān)，尾門液壓缸7伸出，尾門開啟并傾倒垃圾，之后尾門液壓缸復(fù)位鎖緊后門。

圖1 移動式垃圾壓縮站結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 控制系統(tǒng)總體方案

如前所述，目前移動式垃圾壓縮站基本采用獨立按鍵控制，自動化程度不高，為此本設(shè)計采用了一鍵式控制系統(tǒng)，即按一次即可實現(xiàn)翻斗翻轉(zhuǎn)上料、垃圾壓縮、翻料斗回位等操作。

為此，移動式垃圾壓縮站的控制系統(tǒng)包括溫度信號處理模塊、單片機模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)字開關(guān)量處理模塊、電源模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊及報警模塊等部分，如圖2所示。

其中，溫度信號處理模塊是用于測量液壓系統(tǒng)的溫度，起到保護作用；單片機模塊用于接收控制指令進而實現(xiàn)壓縮站系統(tǒng)控制，同時還包括系統(tǒng)保護；數(shù)據(jù)存儲模塊能夠?qū)嚎s次數(shù)、系統(tǒng)溫度等數(shù)據(jù)進行存儲；數(shù)字開關(guān)量處理模塊負責接收外部按鈕控制；電源模塊負責整個控制系統(tǒng)的供電；顯示模塊顯示本機垃圾處理次數(shù)及當前系統(tǒng)工作溫度；數(shù)據(jù)傳輸模塊能夠?qū)崿F(xiàn)單片機存儲數(shù)據(jù)的讀??；報警模塊根據(jù)系統(tǒng)溫度，確定是否超過安全值，如果超過安全值則以蜂鳴器的方式報警。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 移動式垃圾壓縮站硬件設(shè)計

根據(jù)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，硬件系統(tǒng)設(shè)計主要包括單片機最小系統(tǒng)、溫度信號處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲器模塊、電源模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、報警模塊及數(shù)字開關(guān)量處理模塊等部分。

2.1 單片機最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)包括單片機、復(fù)位電路和時鐘電路，如圖3所示。本系統(tǒng)采用8位單片機AT89C52，該單片機包含8K的可編程FLASH，256B的RAM，32個I/O口，五個中斷源、兩個16位定時器，完全滿足外部輸入和控制輸出通道數(shù)的要求；復(fù)位電路采用上電復(fù)位方式；時鐘電路晶振11.0592MHz。

圖3 最小系統(tǒng)

2.2 溫度處理系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)工作溫度的測量采用K型熱電偶，處理模塊選用MAX6675，該模塊能夠?qū)型熱電偶進行冷端補償、線性化、放大、A/D轉(zhuǎn)換等作用[11]，其硬件系統(tǒng)如圖4所示。

MAX6675具有12bit轉(zhuǎn)換精度，其輸出數(shù)據(jù)和實際溫度之間的關(guān)系如下式所示：

式中，Temp為實際測量溫度，℃；

Num為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，最大值為4095。

圖4 溫度采集和轉(zhuǎn)換電路

2.3 數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)存儲模塊要求斷電不丟失，為此選用了EEPROM型存儲器，因為溫度變化較緩慢，所以對溫度的測量為每半分鐘1次，溫度傳感器MAX6675輸出的12位數(shù)據(jù)經(jīng)標度變換后只占1個字節(jié)（油溫上限85℃），一般垃圾壓縮站一天的工作次數(shù)在20～30次左右，每次工作時間3分鐘，則每天記錄1個溫度傳感器檢測的數(shù)據(jù)需要的存儲空間大小為：

1(B)×2(次/min) ×90(min)=180Byte≈0.18kB

對于運輸次數(shù)，每天為30次，每個記錄數(shù)據(jù)占1個字節(jié)，則記錄1天的數(shù)據(jù)所需要的存儲空間大小為：

1(B)×30次=30Byte ≈0.03kB

粗略估計，每天存儲的數(shù)據(jù)量為0.2kB，按照每一個月讀取一次數(shù)據(jù)來算，大約需要6kB的存儲空間，在考慮經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，選擇AT24C64，該芯片的存儲空間為8kB，能夠滿足存儲要求。

需要說明的是該芯片的讀取需要遵循IIC協(xié)議[12]，但是所采用的52單片機沒有IIC通訊端口，為此采用軟件模擬IIC通信協(xié)議，其電路連接如圖5所示。

圖5 AT24C64與單片機的連接

2.4 電源設(shè)計

系統(tǒng)各芯片所需電源都是DC +5V。先將交流220V降為12V；再整流為直流+12V；穩(wěn)壓濾波后輸出穩(wěn)定的DC +5V。

2.5 顯示模塊設(shè)計

顯示采用液晶顯示模塊，選用LCD1602液晶模塊，其灰調(diào)節(jié)采用10k電阻和1k電阻進行分壓的模式，與單片機的連接如圖6所示。

圖6 液晶顯示電路

2.6 串口通信

由于單片機輸出是T T L電平，而P C輸出是-12～+12V電平，所以需要一個MAX232串口通信模塊芯片，構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)通信時電平信號的匹配，其連接電路如圖7所示，其中C1-和C2-表示連接點，分別連接電容的一端。

圖7 MX232串口通信電路

同時編寫了上位機程序，將存儲的數(shù)據(jù)上傳到上位機，如圖8所示。該軟件采用VB編寫，上位機接收到的數(shù)據(jù)可以*.text格式存儲，便于其他軟件的調(diào)用分析。

圖8 上位機界面

2.7 報警裝置設(shè)計

報警系統(tǒng)設(shè)計較為簡單，采用蜂鳴器的方式進行報警。液壓油一般工作溫度最高85℃，當溫度超過85℃時，溫度報警蜂鳴器響，對應(yīng)的指示燈亮，其控制連接如圖9所示。

圖9 聲音報警電路

2.8 開關(guān)量處理模塊

在壓縮站工作過程中，工作的開始需要按鈕控制、液壓缸極限位置需要限位開關(guān)控制，同時還涉及到垃圾壓縮箱堆滿報警的限位開關(guān)，而這些控制開關(guān)的共同點是其輸出的全部是開關(guān)量，可以直接輸出給單片機，在此不再贅述。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 主流程

移動式垃圾壓縮站上電后液壓系統(tǒng)開始工作，當檢測到工作按鈕按下后開始工作，依次進行翻斗倒入垃圾、推頭自動壓縮垃圾、溫度檢測、垃圾箱填滿及數(shù)據(jù)傳輸?shù)瘸绦?，主流程圖如圖10所示。

圖10 控制系統(tǒng)流程圖

3.2 翻料斗工作流程

翻料斗工作開始與否取決于工作按鈕，當工作按鈕按下時翻斗開始上升，直到達到限位開關(guān)，然后開始下降，直到另一限位開關(guān)，翻斗停止工作，進入下一步垃圾壓縮過程，流程如圖11所示。

圖11 垃圾入箱過程

圖12 垃圾壓縮過程

圖13 垃圾填滿報警

圖14 溫度過高報警

圖15 數(shù)據(jù)傳輸

3.3 垃圾壓縮流程

垃圾入箱后，需要對垃圾進行壓縮，此時推頭前進，直到遇到限位開關(guān)，然后返回，遇到限位開關(guān)停止工作，同時進行計數(shù)，當完成3次壓縮后進入溫度檢測程序，流程如圖12所示。

3.4 其他子程序

判斷垃圾箱是否填滿、溫度是否超過限值及是否進行數(shù)據(jù)傳輸，均利用標志數(shù)據(jù)進行判斷，其過程基本一致，在此不再贅述，只給出流程圖，具體如圖13～圖15所示。

4 實物測試

控制系統(tǒng)設(shè)計完成后，結(jié)合液壓系統(tǒng)進行了組裝調(diào)試，完成的移動式垃圾壓縮站如圖16所示。

圖16 移動式垃圾壓縮站實物圖

同時對該壓縮站進行了測試，測試內(nèi)容包括有效容積、自重、推鏟運行時間、壓縮壓力及壓縮比，其中最大壓縮力可達210kN，壓縮比可達2:1以上，其他測試數(shù)據(jù)詳如表1所示。壓縮站能夠完成垃圾收集與壓縮等功能，達到了設(shè)計目的。

表1 實訓(xùn)臺測試結(jié)果

5 結(jié)束語

根據(jù)實際工程需要設(shè)計了移動式垃圾壓縮站一鍵式控制系統(tǒng)，通過硬件和軟件的設(shè)計完成了控制系統(tǒng)的設(shè)計，并進行了實機測試，測試結(jié)果表明，所設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾的自動收集和壓縮，達到了預(yù)期目標。