后裝式壓縮垃圾車上裝電控系統(tǒng)研究與設(shè)計

蔡 博,陳 韜,檀廷軍

(中汽研汽車檢驗中心(武漢)有限公司，湖北 武漢 430056)

0 引言

近年來，隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的加速推進(jìn)和人們生活水平的不斷提高，城鎮(zhèn)居民生活垃圾越來越多，這些垃圾大多是不可降解的白色垃圾，能進(jìn)行預(yù)壓縮、裝載量大且垃圾箱密封不會造成運輸過程中二次污染的后裝式壓縮垃圾車的應(yīng)用越來越廣泛[1,2]。從以前的手動控制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)前的自動化控制，從以前的敞篷式過渡到現(xiàn)在的密封壓縮式垃圾車，高效率、高壓縮比、智能化、密閉化的壓縮式垃圾車將是未來的發(fā)展方向[3,4]。

液壓系統(tǒng)與電控系統(tǒng)是壓縮式垃圾車的核心，是體現(xiàn)車輛作業(yè)性能與質(zhì)量的重要部分，直接影響到垃圾車的安全性、可靠性及操作便利性。當(dāng)前，后裝垃圾車上裝電控系統(tǒng)主要以手動控制、繼電器控制、電磁換向閥以及PLC控制為主，上裝電控系統(tǒng)普遍存在著電控方案雜亂、電氣控制線路復(fù)雜、控制單一等問題，隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)和計算機技術(shù)的應(yīng)用，城市環(huán)衛(wèi)產(chǎn)業(yè)對智能化的迫切需求，上裝電控系統(tǒng)正朝著集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展[5,6]。

為此，本文在分析后裝式壓縮垃圾車的功能結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，基于PLC，與上位機觸摸屏進(jìn)行組態(tài)控制，同時，通過對后裝式壓縮垃圾車本地PTO進(jìn)行電氣改裝以滿足后裝式壓縮垃圾車的作業(yè)功能操作需求，完成了后裝式壓縮垃圾車上裝電控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，為后裝式壓縮垃圾車的設(shè)計與應(yīng)用提供了良好的參考與借鑒。

1 后裝式壓縮垃圾車控制功能需求分析

目前，后裝式壓縮垃圾車主要通過液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)來完成垃圾的壓縮、裝運及傾倒作業(yè)。后裝式壓縮垃圾車基本上都是基于二類底盤改裝而來，主要由底盤、垃圾箱、填裝器、推鏟、上料機構(gòu)、刮板、滑板以及液壓系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)等組成，主要作業(yè)操作包括上料作業(yè)、壓填作業(yè)、卸料作業(yè)、手動作業(yè)等[7,8]。后裝式壓縮垃圾車結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 后裝式壓縮垃圾車結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)后裝式壓縮垃圾車的功能特點與廠家需求，垃圾車上裝需要實現(xiàn)的動作主要有：上料翻斗的上升與回位，刮板的張開與閉合，滑板的上行與下行，推鏟的伸出與縮回，填料器的上升與下降，以及壓力報警、溫度報警等[9]。根據(jù)垃圾車作業(yè)功能進(jìn)行控制要求分析如下：

(1) 對于后裝式壓縮垃圾車作業(yè)操作動作，同一時間只允許操作其中一種動作，不允許有兩組或兩組以上的動作同時進(jìn)行。

(2) 上料機構(gòu)到位時需延長適當(dāng)時間返回，確保垃圾傾倒干凈。

(3) 上料作業(yè)和壓填作業(yè)均采用單次動作循環(huán)。

(4) 在推鏟進(jìn)行卸料作業(yè)前，填裝器需開啟到位才能進(jìn)行操作。

(5) 控制系統(tǒng)具有手動和自動兩種操作方式，并配置相關(guān)聲、光信號提醒功能及安全操作部件等。

對于后裝式壓縮垃圾車而言，其作業(yè)功能主要是實現(xiàn)對執(zhí)行開關(guān)量狀態(tài)的采集和電磁閥、指示燈、報警器等的開關(guān)信號的輸出，如表1所示。而PLC的基本功能就是監(jiān)視現(xiàn)場輸入，根據(jù)控制邏輯接通或斷開現(xiàn)場輸出設(shè)備，PLC具有控制簡單、維護(hù)方便、通用性強等優(yōu)點，能夠較好地滿足后裝式壓縮垃圾車上裝電控的功能需求。

表1 作業(yè)功能控制信號

2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計及實現(xiàn)

2.1 電氣控制方案設(shè)計

采用PLC的后裝式壓縮垃圾車電控系統(tǒng)是目前我國垃圾車實現(xiàn)自動化控制的一個主要途徑。后裝式壓縮垃圾車電氣控制系統(tǒng)中的工作電壓一般為12 V或者24 V，直接由車載蓄電池供電，考慮垃圾車的實際操作過程與安全維護(hù)可靠性，采用單動操作與聯(lián)動操作相結(jié)合的方式進(jìn)行電氣控制方案的設(shè)計，既可以在駕駛室使用觸摸屏進(jìn)行聯(lián)動作業(yè)，也可以對單個執(zhí)行部件進(jìn)行手動控制，以方便檢修和緊急情況下的維護(hù)[10]，控制原理如圖2所示。

圖2 電氣控制原理

PLC與觸摸屏HMI通過LAN或RS422/RS485串口進(jìn)行人機交互，可以方便操作人員通過觸摸屏對垃圾車進(jìn)行功能操作，實現(xiàn)自動化控制與人機交互；PC/工控機與HMI之間通過LAN通訊，可以方便地對HMI人機界面進(jìn)行編程控制、功能維護(hù)和檢修。

根據(jù)后裝式壓縮垃圾車的作業(yè)流程，確定的系統(tǒng)控制流程如圖3所示。使用接近開關(guān)來檢測上料機構(gòu)、刮板、滑板、填料器等部件的動作到位，如在卸料作業(yè)時，如果填料器沒有舉升到位，推鏟就不能推出進(jìn)行卸料；同時，通過聲音報警來提醒駕駛員垃圾箱裝填滿載，通過壓力開關(guān)、溫度開關(guān)來提醒駕駛員液壓缸油路溫度過高、壓力過大等來起到安全、警示等作用。

圖3 垃圾車控制流程

2.2 控制系統(tǒng)硬件選型及布置

后裝式壓縮垃圾車上裝電控系統(tǒng)PLC的選型主要考慮PLC的供電方式、輸入輸出點數(shù)、輸出類型和負(fù)載情況等，在能夠滿足設(shè)計功能需求和實用的前提下，選擇使用方便可靠、維護(hù)便捷、性價比高的控制器。后裝式壓縮垃圾車的車載蓄電池一般為24 V的直流蓄電池，結(jié)合目前后裝式壓縮垃圾車上裝電控系統(tǒng)的實際情況，選擇高可靠性、抗干擾能力強的西門子PLC系列作為本控制系統(tǒng)的主控制器，其輸出方式有繼電器型和晶體管型兩種，垃圾車實際道路作業(yè)時對控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度沒有高頻要求，故選擇繼電器型PLC以滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求。

根據(jù)后裝式壓縮垃圾車的動作控制需求，考慮控制器I/O的類型與數(shù)量，選擇的控制器型號為S7-200 Smart，CPU SR40，24點輸入，16點輸出，支持多種通訊協(xié)議，可與觸摸屏、變頻器、伺服驅(qū)動器、上位機等聯(lián)網(wǎng)通訊，其他相關(guān)電氣元件主要有壓力開關(guān)、接近開關(guān)、指示燈等。

在完成控制系統(tǒng)方案設(shè)計及進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)硬件選型后，根據(jù)功能需求進(jìn)行PLC的I/O地址分配，完成PLC的電路原理圖，如圖4所示。

圖4 PLC電路原理圖

為了滿足垃圾車上裝作業(yè)時對發(fā)動機轉(zhuǎn)速的要求，利用專用車輛底盤提供的電氣改裝接口與PLC進(jìn)行連接，方便在垃圾車作業(yè)時通過本地PTO接口，利用PLC對發(fā)動機轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而滿足不同負(fù)載、不同作業(yè)時的動力輸出需求[11]。本地PTO取力器電氣原理如圖5所示。

圖5 PTO取力器電氣原理

2.3 人機界面交互設(shè)計

為了實現(xiàn)操作人員與計算機控制系統(tǒng)之間的對話和交互作用，滿足控制系統(tǒng)的人機界面功能，選用西門子Simatic Line觸摸屏，與PLC控制器進(jìn)行通訊，通過組態(tài)軟件Wincc Flexible Smart，基于以太網(wǎng)、Modbus RTU通訊協(xié)議，可以很方便地進(jìn)行人機交互控制[12]。設(shè)置HMI操作流程如圖6所示。

圖6 設(shè)置HMI操作流程

完成PLC電控系統(tǒng)硬件選型及流程設(shè)計后，根據(jù)垃圾車工作流程進(jìn)行控制系統(tǒng)軟件設(shè)計，并基于梯形圖編程語言，利用PLC編程軟件STEP 7-Micro/WIN 32進(jìn)行程序編寫，對PLC、電磁閥和執(zhí)行機構(gòu)的對應(yīng)接口進(jìn)行相應(yīng)的硬件連接，就可以完成控制系統(tǒng)硬件搭建，觸摸屏HMI設(shè)備通過PLC接收來自各種動作開關(guān)指令和監(jiān)控垃圾車作業(yè)裝填，并進(jìn)行相應(yīng)的動作決策。HMI人機交互組態(tài)控制如圖7所示。

圖7 HMI人機交互

在STEP7軟件中完成編程后，進(jìn)行相關(guān)通訊設(shè)置，將程序下載到PLC中，通過Ethernet以太網(wǎng)連接PLC與觸摸屏，并且將相關(guān)的電磁閥與PLC輸出點之間進(jìn)行連接，進(jìn)行在線調(diào)試與試驗，取得良好的試驗效果。

3 結(jié)束語

本文以后裝式壓縮垃圾車為研究對象，基于PLC，結(jié)合人機界面與PLC通訊技術(shù)，進(jìn)行PLC、觸摸屏組態(tài)控制，實現(xiàn)了本地PTO電氣改裝，設(shè)計并實現(xiàn)了后裝式壓縮垃圾車上裝電氣控制系統(tǒng)。該智能控制系統(tǒng)控制簡單、操作方便，通過觸摸屏就可以對清掃車上裝功能進(jìn)行控制，為垃圾車上裝電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)提供了良好的參考與借鑒，具有一定的實用意義與研究價值。