移動式壓縮站電氣控制系統優(yōu)化設計與研究

顏仁喆 王進鈺

摘要：移動式壓縮站具有隨車移動的工況特性，其內部搭設的動力單元控制系統應該趨近于環(huán)衛(wèi)車主流嵌入式控制系統設計，但目前市面上壓縮站動力單元控制系統大多使用工業(yè)PLC加觸摸屏的控制方式，其接線方式及硬件封裝都不太適應車載環(huán)境。針對該問題，提出了一種基于嵌入式控制器的動力單元控制系統，為該類產品系統開發(fā)提供了新思路。

關鍵詞：動力單元；車載環(huán)境；嵌入式控制器

中圖分類號：U463? 收稿日期：2023-01-17

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.05.015

1 前言

隨著人們生活水平的提高，城市生活垃圾產量也日益增多，大量的城市生活垃圾如何實現高效收集轉運備受環(huán)衛(wèi)行業(yè)關注。為減少散裝垃圾單次運距以及長距離運輸次數，一種自帶壓縮功能的移動式垃圾壓縮站被市場廣泛應用。

一些致力于開發(fā)電液集成單元的企業(yè)都相繼開發(fā)了集成度高且便攜裝配的壓縮站動力單元總成，但是在控制系統開發(fā)方面還是沿用了工業(yè)自動化產品的開發(fā)方式，使用工業(yè)PLC作為核心控制單元與觸摸屏建立通信，實現觸摸屏端的控制以及參數讀取[1]。

雖然壓縮站進行壓縮填裝作業(yè)時處于靜止狀態(tài)，但工業(yè)PLC驅動能力較弱，往往需要配合大量的繼電器群，并且其硬件封裝防護等級不高，使其在設備整體運輸過程中面臨很大的挑戰(zhàn)，硬件可靠性也大幅度降低。另外，若考慮到配置的經濟性，往往在保證開關量恰好滿足的情況下模擬量采集點會明顯不足，最終使整個系統構建龐大且繁瑣，不適應運載環(huán)境。

本文使用一種封裝可靠的嵌入式集成控制器替代傳統工業(yè)PLC，在最大化減少硬件配置的情況下提升產品的操控性能。

2 控制需求分析

移動式壓縮站所需要控制的執(zhí)行機構為壓縮機推頭推鏟油缸及料斗舉升臂翻斗油缸，如圖1所示，所需要進行開關量控制的部件為油泵電動機M，兩位四通電磁閥S1、S2、S3、S4，及油溫散熱器M1，還需采集1路模擬量油溫信號及1路模擬量油壓信號。當執(zhí)行推頭工作時，S3不得電，液壓油進入到推頭工作回路，當S2得電，S1不得電時，推頭油缸無桿腔進油，有桿腔回油，實現推頭慢速推出；當S1、S2都得電時，推頭油缸有桿腔回油通過S1返回到無桿腔形成差動回路，實現推頭推出；當S1、S2都不得電，推頭油缸有桿腔進油，無桿腔回油，實現推頭收回。當S3得電時，液壓油進入到翻斗工作回路，此時當S4不得電時，翻斗油缸無桿腔進油，有桿腔回油，實現翻斗舉升；當S4得電時，翻斗油缸有桿腔進油，無桿腔回油，實現翻斗下落。油壓模擬量需被控制系統實時采集，作為控制推頭進退循環(huán)工作的動作節(jié)點信號依據，油溫模擬量的采集使控制系統按照約定時機打開散熱器，保證節(jié)能、可靠運行[2]。

3 電氣原理設計

本次選用基于Cortex-M架構的嵌入式控制器支持設計所需的開關量控制、數學運算以及網絡通信。該控制器具有16路數字量輸出、8路高電平有效數字量輸入、2路低電平有效數字量輸入，1路CAN總線通信、4.3寸顯示屏與處理器單元集成封裝，整體具有體積小、輸出驅動能力強、防護等級高、操作方便等優(yōu)點。由于控制器未設置單獨的模擬量輸入點，選用一種支持CAN總線通信的模擬量采集單元采集系統所需的模擬量輸入[3]，通過CAN通信發(fā)送數據至控制器，如圖2所示，數字量輸出接口D0可直接驅動主回路的電動機接觸器KA0，與散熱器接觸器KA1、負載端電磁閥S1～S4以及報警蜂鳴器，數字量輸入DI接收手持遙控裝置送入的一鍵壓縮啟停信號、料斗舉升下降信號，接收來自自復位按鍵的脈沖信號會在程序中進行處理，滿足相應工作需求。除保證系統主回路電源外接時輸入相序與油泵電機運行需求相序不一致，還需采集1路相序保護器保護信號供控制器進行處理。

4 系統程序設計

基于硬件底層特性，本次主邏輯設計選用ARM公司的Keil uVision4設計平臺，人機界面設計選用迪文公司的DWIN設計平臺。

4.1 主邏輯設計

根據系統控制需求，每完成一次料斗上料后，推頭要執(zhí)行連續(xù)循環(huán)的進退壓縮。因此執(zhí)行壓縮過程中，需要系統識別推頭運行方向及換向節(jié)點，系統采集了1路油壓模擬量。根據溢流閥工作原理，當液壓機構執(zhí)行到最大或最小行程，此時油壓到達設定系統溢流壓力且保持，根據掃描到當前輸出到電磁閥的電平信號可判定推頭到達推出極限位置或退回極限位置。為防止不同環(huán)境條件下系統壓力波動，就需要開發(fā)者設置一個用戶可調的壓力閾值，但是單純以壓力閾值作為換向條件也會存在一個問題，就是不論推頭執(zhí)行推出還是退回到極限位置都會激活相同的壓力閾值到達條件。因此在編寫程序時需要調用一個上升沿并配合循環(huán)計數來鎖定準確的運行狀態(tài)，如圖3所示。每到達一次設定壓力閾值激活一次上升沿，并且每一次上升沿count5累加1。count5初始值0時，開啟循環(huán)壓縮作業(yè)推頭執(zhí)行推出，到達壓力閾值時count5值為1，此時執(zhí)行推頭回退，同理當count5值為2時，定義系統狀態(tài)為推頭回退到極限位并賦值0，系統在壓縮周期內回到初始狀態(tài)并繼續(xù)執(zhí)行。

油溫采集選用了一種輸出電壓為1～5 V的，量程為0～40 MPa的壓力傳感器，根據傳感器線性特性，符合圖4特性曲線。

根據曲線特性，并結合傳感器輸出及量程參數，計算得傳感器的輸出電壓與實際測量反應的油壓模擬量滿足下式：

U=1+0.1 P? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，U、P分別為單位V、MPa下的取值。

模擬量采集模塊采集到油壓傳感器輸出的電壓值會以CAN報文發(fā)出，并根據實際使用通道將電壓值寫在第0和第1字節(jié)，如圖5所示，調試過程中實采到0、1字節(jié)的數據為7B45，十進制處理后數值為31 557，其中3表示電壓值保留小數點后三位，因此實際采集電壓為1.557 V，由式（1）關系，得出采集實際油壓P應為：{{[（int）（CAN1_RBuf[1]+CAN1_RBuf[0]*256）]-30 000}/1000-1}/0.1，經此處理后，可直接在人機界面采集P值即為真實油壓數值。

4.2 人機界面設計

人機界面的設計要保證友好、簡潔，并能夠體現關鍵信息，如圖5所示，主界面劃分兩個區(qū)域，左側區(qū)域主要體現系統運行的狀態(tài)，可以顯示設定的總壓縮次數以及當前運行狀態(tài)的實際壓縮次數、系統油壓、系統油溫以及當前系統執(zhí)行的動作狀態(tài)；右側區(qū)域主要顯示了系統運行中出現的故障警告以及系統實際輸出點的電平狀態(tài)，可以幫助客戶進行高效故障自查，比如當系統未按需求指令執(zhí)行時，可根據界面顯示狀態(tài)判斷是由于程序設置保護邏輯無法實際執(zhí)行輸出，還是已真實執(zhí)行了輸出需要檢查硬件故障[4]。

系統循環(huán)壓縮主要是以油壓閾值到達作為動作切換節(jié)點，但是考慮到油壓傳感器可能會因使用過程中損壞或者精度下滑導致循環(huán)壓縮功能異常，因此在設計時將單步動作時間以及閾值設置為冗余條件，并在人機界面中設置為用戶可調，從而可以保證在系統出現局部異常的情況下，用戶依舊能夠通過簡單設定使其恢復正常工作狀態(tài)。

系統判定何時料倉垃圾壓實是軟件設計的關鍵。剛開始填裝垃圾時，由于推頭背壓很小，系統壓力大致在6～8 MPa區(qū)間。當循環(huán)推進垃圾至料倉滿倉時，此時為虛裝滿倉，實際上與真正壓實存在一定差距。但隨著虛裝飽和，推頭推進時的背壓逐漸升高，系統壓力也隨之增大，但此壓力仍舊略低于換向壓力，因此在參數界面設置換向壓力閾值，用戶可根據實際虛裝滿倉的系統壓力調定。到達飽和壓力閾值時，就開始進入真正的壓實過程，隨之主界面顯示壓實度，每次以10%步距增長，到達100%時則判定料倉垃圾壓實，系統自動停機并提示滿箱警告。

5 系統調試與改進

在現場搭載系統并執(zhí)行壓縮循環(huán)作業(yè)時，當實際壓縮次數到達設定壓縮次數時，或者當推頭執(zhí)行推出且很快到達閾值壓力時，可判定垃圾已經壓滿。在現場實際運行調試過程中，發(fā)現推頭推出動作剛啟動時，界面提示滿箱警告，分析發(fā)現結構件會因慣性卡滯導致系統壓力瞬時達到閾值壓力且激發(fā)滿箱報警。在滿箱判定條件中，推頭推出時間比較值不能太大，這會造成上述報警誤判，將該比較值調整到2 s時可消除報警誤判。

料斗提升裝置提示時發(fā)現，當S3得電時會切斷推頭工作油路，此時推頭可能處于任意位置，導致垃圾不能準確翻入壓縮機儲料空間，甚至是會將垃圾全部倒在推頭表面，從而明顯降低壓縮效率以及增加結構件損傷風險，對料斗舉升允許進行條件處理，以推頭回退到位作為判定條件，保證每次上料時，壓縮機儲料空間完全打開。

6 結語

通過需求分析與設計，完成了一種基于嵌入式系統的壓縮站控制系統設計，樣機機柜簡潔且規(guī)整，除嵌入式控制器和相關模塊外，無繁瑣的繼電器群和端子排，與外部連接也均采用專用接插件，提高了系統復雜環(huán)境下運行的穩(wěn)定性與可靠性。系統經現場實測調試后不斷加以優(yōu)化改進，使其能夠根據壓縮站使用環(huán)境和裝載垃圾種類、含水量、密度的不同，通過參數微調實現現場環(huán)境最優(yōu)化配置，滿足不同區(qū)域和使用場景下客戶的需求。

參考文獻：

[1]胡學林基于PLC的移動式垃圾壓縮站的控制與實現[J]自動化應用，2010（12）：59-60.

[2]馬宗正，王清臣，閆修鵬，等移動式垃圾壓縮站液壓系統設計[J].機械設計與制造，2019（9）：137-141.

[3]韓振興基于CAN總線的環(huán)衛(wèi)車分布式控制系統研究[J]汽車測試報告，2021（5）：188-189.

[4]周峰，朱宗玖電動汽車充電樁迪文DGUS觸摸屏的實現[J]科技視界，2013（3）：45-46.

作者簡介：

顏仁喆，男，1988年生，工程師，研究方向為專用汽車上裝電控系統開發(fā)。