后裝式壓縮垃圾車上裝電控系統研究與設計

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，隨著城鎮化建設的加速推進和人們生活水平的不斷提高，城鎮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，能進行預壓縮、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用越來越廣泛[1,2]。從以前的手動控制逐漸轉變為當前的自動化控制，從以前的敞篷式過渡到現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展方向[3,4]。

液壓系統與電控系統是壓縮式垃圾車的核心，是體現車輛作業性能與質量的重要部分，直接影響到垃圾車的安全性、可靠性及操作便利性。當前，后裝垃圾車上裝電控系統主要以手動控制、繼電器控制、電磁換向閥以及PLC控制為主，上裝電控系統普遍存在著電控方案雜亂、電氣控制線路復雜、控制單一等問題，隨著電子技術、信息技術和計算機技術的應用，城市環衛產業對智能化的迫切需求，上裝電控系統正朝著集成化、智能化、網絡化方向發展[5,6]。

為此，本文在分析后裝式壓縮垃圾車的功能結構與控制系統基礎上，基于PLC，與上位機觸摸屏進行組態控制，同時，通過對后裝式壓縮垃圾車本地PTO進行電氣改裝以滿足后裝式壓縮垃圾車的作業功能操作需求，完成了后裝式壓縮垃圾車上裝電控系統的設計與實現，為后裝式壓縮垃圾車的設計與應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和電控系統來完成垃圾的壓縮、裝運及傾倒作業。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、刮板、滑板以及液壓系統與電氣系統等組成，主要作業操作包括上料作業、壓填作業、卸料作業、手動作業等[7,8]。后裝式壓縮垃圾車結構示意圖如圖1所示。

圖1 后裝式壓縮垃圾車結構示意

根據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]。根據垃圾車作業功能進行控制要求分析如下：

(1) 對于后裝式壓縮垃圾車作業操作動作，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行。

(2) 上料機構到位時需延長適當時間返回，確保垃圾傾倒干凈。

(3) 上料作業和壓填作業均采用單次動作循環。

(4) 在推鏟進行卸料作業前，填裝器需開啟到位才能進行操作。

(5) 控制系統具有手動和自動兩種操作方式，并配置相關聲、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，其作業功能主要是實現對執行開關量狀態的采集和電磁閥、指示燈、報警器等的開關信號的輸出，如表1所示。而PLC的基本功能就是監視現場輸入，根據控制邏輯接通或斷開現場輸出設備，PLC具有控制簡單、維護方便、通用性強等優點，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 作業功能控制信號

2 控制系統方案設計及實現

2.1 電氣控制方案設計

采用PLC的后裝式壓縮垃圾車電控系統是目前我國垃圾車實現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可靠性，采用單動操作與聯動操作相結合的方式進行電氣控制方案的設計，既可以在駕駛室使用觸摸屏進行聯動作業，也可以對單個執行部件進行手動控制，以方便檢修和緊急情況下的維護[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串口進行人機交互，可以方便操作人員通過觸摸屏對垃圾車進行功能操作，實現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人機界面進行編程控制、功能維護和檢修。

根據后裝式壓縮垃圾車的作業流程，確定的系統控制流程如圖3所示。使用接近開關來檢測上料機構、刮板、滑板、填料器等部件的動作到位，如在卸料作業時，如果填料器沒有舉升到位，推鏟就不能推出進行卸料；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、溫度開關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 控制系統硬件選型及布置

后裝式壓縮垃圾車上裝電控系統PLC的選型主要考慮PLC的供電方式、輸入輸出點數、輸出類型和負載情況等，在能夠滿足設計功能需求和實用的前提下，選擇使用方便可靠、維護便捷、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，結合目前后裝式壓縮垃圾車上裝電控系統的實際情況，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時對控制系統的響應速度沒有高頻要求，故選擇繼電器型PLC以滿足系統的設計需求。

根據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，支持多種通訊協議，可與觸摸屏、變頻器、伺服驅動器、上位機等聯網通訊，其他相關電氣元件主要有壓力開關、接近開關、指示燈等。

在完成控制系統方案設計及進行PLC控制系統硬件選型后，根據功能需求進行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時對發動機轉速的要求，利用專用車輛底盤提供的電氣改裝接口與PLC進行連接，方便在垃圾車作業時通過本地PTO接口，利用PLC對發動機轉速進行控制，從而滿足不同負載、不同作業時的動力輸出需求[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 人機界面交互設計

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

圖6 設置HMI操作流程

完成PLC電控系統硬件選型及流程設計后，根據垃圾車工作流程進行控制系統軟件設計，并基于梯形圖編程語言，利用PLC編程軟件STEP 7-Micro/WIN 32進行程序編寫，對PLC、電磁閥和執行機構的對應接口進行相應的硬件連接，就可以完成控制系統硬件搭建，觸摸屏HMI設備通過PLC接收來自各種動作開關指令和監控垃圾車作業裝填，并進行相應的動作決策。HMI人機交互組態控制如圖7所示。

圖7 HMI人機交互

在STEP7軟件中完成編程后，進行相關通訊設置，將程序下載到PLC中，通過Ethernet以太網連接PLC與觸摸屏，并且將相關的電磁閥與PLC輸出點之間進行連接，進行在線調試與試驗，取得良好的試驗效果。

3 結束語

本文以后裝式壓縮垃圾車為研究對象，基于PLC，結合人機界面與PLC通訊技術，進行PLC、觸摸屏組態控制，實現了本地PTO電氣改裝，設計并實現了后裝式壓縮垃圾車上裝電氣控制系統。該智能控制系統控制簡單、操作方便，通過觸摸屏就可以對清掃車上裝功能進行控制，為垃圾車上裝電氣控制系統的設計與實現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。