基于PLC的直压式垃圾压缩机的控制方法与实施.pdf

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1、2023.04 建设机械技术与管理 63产品结构基于 PLC 的直压式垃圾压缩机的控制方法与实施Control Method and Implementation of Direct Compression Garbage Compressor Based on PLC文振南 白雪松(长沙中联重科环境产业有限公司，湖南 长沙 410013)摘要：直压式生活垃圾压缩机作为城市垃圾转运站的核心压缩设备，其运行与智能化控制方式的优劣，直接关系到转运站的垃圾转运效率，以及便捷的稳定操作，且智能化操作模式已成为衡量现代化垃圾转运站的重要指标。本文针对直压式垃圾压缩机运行状况，提出了一种基于 PLC 控制

2、的垃圾压缩机控制系统，并结合人机交互界面，可实现不同模式下一键化操作，该系统具有数据采集、监控、报警与反馈功能，可实时垃圾压缩机运行状况检测、故障报警等，操作人员可根据报警提示对故障定点检查，确保垃圾压缩机正常稳定运行。该系统已在实际项目中得到应用，市场反馈良好。关键词：垃圾压缩机；设备改造；监控系统；PLC；组态软件中图分类号：TM 930.1 文献标识码：B1 引 言随着我国城市化率越来越高，城市垃圾处理已成为越来越严重的问题。水平直压式垃圾压缩机作为城市普遍应用的垃圾压缩设备，其工艺流程与控制方式直接关系到转运站的运行效率与智能化水平1。水平直压式垃圾压缩机垃圾处理设备是通过水平推力，连

3、续压缩循环直接将压缩机料斗中垃圾装入垃圾转运箱中，辅以除尘除臭、污水处理与智能监控设备为一体，以达到对垃圾无害化、减量化、资源化和智能化控制，避免二次污染的处理目的，是目前生活垃圾中转站处理垃圾的核心设备，被广泛应用于大中型城市垃圾处理的转运环节中，具有处理效率高，垃圾压实密度大，转运成本低，环保性好的特点2。垃圾压缩机控制系统是垃圾转运站运行的核心部分，可实现垃圾站自动化控制与调节，并监控垃圾压缩机运行状态，保证垃圾站安全稳定运行。本文主要从直压式垃圾压缩机工艺特性与控制要求出发，结合市场需求，以 PLC 可编程控制器为主体3，并采用人机交互界面对垃圾压缩机进行智能化控制4。1.1 直压式垃

4、圾压缩机设备组成直压式垃圾压缩机的工作过程为压缩机推头将压缩机料斗中垃圾推入垃圾箱中，采用高压力在垃圾箱中挤压垃圾，达到减量化目的5，如图 1 所示：其整套设备主要由上料机料斗、垃圾上料机、压缩机料斗、垃圾压缩机、提门机构、中门机构、锁紧机构、推拉机构、排污机构、移箱机构和垃圾箱等构成。上料机料斗主要作用为增加卸料车卸料工位，当上料机料斗盛满垃圾后，上料机推头将垃圾转移至压缩机料斗中，压缩机推头将其料斗中垃圾推入垃圾箱中；提门机构用于打开垃圾箱箱门，并用中门机构阻挡垃圾箱上沿垃圾；推拉机构用于将垃圾箱与压缩机贴合与分开，并用锁紧机构将垃圾箱锁紧于压缩机料口处，移箱机构用于更换垃圾箱，将满箱垃圾

5、箱移开，空箱垃圾箱移至压缩机料口处。1.2 直压式垃圾压缩机控制要求垃圾压缩机因其特殊性，停机将造成城市垃圾堆积，对城市面貌造成很大影响。鉴于此，垃圾站建设要求垃圾压缩机安全、稳定运行，对故障要求快速诊断并解决。结合目前垃圾站面临问题，以及智能化、面向不同操作对象等要求，直压式垃圾压缩机的工作模式可划分为中控自动、现场自动、图 1 直压式垃圾压缩机成套设备构成64建设机械技术与管理 2023.04 产品结构现场手动、现场维修与维修模式五个模式，中控界面仅进行一键化自动操作。垃圾中转站整套运动过程可分为四个部分，机箱对接、压缩循环、物料打包与机箱分离，四个动作均可实现一键化自动操作，结合物料检测

6、系统，整个过程可实现智能化操作。由于垃圾压缩过程需要较强的压力，并可实现快速来回切换，快进、挤压、卸荷与快退等动作，采用多泵联合伺服控制液压系统可较容易解决该问题，各动作切换流畅，可靠性高，在行业内得到普遍应用。各动作完成判断采用压力、激光测距与接近开关结合方式，结合动作互锁条件，可实现安全稳定运行。1.3 直压式垃圾压缩机电控系统组成直压式垃圾压缩机电控系统主要有五部分组成，PLC（可编程控制器）、工控机、动力系统、传感器与显示仪表，如图 2 所示：PLC 控制器结合输入输出模块、通讯模块等，可对输入信号进行处理、逻辑运算，也可对输出信号进行控制与处理，从而实现设备的工艺逻辑与自动化运行；工

7、控机用于人机交互界面，显示故障报警信息与报表，并进行控制参数设置；动力系统主要全液压系统，为整个压缩机提供运行部件动力输出；传感器与显示仪表主要包括料位传感器、接近开关、激光测距传感器、光电传感器、压力/温度传感器、压力表等。料位传感器用于检测料斗中垃圾量，结合报警压力确定垃圾箱中垃圾量；接近开关用于动作到位与互锁条件判断；激光测距传感器用压缩机压头行程判断；光电传感器用于安全条件判断；压力传感器用于实时检测系统压力，温度传感器用于检测系统温度，判断是否开启或关闭加热与散热系统。图 2 直压式垃圾压缩机电控系统组成 PLC仪表料位传感器液压系统电机动力系统油缸行程传感器工控机压力传感器2 直压

8、式垃圾压缩机自动化控制技术路线直压式垃圾压缩机自动化控制路线可划分为两个部分：自动化控制系统框架、主要元器件组成。2.1 自动化控制系统框架根据直压式垃圾压缩机控制要求，在充分考虑了系统可靠性、稳定性、通用性的基础上，确定本控制系统采用集中式的控制方式，控制等级主要分为 3 级：管理级、操作级、现场级，如图 3 所示。管理级主要针对设计人员进行开放式必要参数设置，操作级主要针对中控室操作人员对现场不同压缩机进行智能化控制，现场级主要针对现场维修调试人员，对设备进行维修或调试。管理级与操作级设备之间采用工业以太网连接，通过TCP/IP协议可以方便地进行连接和扩充。操作级内部设备采用 PROFIN

9、ET 网络连接，用于保证操作级系统之间通讯的统一性和稳定性。操作级和现场级设备之间采用 PROFIBUS 通讯网络连接，该通讯网络以其高可靠、高性能在全球范围内得到广泛应用。2.2 主要元器件组成本 文 中 控 制 器 采 用 西 门 子 SIMATIC S7-1200 系 列PLC，S7-1200 控制器具有高效、紧凑、扩展、友好、安全、高精度等多种性能特点，具体配置为：CPU1214，带有 RJ45 接口，100 KB 工作存储器；24VDC 电源，板载 图 3 自动化控制系统框架 中央控制主站2CCS管理型工业交换机工厂管理计算机MSS1号压缩设备除臭系统控制从站TCP/TPTCP/TP

10、TCP/TP管理级操作级1号压缩设备HMI1号上料机（选配）PROFINETPROFINET现场设备现场级用户根据自身需求，自行配置PROFINET2号压缩设备2号压缩设备HMI2号上料机（选配）PROFINETPROFINETN号压缩设备N号压缩设备HMIN号上料机（选配）PROFINETPROFINETPROFINETPROFINETPROFINETPROFINET中央控制主站1CCSTCP/TP中央控制主站NCCSTCP/TP2023.04 建设机械技术与管理 65产品结构DI14 x 24VDC 漏型/源型，DQ10 x 继电器和 AI2；板载 6 个高速计数器和 4 个脉冲输出；信号

11、板扩展板载式 I/O；最多 3 个通信模块用于串行通信；最多 8 个信号模块用于 I/O 扩展；PROFINET IO 控制器，智能设备，TCP/IP 传输协议，开放式用户安全通信，S7 通信，Web 服务器，OPC UA：服务器 DA 等。3 直压式垃圾压缩机控制程序功能设计PLC 控制器作为直压式垃圾压缩机的控制核心部件，在进行逻辑控制与运算时，需结合垃圾压缩机运行特点，结合智能化、可靠性、安全性和稳定性设计理念，对垃圾压缩机进行控制程序设计。3.1 垃圾压缩机运行控制垃圾压缩机根据操作地点可划分为本地控制与中控控制，根据动作模式可划分为手动与自动，因此整个控制模式可分为 4 类，现场手动

12、、现场自动、中控手动与中控自动；现场手动与现场自动通过电控柜触摸屏进行操作，中控手动与中控自动在中控室工控机上进行操作。现场手动模式用于设备运行前调试或诊断设备故障，每个机构可进行单独控制，无互锁逻辑；现场自动模式结合控制逻辑与工艺属性，可进行一键化机箱对接、压缩循环、物料打包、机箱分离操作，此过程需在自动模式下选择现场自动模式下实现，中控自动模式下亦可进行一键化操作；中控手动模式用于在中控室一键化操作过程中纠错处理。如图 4 所示为垃圾压缩机压满一箱垃圾工作过程，各动作相互连贯配合，从垃圾上料至压满整箱垃圾。3.2 垃圾压缩机逻辑互锁关系垃圾压缩机在全自动工作过程中，根据其特殊工艺要求，各动

13、作机构根据实际运行情况需进行互锁，具体互锁关系如下所示：（1）液压油低于液压油箱下限位时，不允许启动压缩机动力系统；（2）液压油温低于-5以下，不允许启动压缩机动力系统，需启动加热系统，待油温在 0；（3）液压油温高于 45时，开启散热系统，至油温为40停止散热；（4）不允许动力系统长时间超过负荷运行；（5）箱门未升到位时，压缩机推头不允许前进；（6）箱门未降到位时，压缩机不允许进行机箱分离操作；（7）锁紧机构锁钩未锁紧或松开时，不允许进行推拉机构动作；（8）压缩机推头在箱门下方时，不允许箱门下降。3.3 PLC 程序模块化设计PLC程序模块化设计主要分为三部分，分别是初始化、硬件操作与软件操

14、作，如图 5 所示：初始化模块主要实现本程序相关硬件与系统变量初始化，系统通电完成一次扫描或通电短时间内运行模块，包括 I/O 配置初始化、通讯初始化、参数初始化等；硬件操作模块作为与控制器硬件接口相关联的模块，包括硬件输入输出、总线通讯、参数备份等;软件操作模块作为程序核心部分，实现整个控制功能，主要包括一键化机箱对接、压缩循环、物料打包、机箱分离等。3.4 直压式垃圾压缩机动作分解直压式垃圾压缩机半自动一键化操作采用功能块控制逻辑，使用 FUN、FB 模块，模块内不使用全局变量，半自动模式整套动作可分为四个部分，即机箱对接、压缩循环、物料打包与机箱分离。（1）机箱对接主要由四个机构完成，即

15、拉箱、锁箱、图 4 直压式垃圾压缩机控制逻辑 检测设备状态打开设备电源选择操作模式自动手动移箱平台左/右移机箱对接压缩循环物料打包移箱平台左/右移推拉机构拉箱锁紧机构锁箱推铲压缩垃圾中门机构下降强力压缩提门机构下降锁紧机构松箱推拉机构推箱移箱平台左/右移钩臂车钩箱机箱分离提门机构上升中门机构上升关闭自动封闭门转运垃圾钩臂车放箱 开始初始化硬件操作软件操作结束通讯初始化参数初始化DIAIDOPWM通讯.发动机控制功能2.功能3.。数据结构。参数保存及备份I/O配置。图 5 PLC 程序模块化框架66建设机械技术与管理 2023.04 产品结构箱门升与中门升，各动作完成均有接近开关判断，上一动作未

16、完成将无法进行下一动作，并提示报警，如图 6 所示；（2）压缩循环主要由压缩机压头往复压缩垃圾实现，保压时间可根据实际垃圾成分进行开放式设置，当压缩机推头在一定范围之内，压力达到压满报警压力时，结合料位检测数值，触发压满报警，提示垃圾箱已压满，如图 7 所示；（3）物料打包主要由压缩机推头与箱门升降共同配合完成，物料打包次数与压头运行位置根据垃圾成分可进行开放式设置，如图 8 所示；（4）机箱分离主要为将打包好垃圾与压缩机进行脱离，方便勾臂转运车将垃圾箱拖走，完成整个半自动过程，如图9 所示。全自动模式可实现一键化操作，当压缩机感应前方有垃圾箱时，自动进行机箱对接，采用上料机顶部料位检测传感器

17、判断料斗中垃圾量，自动启动上料机压头，将垃圾转运至压缩机料斗中，启动压缩机，完成压缩循环过程，根据压缩过程中压缩机位置与压力，结合料位传感器累计数据判断垃圾箱是否压满，当垃圾箱压满时自动进行物料打包，至机箱分离，完成整箱垃圾压缩过程。4 垃圾压缩机人机交互界面设计本文采用西门子 WINCC 组态软件对控制系统进行监测6，该软件因其强大的工业通讯协议得到广泛应用，如OPC、Modbus TCP 等。在使用过程中，可根据 PLC 类型与连接关系，设置相应通讯参数，同时将 PLC 内部定义参数列表映射至 WINCC 变量列表中；运行工程后，WINCC 会通过组态好的通讯，实时与 PLC 建立连接并进

18、行数据交互。除通讯协议外，WINCC 具有良好的图形编辑、脚本编辑、变量报警与变量归档功能，根据系统方案提供需求。如图 10 所示为直压式垃圾压缩机中控界面布置，系统交互功能如下：（1）监控界面设计：监控界面通过常规变色、目标闪烁和数字等方式监控各电气设备与工艺参数工况，同时采用WINCC 支持的 GDI 绘图与脚本编辑功能，实现设备 3D 实时动作，操作人员不仅可查看实时参数，亦可监控界面实际状态。可通过界面设置动作按钮操作设备，如启/停、自动、急停、自动或半自动动作功能等；（2）参数归档设计：采用 WINCC 变量归档功能，可实现对设备的各类参数进行定期归档，如系统启停时间、设备各部分反馈

19、状态、液压动力系统检测值、执行机构线圈通电状态等，方便随时查看系统运行情况；当系统发生故障时，可结合归档的数据，进行事故追忆；（3）生产报表输出：根据生产需求，系统将生产统计数据，按设定的规则进行数据保存，同时，在菜单栏中设定功能按钮，方便调用生产数据查看或打印；（4）参数设置：通过变量组态，将 PLC 中可修改的系统参数映射至变量列表中，根据实际生产需要，以管理级权限进入系统，并在上位机监控软件上进行实时运行参数修改，用于保证系统更高效运行；（5）报警功能：由于 WINCC 自带变量报警功能，并提供相应的显示插件，在主界面上设定报警提示框。当系统发生故障或系统参数异常时，根据相应报警权限进行

20、声光提示，并根据所设定的文本进行报警说明，操作人员根据报警提示采取相应措施，界面设置报警确认、清除指令，当报警清除时，系统将报警变量归档，方便查看；拉箱锁箱箱门升中门升机箱对接完成机箱对接开始拉箱到位锁箱到位箱门升到位中门升到位图 6 机箱对接逻辑顺序 压缩循环推铲前进保压卸荷推铲回退压缩循环完成开始前进到位保压结束卸荷结束回退到位图 7 压缩循环逻辑顺序 物料打包箱门升推铲推出保压卸荷推铲回退箱门降物料打包完成开始升到位推出到位结束结束回退到位箱门降到位是否动作重复设定次数图 8 物料打包逻辑顺序 机箱分离松箱推箱机箱分离完成开始松箱到位推箱到位图 9 机箱分离逻辑顺序2023.04 建设机

21、械技术与管理 67产品结构（6）用户权限：根据工控设计要求，系统必须设置不同管理权限，以满足监控与管理需求。WINCC 内置用户管理功能，可以实现权限的分配；一般设置工程师和操作员两类权限，明确操作与系统管理职责，防止误设定，误操作情况的发生。5 实际项目应用本文整套控制系统在实际项目中已得到应用，市场反馈良好。根据市场反馈与实际应用，该控制系统具有以下突出特点：（1）自动化程度高：该系统采用料位检测反馈系统，可实时反馈垃圾箱当前状态，一键化全自动操作，可实现垃圾站连续稳定运行，操作员仅需监视运行状态，不需频繁操作；且可实现自动清理、报警与故障诊断等多种功能，依据报警信息，将快速对故障进行处理

22、，使设备可以在安全稳定状态下运行；（2）节能环保：该系统采用伺服变量系统作为动力源7，可有效控制压缩机工作效率，例如快速上料、强力压缩与快速回退等，大大缩减工作时间，当压缩机处于待机或不同运动状态时，电机以不同状态运行，大大提高能源利用率；且该系统自带除尘除臭与自动清洗系统，保证工作人员可以在友好的环境中工作；该控制系统已广泛投入使用，取得了良好的效果；（3）安全可靠程度高：该系统采用各动作间互锁与自锁逻辑，触发安全隐患时，可立刻停机并提示故障，操作维修人员可根据提示，快速消除故障，对人身与设备安全具有重要意义。6 结 论本文主要从直压式垃圾压缩机设备组成与控制要求出发，简要介绍了垃圾压缩机智

23、能化控制系统设计，提出垃圾压缩机智能控制方案。针对不同操作模式，整套系统可在全自动、半自动、维修与调试等不同状态下运行，结合逻辑互锁关系，使垃圾压缩机安全稳定运行。垃圾压缩机人机交互界面与自诊断系统可更方便快捷的对系统进行实时监控和设备故障清查，料位检测系统与伺服动力系统的引入，对整个系统智能化水平和节能具有重要意义。该系统已在实际项目中得到应用，市场反馈良好。随着科技发展，智能化垃圾中转站将会得到更广泛的应用。参考文献1 赵宇裕.水平直压式垃圾转运站转运工艺设备配置设计J.给水排水，2018，54(07)：110-113.2 陈大力，牛文台.大型生活垃圾转运站压缩系统设计与实施 J.机床与液

24、压，2018，46(22)：127-130.3 秦怀强.基于PLC的移动式垃圾中转站的设计与实现J.机电工程技术，2019，48(01)：81-83.4 张怀宇，顾丹，李焜.基于 WinCC 的垃圾处理监控系统设计 J.自动化应用，2016(06)：69-70,84.5 周慧.水平预压式生活垃圾处理装备的基础理论与关键技术研究 D.武汉：武汉理工大学，2013.6 朱建军.基于 WinCC 的配料监控系统复杂报表的实现J.化工自动化及仪表，2013(12)：1553-1555,1564.7 刘芳贤.大型生活垃圾站压缩液压系统设计 J.建设机械技术与管理，2019，32(03)：33-37.收稿日期：2023-05-22作者简介：文振南，学士，工程师，主要从事垃圾站自动控制系统成套设备的设计研发工作。图 10 直压式垃圾压缩机中控界面