范文 基于PLC的垃圾压缩装置设计.docx

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范文基于PLC的垃圾压缩装置设计

1引言

环境和发展是我们现在目前面临的两大重要课题，城市化进程的不断发展，使得我们的城市中产生的工业废弃物和生活垃圾也越来越多。

垃圾是城市发展的附属物，随着城市的不断发展和城市人口的不断增长，全国各大城市每天都在不停的运转中，每年产生了上亿吨的垃圾。

一边是不断增长的城市生活垃圾，一边是无法忍受的垃圾恶臭，这些成为城市垃圾处理中的棘手问题。

高速发展中的中国各大城市，特别是沿海经济发达城市，随着城市的不断扩张，人口的不断增加，垃圾处理成为了城市发展的一大难题，目前大多数城市正在遭遇着“垃圾围城”的痛苦。

城市垃圾所带来的环境污染和资源浪费，成为了可持续发展的重大阻碍，也成为了经济发展和社会进步的绊脚石。

国家环保部发布的《2014年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报》显示，2013年，全国大、中城市的生活垃圾产生总量达到了16148.81万吨，通过各种方式得以处理量为15730.65万吨。

260多个大、中型城市中，上海市的生活垃圾产生量最大，达到了736万吨，其次北京市的垃圾产生量是671.69万吨、深圳市的垃圾产生量是521.69万吨、重庆市的垃圾产生量是452.5万吨、成都市的垃圾产生量是398.3万吨。

我们按北京市每天产生的垃圾量1.84万吨来计算，假设用额定载重量为2.5吨的卡车来运的话，卡车长度排起来要接近50公里，能够排满北京市三环路一圈，况且现在北京每年的垃圾量还再以8%的速度增长；上海市每天生活垃圾清运量高达2万吨，每16天的生活垃圾就可以堆出一幢金茂大厦；广州市每天生活垃圾的产生量也是高达1.8万吨。

再次背景下，本文主要基于PLC技术设计了一个垃圾压缩处理装置，对分类垃圾进行压缩处理，提高垃圾处理的效率，环节城市垃圾处理困难的程度。

2基于PLC的垃圾压缩装置的总体设计

2.1垃圾压缩站结构组成

垃圾压缩站是当前应用比较多的一种垃圾压缩设备，也是日处理垃圾量较高的一种，同时也是问题出现较为频繁的一类产品。

垃圾压缩站主要用来压缩生活垃圾，将垃圾中的水、空气等挤出，使垃圾集装箱的空间得到充分利用，而且垃圾集装箱的密封箱比较好，这样既能减少转运次数、降低运输成本，还能保证垃圾在运输过程中不会随意飘散，导致二次污染问题，常常与可自动装卸的大型垃圾运输车辆配套使用。

垃圾压缩站能够很好的解决垃圾处理过程中的许多难题，己经成为垃圾中转站中不可或缺的设备之一。

整套设备主要由自动移机机构、垃圾集装箱、推拉箱机构、闸门提升机构、抱爪机构、料斗（上料斗、下料斗）、垃圾压缩机构、垃圾举升机构、液压控制系统、电气控制系统等组成。

整机三维模型如图2-1所示。

1.垃圾集装箱2.闸门提升机构3.下料斗4.上料斗

5.抱爪机构6.推拉箱机构7.垃圾压缩机构8.垃圾举升机构

图2-1整机三维模型

2.1.1垃圾压缩机构

如图2-2所示，垃圾压缩机构主要由推压头、压缩箱、推压液压缸组成，工作时液压缸水平伸缩完成进料和对垃圾的压缩。

推压头与压缩箱体的内部直接接触，在推压头根部装有导轨，这样使得推压头和箱体的缝隙很小，可以防止推压头在运动过程中垃圾进入推压头的后面；除此之外，还采用位移传感器控制推压头的运动，全程监控推压头的位置。

垃圾压缩机构中主要结构件采用高强度钢板焊接而成，耐磨性能高、耐腐蚀性能好，有效保证设备的使用寿命。

压缩箱体的容积为2.6m3，压缩循环时间38s，单机处理能力达100-150t/d；推压头的尺寸为1900×700mm，推力最大可达440kN。

推压头的行程可达2109mm，而且液压缸全伸时能使推压头进入垃圾箱内部达500mm，即使垃圾回弹，也能保证垃圾不会溢出垃圾箱。

压缩主机与垃圾箱对接后，通过抱爪机构抱紧垃圾箱，在压缩箱体的接口处装有密封圈，使得垃圾箱与压缩箱体处于密封状态，有效的避免了垃圾、污水等漏出；压缩机构的后部装有污水排放装置，将压缩时渗出的污水排放到特定的污水池中。

液压缸的缸体上安装有支撑装置，保证液压缸的稳定性。

图2-2垃圾压缩机构三维模型

2.1.2闸门提升机构

闸门提升机构安装在压缩主机上，其主要作用就是在垃圾压缩前将闸门提升到设定位置；当垃圾压缩完成以后，将闸门落下斩断垃圾箱与压缩主机之间的垃圾。

闸门提升、下降动作可自动完成也可手动操作，且提升机构装有速度调节装置来控制提升速度。

闸门提升机构三维模型如图2-3所示。

图2-3闸门提升机构三维模型

闸门提升机构的上下运动通过液压缸控制，闸门运动的上中下位置由接近开关控制。

如果闸门关闭时没有达到设定位置，则会重新启动压缩系统压缩垃圾，直至将垃圾完全压入垃圾箱内，使闸门完全落下。

除此之外，闸门的下侧有铡刀，闸门关闭时可以切断散落在门上的垃圾。

2.1.3液压抱爪机构

液压抱爪机构由液压缸安装座、液压缸、抱爪导轨和抱爪组成，通过液压缸的伸缩来实现抱爪机构的前后运动，在液压缸伸缩的同时，借助导轨使抱爪绕铰点旋转实现抱爪纵向的运动。

液压缸可以自动完成伸缩也可以通过手动进行控制。

三维模型如图2-4所示。

图2-4液压抱爪机构三维模型

2.1.4推拉箱机构

推拉箱机构安装在压缩机构的压缩箱底部。

三维模型如图2-5所示，推拉箱机构采用大小两根油缸驱动，实现推拉箱的全自动运动。

大液压缸控制前端钩子的前后运动，行程可达800mm，小液压缸控制钩子绕销轴旋转，使推拉箱机构可以准确的勾住垃圾箱。

液压缸安装座的安装位置也可以进行调整，大大增加了推拉箱的工作距离。

图2-5推拉箱机构三维模型

2.1.5垃圾举升机构

垃圾举升机构安装在压缩机构的压缩箱上，主要结构由机架、举升臂、液压缸、连杆、料斗五部分组成。

初始状态如图2-6所示，料斗保持水平。

举升机构利用两根油缸控制料斗的升降，机构上端装有缓冲垫，能够缓解料斗达到最后位置时产生的震动，保护举升机构结构件。

液压缸的行程为895mm，保证液压缸全伸时料斗内的垃圾可以全部进入下料斗内。

上料循环时间为40so

图2-6垃圾举升机构三维模型

2.2垃圾压缩站的工艺流程

垃圾压缩站工作时主要包括以下几个典型工况:

垃圾压缩箱与垃圾集装箱通过推拉箱机构对接、抱爪机构抱紧集装箱、闸门提升机构提升垃圾箱体闸门、垃圾举升机构将松散的垃圾导入到压缩箱内、液压缸推动推压头对垃圾进行压缩、达到设定压力时推压头进行保压、推压头退回、重复垃圾压缩过程、垃圾箱装满后落下闸门、转运车将垃圾箱运至垃圾处理厂。

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）当装满一个垃圾箱后，可以通过移机机构将压缩站移动至下一个空箱放置处进行对接，重复以上过程，减少转运车的等待时间。

典型工况的具体工作流程如下所述:

2.2.1主机与空箱对接

垃圾转运车辆进入垃圾中转站后将空垃圾箱放在固定的轨道上面，通过移机机构将垃圾压缩站移动到合适的位置，与垃圾箱进行对接。

对接时，控制推拉箱机构将空垃圾箱拉到设定位置，抱爪机构抱紧垃圾箱。

然后，闸门提升机构将闸门提起，为垃圾的压缩过程做好准备。

这几个机构之间的配合，保证了垃圾压缩站的高效运作。

2.2.2垃圾的倾倒

垃圾收集车进入中转站后，收集车驶向靠近作业车间垃圾进料口一侧的门，对准提料斗慢慢停稳，当车辆停稳后，开始向提料斗内卸料。

提料斗作为一个大容量的垃圾投料装置，通过举升机构将提料斗中的垃圾连续不断地倒入下料斗，下料斗正对着压缩箱体的入口，垃圾持续不断的经过下料斗进入压缩箱体内。

这样使得压缩机构可以连续作业，进一步提高了压缩站的工作效率，也确保了转运车的高效率运作。

2.2.3举升机构投料

垃圾收集车将垃圾倾倒在料斗中后，举升机构将料斗中的垃圾投入到下料斗内，然后将上料斗平稳的回到初始位置，垃圾收集车再次将垃圾导入料斗内，重复以上过程。

2.2.4垃圾压缩

垃圾倒入压缩箱之后，启动压缩程序。

压缩机构中的液压缸开始伸长，推动推压头将垃圾推入垃圾箱内，重复此过程直至压缩箱内没有垃圾。

当垃圾箱体内没有垃圾时，压缩机构会自动停止工作，等待垃圾的再次倒入。

压缩过程由计算机控制可以根据压缩机构中垃圾的数量和推压板的受力自动选择工作方式。

这样既能保证垃圾压缩的均匀性，也能保证设备在许用压力范围内工作，延长设备的使用寿命。

2.2.5满箱前的压缩

在垃圾箱没有填满垃圾之前，推压头的作用只是把垃圾从压缩箱内推入垃圾箱内，这个过程推压头几乎不受力，只有当垃圾箱快填满的时候，推压头的压力才开始增大。

随着推压头受力的增加，压力传感器将信号传到计算机中，计算机控制推压头每次压缩后退的距离，压力越大后退距离越小，使垃圾的进给量也越来越少，直至垃圾箱内填满垃圾，推压头的压力达到设定值，进入垃圾压缩最终阶段。

这样就避免了最后几次压缩过程垃圾进给量过多，导致垃圾不能被完全压入垃圾箱内的情况出现。

2.2.6压缩最终阶段

当推压头的压力达到设定的值后进入到压缩最终阶段，计算机会自动启动最终压缩程序，控制液压系统增加系统压强，进一步提高推压头的压力。

此时推压头的运动规律也发生了变化，最后几次压缩的运动规律如下:

①推压头运动到与压缩箱体口平齐的位置处;②推压头缓慢的向前运动直至液压缸全伸或者推压头的压力达到系统的最大压力，保持该状态一段时间以后开始向后运动;③推压头向后运动的同时，闸门提升机构将闸门落下至推压头的上侧，避免推压头带出垃圾;④推压头回到与压缩箱体口平齐位置处;⑤闸门落下切断遗留在垃圾箱口处的垃圾，自动检测闸门下落位置，若没有达到设定位置，则重复以上过程;⑥抱爪机构打开，推拉箱机构将垃圾箱与压缩箱体分开。

最终阶段的压缩，成功的解决了垃圾容易在垃圾箱后门上残留的难题，同时也保证推压机构在设定压力范围内工作。

3基于PLC的垃圾压缩装置的控制系统设计

在一些小型、简单电气控制电路中，PLC控制直接、方便、易达到控制要求、元器件便宜，且电气工程师很容易掌握，在控制要求不复杂的情况下，使用简单电气控制在工业和企业的生活控制中一直占领大半市场。

但是，随着工业化程序越来越高，欧洲工业革命的深入，世界经济的的不断发展进步，控制要求越来越高、控制精度越来越高、设备要求反应速度越来越快、人们对工作环境的要求越来越好，电气工程师们不愿意长时间在机器旁边，车间等环境下长时间的进行接线、检修等。

一旦控制要求增加，继电器电气控制系统就有了明显的缺点:

控制电路接线会增加很多，设备内线路会很复杂，线路与线路间容易磨损和混乱，继电器数量增加影响控制速度，线路过多无法检修或检修困难、很多计数、计时类的功能无法实现或实现的精度不高，难于对复杂电路进行控制设计，特别是具有数据处理或多信号相互处理的控制。

它是靠硬件接线逻辑构成的控制系统，在大型或较复杂的控制电路中接线困难，当其中有触点老化、断路、线路更换或更改控制时对电路检修非常困难;在整个生产工艺或控制对象需要改变时，原有的接线和控制修改成本很高，所以大多直接更换一套控制系统，成本较高、通用性差、不可重复使用。

3.1PLC总体控制方案

本课题设计选用三菱FX2N系列PLC，型号为FX2N1616MT。

其性能指标如下:

（1）输入输出点个数（工/0点数）:

指如图2-1所示，此PLC拥有16个输入点和平共处6个输出点，采用的是晶体管输出型，上排接口点为可编程序控制器外部输入端子、下排接口点为驱动输出端子。

有多少个输入端子表示可以接多少个开关、按钮，有多少个输出端子表示可以控制多少个负载;一般情况下输入点与输出点数量相同。

（2）尺寸重量:

PLC本身尺寸小，重量轻，便于安装和携带，此PLC除去外围设备长、宽、高分别为16-8-8cm;重不足一千克。

（3）扫描速度:

指PLC在执行程序阶段对控制程序的扫描速度，一般用以每1000指令时间来计算，此类型PLC扫描速度在几百微秒每千步，也有按每条指令来计算扫描速度为每步0.08微秒。

（4）接口扩展及功能扩展能力:

可编程序控制器除了主模块M之外，通常都可配备一些可扩展模块，如图2-1右边端口是用来扩展用的，在需要更多控制输入或负载输出时扩展接口电路。

功能扩展用来适应各种特殊应用的需要，如数/模D/A模块、模/数A/D模块、限位控制模块、语音控制模块和识别类的控制模块等。

（5）编程指令系统:

指令系统是否强大主要看其功能指令的开发是否够多，它是指一台可编程序控制器基本指令和功能指令的总和，它也是衡量可编程序控制器控制功能强大与否的重要指标。

图3-1可编程控制器（PLC）FX2N-48MR-D

本文主要选择FX2N-48MR-D型号的PLC作为垃圾压缩装置的核心控制器。

该型号的PLC的实物图如上图所示。

该PLC的工作方式为可编程控制器采用周期性的工作方式，每个周期含有若干阶段，分别包括诊断阶段、联机通讯阶段、输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。

1.可编程控制器工作方式

PLC采用串行工作模式（循环扫描方式工作），在接通电源后PWR（电源）指示灯亮，表示电源接通。

接通电源后程序编缉器或编程计算机可将己设计的程序写入PLC内，也可以将PLC内原有的程序读出，方便修改和检查。

将PLC左侧开关向上拨动，PLC从停止状态进入运行状态，这时PLC对存储器内的最新程序进行扫描执行，从第一条指令开始扫描，按程序的顺序号逐一执行程序，直到程序结束后又返回第一条程序开始扫描，并一直循环的重复运行。

在遇见中断或跳转指令时中止程序或跳转到指定程序扫描。

在开机状态下进行自行内部处理，再自行进行输入输出口的通迅检查并确定是否处于运行模式，若不是处于运行模式则从新开机检查;若正常则开始扫描此时与PLC所有的输入点信号并将输入信号存入内部存储器，然后进行程序扫描执行，最后根据输入信号和程序处理将结果送到输出处理，一次执行过程结束，也称为一个周期。

一个工作周期时间长短与输入输出继电器的反应时间有关，也与程序本身长度和PLC的扫描速度有关。

2.可编程控制器的程序执行电气控制系统采用的是并行工作方式，一但线路接通后执行电路，可能会有多条支路和多个输出设备同时工作，必须处理好相互间的连锁关系。

而PLC程序执行是一个串行工作方式，按梯形图先后顺序自左到右，自上而下执行，并循环扫描，不存在多条支路同时工作的情况。

这样可以在设计梯形图时减少很多连锁考虑，使设计简单明了而且条理清晰。

3.PLC的扫描周期

PLC一个扫描周期包括:

在PLC在工作时首先要对每个输入点信号提取，执行和扫描程序，通信处理时间，自我诊断时间，输出执行反应时间和与外设通信的响应时间。

PLC控制系统的设计，关键是设计人员对实际控制对象的理解和分析，只有在正确理解实际问题的基础上，经过论证，才能够提出正确合理的设计方案。

在本文的控制系统中，已经明确实际的控制对象就是垃圾压块机，因此在进行设计之前，进行了一系列的调查研究，收集资料，对该被控制对象的所有功能和各种情况都作了详细的了解，如:

对象的全部动作及动作时序、动作条件;电气系统与机械、液压等系统之间的关系，是否组成网络，以及紧急事故的处理等情况。

经过分析，制定了控制方案如下.1.垃圾压块机需要完成机体位置调整、传输动作、压缩作业、闸门升降、推出动作等功能，综合考虑启动、控制方式选择、运行状态指示等，将系统分成系统初始化、传输动作、位置调整、压缩工作、一键操作、闸门升降及推出动作等七个功能模块。

2.本系统需要控制电机、油泵、压缩机等大功率器件，因此对电器承载能力的要求很高，此外本系统并没有仪表输出，因此输出频率要求不需太高，从而选取继电器输出型PLC来控制。

3.2基于PLC的压缩流程设计

根据垃圾压缩站PLC控制程序的基本任务和需实现的功能需求，并结合项目实际情况，设计了垃圾压缩站的控制系统一PLC控制程序主流程，如图3.3所示。

图3-1基于PLC的垃圾压缩装置控制流程

结论

随着我国国民经济的快速增长、城市化建设的不断推进、城市生活垃圾产生量的不断增长，城市生活垃圾处置的问题日益突出，“垃圾围城”问题，已经成为各大城市的通病，也成为城市建设者和管理者共同关注的焦点。

实现城市垃圾处置的循环经济系统，将是推动城市建设、实现美丽中国的重要组成部分，也是我国推经可持续发展、生态文明建设的重要工作。

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）本文主要基于PLC设计了一个了垃圾压缩装置，试图对城市生活垃圾进行分类化、减量化处理，从而提高城市垃圾处理的效率。