顏仁喆 王進(jìn)鈺

摘要：移動(dòng)式壓縮站具有隨車移動(dòng)的工況特性，其內(nèi)部搭設(shè)的動(dòng)力單元控制系統(tǒng)應(yīng)該趨近于環(huán)衛(wèi)車主流嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但目前市面上壓縮站動(dòng)力單元控制系統(tǒng)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(yīng)車載環(huán)境。針對(duì)該問題，提出了一種基于嵌入式控制器的動(dòng)力單元控制系統(tǒng)，為該類產(chǎn)品系統(tǒng)開發(fā)提供了新思路。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力單元；車載環(huán)境；嵌入式控制器

中圖分類號(hào)：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(chǎn)量也日益增多，大量的城市生活垃圾如何實(shí)現(xiàn)高效收集轉(zhuǎn)運(yùn)備受環(huán)衛(wèi)行業(yè)關(guān)注。為減少散裝垃圾單次運(yùn)距以及長(zhǎng)距離運(yùn)輸次數(shù)，一種自帶壓縮功能的移動(dòng)式垃圾壓縮站被市場(chǎng)廣泛應(yīng)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(dòng)力單元總成，但是在控制系統(tǒng)開發(fā)方面還是沿用了工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)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(shí)現(xiàn)觸摸屏端的控制以及參數(shù)讀取[1]。

雖然壓縮站進(jìn)行壓縮填裝作業(yè)時(shí)處于靜止?fàn)顟B(tài)，但工業(yè)PLC驅(qū)動(dòng)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(hù)等級(jí)不高，使其在設(shè)備整體運(yùn)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(jīng)濟(jì)性，往往在保證開關(guān)量恰好滿足的情況下模擬量采集點(diǎn)會(huì)明顯不足，最終使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建龐大且繁瑣，不適應(yīng)運(yùn)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(tǒng)工業(yè)PLC，在最大化減少硬件配置的情況下提升產(chǎn)品的操控性能。

2 控制需求分析

移動(dòng)式壓縮站所需要控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為壓縮機(jī)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(jìn)行開關(guān)量控制的部件為油泵電動(dòng)機(jī)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(hào)及1路模擬量油壓信號(hào)。當(dāng)執(zhí)行推頭工作時(shí)，S3不得電，液壓油進(jìn)入到推頭工作回路，當(dāng)S2得電，S1不得電時(shí)，推頭油缸無桿腔進(jìn)油，有桿腔回油，實(shí)現(xiàn)推頭慢速推出；當(dāng)S1、S2都得電時(shí)，推頭油缸有桿腔回油通過S1返回到無桿腔形成差動(dòng)回路，實(shí)現(xiàn)推頭推出；當(dāng)S1、S2都不得電，推頭油缸有桿腔進(jìn)油，無桿腔回油，實(shí)現(xiàn)推頭收回。當(dāng)S3得電時(shí)，液壓油進(jìn)入到翻斗工作回路，此時(shí)當(dāng)S4不得電時(shí)，翻斗油缸無桿腔進(jìn)油，有桿腔回油，實(shí)現(xiàn)翻斗舉升；當(dāng)S4得電時(shí)，翻斗油缸有桿腔進(jìn)油，無桿腔回油，實(shí)現(xiàn)翻斗下落。油壓模擬量需被控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集，作為控制推頭進(jìn)退循環(huán)工作的動(dòng)作節(jié)點(diǎn)信號(hào)依據(jù)，油溫模擬量的采集使控制系統(tǒng)按照約定時(shí)機(jī)打開散熱器，保證節(jié)能、可靠運(yùn)行[2]。

3 電氣原理設(shè)計(jì)

本次選用基于Cortex-M架構(gòu)的嵌入式控制器支持設(shè)計(jì)所需的開關(guān)量控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算以及網(wǎng)絡(luò)通信。該控制器具有16路數(shù)字量輸出、8路高電平有效數(shù)字量輸入、2路低電平有效數(shù)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(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、防護(hù)等級(jí)高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。由于控制器未設(shè)置單獨(dú)的模擬量輸入點(diǎn)，選用一種支持CAN總線通信的模擬量采集單元采集系統(tǒng)所需的模擬量輸入[3]，通過CAN通信發(fā)送數(shù)據(jù)至控制器，如圖2所示，數(shù)字量輸出接口D0可直接驅(qū)動(dòng)主回路的電動(dòng)機(jī)接觸器KA0，與散熱器接觸器KA1、負(fù)載端電磁閥S1～S4以及報(bào)警蜂鳴器，數(shù)字量輸入DI接收手持遙控裝置送入的一鍵壓縮啟停信號(hào)、料斗舉升下降信號(hào)，接收來自自復(fù)位按鍵的脈沖信號(hào)會(huì)在程序中進(jìn)行處理，滿足相應(yīng)工作需求。除保證系統(tǒng)主回路電源外接時(shí)輸入相序與油泵電機(jī)運(yùn)行需求相序不一致，還需采集1路相序保護(hù)器保護(hù)信號(hào)供控制器進(jìn)行處理。

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

基于硬件底層特性，本次主邏輯設(shè)計(jì)選用ARM公司的Keil uVision4設(shè)計(jì)平臺(tái)，人機(jī)界面設(shè)計(jì)選用迪文公司的DWIN設(shè)計(jì)平臺(tái)。

4.1 主邏輯設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)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(jìn)退壓縮。因此執(zhí)行壓縮過程中，需要系統(tǒng)識(shí)別推頭運(yùn)行方向及換向節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)采集了1路油壓模擬量。根據(jù)溢流閥工作原理，當(dāng)液壓機(jī)構(gòu)執(zhí)行到最大或最小行程，此時(shí)油壓到達(dá)設(shè)定系統(tǒng)溢流壓力且保持，根據(jù)掃描到當(dāng)前輸出到電磁閥的電平信號(hào)可判定推頭到達(dá)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(tǒng)壓力波動(dòng)，就需要開發(fā)者設(shè)置一個(gè)用戶可調(diào)的壓力閾值，但是單純以壓力閾值作為換向條件也會(huì)存在一個(gè)問題，就是不論推頭執(zhí)行推出還是退回到極限位置都會(huì)激活相同的壓力閾值到達(dá)條件。因此在編寫程序時(shí)需要調(diào)用一個(gè)上升沿并配合循環(huán)計(jì)數(shù)來鎖定準(zhǔn)確的運(yùn)行狀態(tài)，如圖3所示。每到達(dá)一次設(shè)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(shí)，開啟循環(huán)壓縮作業(yè)推頭執(zhí)行推出，到達(dá)壓力閾值時(shí)count5值為1，此時(shí)執(zhí)行推頭回退，同理當(dāng)count5值為2時(shí)，定義系統(tǒng)狀態(tài)為推頭回退到極限位并賦值0，系統(tǒng)在壓縮周期內(nèi)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(jù)傳感器線性特性，符合圖4特性曲線。

根據(jù)曲線特性，并結(jié)合傳感器輸出及量程參數(shù)，計(jì)算得傳感器的輸出電壓與實(shí)際測(cè)量反應(yīng)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(huì)以CAN報(bào)文發(fā)出，并根據(jù)實(shí)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(diào)試過程中實(shí)采到0、1字節(jié)的數(shù)據(jù)為7B45，十進(jìn)制處理后數(shù)值為31 557，其中3表示電壓值保留小數(shù)點(diǎn)后三位，因此實(shí)際采集電壓為1.557 V，由式（1）關(guān)系，得出采集實(shí)際油壓P應(yīng)為：{{[（int）（CAN1_RBuf[1]+CAN1_RBuf[0]*256）]-30 000}/1000-1}/0.1，經(jīng)此處理后，可直接在人機(jī)界面采集P值即為真實(shí)油壓數(shù)值。

4.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面的設(shè)計(jì)要保證友好、簡(jiǎn)潔，并能夠體現(xiàn)關(guān)鍵信息，如圖5所示，主界面劃分兩個(gè)區(qū)域，左側(cè)區(qū)域主要體現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，可以顯示設(shè)定的總壓縮次數(shù)以及當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)際壓縮次數(shù)、系統(tǒng)油壓、系統(tǒng)油溫以及當(dāng)前系統(tǒng)執(zhí)行的動(dòng)作狀態(tài)；右側(cè)區(qū)域主要顯示了系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的故障警告以及系統(tǒng)實(shí)際輸出點(diǎn)的電平狀態(tài)，可以幫助客戶進(jìn)行高效故障自查，比如當(dāng)系統(tǒng)未按需求指令執(zhí)行時(shí)，可根據(jù)界面顯示狀態(tài)判斷是由于程序設(shè)置保護(hù)邏輯無法實(shí)際執(zhí)行輸出，還是已真實(shí)執(zhí)行了輸出需要檢查硬件故障[4]。

系統(tǒng)循環(huán)壓縮主要是以油壓閾值到達(dá)作為動(dòng)作切換節(jié)點(diǎn)，但是考慮到油壓傳感器可能會(huì)因使用過程中損壞或者精度下滑導(dǎo)致循環(huán)壓縮功能異常，因此在設(shè)計(jì)時(shí)將單步動(dòng)作時(shí)間以及閾值設(shè)置為冗余條件，并在人機(jī)界面中設(shè)置為用戶可調(diào)，從而可以保證在系統(tǒng)出現(xiàn)局部異常的情況下，用戶依舊能夠通過簡(jiǎn)單設(shè)定使其恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

系統(tǒng)判定何時(shí)料倉垃圾壓實(shí)是軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。剛開始填裝垃圾時(shí)，由于推頭背壓很小，系統(tǒng)壓力大致在6～8 MPa區(qū)間。當(dāng)循環(huán)推進(jìn)垃圾至料倉滿倉時(shí)，此時(shí)為虛裝滿倉，實(shí)際上與真正壓實(shí)存在一定差距。但隨著虛裝飽和，推頭推進(jìn)時(shí)的背壓逐漸升高，系統(tǒng)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(shù)界面設(shè)置換向壓力閾值，用戶可根據(jù)實(shí)際虛裝滿倉的系統(tǒng)壓力調(diào)定。到達(dá)飽和壓力閾值時(shí)，就開始進(jìn)入真正的壓實(shí)過程，隨之主界面顯示壓實(shí)度，每次以10%步距增長(zhǎng)，到達(dá)100%時(shí)則判定料倉垃圾壓實(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)并提示滿箱警告。

5 系統(tǒng)調(diào)試與改進(jìn)

在現(xiàn)場(chǎng)搭載系統(tǒng)并執(zhí)行壓縮循環(huán)作業(yè)時(shí)，當(dāng)實(shí)際壓縮次數(shù)到達(dá)設(shè)定壓縮次數(shù)時(shí)，或者當(dāng)推頭執(zhí)行推出且很快到達(dá)閾值壓力時(shí)，可判定垃圾已經(jīng)壓滿。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)推頭推出動(dòng)作剛啟動(dòng)時(shí)，界面提示滿箱警告，分析發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件會(huì)因慣性卡滯導(dǎo)致系統(tǒng)壓力瞬時(shí)達(dá)到閾值壓力且激發(fā)滿箱報(bào)警。在滿箱判定條件中，推頭推出時(shí)間比較值不能太大，這會(huì)造成上述報(bào)警誤判，將該比較值調(diào)整到2 s時(shí)可消除報(bào)警誤判。

料斗提升裝置提示時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)S3得電時(shí)會(huì)切斷推頭工作油路，此時(shí)推頭可能處于任意位置，導(dǎo)致垃圾不能準(zhǔn)確翻入壓縮機(jī)儲(chǔ)料空間，甚至是會(huì)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(jié)構(gòu)件損傷風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)料斗舉升允許進(jìn)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(shí)，壓縮機(jī)儲(chǔ)料空間完全打開。

6 結(jié)語

通過需求分析與設(shè)計(jì)，完成了一種基于嵌入式系統(tǒng)的壓縮站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，樣機(jī)機(jī)柜簡(jiǎn)潔且規(guī)整，除嵌入式控制器和相關(guān)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(tǒng)復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)調(diào)試后不斷加以優(yōu)化改進(jìn)，使其能夠根據(jù)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(shù)微調(diào)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境最優(yōu)化配置，滿足不同區(qū)域和使用場(chǎng)景下客戶的需求。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

顏仁喆，男，1988年生，工程師，研究方向?yàn)閷Ｓ闷嚿涎b電控系統(tǒng)開發(fā)。