垃圾壓榨機液壓系統(tǒng)無線遠程控制研究

余億坤，申晟，薛艷，戴懷玉

(廣州寶力特液壓密封有限公司，廣東廣州 510000)

0 前言

2019年7月1日，隨著號稱“史上最嚴(yán)”的垃圾分類條例《上海市生活垃圾管理條例》出臺，垃圾分類和處理再次成為時下最熱議的話題。隨著我國城鎮(zhèn)化的飛速發(fā)展，城市逐漸繁榮壯大卻也帶來了種種弊端，如“垃圾圍城”等現(xiàn)象。為解決垃圾所引發(fā)的限制城市發(fā)展的問題，各地都加大了對垃圾綜合處理和回收利用的力度。根據(jù)2019 年我國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部的調(diào)查估計，我國城鎮(zhèn)居民每年產(chǎn)生的生活垃圾約215 210 000 t，其中有一半是濕垃圾。濕垃圾中可用于肥料的氮、磷、鉀元素至少有300×10t，蛋白質(zhì)等養(yǎng)分含量則相當(dāng)于50×10t飼料。更重要的是，其中所包含的有機碳含量能產(chǎn)生相當(dāng)于5 000×10t標(biāo)準(zhǔn)煤所釋放的能量。餐廚垃圾作為濕垃圾的重要組成部分，其主要特點是有機物含量豐富、含水量高、易腐爛，油脂含量更是遠遠高于其他垃圾，其氣味也會對環(huán)境造成惡劣影響，且易滋生病原微生物、霉菌毒素等有害物質(zhì)，具有顯著的環(huán)境危害和資源浪費二重性，不適合直接焚燒處理。餐廚垃圾的處理方法主要分為非生物處理和生物處理兩大類。生物處理主要有堆肥處理、厭氧消化、飼料化處理等。由于居民分類不徹底，餐廚垃圾含有一定量的雜質(zhì)，所以應(yīng)根據(jù)餐廚垃圾成分進行預(yù)處理去除雜質(zhì)。為解決上述問題，可利用大型液壓壓榨機，通過加壓至最高30 MPa的壓力擠壓廚余垃圾內(nèi)的有機物質(zhì)及水分并以漿料形式從垃圾中分離，實現(xiàn)廚余垃圾減量85%；分離后的濕垃圾組分運送至厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，厭氧發(fā)酵后轉(zhuǎn)化為沼氣；擠壓后的高熱值干組分作為可替代燃料，最大化地實現(xiàn)物料資源化利用?？紤]到現(xiàn)場工作環(huán)境因大量廚余垃圾易產(chǎn)生惡臭，為減少工作人員到現(xiàn)場操作和維護設(shè)備，本文作者通過簡單改造現(xiàn)場的垃圾壓榨機液壓系統(tǒng)設(shè)備，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控，方便運營方和設(shè)備提供方對設(shè)備進行無人值守式運作及維護，有效減少相關(guān)人員到現(xiàn)場工作的時長和降低工作強度，以及降低設(shè)備故障率和減少停機時間。

1 垃圾壓榨機液壓系統(tǒng)原理

1.1 垃圾壓榨機工作原理

此項目所采用的垃圾壓榨機執(zhí)行機構(gòu)由3條液壓缸組成，通過給3條油缸的有桿腔和無桿腔輸入相應(yīng)的液壓油，推動油缸直線運動完成對廚余垃圾的處理。其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 垃圾壓榨機結(jié)構(gòu)

3條油缸皆由泵站輸出的油液驅(qū)動。油缸1主要負責(zé)將廚余垃圾推送到油缸2和油缸3之間的空間中，隨后油缸2和油缸3通過差動快進快速將垃圾推至擠壓處，隨后以不超過30 MPa的高壓力工進擠壓廚余垃圾，完成對廚余垃圾的預(yù)處理。其主要動作如表1所示。

表1 油缸動作

1.2 垃圾壓榨機液壓原理

垃圾壓榨機的液壓系統(tǒng)主要由主泵裝置、冷卻循環(huán)裝置和油缸控制回路三部分組成。

此項目液壓系統(tǒng)由8個相同的主泵裝置向執(zhí)行元件油缸提供足夠的流量，圖2所示為一個主泵裝置的液壓原理。主泵裝置主要由電機2和變量泵3組成，主要將電能轉(zhuǎn)化為液壓能，為系統(tǒng)提供足夠的油液。蝶閥1是控制泵進油的開關(guān)，其開關(guān)可反饋；過濾器7為系統(tǒng)提供清潔的油液，可反饋堵塞電信號；電磁溢流閥8保證系統(tǒng)的最高壓力不會超過上限值，當(dāng)接收到信號會使系統(tǒng)卸荷；壓力傳感器6主要向控制器提供泵出口壓力信號。

圖2 主泵裝置液壓原理

油缸控制回路的原理如圖3所示，由于三號油缸和二號油缸原理相同，故省略了三號油缸的控制元件。油缸控制回路主要控制油缸的速度、位移和施加于廚余垃圾上的作用力。比例調(diào)速閥1主要控制進入油缸的流量，實現(xiàn)對油缸速度的控制；換向閥4主要是將外控壓力引入二通插裝閥2，控制其閥芯的啟閉，實現(xiàn)對油缸運動的差動快進、工進和后退等動作；比例溢流閥6主要控制油缸的腔內(nèi)壓力，控制作用于廚余垃圾上的作用力以及油缸末端的緩沖。油缸上都有位移傳感器7，能實時反饋油缸移動的速度，與比例調(diào)速閥1形成對油缸的閉環(huán)控制。而油缸有桿腔和無桿腔都配有壓力傳感器3，與比例溢流閥6形成壓力閉環(huán)，最終實現(xiàn)對油缸的壓力控制。

圖3 油缸控制回路原理

冷卻循環(huán)裝置的原理如圖4所示，該裝置主要由兩個循環(huán)泵3、過濾器11和冷卻器10組成。其主要作用是保持液壓系統(tǒng)油液具有良好的清潔度和溫度，防止液壓元件特別是比例閥出現(xiàn)故障及油液黏度下降導(dǎo)致壓力不穩(wěn)定。兩個循環(huán)泵3交替工作，保證系統(tǒng)一直進行冷卻循環(huán)。

圖4 冷卻循環(huán)回路原理

2 無線遠程控制系統(tǒng)的搭建

2.1 垃圾壓榨機液壓系統(tǒng)遠程控制系統(tǒng)方案

垃圾壓榨機液壓系統(tǒng)遠程控制系統(tǒng)搭建方案如圖5所示，考慮到客戶工藝性保密和經(jīng)濟性兩方面，采取最簡單的PLC中央控制外掛遠程控制模塊的模式。

圖5 遠程控制系統(tǒng)搭建方案

PLC控制器主要為S7-1500，能夠采集和控制系統(tǒng)的電機、各類電磁閥、比例閥和傳感器的數(shù)據(jù)。由于PLC控制器支持TCP/IP協(xié)議，利用分線器將觸摸屏和遠程控制模塊互相連接，實現(xiàn)現(xiàn)場近地和遠程控制同時進行。遠程控制模塊讀取PLC控制器中相對應(yīng)的地址并通過廠區(qū)中的WiFi傳入云空間，計算機端通過上網(wǎng)可以直接讀取存入云空間中的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。考慮到系統(tǒng)較為復(fù)雜，為更好地查看系統(tǒng)工作情況，采用上位機軟件，利用OPC協(xié)議讀取各項數(shù)據(jù)，形成人性化的監(jiān)控界面和各油缸的位移及速度曲線，實現(xiàn)遠程判定和診斷液壓系統(tǒng)故障。

2.2 遠程模塊編程

系統(tǒng)總框架如圖6所示，遠程模塊與PLC建立通信并采集數(shù)據(jù)并上傳至客戶端是實現(xiàn)無線遠程控制的關(guān)鍵。

圖6 系統(tǒng)編程思路

PLC控制器主要控制各類電磁閥、電機和比例閥的開度，同時接收來自壓力、溫度、位移傳感器以及過濾器的堵塞信號等，因此，讀取PLC的內(nèi)部數(shù)據(jù)即可知道液壓系統(tǒng)運行情況。

PLC中數(shù)據(jù)變量主要存放于相對應(yīng)的地址，因此可設(shè)置遠程模塊實時讀取PLC相關(guān)地址的數(shù)據(jù)變量。考慮到下游廠家程序的保密性，讀取的地址與工藝無關(guān)。同時遠程模塊中設(shè)置了密碼權(quán)限，只有輸入密碼后才有相關(guān)地址的讀寫權(quán)限。具體設(shè)置的部分變量和相關(guān)地址由圖7所示的遠程模塊編程界面所示。

圖7 遠程模塊編程界面

圖7中所設(shè)置的變量相對應(yīng)前面液壓原理所述的各項電子控制元件，例如電磁閥或傳感器等。通過設(shè)置相關(guān)數(shù)據(jù)類型可以如實反饋電子控制元件的運行情況，例如壓力傳感器選擇浮點數(shù)可顯示壓力數(shù)據(jù)。另外每一個變量最后可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)讀寫權(quán)限，例如壓力傳感器只是作為反饋壓力數(shù)值，所以只設(shè)置讀權(quán)限。設(shè)置完成后，配置與S7-1500相連的NET端口，最終完成遠程模塊對PLC變量的讀取。

3 液壓系統(tǒng)運行結(jié)果

將遠程模塊設(shè)置完后與PLC連接并隨設(shè)備發(fā)至現(xiàn)場后即準(zhǔn)備調(diào)試。圖8所示為垃圾壓榨機液壓系統(tǒng)現(xiàn)場，所有液壓元件的電纜將由線槽導(dǎo)入到機房中的電柜中與PLC連接。遠程模塊則在電柜中通過網(wǎng)線與PLC連接，完成無線遠程控制系統(tǒng)的硬件連接。在遠程客戶端計算機上啟動上位機軟件，啟動OPC服務(wù)后，通過網(wǎng)絡(luò)連接遠程模塊，就可將前面在遠程模塊中設(shè)置的變量導(dǎo)入到上位機軟件中，依據(jù)液壓系統(tǒng)中各電子元件的變量，用畫面編輯器編輯人性化的可視化界面。主界面如圖9所示，畫面中下方主要記錄了8個主泵、2個先導(dǎo)泵和2個循環(huán)泵以及上下兩端所對應(yīng)的蝶閥、電磁溢流閥和過濾器的工作狀態(tài)，當(dāng)顯示為綠色時，即元件正在正常運行或閥處于開啟狀態(tài)，紅色則為停止工作或閥關(guān)閉。主泵和先導(dǎo)泵出口處配有壓力傳感器，所以畫面中可實時顯示泵出口的壓力值以判定主泵和先導(dǎo)泵是否有故障。在主界面上方主要為3個油缸按實際位置擺放，當(dāng)現(xiàn)場油缸運動時，根據(jù)位移傳感器的反饋數(shù)據(jù)，油缸活塞移動到相應(yīng)的位置，在油缸旁邊顯示油缸活塞的位移和速度，同時與油缸移動速度和壓力相關(guān)的比例閥將會根據(jù)實際情況顯示開啟和閥芯開度。油缸有桿腔和無桿腔的壓力將會實時顯示，方便判斷廚余垃圾的壓縮壓力大小。在右上方有料位高度，方便監(jiān)控料倉中垃圾是否會溢出。為便于下游廠商統(tǒng)計工作周期以及判定液壓系統(tǒng)是否工作正常，設(shè)置統(tǒng)計工作周期的時間窗口。當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備安裝好運行時，該界面如實反饋液壓系統(tǒng)的運行情況。同時在上位機軟件中，還設(shè)置了數(shù)據(jù)歸檔、報警記錄、參數(shù)設(shè)定和3個油缸的速度位移曲線，以便更好地對現(xiàn)場設(shè)備運行情況和故障進行診斷。

圖8 垃圾壓榨機液壓設(shè)備現(xiàn)場

圖9 垃圾壓榨機液壓遠程監(jiān)控主界面

4 結(jié)論

本文作者介紹了一種能夠無線遠程控制的垃圾壓榨機液壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)只需簡單加裝一個無線遠程通信模塊，就能夠?qū)F(xiàn)場設(shè)備的運行數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)云平臺，客戶終端通過上位機軟件將數(shù)據(jù)讀入設(shè)定的監(jiān)控界面，就能實現(xiàn)無線遠程監(jiān)控控制位于現(xiàn)場的垃圾壓榨機液壓系統(tǒng)，保證垃圾壓榨機的正常運行。該系統(tǒng)能夠有效克服垃圾壓榨機現(xiàn)場環(huán)境惡劣,不利于工作人員在現(xiàn)場對設(shè)備進行維護和操作等問題。同時，利用該方法也能夠通過互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合監(jiān)控界面和數(shù)據(jù)歸檔快速判定故障，大大減少設(shè)備的停機時間，提高垃圾處理的效率，增加企業(yè)效益。