摘 要
垃圾车自动收集装置在生活中应用比较常见,主要将社区或街道的垃圾箱通过一系列的流程,将垃圾倒入垃圾车 。按照垃圾车的工作流程，首先回原点，然后右移、伸出、夹紧、上翻、下翻、放松、缩回、左移到原点。按照此流程进行垃圾车的自动收集装置设计。通过对垃圾车自动收集装置的原理分析、动作流程设计和一系列的软硬件设计，达到垃圾车自动收集装置自动化控制的目的。系统采用可编程控制器作为垃圾车自动收集装置控制系统的控制单元，实现该系统的工艺要求，通过仿真调试，完成系统的各种动作要求，达到自动控制的目的。系统设计分为总体设计、硬件设计以及软件设计。系统设计明确了工艺要求，确定了控制方案，设计了硬件和软件，通过系统调试及组态王模拟仿真，达到了该系统的各种功能实现。
关键词：垃圾车自动收集装置；可编程控制器；梯形图；组态王
Automatic collection device of garbage truck based on PLC control system design
ABSTRACT
Garbage truck automatic collection device is commonly used in life. It mainly dumps garbage into garbage truck through a series of processes in community or street. According to the working process of garbage truck, first return to the origin, then move right, extend, clamp, turn up, turn down, relax, retract, move left to the origin. According to this process, the automatic collection device of garbage truck is designed. Through the principle analysis, action flow design and a series of software and hardware design of the garbage truck automatic collection device, the purpose of automatic control of the garbage truck automatic collection device is achieved. The system uses the programmable controller as the control unit of the garbage truck automatic collection device control system, to achieve the process requirements of the system, through simulation and debugging, to complete the various action requirements of the system, to achieve the purpose of automatic control. The system design is divided into general design, hardware design and software design. The system design defines the process requirements, determines the control scheme, designs the hardware and software, and achieves various functions of the system through system debugging and Kingview simulation.
Keywords: garbage truck automatic collection device; PLC; ladder diagram; Kingview
目 录
摘 要 1
ABSTRACT 2
第1章 绪论 4
1.1 课题研究的背景及意义 4
1.2 国内外研究现状 5
1.2 课题的研究内容 6
第2章 垃圾车收集装置的总体设计 7
2.1 垃圾车收集装置的工艺要求 7
2.2 系统的方案选择 8
2.3 系统的控制方案确定 10
第3章 垃圾车收集装置的硬件设计 11
3.1 可编程控制器的选型 11
3.2 测距传感器的选型 13
3.3 压力传感器的选型 13
3.4 光电开关的选型 14
3.5 限位开关的选型 14
3.6 系统的I/O分配设计 15
3.7 系统的主电路设计 15
3.8 系统的PLC电路设计 16
第4章 垃圾车收集装置的软件设计 19
4.1 软件设计思路 19
4.2 系统流程图的设计 19
4.3 系统的程序设计 21
4.3.1 硬件组态设计 21
4.3.2 主程序设计 21
4.3.3 手动程序设计 22
4.3.4 自动程序设计 23
第5章 垃圾车收集装置的组态设计 25
5.1 组态设计的工艺分析 25
5.2上位机的设计过程 25
5.3命令语言设计 30
5.4系统仿真结果 32
总 结 33
致 谢 34
参考文献 35
附录一 36
附录二 38
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
在生活中，人们往往会产生各种各样的垃圾，将垃圾投掷在垃圾箱内，当垃圾箱满后，就需要清理，在城市的清洁中，垃圾车自动收集装置就成为保卫城市清洁卫生的重要设备。垃圾车自动收集装置主要通过液压系统进行工作，通过液压电磁阀的动作，完成各种工作。以往的垃圾车自动收集装置采用继电器系统，无法实现自动垃圾收集，需要人员操作校准，工作效率低，出错率高，容易导致垃圾箱损坏。本设计主要针对垃圾车自动收集装置的工艺进行设计，采用自动校准、自动测距以及自动工作的方式，实现垃圾车自动收集的目的。
对于垃圾车自动收集装置系统设计需要进行工艺设计分析、总体控制思路设计。并且进行硬件、软件以及仿真调试设计。按照设计要求，采用可编程控制器进行系统的设计。在以往使用的继电器-接触器控制系统中，由于设计线路复杂、现场故障率高、维修困难以及系统的升级改造需要大量更改线路等缺点，无法满足系统自动化控制的基本要求。现代社会自动化发展，可编程控制器和单片机的应用越来越普遍，可编程控制器是专门为工业现场的控制而设计，越来越受到工业的欢迎。可编程控制器品牌较多，共同的特点是产品的体积较小、控制模块比较丰富、控制功能强大，而且能够通过编程的方式实现控制系统的工艺改变和升级改造。特别是可编程控制器强大的通讯功能，能够将现场的实时数据通过各种通讯协议进行传输，为未来自动化工业革命提供良好的发展基础。
1.2 国内外研究现状
在国外城市化管理中，生活垃圾车的使用比较多，而且经过多年的发展，自动化程度比较高，效率比较好，并且技术水平比较成熟。对于早期开发成熟的垃圾车自动收集装置为德国公司和美国公司，生产的垃圾车自动收集装置能够实现远程控制和自动流程控制，能够根据远程监控，实现垃圾车自动收集装置的工作，为美化城市环境起到很好的作用。对于国外垃圾车机械手的种类较多，其中使用较多的为导轨式机械手、关节型连杆式机械手以及组合型机械手等。
对于国内的垃圾车自动收集装置研究，随着国内城市化脚步的加快，该垃圾车自动收集装置也提到了日程，随着不断研究和发展，我国的垃圾车自动收集装置也迎头赶上国外的步伐。但是目前的国内垃圾车自动收集装置，大多还是采用老旧的人工控制，经常将垃圾箱的垃圾到撒在地上，垃圾箱回收装置的操作依赖于人员的操作经验。工作效率还是比较低，出错率高。随着我国经济全球化的不断深入，越来越多国外企业瞄准中国市场，并凭借着技术的优势，占领绝大数垃圾车自动收集装置相关产品市场，我国的垃圾自动收集装置也结合了5G技术和自动化技术，得到了很好的发展。
1.2 课题的研究内容
对于垃圾车自动收集装置设计，主要通过液压进行驱动控制，通过电磁阀的得电和失电，达到动作的输出控制。垃圾车自动回收装置主要流程为：回原点，然后右移、伸出、夹紧、上翻、下翻、放松、缩回、左移到原点。通过该流程进行系统的设计。为了避免出错，采用测距传感器对机械手到垃圾箱的距离测量，并且通过测距传感器反馈的动态数据进行比较，进行伸出电磁阀的控制。为了避免夹紧过程中，对垃圾箱造成二次伤害，通过夹紧过程中监测压力值，当压力值达到设定压力值，表示夹紧到位。按照以上的研究内容，对系统进行设计，具体设计内容及思路如下：
（1）在第二章按照垃圾车自动收集装置控制系统的设计内容，对总体方案进行详细设计，通过控制策略的分析，完成系统控制方式优缺点的分析和比较，选择的方式为PLC系统设计。对设备进行原理介绍，并按照系统的基本工艺要求进行型号选择，完成系统的总体方案设计，明确输入部分和输出部分，并明确系统控制思路的设计。
（2）在第三章主要对垃圾车自动收集装置控制系统的硬件部分进行设计，先对系统的硬件设计进行分析，明确硬件设计的注意事项。对可编程控制器的线路进行详细设计，分析可编程控制器的接线原理和具体要求。对主电路进行线路设计，明确各个电气元件的功能和使用方法。
（3）在第四章主要进行垃圾车自动收集装置控制系统的软件程序设计，首先进行了I/O的分配设计，为程序的设计提供输入输出依据。按照硬件图纸的设计和该系统的工艺控制，对系统的程序流程进行设计，详细分析程序流程中的逻辑控制思路，为程序设计打下基础。对程序进行详细的设计和分析，通过程序设计，对各个功能的实现进行详细阐述。
（4）在第五章主要对垃圾车自动收集装置控制系统的组态软件进行设计，按照组态软件的设计思路和项目的开发设计步骤，进行项目课题画面设计、通讯连接设计、变量表建立以及动画连接设计。通过通讯以及调试步骤，完成项目的组态仿真调试。
（5）进行垃圾车自动收集装置控制系统的总结，分析设计过程遇到的问题和还需解决的问题，详细总结，为后期的设计升级明确研究的方向。
第2章 垃圾车收集装置的总体设计
2.1 垃圾车收集装置的工艺要求
按照垃圾车的基本研究内容，垃圾车主要由机械臂、液压装置、油缸、夹紧机构、旋转机构、移动座等组成。机械臂主要动作为伸出和缩回；夹紧机构主要动作为垃圾箱的夹紧和放松；旋转机构主要动作为垃圾箱的上翻和下翻；移动座的动作为垃圾箱机械臂的左移和右移。按照以上的基本介绍，系统的动作流程如下：
图2-1 垃圾车收集装置的工艺流程
按照以上的垃圾车收集装置工艺流程，当液压泵启动后，通过外部的按钮进行系统启动。
（1）当系统启动后，垃圾车收集装置先执行回原点操作，将机械臂进行左移，当左移到位后，回原点操作完成。
（2）机械臂开始右移，此时通过光电传感器监测垃圾箱的位置，当光电传感器监测到信号，表示机械臂已经到达垃圾箱的正前方，此时右移结束。
（3）机械臂开始伸出，通过测距传感器监测机械臂离垃圾箱的距离，当机械臂伸出时，该距离越来越小。当距离为零时，表示机械臂已经到达垃圾箱的位置。此时机械臂伸出动作结束.
（4）开始进行夹紧操作，在夹紧装置上安装压力传感器，对夹紧过程中的压力进行监测，当夹紧时的压力反馈值大于等于设定值时，夹紧动作停止，表示当前的夹紧已经到位。
（5）当加紧到位后，机械臂开始上翻，通过旋转机构动作，机械臂进行上翻动作。当上翻到位后，机械臂开始下翻，通过旋转机构反向动作实现。当机械臂下翻到位后，下翻动作停止。
（6）夹紧机构开始放松，当监测当前的压力值为零时，表示放松到位。
（7）机械手开始缩回，此时测距传感器数据开始变大，当测距传感器的数据达到初始数据时，表示缩回到位。
（8）机械臂开始左移，当左移到位后，机械臂就回到原点，整个过程结束。
按照以上的流程进行分析，对系统进行硬件设计和软件程序设计。
2.2 系统的方案选择
通过垃圾车自动收集装置系统的设计要求，需要进行控制方案的设计和选择，控制方案的选择主要考虑现场的应用环境、系统的功能要求以及经济成本的投资考虑等进行分析。系统设计的要求务必做到控制稳定、适应现场工业环境、并且能够为后期升级改造提供空间。控制方案的选择直接关系到系统运行的稳定性，功能实现的完整性以及控制方便快捷，为后期的系统升级改造留有空间，并且能方便进行系统的改造升级。最主要的是系统控制方案直接关系到项目设计的成本和开发周期，下面对常用的系统控制方案进行优缺点的分析并进行比较，选择出适合垃圾车自动收集装置系统的控制方案。
（1）单片机系统方案
单片机的功能比较强大，能够应对现场各种控制功能，控制精度高，自动化程度也高，而且能够根据现场的工艺要求，实现各种功能，达到控制的工艺目的。单片机系统方案对现场的抗干扰要求比较严格，扩展性能比较差，不能适应于作业恶劣的工业环境，后期系统升级困难。所以按照垃圾车自动收集装置系统的设计要求，需要为后期升级改造留有空间，因此单片机系统方案无法满足垃圾车自动收集装置系统的工艺要求，故此方案不作考虑。
（2）可编程控制器系统方案
可编程控制器的开发设计本身是针对工业控制环境的特定要求而研制，可编程控制器结合当前研究最新成果，特别是计算机的技术发展、通信技术发展、传感器应用发展等领域的研究，都可以通过可编程控制器的特定功能模块得以实现。面对复杂的工业环境，可编程控制器设计最初，就考虑抗干扰能力性能、高可靠性能、高稳定性能等，所以可编程控制器的应用比较广泛。当设计完程序，通过编程电缆进行程序下载即可。如果现场工艺发生改变，完全可以对程序进行修改和功能增加，二次开发比较容易，在硬件设计时，需要按照要求进行外部输入输出余量保留，为后期改造升级提供诸多方便。对于可编程控制器的大量普及和应用，本次设计就考虑采用可编程控制器作为总控制单元，进行该系统的工艺设计。
通过以上控制方案的比较和选择，按照垃圾车自动收集装置控制系统设计的基本控制策略，选择采用可编程控制器+上位机的控制方案进行设计。在设计中分为系统的硬件图纸、可编程控制器的软件程序、上位机组态设计。通过三大分部设计，进行最终调试仿真，达到系统设计的基本要求。
2.3 系统的控制方案确定
按照以上的方案选择，系统采用可编程控制器作为控制单元，通过组态王上位机进行系统的模拟仿真。对于系统要求，采用可编程控制器和模拟量输入扩展模块进行外部的信息输入和控制电磁阀电动机等输出。按照此方案，系统的具体控制策略如下：
（1）系统通过液压泵的启停控制，实现液压装置的动力提供。液压泵采用三相异步电动机进行驱动，实现自锁启动控制的工艺；
（2）对于左移右移动作、上翻下翻动作、夹紧放松动作、伸出缩回动作采用换向液压电磁阀进行控制，通过电磁阀的得电和失电，实现动作的输出；
（3）对伸出的动作是否到位，需要通过测距传感器进行测量，测距传感器将模拟量信号输入到可编程控制器，进行当前的数据计算，并且进行比较，当测距传感器的值为零时，表示伸出到位；当测距传感器的值为系统启动的初始值时，表示缩回到位；
（4）对夹紧放松动作，通过压力传感器进行监测，压力传感器将模拟量信号输入到可编程控制器，进行当前的数据计算，并且进行比较，当压力达到设定值时，表示夹紧到位，当压力为零时，表示放松到位。
（5）系统分为手动控制和自动控制，当手动控制时，通过外部的按钮操作实现具体的动作，主要用于系统的调试，自动控制时，按下系统启动按钮，系统按照固定的顺序流程实现垃圾箱的倾倒工作。
（6）当液压泵启动后，系统才能实现手动控制和自动控制，当液压泵停止后，系统的动作无效，这就形成先后顺序控制联锁的要求。
按照以上的方案，对系统控制方案图如下图所示。
图2-2 系统控制方案图
第3章 垃圾车收集装置的硬件设计
3.1 可编程控制器的选型
可编程控制器在市场上应用比较多，可编程控制器可以解决工业现场各种问题，包括现场逻辑控制功能、数据处理功能、通信功能以及过程控制的实现功能等。可编程控制器的接口电路是连接外部主令电器元件和执行单元的必不可少的部分，工业控制的现场干扰源比较多，为了能够保证系统在干扰情况下运行，需要对接口电路进行隔离处理设计。对于可编程控制器输入输出接口以及模拟量信号就存在不同程度的干扰，严重时将烧毁接口。在可编程控制器的接口电路部分，通常需要将外部的信号和内部的信号相互进行隔离，这样可以很好的保护可编程控制器不被损坏。对于这些接口进行详细说明如下：
（1）开关量输入输出接口
开关量的输入输出接口，按照设计主要包括继电器方式隔离接口和晶体管方式隔离接口。对于接口具有不同的等级电压，常用的接口电压为DC24V、DC12V、AC220V等。在进行可编程控制器的接口选型时，要按照具体的系统设计要求和外部输入输出单元的电压等级进行选择。
（2）模拟量输入输出接口
模拟量信号的接口主要由可编程控制器的模拟量扩展单元进行接线设计。可以在模拟量扩展单元进行模拟量信号类型的选择。对常用的模拟量输出类型进行信号输入和处理，处理的信号在可编程控制器内部将转换为十六位的整数值，现场的模拟量类型主要为电流型和电压型。电流型的模拟量比较适合长距离的信号输送，不会因为电线的电阻等因素使信号发生偏移和失真，信号稳定，属于首选的信号类型。
采用西门子S7-300 CPU314可编程控制器作为系统的控制单元，完成系统的设计。采用SM323作为数字量输入输出模块，采用SM331作为模拟量输入模块。采用的工作电源模块位PS307 5A，该模块输入电源为AC220V，为CPU和输入输出模块提供DC24V电源。采用的编程软件为Step7。产品如下所示。
图3-1 S7-300可编程控制器
3.2 测距传感器的选型
本设计的测距传感器为超声波传感器，通过超声波传感器实现距离的测量。超声波传感器输出的信号为标准的模拟量信号，一般为4-20MA。超声波传感器为四线制接法，将正极和负极接入超声波传感器，检测标准的模拟量电流信号，输出的信号类型为4-20MA。按照垃圾车自动收集装置系统设计，需要对超声波进行检测，考虑到硬件的设计思路和要求，选择四线制超声波传感器，超声波传感器的型号为国产DATA-52系列。检测的超声波范围为0-2000mm，输出的模拟量信号为4-20mA。按照以上的选型，该超声波传感器选型参数如下表所示。
表3-1 超声波传感器的选型参数
性能指标
指标值
型号
DATA-52
测量范围
0-2000mm
精度等级
0.1%FS
输出信号
4-20mA
3.3 压力传感器的选型
压力传感器在工业现场应用比较广泛，压力传感器主要作用是将装置接触的压力值进行检测，通过变送器转换为标准的模拟量信号输出到控制仪表或可编程控制器的模拟量输入模块。压力传感器内部结构主要分为压力检测压敏元件以及压力信号处理电路单元。本设计压力传感器的型号为YLD-4-24。检测的压力范围为0-4Mpa，输出的模拟量信号为4-20MA。仪表或可编程控制器的电源为DC24V。按照以上的选型，该压力传感器具体的选型参数如下表所示。
表3-2 压力传感器的选型参数
性能指标
指标值
型号
YLD-4-24
供电电压
DC24V
测量范围
0-4.0Mpa
精度等级
0.1%FS
输出信号
4-20MA
防护等级
IP68
3.4 光电开关的选型
按照垃圾车自动收集装置系统的设计要求，选用五线制的光电开关，将信号传输到可编程控制器。欧姆龙自动化公司生产的光电传感器质量好、运行稳定、性价比高。拟选择欧姆龙公司的产品，具体型号为EE-SPY402。当感应到信号时，光电开关指示灯亮，表明检测范围内有物体遮挡，此时公共线与常开输出线之间接通，公共线与常闭输出线之间断开，可将信号输出到可编程控制器，表明当前有物体。产品使用方便，安装方便。该产品的示意图如下图所示。
图3-2 欧姆龙光电传感器
3.5 限位开关的选型
限位开关作为控制单元的位置检测主令元件，该结构分为检测部分和电路输出部分。限位开关主要应用于实现顺序控制功能以及保护功能。限位开关按照机械结构和安装方式进行设计，设计小巧可以安装于机械结构内部，采用金属外盒耐腐蚀，能够保护到内部的电路。本系统按照限位开关的安装方式进行选择，采用活塞式的限位开关，该限位开关内部的电路有一对常开触点和一对常闭触点。完全满足系统的设计要求。产品的具体型号为YBLX-K1/411。
图3-3 YBLX-K1/411型限位开关
3.6 系统的I/O分配设计
按照垃圾车自动收集装置系统控制系统的工艺分析和控制策略要求，通过总体方案的确定，需要对可编程控制器进行I/O分配设计。I/O分配设计在可编程控制器系统设计的设计中，起着至关重要的作用。
表3-3 I/O分配设计表
输入功能
输入地址
输出功能
输出地址
启动按钮
I 0.0
油泵运行
Q 0.0
停止按钮
I 0.1
伸出阀
Q 0.1
手自动转换
I 0.2
缩回阀
Q 0.2
手动左移
I 0.3
左移阀
Q 0.3
手动右移
I 0.4
右移阀
Q 0.4
手动伸出
I 0.5
上翻阀
Q 0.5
手动缩回
I 0.6
下翻阀
Q 0.6
手动上翻
I 0.7
夹紧阀
Q 0.7
手动下翻
I 1.0
放松阀
Q 1.0
手动夹紧
I 1.1
运行指示
Q 1.1
手动放松
I 1.2
自动指示
Q 1.2
上翻到位输入
I 1.3
下翻到位输入
I 1.4
油泵启停
I 1.5
左移原位限位
I 1.6
移动到位限位
I 1.7
测距传感器
PIW 256
压力传感器
PIW 260
3.7 系统的主电路设计
按照液压泵主电路设计的要求，电器元件主要包含了小型断路器、接触器以及热过载保护继电器等。对于小型断路器，主要防止系统过流现象，并且能够进行电源的通断。对电动机产生的过流故障进行保护，本系统选择的断路器为正泰电器生产的DZ47-60系列断路器。接触器按照命令的输出，实现线圈的得电和失电，当得电时，通过磁力将主触点吸合，当失电时，通过弹簧将主触点分开。系统设计主要对主电路进行自锁正转控制设计。垃圾车自动收集装置系统的执行单元为液压泵电动机和电磁阀，对电磁阀和电动机接触器通过小型继电器进行控制，当小型继电器得电后，相应的设备得电。当接触器的线圈得电时，接触器的主触点吸合，电动机开始运转。当接触器的线圈失电，接触器的主触点松开，电动机停止运行。
图3-4 系统的主电路设计
3.8 系统的PLC电路设计
按照垃圾自动收集装置控制系统的PLC设计，对可编程控制器的硬件接线设计，如下图所示。
图3-5 PLC接线设计图
根据以上的设计接线图，在输入输出部分的基础上，考虑垃圾车自动收集装置控制系统的后期升级改造，需要对可编程控制器留有升级改造的空间，预留部分余量。在可编程控制器的电源输入设计中，采用的电压等级为DC24V，需要通过开关电源为其供电，确保电源输出的稳定性，提高供电质量。外部输入点和输出点的电压等级也为DC24V，所选用的输出电气执行元件的电压要负荷输出点的电压等级。采用电源专用模块PS307进行电源设计,将AC220V电源输入,输出DC24V电源,供可编程控制器供电.系统输入部分的供电电压为DC24V,输入按钮主令电器的一端为DC24V正极的公共端,另一端接入可编程控制器.对于系统输出部分,供电电压为DC24V.输出执行单元的公共线为DC24V的负极,并且另一端从PLC输出.对于模拟量接线,将系统的外部模拟量正极和负极分别接入模拟量扩展模块.
第4章 垃圾车收集装置的软件设计
4.1 软件设计思路
可编程控制器的软件设计可以分为多种思路,主要按照系统设计的思路和流程图进行程序的设计方法研究,通常使用的程序设计方法主要包含了经验设计法、条件判断法、顺序流程控制法以及功能图法等。
（1）对于经验设计法，主要通过以往的设计经验，对程序进行经验处理，特别是熟练掌握工艺控制原理的，可以通过经验设计法进行程序设计，比如对于模拟量信号的处理，一般流程为上下限程序处理、滤波程序处理以及数据转换处理等，按照此经验，进行设计。经验设计法主要优点是能够灵活处理程序工艺问题，缺点为设计者需要丰富的程序设计经验。
（2）条件判断法主要应用于对现场出现的各种条件进行判断，如果条件满足，将执行某工艺程序，如果条件不满足，将不能执行。对于该设计方法，主要针对现场的控制工艺条件进行设计。
（3）顺序流程法主要应用于具有很强的顺序控制功能工艺场合，采用顺序流程法主要对上一工序进行完成判断，如果完成，将关闭上一工序动作，执行下一工序动作，以此类推，直到所有顺序工艺完成。
（4）功能图法主要将系统按照功能进行划分，每个功能进行程序编写，然后通过执行条件进行功能的调用，达到使用的目的。
按照以上的设计方法介绍，本系统根据工艺流程图的设计和思路，采用经验设计法和顺序控制法相结合的控制思路，进行程序的设计。
4.2 系统流程图的设计
(1)手动控制流程图
当外部液压泵启动后,可以进行手动控制，手动控制通过外部的按钮进行输入命令，相应的电磁阀动作输出。对于手动控制，采用互锁的方法进行设计，比如左移动作输出时，右移动作不能输出，相反，右移动作输出时，左移动作不能输出。其他的电磁阀控制都采用互锁的方法，保证电磁阀不受损坏。如下图4-1所示。
图4-1 手动控制流程图
(2)自动控制流程图
自动控制流程图如下所示。
图4-2 自动控制流程图
当选择自动位后，液压泵启动后，调用自动子程序。按下系统启停按钮后，通过固定的流程进行自动输出控制。系统主要执行动作顺序为：回原点-右移-伸出-夹紧-上翻-下翻-放松-缩回-左移。每个动作都有相应的限位开关或者测距传感器数据以及压力传感器数据比较进行动作切换。
4.3 系统的程序设计
4.3.1 硬件组态设计
按照系统的选型，选择CPU314作为控制单元，SM323作为数字量输入输出模块，选择SM331作为模拟量输入模块。按照硬件组态的规则，第一插槽进行PS307 5A的电源模块插入，在第二插槽插入CPU314，第三插槽为空，从第四插槽开始插入数字量模块和模拟量模块。从插入后的地址来看，数字量输入地址为I0.0-I1.7，数字量输出地址为Q0.0-Q1.7。模拟量地址为PIW272-PIW278.具体的硬件组态设计如下图所示。
图4-3 硬件组态图
系统设计分为OB1主程序设计、FC1手动子程序设计和FC2自动子程序设计。为了对模拟量信号进行处理，通过FC4进行模拟量数据处理子程序设计。
4.3.2 主程序设计
主程序为OB1组织块，主要功能是进行模拟量数据处理调用、手自动选择判断和手自动程序调用。对液压泵进行启停设计，并且对每个电磁阀进行输出设计。通过PIW272的输入，转换为MD100实际测距值，测距范围为0-4米。对于PIW274的输入，转换为MD104实际压力值，压力范围为0-10Mpa。通过外部的按钮进行手自动选择，并且通过外部启停按钮启动液压泵。当液压泵启动后，如果为自动位，进行自动程序调用，如果为手动位，进行手动程序调用。对每个电磁阀的自动运行中间继电器和手动运行继电器状态，进行每个电磁阀的运行输出。程序如附录所示。具体主程序流程如下：
图4-4 主程序流程图
4.3.3 手动程序设计
当选择外部的手动位时，当液压泵启动后，主程序调用手动子程序。在手动子程序设计中，按照互锁控制原理，进行设计，当左移动作输出时，右移动作不能输出，相反右移动作输出时，左移动作不能输出。当上翻动作输出时，下翻动作不能输出，相反下翻动作输出时，上翻动作不能输出。当伸出动作输出时，缩回动作不能输出，相反缩回动作输出时，伸出动作不能输出。当夹紧动作输出时，放松动作不能输出，相反放松动作输出时，夹紧动作不能输出。具体流程图如下。
图4-5 手动程序流程图
4.3.4 自动程序设计
对于自动程序设计，按照垃圾车自动收集装置的自动流程进行顺序控制，通过外部开关或传感器监测，进行动作切换。具体程序过程如下所示。
图4-6 自动程序流程图
当外部按钮为自动控制输入时，控制为自动状态。当液压泵启动后，按下系统运行按钮，系统开始进入自动输出状态。首先判断机械臂是否在原点，如果不在原点，左移电磁阀输出，系统回原点。当到原点后，电磁阀右移输出，通过光电开关监测当前的位置，当检测到垃圾桶时，光电开关得电输入，电磁阀右移停止，电磁阀伸出输出。此时通过测距传感器监测当前的机械臂离垃圾箱的位置，当测距传感器反馈的数值为0时，表示机械臂已经到达垃圾箱。此时电磁阀伸出停止，电磁阀加紧输出。通过压力传感器进行监测，当压力反馈值达到设定压力值，表示夹紧到位，此时电磁阀加紧停止，电磁阀上翻动作输出，当限位开关输入信号后，上翻动作到位，此时电磁阀上翻动作停止，下翻动作输出，将垃圾箱下放。当限位开关动作输入后，下翻动作到位，此时下翻动作停止，放松动作输出。当压力传感器反馈的压力为零时，放松到位，此时放松动作停止，缩回动作输出。当缩回时，测距传感器的数值变大，当测距传感器反馈值等于初始值时，表示缩回到初始地方。缩回动作停止，左移动作输出，当碰触到原点限位后，左移停止。系统结束。
第5章 垃圾车收集装置的组态设计
5.1 组态设计的工艺分析
本系统采用组态王软件进行组态设计，对垃圾车收集装置系统的当前状态、手动控制、自动控制、测距传感器和压力传感器反馈，以及动作输出等进行数据监控。本系统设计的组态王软件的版本为6.55，通过和可编程控制器之间进行通讯，建立通讯驱动，以及变量表添加设置等，实现系统的通讯功能。为了实现可编程控制器和组态王上位机之间的信息交互，完成系统的可视化要求，对组态王进行工程项目的建立和系统驱动程序的设置组态，按照系统的工艺要求和设计，对系统进行画面的设计和动画的设计。通过运行软件完成系统的功能调试和实现。
5.2上位机的设计过程
本设计主要针对垃圾车收集装置进行组态王设计，按照组态王设计的步骤和要求，对工程管理器打开后，进行项目的建立，如下图5-1所示。
图5-1 工程管理器
在对工程的建立过程中，主要进行工程的名称命名，对项目的保存地址进行设置。系统设计分为开发和运行两部分，所谓开发就是对项目进行驱动组态、变量的设计和建立、画面的设计并且对动画进行设计。而对于运行部分，主要进行系统仿真运行，通过运行软件可以模拟当前系统的运行情况。就可以建立新项目，如下图5-2所示。
图5-2 项目建立对话框
当项目的名称和保存地址设置好后，就开始进行项目的驱动组态设计，主要方法是将项目的串口进行设计，通过串口的设置，对通讯波特率、奇偶校验以及地址等进行设置。按照本设计，采用9600波特率，使用的通讯方式主要为RS232。如下图5-3所示。
图5-3 串口设置对话框
当通讯驱动设置完后，就进行驱动的添加，本设计主要针对西门子S7-300系列的驱动进行建立，设置好驱动的地址和相应的通讯参数，如下图5-4所示。
图5-4 驱动程序建立对话框
当驱动建立好后，就需要进行项目的设计，首先按照系统的工艺要求和设计可视化的目的，对系统的变量进行添加设计，变量设计过程中，包括I/O离散、I/O整数以及内存离散和内存整数等。对变量设计按照工程的实际，进行初始值和限制值的设置。如果没有特殊要求，保存默认就可以。如下图5-5所示。
图5-5 变量设置对话框
按照变量添加的步骤，结合系统设计的要求，对每个变量进行添加设计，具体添加的结果如下所示。
图5-6 变量列表图
当变量添加完毕后，就开始进行系统的可视化画面设计，画面设计基本原则时尽可能反应当前系统的状态和参数设置。通过工具箱进行每个对象的添加和修改，按照位置进行设计。系统画面主要包括指示灯、按钮、以及数据显示等。如下图5-7所示。
图5-7 画面设计图
对系统进行动画添加，特别是指示灯以及某些具体的需要动画表示的对象，通过添加对象，系统可以根据工艺要求进行动画显示。如下图5-8所示。
图5-8 动画设计对话框
当以上步骤全部完成后，整个组态设计完整设计完成。需要进行"运行"，对系统进行仿真调试。
5.3命令语言设计
if(\\本站点\自动运行)
{
if(\\本站点\自动运行&&\\本站点\顺序10==0)
{\\本站点\顺序1=1;\\本站点\顺序10=1;\\本站点\预存测距值=\\本站点\当前测距值;}
if(\\本站点\顺序1)
{\\本站点\左移=1;\\本站点\延时1=\\本站点\延时1+1;}
if(\\本站点\顺序1&&\\本站点\延时1>=5)
{\\本站点\顺序1=0;\\本站点\顺序2=1;}
if(\\本站点\顺序2)
{\\本站点\左移=0;\\本站点\右移=1;\\本站点\延时2=\\本站点\延时2+1;}
if(\\本站点\顺序2&&\\本站点\延时2>=8)
{\\本站点\顺序2=0;\\本站点\顺序3=1;}
if(\\本站点\顺序3)
{\\本站点\伸出=1;\\本站点\右移=0;\\本站点\当前测距值=\\本站点\当前测距值-50;}
if(\\本站点\顺序3&&\\本站点\当前测距值<=40)
{\\本站点\顺序3=0;\\本站点\顺序4=1;}
if(\\本站点\顺序4)
{\\本站点\夹紧=1;\\本站点\伸出=0;\\本站点\压力反馈值=\\本站点\压力反馈值+ 0.2;}
if(\\本站点\顺序4&&\\本站点\压力反馈值>=\\本站点\压力设定值)
{\\本站点\顺序4=0;\\本站点\顺序5=1;}
if(\\本站点\顺序5)
{\\本站点\夹紧=0;\\本站点\上翻=1;\\本站点\延时3=\\本站点\延时3+1;}
if(\\本站点\顺序5&&\\本站点\延时3>=10)
{\\本站点\顺序5=0;\\本站点\顺序6=1;}
if(\\本站点\顺序6)
{\\本站点\上翻=0;\\本站点\下翻=1;\\本站点\延时4=\\本站点\延时4+1;}
if(\\本站点\顺序6&&\\本站点\延时4>=10)
{\\本站点\顺序6=0;\\本站点\顺序7=1;}
if(\\本站点\顺序7)
{\\本站点\下翻=0;\\本站点\放松=1;\\本站点\压力反馈值=\\本站点\压力反馈值- 0.2;}
if(\\本站点\顺序7&& \\本站点\压力反馈值 <=0.1)
{\\本站点\顺序7=0;\\本站点\顺序8=1;}
if(\\本站点\顺序8)
{\\本站点\放松=0;\\本站点\缩回=1;\\本站点\当前测距值=\\本站点\当前测距值+50;}
if(\\本站点\顺序8&&\\本站点\当前测距值>=\\本站点\预存测距值)
{\\本站点\顺序8=0;\\本站点\顺序9=1;}
if(\\本站点\顺序9)
{\\本站点\左移=1;\\本站点\缩回=0;\\本站点\延时5=\\本站点\延时5+1;}
if(\\本站点\顺序9&&\\本站点\延时5>=10)
{\\本站点\顺序9=0;\\本站点\左移=0;}
}
if(\\本站点\自动位&&\\本站点\自动运行==0)
{\\本站点\延时1=0;\\本站点\延时2=0;\\本站点\延时3=0;\\本站点\延时4=0;\\本站点\延时5=0;
\\本站点\顺序1=0;\\本站点\顺序2=0;\\本站点\顺序3=0;\\本站点\顺序4=0;\\本站点\顺序5=0;
\\本站点\顺序6=0;\\本站点\顺序7=0;\\本站点\顺序8=0;\\本站点\顺序9=0;\\本站点\顺序10=0;
\\本站点\左移=0;\\本站点\右移=0;\\本站点\上翻=0;\\本站点\下翻=0;\\本站点\夹紧=0;
\\本站点\放松=0;\\本站点\伸出=0;\\本站点\缩回=0;
\\本站点\压力反馈值=0;\\本站点\当前测距值=\\本站点\预存测距值;}
5.4系统仿真结果
当设计好组态画面，并且完成了组态画面的动画设计，就需要对系统进行仿真调试。垃圾车自动收集装置的手动控制仿真过程如下图所示。
图5-9 手动控制过程仿真图
自动控制仿真过程如下图所示。
图5-10 自动控制过程仿真图
总 结
对于垃圾车自动收集装置控制系统设计，通过可编程控制器进行垃圾车的回原点、左右移、上下翻、伸出缩回、加紧放松以及液压泵的控制等设计，系统设计通过硬件选型的要求，选择西门子S7-300可编程控制器进行设计，通过光电开关、限位开关、电磁阀、测距传感器、压力传感器以及液压泵等进行输入和输出设计。按照垃圾车自动收集装置的设计方案，硬件设计采用AC220V电源输入，通过电源模块进行DC24V输出，对可编程控制器进行了输入接口和输出接口的设计。在软件流程设计中，详细分析程序流程，按照此程序流程，对自软件进行了主程序设计、自动子程序设计、手动子程序设计。通过组态王的模拟仿真，达到了设计的要求。满足了系统的功能。
致 谢
在本论文即将完成之时，我首先衷心的感谢论文指导老师，本论文的全部完成过程都是在老师的悉心指导下完成的，从开题报告任务书开始，老师耐心给我指导讲解，给予我很大的帮助。认真督促每个阶段的学习，制定相应每个阶段的计划书，为我完成最终的论文设计做了悉心指导。老师知识渊博，教学严谨、引导有度，秉持着一丝不苟的态度，指导我的论文设计，让我在今后的学习生涯终生受益。在我的大学生活中，有很多的学术上的不解，生活上的困难，老师为我解决引导，我会以您作为榜样，在今后的学习上更加的严谨刻苦，生活上更加的积极乐观，是您们的兢兢业业深深影响教育了我，我会引以为傲，更加完善自己。
参考文献
1\] 郁汉琪.可编程序控制器原理及应用（第二版）\[M\].中国电力出版社,2014:125-128. \[2\] 郑凤翼.怎样看电气控制电路图 \[M\].人民邮政出版社,2015:35-37. \[3\] 高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例\[M\].人民邮电出版社,2012:75-79.. \[4\] 郑凤翼.图解PLC控制系统梯形图和语句表\[M\].人民邮政出版社,2016:119-121. \[5\] 徐科军.传感器与检测技术\[M\].电子工业出版社,2011:54-57. \[6\] 唐介.电机与拖动 \[M\]. 高等教育出版社,2016:51-52. \[7\] 李元东.PLC在垃圾车控制系统中的应用\[J\].五邑大学学报,2015.17(1)，22-25． \[8\] 刘杰.基于PLC的垃圾收集装置设计与实现\[J\].西南师范大学学报,2014(39):79-81. \[9\] 王红梅.基于PLC的垃圾收集控制系统\[J\].机床与液压,2015(43):9-12. \[10\] 张玲莉.基于PLC的自动识别分拣系统\[J\].自动化技术与应用,2013(5):110\~111. \[11\] 冯影环.国内外自动化技术准备发展情况对比\[J\].研究与探讨,2015(2):34-36. \[12\] 李基有.基于PLC控制的多传感器垃圾收集监控系统\[D\].华南理工大学;2015. \[13\] 廖敬恩.垃圾车收集控制系统的设计及研究\[D\].华南理工大学;2014. \[14\] Liang,Na,xiao,jiang.Design of Production Line Training System Based on PLC\[J\].Sensor \&Transducers.2013.Vol.155(8).pp.271-277 \[15\] 袁任光.可编程序控制器应用技术及实例\[M\].华南理工大学出版社,2010：32-34. 附录一 附录二 主程序： （2）手动程序 （3）自动程序