一種下沉式城市生活垃圾處理站系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

于泳 潘培 孫光耀 楊笑盈 胥軍

【摘 要】針對當今城市垃圾年產(chǎn)量增大，污染嚴重且轉(zhuǎn)運站占地面積大等問題，設(shè)計了一種下沉式垃圾處理站的控制系統(tǒng)方案。該電氣控制系統(tǒng)運用三菱Q系列PLC、CC-LINK總線和觸摸屏技術(shù)，可實現(xiàn)電控系統(tǒng)的優(yōu)化控制、優(yōu)化運行和優(yōu)化管理，同時實現(xiàn)設(shè)備自動化運行。本文討論了系統(tǒng)的控制流程、硬件選型和軟件系統(tǒng)開發(fā)，完成外箱門及內(nèi)箱體的升降，壓縮推板的伸縮，數(shù)據(jù)的采集和可視化監(jiān)控等功能。所提出的設(shè)計方案適用于城市中心的生活垃圾站，具有較高的性價比和應(yīng)用價值。

【關(guān)鍵詞】城市垃圾 下沉式垃圾處理站 自動化運行 可視化監(jiān)控

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，城市垃圾年產(chǎn)量呈現(xiàn)逐步上升態(tài)勢，導致垃圾收集、運輸費用的不斷增加。在城市生活垃圾的全過程管理中，垃圾的收運是連接發(fā)生源與處理處置設(shè)施的不可或缺的一個重要環(huán)節(jié)，其收運費用耗資最大，約占總費用的60%～80%，且操作過程也極為復雜。因此，本文設(shè)計開發(fā)了一種適用于城市中心的下沉式垃圾處理站，將垃圾外箱體置于地表之上，內(nèi)箱體可沉入地下，完成垃圾壓縮工作。外箱的設(shè)計保證了工作人員的安全，小型化設(shè)備有效地節(jié)約了工作空間，同時電控系統(tǒng)極大地提高了設(shè)備的自動化程度。

2系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計

本文綜合利用三菱Q系列可編程控制器PLC運行穩(wěn)定和CC-LINK總線信號傳輸可靠的特點，設(shè)計開發(fā)了一種適用于城市中心的垃圾處理站的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于高可靠性的工控產(chǎn)品以及總線控制技術(shù)，可實現(xiàn)電控系統(tǒng)的優(yōu)化控制、優(yōu)化運行和優(yōu)化管理，為我國城市垃圾處理站電控系統(tǒng)功能的提升奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)下沉式城市生活垃圾處理站的作業(yè)流程以及作業(yè)特點，本文篩選出了該控制系統(tǒng)主要的功能，這些功能包括：外箱門及內(nèi)箱體的升降，壓縮推板的伸縮，數(shù)據(jù)的采集和可視化監(jiān)控。各項功能的控制需求描述如下：

（1）壓縮推板的伸縮：壓縮裝置是該系統(tǒng)的主要機構(gòu)，系統(tǒng)通過壓縮推板的伸縮實現(xiàn)城市生活垃圾的壓縮。該功能通過三相電機實現(xiàn)，并通過限位開關(guān)判斷其是否運動到位。

（2）內(nèi)箱體的升降：通過電動伸縮桿來實現(xiàn)垃圾站內(nèi)箱體的上升和下降，相對于液壓剪叉舉升，有效地節(jié)約了空間。

（3）內(nèi)、外箱門的同步升降：外箱門通過卡槽與內(nèi)箱門連接，控制中心PLC發(fā)出控制信號，用YN90-60三相電機加以控制，實現(xiàn)內(nèi)箱門和外箱門的同步升降。

（4）數(shù)據(jù)的采集：壓力傳感器實時采集模擬信號，通過A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳送給PLC控制器。

（5）可視化監(jiān)控：在操作面板上設(shè)有觸摸屏，實現(xiàn)對設(shè)備的控制，形象直觀地實時呈現(xiàn)給操作人員垃圾站的工作情況。

該系統(tǒng)中的運動通過電機實現(xiàn)，PLC通過控aa制電機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)箱門的開關(guān)、擋板和壓縮機的伸縮以及內(nèi)箱的升降。

在該控制方案中，遠程A/D模塊采集壓力傳感器的數(shù)據(jù)，通過CC-LINK總線傳輸?shù)街髡綪LC中。主站PLC對傳感器的數(shù)據(jù)進行處理，發(fā)出控制信號，該信號通過CC-LINK總線將執(zhí)行命令傳輸?shù)竭h程I/O，驅(qū)動壓縮電機實現(xiàn)壓縮桿伸縮。同時采用GS2107系列觸摸屏開發(fā)了垃圾站電控系統(tǒng)HMI界面。

3軟件系統(tǒng)的設(shè)計

該垃圾站自動壓縮控制由系統(tǒng)控制軟件實施，可壓縮噸位數(shù)量級垃圾。具體壓縮工作流程描述如下：

（1）接通系統(tǒng)的電源，PLC和觸摸屏得電，當判斷垃圾量達到設(shè)定值后，則程序自動實現(xiàn)城市生活垃圾壓縮的功能。

（2）垃圾壓縮為多級進行，一級壓縮力為100KN，二級壓縮力為150KN，三級壓縮力為200KN，直至垃圾壓縮強度達到1.1t/m2。

（3）壓力傳感器傳送信號給控制器，控制箱體舉升到地表之上，箱門電機工作，使內(nèi)外箱門過渡開啟到限定位置，水平推桿將垃圾推入車內(nèi)，限位開關(guān)起保護作用。

（4）內(nèi)外箱門過渡下降，回到原位后，PLC控制舉升裝置，將垃圾內(nèi)箱下降到初始位置，自動調(diào)到待機模式，完成一個工作周期。

為了實現(xiàn)壓縮功能的準確性，本文選用了三菱Q系列的PLC作為主控制器，采用壓力傳感器JHBM-7，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將傳感器輸出的0～10V模擬電壓值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的0～32000數(shù)字量。3.2 上位機的設(shè)計

本系統(tǒng)選用GS2107-WTBD觸摸屏，在觸摸屏上實現(xiàn)對該系統(tǒng)的監(jiān)視與控制，觸摸屏通過RS-232接口與PLC互連。HMI界面包括內(nèi)箱體、內(nèi)外箱門、電動伸縮桿和水平推桿等動作監(jiān)視，電機啟動與停止以及降塵除臭。

本系統(tǒng)采用可視化的理念將垃圾站的實時運行情況全部顯示與上位機中。例如：內(nèi)箱門的升降監(jiān)控畫面監(jiān)控內(nèi)箱門的升降過程，當“內(nèi)箱門升”所對應(yīng)的燈亮起時表示內(nèi)箱門處于上升過程。當“內(nèi)箱門升到位”的燈亮起時表示內(nèi)箱門上升完畢。當“內(nèi)箱門降”的燈亮起時表示內(nèi)箱門出于下降過程，當“內(nèi)箱門將到位”的燈亮起時表示內(nèi)箱門下降完畢。該過程將其運動過程實時顯示到HMI界面上。

4系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)論

為了驗證系統(tǒng)的可行性，在實驗室環(huán)境下，采用有機玻璃和鋁塑板搭建了功能演示模型，對預(yù)期的功能進行模擬分析。

仿真模型搭建完畢后，將控制程序下載到PLC中，按下啟動按鈕或觸碰顯示屏上的“啟動”按鈕，系統(tǒng)進入工作狀態(tài)；將工作模式調(diào)到手動調(diào)節(jié)模式，可以人為控制垃圾處理站進行生活垃圾壓縮。關(guān)掉手動調(diào)試模式，將工作方式切換到自動模式，對垃圾站進行全自動調(diào)試。在調(diào)試過程中，內(nèi)箱門、外箱門、內(nèi)箱體、水平推桿和抖動伸縮桿運動正常且平穩(wěn)，能夠正常完成生活垃圾壓縮模擬。顯示屏上的各監(jiān)控畫面能夠跟蹤各運動部分的運動狀況，并通過畫面進行實時顯示。

由模型測試結(jié)果可知：本控制方案將三菱Q系列PLC、CC-LINK總線、以及遠程IO模塊和GS2107系列觸摸屏應(yīng)用于城市生活垃圾站的電控系統(tǒng)，實現(xiàn)了預(yù)期功能以及對該模型的動作進行可視化監(jiān)控。且與現(xiàn)有的垃圾箱融為一體，占地面積小、信息化水平高，可替代傳統(tǒng)的垃圾收集轉(zhuǎn)運箱，用于中心城區(qū)生活垃圾的分散收集和清潔轉(zhuǎn)運，有良好的環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟效益。

參考文獻：

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