生活垃圾前分選系統(tǒng)的自動(dòng)控制

張?jiān)缕剑缂疑?/p>

（天津百利陽(yáng)光環(huán)保設(shè)備有限公司，天津 300410）

目前，生活垃圾構(gòu)成種類越來(lái)越多，處理越來(lái)越困難。傳統(tǒng)的垃圾處理方式是直接填埋或焚燒，垃圾填埋場(chǎng)通常設(shè)置在農(nóng)村，占用大量農(nóng)田，對(duì)不分類的垃圾進(jìn)行焚燒，會(huì)造成大氣污染。隨著我國(guó)改革開放的進(jìn)一步深入，經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來(lái)越豐富，生活節(jié)奏加快，人們?cè)谏钪挟a(chǎn)生的垃圾也越來(lái)越多，成分越來(lái)越復(fù)雜，越來(lái)越難處理。上世紀(jì)九十年代我國(guó)就有人提出對(duì)垃圾進(jìn)行綜合利用，但是由于當(dāng)時(shí)技術(shù)不成熟，而且沒(méi)有得到足夠重視，直到現(xiàn)在，生活垃圾的處理設(shè)備也是在焚燒和填埋方面的研究比較多，對(duì)垃圾分選設(shè)備研究比較少。隨著社會(huì)的發(fā)展，生活垃圾的綜合處理得到越來(lái)越多的關(guān)注。生活垃圾中含有多種成分，很大一部分可以回收再利用。由于處理困難，這部分有用的物質(zhì)一般都沒(méi)有得到有效利用。垃圾分選設(shè)備研究的目的，就是將混合垃圾進(jìn)行有效的分類，對(duì)某垃圾成分中的少量雜質(zhì)進(jìn)行分離，得到較為單一的組分，或是從混合垃圾中分離出某種少含量垃圾組分，有利于垃圾的回收再利用和后續(xù)處理。

生活垃圾處理項(xiàng)目主要包括前分選生產(chǎn)線和各種專項(xiàng)處理設(shè)備等。前分選生產(chǎn)線主要是將混合垃圾進(jìn)行分類，經(jīng)后續(xù)處理后的生活垃圾幾乎全部變廢為寶，有機(jī)質(zhì)經(jīng)噴爆造粒變?yōu)榉柿希瑵B濾液經(jīng)水處理循環(huán)利用，分離出的塑料制成燃燒棒可供發(fā)電、渣土制磚等。根據(jù)前分選生產(chǎn)線的運(yùn)行要求，我們采用PLC作為主要控制元件，觸摸屏和上位機(jī)作為人機(jī)交互界面，設(shè)計(jì)出自動(dòng)化水平較高、運(yùn)行平穩(wěn)可靠的控制系統(tǒng)。我們經(jīng)過(guò)不斷的摸索和改進(jìn)，將生產(chǎn)出更加完善的生產(chǎn)線，為我市的環(huán)保事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

1 生產(chǎn)線設(shè)備構(gòu)成

根據(jù)垃圾組分及分選結(jié)果不同，前分選設(shè)備基本包括板式輸送機(jī)、滾筒篩、破碎機(jī)、磁選機(jī)、風(fēng)選機(jī)、液壓料倉(cāng)、打包機(jī)等主要處理設(shè)備，通過(guò)皮帶輸送機(jī)或螺旋輸送機(jī)將物料輸送至處理設(shè)備。板式輸送機(jī)為最初上料設(shè)備，原生垃圾通過(guò)該設(shè)備輸送到后續(xù)處理生產(chǎn)線，該設(shè)備由輸送部分和均料破袋部分組成，輸送部分主要運(yùn)送原生垃圾，均料破袋部分控制垃圾均勻輸送，并將袋裝垃圾破袋；滾筒篩將垃圾按粒徑進(jìn)行篩分，根據(jù)網(wǎng)孔的大小將垃圾在滾動(dòng)過(guò)程中分成大小粒徑兩部分，再進(jìn)行不同的處理過(guò)程；破碎機(jī)將大件垃圾破碎；磁選機(jī)將鐵質(zhì)垃圾分出；風(fēng)選機(jī)按物料重量分為輕物料和重物料；打包機(jī)將輕物料（塑料，紙制品等）打包；皮帶機(jī)將各主要設(shè)備連接起來(lái)，將物料輸送至不同的處理方向。前分選設(shè)備主要完成對(duì)垃圾各種成分的分類，分出有機(jī)質(zhì)去制肥或發(fā)酵發(fā)電，分出塑料制品去造粒，分出鐵質(zhì)物品回收，渣土填埋或制磚等。圖1所示為一條較小的生產(chǎn)線布局。

圖1 前分選設(shè)備布局Fig.1 Layout of sorting equipments

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

前分選控制系統(tǒng)主要由主控室上位機(jī)部分和現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備組成。上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)讀取現(xiàn)場(chǎng)PLC采集的各設(shè)備的狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)，具有設(shè)定工藝參數(shù)、遠(yuǎn)程啟停設(shè)備、監(jiān)控生產(chǎn)線運(yùn)行、及時(shí)顯示設(shè)備故障、記載歷史數(shù)據(jù)等功能?，F(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備由下位機(jī)可編程邏輯控制器（PLC）、現(xiàn)場(chǎng)操作設(shè)備觸摸屏、驅(qū)動(dòng)設(shè)備、檢測(cè)元件等組成，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成如圖2所示。系統(tǒng)采用PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制單元，通過(guò)各種傳感器、開關(guān)、按鈕檢測(cè)設(shè)備的狀態(tài)，并通過(guò)變頻器、接觸器等控制元件來(lái)驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的各種電機(jī)、泵、閥、風(fēng)機(jī)等運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)的變頻器及各種智能設(shè)備通過(guò)Profibus總線連接到PLC主站，主站將各設(shè)備及從站的狀態(tài)上傳到上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)的組態(tài)軟件轉(zhuǎn)換為可操作的視窗界面，操作人員通過(guò)視窗界面可實(shí)時(shí)了解所有設(shè)備的運(yùn)行狀況，工程師可通過(guò)操作界面對(duì)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，維修人員可通過(guò)操作界面了解故障的發(fā)生點(diǎn)和發(fā)生原因，還可將當(dāng)日的運(yùn)行狀況打印出來(lái)記錄存檔。上位機(jī)可通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)和交換機(jī)連接到公司的管理網(wǎng)絡(luò)上，經(jīng)過(guò)授權(quán)的管理人員可隨時(shí)了解車間的生產(chǎn)狀況和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。所有設(shè)備均采用遠(yuǎn)程、現(xiàn)場(chǎng)、零位的控制模式，維修人員在現(xiàn)場(chǎng)即可輕松地實(shí)現(xiàn)控制方式的轉(zhuǎn)換，方便對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行檢修，同時(shí)整個(gè)電路采用直流24 V作為控制電壓，現(xiàn)場(chǎng)廣泛使用各種安全開關(guān)和保護(hù)開關(guān)，極大地提高了維修人員的安全性。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及PLC組成Fig.2 Network structure and PLC composition

3 下位機(jī)組成及功能

3.1 硬件

根據(jù)文獻(xiàn)[1-2]，下位機(jī)系統(tǒng)主要采用西門子S7-300 PLC和S7-200 PLC實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制，S7-300 PLC包括控制電源、CPU、數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、以太網(wǎng)模塊和單元擴(kuò)展接口模塊，2個(gè)現(xiàn)場(chǎng)采用西門子IM153模塊通過(guò)Profibus-DP與主站CPU通訊。觸摸屏分布在生產(chǎn)車間各處，用于手動(dòng)操作就近設(shè)備啟停，操作界面如圖3所示。生產(chǎn)線一旦出現(xiàn)故障，觸摸屏?xí)皶r(shí)顯示，報(bào)告故障位置。

圖3 觸摸屏手動(dòng)操作畫面Fig.3 HMI operation screen

S7-200Smart PLC配有CPU模塊和以太網(wǎng)通訊模塊，通過(guò)CPU自帶485通訊接口，與驅(qū)動(dòng)元件ABB變頻器完成Modbus RTU通訊，采集變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)出運(yùn)行指令及寫入運(yùn)行參數(shù)。這樣配置主要是為了節(jié)省成本，因?yàn)锳BB變頻器標(biāo)配有Modbus RTU通訊協(xié)議，不用另外采購(gòu)?fù)ㄓ嵞K，變頻器數(shù)量又多，通訊模塊的采購(gòu)成本遠(yuǎn)超過(guò)S7-200Smart的采購(gòu)成本。S7-200Smart通過(guò)以太網(wǎng)與S7-300通訊，經(jīng)S7-300將數(shù)據(jù)集中于上位機(jī)。

3.2 軟件

S7-300編程采用西門子公司開發(fā)的組態(tài)軟件STEP7 V5.5 SP2編輯。S7-200Smart采用 STEP 7-MicroWIN SMART組態(tài)軟件編程。

3.2.1 S7-300程序

S7-300程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。通過(guò)一系列的數(shù)據(jù)采集交換，經(jīng)過(guò)編程實(shí)現(xiàn)各臺(tái)設(shè)備順序啟停，設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)、故障處理、急停處理、與上位機(jī)及觸摸屏的通訊、工藝控制等功能。

全局控制程序匯集整條生產(chǎn)線各臺(tái)設(shè)備的手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)、故障狀態(tài)、急停狀態(tài)。發(fā)出啟動(dòng)或停止生產(chǎn)線自動(dòng)運(yùn)行命令，發(fā)出聲光報(bào)警。

報(bào)警匯總程序采集設(shè)備檢測(cè)元件數(shù)據(jù)，匯集急停報(bào)警、過(guò)熱報(bào)警、跑偏報(bào)警、跑偏故障、直流電源報(bào)警、變頻器故障報(bào)警、皮帶機(jī)打滑報(bào)警、堵料報(bào)警等。一方面服務(wù)全局程序故障報(bào)警指示，另一方面報(bào)告上位機(jī)及觸摸屏，顯示故障內(nèi)容。

圖4 S7-300程序結(jié)構(gòu)Fig.4 S7-300 program structure

圖5 控制流程Fig.5 Flow chart of control

自動(dòng)控制程序自動(dòng)控制流程如圖5所示。順序啟動(dòng)、停止生產(chǎn)線運(yùn)行：?jiǎn)?dòng)時(shí)由生產(chǎn)線最后端受料設(shè)備逐步向最前端送料設(shè)備啟動(dòng)，保證受料設(shè)備啟動(dòng)后送料設(shè)備才可啟動(dòng)，避免輸送機(jī)上堆料。停止時(shí)則由最前端送料設(shè)備到最后端受料設(shè)備逐步停止，保證停止運(yùn)行時(shí)清空輸送機(jī)上的物料；自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中故障處理程序：立即停止故障設(shè)備及給其供料設(shè)備的運(yùn)行，維修恢復(fù)后，由該設(shè)備開始，其供料設(shè)備順序啟動(dòng)；自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中急停處理程序：檢測(cè)到生產(chǎn)線上任意一個(gè)急停信號(hào)，全部設(shè)備停止運(yùn)行，直至恢復(fù)急停，全線重新啟動(dòng)。

手動(dòng)控制程序任何一臺(tái)設(shè)備在手動(dòng)狀態(tài)下都可以通過(guò)觸摸屏手動(dòng)操作單獨(dú)啟動(dòng)或停止，手動(dòng)操作主要用于設(shè)備檢修。

驅(qū)動(dòng)控制程序PLC輸出點(diǎn)驅(qū)動(dòng)程序。每臺(tái)設(shè)備手動(dòng)或自動(dòng)運(yùn)行指令通過(guò)PLC輸出點(diǎn)輸出，驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行。

單機(jī)控制程序控制滾筒篩、風(fēng)選機(jī)及人工手選設(shè)備的單獨(dú)運(yùn)行程序。

通訊程序建立S7-300 PLC與上位機(jī)、觸摸屏、S7-200Smart PLC通訊。

3.2.2 S7-200Smart程序

S7-200Smart PLC與變頻器建立Modbus RTU通訊，通過(guò)編寫輪詢程序逐一掃描每臺(tái)變頻器，讀寫變頻器參數(shù)。S7-200Smart PLC與S7-300 PLC建立以太網(wǎng)通訊，交互變頻器參數(shù)。

4 上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)加工業(yè)控制軟件的配置。工業(yè)控制軟件采用西門子組態(tài)可視軟件WinCC7.0，它具有以下過(guò)程可視化的功能：全圖形顯示；報(bào)警顯示；報(bào)警歸檔和報(bào)警記錄；測(cè)量值采集（歸檔功能、數(shù)據(jù)壓縮、最小值和最大值等）；報(bào)表編輯器，用于把機(jī)器順序和過(guò)程順序以個(gè)別報(bào)表形式形成文件；對(duì)各種PLC系統(tǒng)的過(guò)程通訊；標(biāo)準(zhǔn)接口，例如Microsoft程序；在所有的WinCC應(yīng)用模塊中都有編程接口（API），允許訪問(wèn)數(shù)據(jù)和函數(shù)；復(fù)雜的可視化任務(wù)可以使用ANSI-C或VB編程語(yǔ)言來(lái)解決[3]。

上位機(jī)操作界面在系統(tǒng)啟動(dòng)或注銷后，必須輸入正確的用戶名和操作密碼進(jìn)行登錄后才能進(jìn)入系統(tǒng)操作。系統(tǒng)設(shè)置多種用戶操作權(quán)限，分為操作員權(quán)限、管理員權(quán)限。操作員權(quán)限只能進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視、設(shè)備操作、報(bào)表打印，管理員具有操作員全部權(quán)限外、還可進(jìn)行參數(shù)的修改和設(shè)定。系統(tǒng)登錄界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)登錄界面Fig.6 PC login

主工藝流程如圖7所示，顯示完整城市生活垃圾處理工藝過(guò)程，并且所有設(shè)備均用動(dòng)態(tài)圖形表示。運(yùn)行狀態(tài)用不同的顏色來(lái)區(qū)分，如用藍(lán)色表示停止，灰色表示自動(dòng)，黃色表示手動(dòng)，紅色表示故障，綠色運(yùn)動(dòng)的箭頭等表示物料的運(yùn)行方向和設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。在工藝流程圖上可設(shè)定流量閥的開度，調(diào)節(jié)上料速度，設(shè)定變頻器的頻率，調(diào)節(jié)處理速度，顯示流量閥實(shí)際開度和變頻器的實(shí)際頻率值、電流值。變頻器參數(shù)還可在變頻器參數(shù)畫面中設(shè)定和顯示，還可顯示其參數(shù)曲線，如圖8所示。

圖7 工藝流程Fig.7 Process flow

圖8 頻器參數(shù)畫面Fig.8 Parameters of inverters

自控系統(tǒng)報(bào)警進(jìn)行分組處理，報(bào)警具有未消失未被確認(rèn)、未消失已被確認(rèn)、消失未被確認(rèn)和消失已被確認(rèn)4種狀態(tài)，可通過(guò)報(bào)警界面按取消和確認(rèn)報(bào)警。在監(jiān)控界面底部設(shè)置報(bào)警欄，不同顏色代表不同優(yōu)先級(jí)，顯示最近4個(gè)報(bào)警未消失未被確認(rèn)的詳細(xì)內(nèi)容，包括報(bào)警的當(dāng)前狀態(tài)、發(fā)生時(shí)間、“消失”的時(shí)間和確認(rèn)的時(shí)間，用戶可在報(bào)警出現(xiàn)時(shí)自動(dòng)通過(guò)打印機(jī)打印輸出，如圖9所示。并且，系統(tǒng)配置有報(bào)警歷史記錄，可隨時(shí)調(diào)出查看，根據(jù)時(shí)間、內(nèi)容分析報(bào)警情況和原因。

圖9 報(bào)警記錄Fig.9 Alarm record

上位機(jī)系統(tǒng)具備功能強(qiáng)大的事件記錄功能。

操作記錄功能操作記錄是指用戶對(duì)系統(tǒng)的使用情況，主要包括用戶登錄記錄、控制操作記錄、退出記錄等，用來(lái)保證系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)自動(dòng)檢查結(jié)果情況，并記錄在控制操作表中，內(nèi)容有命令發(fā)出時(shí)間、對(duì)象及操作性質(zhì)、執(zhí)行結(jié)果和用戶名等。

設(shè)備運(yùn)行記錄功能設(shè)備運(yùn)行記錄是指垃圾處理設(shè)備的運(yùn)行情況，主要包括用設(shè)備狀態(tài)記錄等。系統(tǒng)自動(dòng)記錄生產(chǎn)運(yùn)行情況，并記錄在生產(chǎn)記錄表中。

報(bào)警記錄功能報(bào)警運(yùn)行記錄是指系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制、運(yùn)行情況，主要包括各種設(shè)備的停止、啟動(dòng)的預(yù)報(bào)警，設(shè)備參數(shù)達(dá)到（超過(guò)）上下限時(shí)報(bào)警等，用來(lái)反映生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的異常情況。系統(tǒng)自動(dòng)檢查報(bào)警情況，并記錄在報(bào)警記錄表中，內(nèi)容有報(bào)警的種類、地點(diǎn)、名稱、報(bào)警時(shí)間等。監(jiān)測(cè)并顯示電氣設(shè)備的故障有過(guò)載、短路、過(guò)流、過(guò)電壓、失壓、過(guò)熱、缺相、超速、低速、主回路故障、變頻器故障、欠壓、PLC運(yùn)行狀態(tài)等。

歷史數(shù)據(jù)庫(kù)功能記錄各種垃圾處理過(guò)程中的數(shù)據(jù)，如用日處理記錄等，將所有數(shù)據(jù)歸納匯總形成報(bào)表，并相應(yīng)制報(bào)表顯示、打印和存檔。

5 結(jié)語(yǔ)

以高可靠性的西門子S7-300 PLC作為垃圾前分選生產(chǎn)線的主控制器，配以通訊網(wǎng)絡(luò)、上位計(jì)算機(jī)，觸摸屏實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)線的遠(yuǎn)程、智能、安全的自動(dòng)控制；實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)對(duì)話，方便操作人員在觸摸屏、主控室了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況并適時(shí)修改參數(shù)設(shè)置；實(shí)現(xiàn)了故障保護(hù)功能；實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程和現(xiàn)場(chǎng)兩級(jí)操作，達(dá)到了直觀、快捷、安全的運(yùn)行目的。該控制系統(tǒng)已經(jīng)在多條生產(chǎn)線中應(yīng)用，運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]劉華波，何文雪，王雪.西門子S7-300/400PLC編程與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]陳海霞，柴瑞娟，任慶海，等.西門子S7-300/400PLC編程技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3]姜建芳.西門子WinCC組態(tài)軟件工程應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.