張月平，苗家森

（天津百利陽光環(huán)保設備有限公司，天津 300410）

目前，生活垃圾構成種類越來越多，處理越來越困難。傳統(tǒng)的垃圾處理方式是直接填埋或焚燒，垃圾填埋場通常設置在農(nóng)村，占用大量農(nóng)田，對不分類的垃圾進行焚燒，會造成大氣污染。隨著我國改革開放的進一步深入，經(jīng)濟發(fā)展越來越豐富，生活節(jié)奏加快，人們在生活中產(chǎn)生的垃圾也越來越多，成分越來越復雜，越來越難處理。上世紀九十年代我國就有人提出對垃圾進行綜合利用，但是由于當時技術不成熟，而且沒有得到足夠重視，直到現(xiàn)在，生活垃圾的處理設備也是在焚燒和填埋方面的研究比較多，對垃圾分選設備研究比較少。隨著社會的發(fā)展，生活垃圾的綜合處理得到越來越多的關注。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)一般都沒有得到有效利用。垃圾分選設備研究的目的，就是將混合垃圾進行有效的分類，對某垃圾成分中的少量雜質(zhì)進行分離，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。

生活垃圾處理項目主要包括前分選生產(chǎn)線和各種專項處理設備等。前分選生產(chǎn)線主要是將混合垃圾進行分類，經(jīng)后續(xù)處理后的生活垃圾幾乎全部變廢為寶，有機質(zhì)經(jīng)噴爆造粒變?yōu)榉柿?，滲濾液經(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)線的運行要求，我們采用PLC作為主要控制元件，觸摸屏和上位機作為人機交互界面，設計出自動化水平較高、運行平穩(wěn)可靠的控制系統(tǒng)。我們經(jīng)過不斷的摸索和改進，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。

1 生產(chǎn)線設備構成

根據(jù)垃圾組分及分選結果不同，前分選設備基本包括板式輸送機、滾筒篩、破碎機、磁選機、風選機、液壓料倉、打包機等主要處理設備，通過皮帶輸送機或螺旋輸送機將物料輸送至處理設備。板式輸送機為最初上料設備，原生垃圾通過該設備輸送到后續(xù)處理生產(chǎn)線，該設備由輸送部分和均料破袋部分組成，輸送部分主要運送原生垃圾，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行篩分，根據(jù)網(wǎng)孔的大小將垃圾在滾動過程中分成大小粒徑兩部分，再進行不同的處理過程；破碎機將大件垃圾破碎；磁選機將鐵質(zhì)垃圾分出；風選機按物料重量分為輕物料和重物料；打包機將輕物料（塑料，紙制品等）打包；皮帶機將各主要設備連接起來，將物料輸送至不同的處理方向。前分選設備主要完成對垃圾各種成分的分類，分出有機質(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 前分選設備布局Fig.1 Layout of sorting equipments

2 控制系統(tǒng)構成

前分選控制系統(tǒng)主要由主控室上位機部分和現(xiàn)場控制設備組成。上位機通過以太網(wǎng)讀取現(xiàn)場PLC采集的各設備的狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)，具有設定工藝參數(shù)、遠程啟停設備、監(jiān)控生產(chǎn)線運行、及時顯示設備故障、記載歷史數(shù)據(jù)等功能?，F(xiàn)場控制設備由下位機可編程邏輯控制器（PLC）、現(xiàn)場操作設備觸摸屏、驅(qū)動設備、檢測元件等組成，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡組成如圖2所示。系統(tǒng)采用PLC作為現(xiàn)場控制單元，通過各種傳感器、開關、按鈕檢測設備的狀態(tài)，并通過變頻器、接觸器等控制元件來驅(qū)動現(xiàn)場的各種電機、泵、閥、風機等運行?，F(xiàn)場的變頻器及各種智能設備通過Profibus總線連接到PLC主站，主站將各設備及從站的狀態(tài)上傳到上位機，通過上位機的組態(tài)軟件轉換為可操作的視窗界面，操作人員通過視窗界面可實時了解所有設備的運行狀況，工程師可通過操作界面對設備進行參數(shù)的設置，維修人員可通過操作界面了解故障的發(fā)生點和發(fā)生原因，還可將當日的運行狀況打印出來記錄存檔。上位機可通過工業(yè)以太網(wǎng)和交換機連接到公司的管理網(wǎng)絡上，經(jīng)過授權的管理人員可隨時了解車間的生產(chǎn)狀況和設備的運行狀態(tài)。所有設備均采用遠程、現(xiàn)場、零位的控制模式，維修人員在現(xiàn)場即可輕松地實現(xiàn)控制方式的轉換，方便對所有設備進行檢修，同時整個電路采用直流24 V作為控制電壓，現(xiàn)場廣泛使用各種安全開關和保護開關，極大地提高了維修人員的安全性。

圖2 網(wǎng)絡結構及PLC組成Fig.2 Network structure and PLC composition

3 下位機組成及功能

3.1 硬件

根據(jù)文獻[1-2]，下位機系統(tǒng)主要采用西門子S7-300 PLC和S7-200 PLC實現(xiàn)過程控制，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)模塊和單元擴展接口模塊，2個現(xiàn)場采用西門子IM153模塊通過Profibus-DP與主站CPU通訊。觸摸屏分布在生產(chǎn)車間各處，用于手動操作就近設備啟停，操作界面如圖3所示。生產(chǎn)線一旦出現(xiàn)故障，觸摸屏會及時顯示，報告故障位置。

圖3 觸摸屏手動操作畫面Fig.3 HMI operation screen

S7-200Smart PLC配有CPU模塊和以太網(wǎng)通訊模塊，通過CPU自帶485通訊接口，與驅(qū)動元件ABB變頻器完成Modbus RTU通訊，采集變頻器運行數(shù)據(jù)，發(fā)出運行指令及寫入運行參數(shù)。這樣配置主要是為了節(jié)省成本，因為ABB變頻器標配有Modbus RTU通訊協(xié)議，不用另外采購通訊模塊，變頻器數(shù)量又多，通訊模塊的采購成本遠超過S7-200Smart的采購成本。S7-200Smart通過以太網(wǎng)與S7-300通訊，經(jīng)S7-300將數(shù)據(jù)集中于上位機。

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程序結構如圖4所示。通過一系列的數(shù)據(jù)采集交換，經(jīng)過編程實現(xiàn)各臺設備順序啟停，設備狀態(tài)檢測、故障處理、急停處理、與上位機及觸摸屏的通訊、工藝控制等功能。

全局控制程序匯集整條生產(chǎn)線各臺設備的手動/自動狀態(tài)、故障狀態(tài)、急停狀態(tài)。發(fā)出啟動或停止生產(chǎn)線自動運行命令，發(fā)出聲光報警。

報警匯總程序采集設備檢測元件數(shù)據(jù)，匯集急停報警、過熱報警、跑偏報警、跑偏故障、直流電源報警、變頻器故障報警、皮帶機打滑報警、堵料報警等。一方面服務全局程序故障報警指示，另一方面報告上位機及觸摸屏，顯示故障內(nèi)容。

圖4 S7-300程序結構Fig.4 S7-300 program structure

圖5 控制流程Fig.5 Flow chart of control

自動控制程序自動控制流程如圖5所示。順序啟動、停止生產(chǎn)線運行：啟動時由生產(chǎn)線最后端受料設備逐步向最前端送料設備啟動，保證受料設備啟動后送料設備才可啟動，避免輸送機上堆料。停止時則由最前端送料設備到最后端受料設備逐步停止，保證停止運行時清空輸送機上的物料；自動運行過程中故障處理程序：立即停止故障設備及給其供料設備的運行，維修恢復后，由該設備開始，其供料設備順序啟動；自動運行過程中急停處理程序：檢測到生產(chǎn)線上任意一個急停信號，全部設備停止運行，直至恢復急停，全線重新啟動。

手動控制程序任何一臺設備在手動狀態(tài)下都可以通過觸摸屏手動操作單獨啟動或停止，手動操作主要用于設備檢修。

驅(qū)動控制程序PLC輸出點驅(qū)動程序。每臺設備手動或自動運行指令通過PLC輸出點輸出，驅(qū)動設備運行。

單機控制程序控制滾筒篩、風選機及人工手選設備的單獨運行程序。

通訊程序建立S7-300 PLC與上位機、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，通過編寫輪詢程序逐一掃描每臺變頻器，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 上位機系統(tǒng)

上位機采用工業(yè)控制計算機加工業(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，它具有以下過程可視化的功能：全圖形顯示；報警顯示；報警歸檔和報警記錄；測量值采集（歸檔功能、數(shù)據(jù)壓縮、最小值和最大值等）；報表編輯器，用于把機器順序和過程順序以個別報表形式形成文件；對各種PLC系統(tǒng)的過程通訊；標準接口，例如Microsoft程序；在所有的WinCC應用模塊中都有編程接口（API），允許訪問數(shù)據(jù)和函數(shù)；復雜的可視化任務可以使用ANSI-C或VB編程語言來解決[3]。

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

圖6 上位機登錄界面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程，并且所有設備均用動態(tài)圖形表示。運行狀態(tài)用不同的顏色來區(qū)分，如用藍色表示停止，灰色表示自動，黃色表示手動，紅色表示故障，綠色運動的箭頭等表示物料的運行方向和設備的運轉。在工藝流程圖上可設定流量閥的開度，調(diào)節(jié)上料速度，設定變頻器的頻率，調(diào)節(jié)處理速度，顯示流量閥實際開度和變頻器的實際頻率值、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)報警進行分組處理，報警具有未消失未被確認、未消失已被確認、消失未被確認和消失已被確認4種狀態(tài)，可通過報警界面按取消和確認報警。在監(jiān)控界面底部設置報警欄，不同顏色代表不同優(yōu)先級，顯示最近4個報警未消失未被確認的詳細內(nèi)容，包括報警的當前狀態(tài)、發(fā)生時間、“消失”的時間和確認的時間，用戶可在報警出現(xiàn)時自動通過打印機打印輸出，如圖9所示。并且，系統(tǒng)配置有報警歷史記錄，可隨時調(diào)出查看，根據(jù)時間、內(nèi)容分析報警情況和原因。

圖9 報警記錄Fig.9 Alarm record

上位機系統(tǒng)具備功能強大的事件記錄功能。

操作記錄功能操作記錄是指用戶對系統(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，用來保證系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)自動檢查結果情況，并記錄在控制操作表中，內(nèi)容有命令發(fā)出時間、對象及操作性質(zhì)、執(zhí)行結果和用戶名等。

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

報警記錄功能報警運行記錄是指系統(tǒng)現(xiàn)場設備的控制、運行情況，主要包括各種設備的停止、啟動的預報警，設備參數(shù)達到（超過）上下限時報警等，用來反映生產(chǎn)運行時出現(xiàn)的異常情況。系統(tǒng)自動檢查報警情況，并記錄在報警記錄表中，內(nèi)容有報警的種類、地點、名稱、報警時間等。監(jiān)測并顯示電氣設備的故障有過載、短路、過流、過電壓、失壓、過熱、缺相、超速、低速、主回路故障、變頻器故障、欠壓、PLC運行狀態(tài)等。

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

5 結語

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、上位計算機，觸摸屏實現(xiàn)了對生產(chǎn)線的遠程、智能、安全的自動控制；實現(xiàn)了良好的人機對話，方便操作人員在觸摸屏、主控室了解現(xiàn)場設備的實際運行狀況并適時修改參數(shù)設置；實現(xiàn)了故障保護功能；實現(xiàn)了遠程和現(xiàn)場兩級操作，達到了直觀、快捷、安全的運行目的。該控制系統(tǒng)已經(jīng)在多條生產(chǎn)線中應用，運行平穩(wěn)、可靠，獲得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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

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

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