花勇

摘 要：城市中有機(jī)生活垃圾處理主要依靠人力分揀，回收利用率低，加工自動(dòng)化程度不高。本文通過(guò)分析有機(jī)生活垃圾處理設(shè)備的工作流程，設(shè)計(jì)了一種的有機(jī)生活垃圾處理設(shè)備控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以可編程邏輯控制器為控制核心，以監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)組態(tài)畫(huà)面為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)生活垃圾處理設(shè)備作業(yè)過(guò)程的自動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控，滿足了有機(jī)生活垃圾處理的工藝控制要求，具有一定實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：有機(jī)生活垃圾;可編程邏輯控制器（PLC）;自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：X799.3;TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）25-0033-04

The Design of the Control System for Organic Domestic Waste Treatment Equipment Based on PLC

HUA Yong

（Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College， Huai'an Jiangsu 223005）

Abstract： In view of the shortcomings of organic domestic waste processing in cities， which mainly rely on manual sorting， its recycling rate is low， and the degree of processing automation is not high. By analyzing the work flow of organic domestic waste treatment equipment， a new control system of organic domestic waste treatment equipment is designed in this paper. The system takes the programmable logic controller as the control core and the monitoring and control general system configuration screen as the upper computer to realize the automatic control and real-time monitoring of the operation process of organic domestic waste treatment equipment， which meets the process control requirements of organic domestic waste treatment and has certain practical significance.

Keywords： organic household waste;programmable logic controller（PLC）;automatic control

隨著生活條件的不斷改善，城市生活垃圾產(chǎn)生量也逐年增多，現(xiàn)有垃圾大致可以分為可回收垃圾、有機(jī)生活垃圾、有害垃圾及其他不可回收垃圾4類[1]。其中，有機(jī)生活垃圾占比超過(guò)50%，包括日常廚余垃圾，如剩菜、果皮等富含脂肪、蛋白質(zhì)、碳水化合物的有機(jī)物質(zhì)。傳統(tǒng)的垃圾處理方式多為焚燒與填埋處理。但是焚燒時(shí)需要消耗大量燃料，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量污染物;而有機(jī)垃圾填埋不當(dāng)又極易腐爛變質(zhì)，污染現(xiàn)有土地資源。目前對(duì)生活垃圾較為合理的處理方式是對(duì)經(jīng)過(guò)分揀的有機(jī)垃圾進(jìn)行粉碎、壓榨、混合攪拌后生成有機(jī)肥料，將有機(jī)生活垃圾進(jìn)行二次資源開(kāi)發(fā)利用，達(dá)到“減量化、資源化、無(wú)害化”的垃圾處理要求[2]。本文在有機(jī)生活垃圾處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，以可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）為控制核心，以三相異步電機(jī)、變頻器、氣缸和油泵等為執(zhí)行元件，設(shè)計(jì)出有機(jī)生活垃圾處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)日常有機(jī)生活垃圾處理過(guò)程的自動(dòng)化，極大提高了有機(jī)生活垃圾的處理效率。

1 有機(jī)生活垃圾處理設(shè)備工作原理及控制要求

有機(jī)生活垃圾處理設(shè)備將分揀后的有機(jī)垃圾，經(jīng)過(guò)攪拌、粉碎和擠壓脫水后生成顆粒狀的有機(jī)肥料排出，整個(gè)加工過(guò)程沒(méi)有使用任何化學(xué)添加劑，加工后的廢料還可變成有機(jī)肥料再生利用，變廢為寶?？刂葡到y(tǒng)按照功能主要由垃圾桶提升機(jī)構(gòu)、垃圾分揀平臺(tái)、垃圾撕碎機(jī)、螺旋送料及脫水機(jī)構(gòu)等部分組成，各部分功能及要求如下。

1.1 垃圾桶提升機(jī)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)將垃圾桶提升至輸送帶位置，在計(jì)重點(diǎn)停留3 s進(jìn)行稱重，質(zhì)量超過(guò)50 kg時(shí)繼續(xù)上升到指定位置進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，傾倒垃圾到輸送帶上。倒完垃圾后，桶自動(dòng)退回到計(jì)重點(diǎn)處去皮。如檢測(cè)到桶內(nèi)物料未倒完，提升機(jī)會(huì)自動(dòng)重復(fù)一次倒桶動(dòng)作。然后，提升機(jī)構(gòu)自動(dòng)返回到起點(diǎn)，拿掉空桶。重復(fù)以上動(dòng)作流程完成倒桶過(guò)程。

1.2 垃圾分揀平臺(tái)

對(duì)傳送帶上的垃圾進(jìn)行磁選和人工篩選，剔除有機(jī)垃圾中的金屬、塑料橡膠等非有機(jī)混合垃圾，輸送到垃圾撕碎機(jī)進(jìn)行撕碎處理。

1.3 垃圾撕碎機(jī)

分揀后的有機(jī)垃圾隨著傳送帶進(jìn)入垃圾撕碎機(jī)的V形進(jìn)料斗，在推料氣缸的作用下將物料推入V形撕碎齒腔中。通過(guò)交流接觸器、電磁換向閥控制電機(jī)及液壓系統(tǒng)的快速閉合，兩個(gè)撕碎齒輥在兩個(gè)減速電機(jī)的帶動(dòng)下以不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行相對(duì)旋轉(zhuǎn)，利用兩個(gè)撕碎齒輥形成的收縮夾角，對(duì)進(jìn)入齒腔中的垃圾產(chǎn)生撕扯與剪切力，從而將進(jìn)入的大塊垃圾顆?；懦?。

1.4 螺旋送料及脫水機(jī)構(gòu)

輸送帶將粉碎后的物料送到主機(jī)內(nèi)，安置在篩網(wǎng)中。主電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器，從而使螺旋軸旋轉(zhuǎn)。顆?；蟮睦诼菪g龍作用下推向排料口，排料口倉(cāng)門(mén)的壓力也逐漸增加，壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，卸料口將被頂開(kāi)，壓縮后的物料被擠出物料口。而擠壓產(chǎn)生的液體經(jīng)過(guò)通道下方的濾網(wǎng)過(guò)濾后從排水管流入下方的油水分離器。

2 電氣及操作系統(tǒng)硬件選型

通過(guò)分析有機(jī)生活垃圾處理工作流程，明確有機(jī)生活垃圾處理系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)根據(jù)加工流程由垃圾桶提升平臺(tái)、垃圾分揀平臺(tái)、垃圾撕碎機(jī)、螺旋送料及脫水系統(tǒng)等單元組成。從經(jīng)濟(jì)實(shí)用方面考慮選用西門(mén)子S7-200 PLC作為系統(tǒng)的控制運(yùn)算核心，負(fù)責(zé)采集按鈕、傳感器的輸入信號(hào)，程序運(yùn)算后發(fā)送指令給輸出端驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電磁閥等執(zhí)行元件[3]。監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（Monitor and Control Generated System，MCGS）觸摸屏作為上位機(jī)，通過(guò)與下位機(jī)PLC通信，可以直接在組態(tài)界面上進(jìn)行各單元上下限參數(shù)設(shè)置和清除報(bào)警信息等操作，監(jiān)控垃圾處理設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。其他電氣元件選型如下。

2.1 電機(jī)選擇

有機(jī)生活垃圾處理系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需要選用的電機(jī)類型和規(guī)格如表1所示。

2.2 光電旋轉(zhuǎn)編碼器

為了檢測(cè)垃圾在傳送帶上的位移量和移動(dòng)速度，選用通用型光電旋轉(zhuǎn)編碼器，型號(hào)為歐姆龍E6B2-CWZ6C。工作電源（直流）為5～24 V，分辨率為500脈沖/旋轉(zhuǎn)。

2.3 變頻器選擇

為了適應(yīng)不同的生產(chǎn)節(jié)奏，方便實(shí)現(xiàn)觸摸屏對(duì)垃圾分揀平臺(tái)電機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的調(diào)整和啟?？刂疲x用額定電壓380 V、額定功率2.0 kW的西門(mén)子MM420變頻器。配合光電旋轉(zhuǎn)編碼器，可在觸摸屏上設(shè)置傳送帶運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)較為精確的運(yùn)動(dòng)距離和速度控制。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 操作控制流程設(shè)計(jì)

有機(jī)生活垃圾處理系統(tǒng)通過(guò)開(kāi)關(guān)可切換手動(dòng)和自動(dòng)控制模式。

在手動(dòng)模式下，可以對(duì)垃圾桶提升機(jī)構(gòu)的升降，垃圾分揀平臺(tái)的左行、右行，撕碎電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，螺旋送料及脫水系統(tǒng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)進(jìn)行手動(dòng)操作。為了安全起見(jiàn)，電機(jī)控制電路需要添加交流接觸器互鎖和過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)。

在自動(dòng)模式下，按下啟動(dòng)按鈕后，系統(tǒng)先自檢是否滿足初始化條件。如不滿足，設(shè)備先恢復(fù)到初始狀態(tài)。之后稱重傳感器檢測(cè)垃圾桶質(zhì)量是否大于50 kg，同時(shí)光電傳感器檢測(cè)垃圾桶在下限位時(shí)提升垃圾桶到達(dá)上限位，提升機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)垃圾桶，傾倒垃圾到傳送帶上，傾倒完成后垃圾桶稱重小于10 kg時(shí)原路返回。垃圾分揀平臺(tái)左側(cè)光電傳感器檢測(cè)到垃圾時(shí)，變頻器驅(qū)動(dòng)三相異步電機(jī)帶動(dòng)傳送帶右行。到達(dá)中央位置時(shí)傳送帶暫停，氣缸下行，氣缸下方的磁鐵吸附走有機(jī)垃圾中的鐵屑。之后氣缸上行，傳送帶繼續(xù)前進(jìn)。右側(cè)光電傳感器檢測(cè)到垃圾時(shí)變頻器停止10 s，由推料氣缸將分揀后的垃圾推入垃圾撕碎機(jī)構(gòu)的漏斗中，減速電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行帶動(dòng)撕碎齒輥旋轉(zhuǎn)，將較大的生活垃圾進(jìn)行顆?；笤偻ㄟ^(guò)V形漏斗傳送至螺旋送料及脫水單元。螺旋機(jī)構(gòu)通過(guò)擠壓將壓縮過(guò)的廢料傳送至出料口，出料口處安裝壓力傳感器，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，壓縮的廢料將出料口倉(cāng)門(mén)頂開(kāi)，廢料從出料口排出。輸送過(guò)程中多余的液體經(jīng)下面過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾后進(jìn)入廢水槽，經(jīng)過(guò)油水分離后，油泵將上面的廢油抽走，系統(tǒng)控制流程，如圖1所示[4]。

3.2 PLC控制設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)中用到的按鈕、開(kāi)關(guān)、傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖信號(hào)連接到PLC輸入端，垃圾桶提升電機(jī)、撕碎電機(jī)和螺旋送料電機(jī)通過(guò)交流接觸器連接到繼電器型PLC的輸出端，共需要15個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)、9個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)，一個(gè)模擬量輸入信號(hào)和一個(gè)模擬量輸出信號(hào)。從經(jīng)濟(jì)性和可靠性方面考慮，選擇西門(mén)子S7-200系列CPU_224XP_CN繼電器輸出型PLC，它的I/O點(diǎn)數(shù)為24點(diǎn)，還有2路模擬量輸入和1路模擬量輸出信號(hào)?？紤]到后續(xù)控制系統(tǒng)升級(jí)，還需要添加EM223CN 8輸入/8輸出繼電器型擴(kuò)展模塊，I/O地址分配如表2、表3所示。

系統(tǒng)程序的手動(dòng)模式與自動(dòng)模式可通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA1進(jìn)行切換。根據(jù)順序控制功能圖，自動(dòng)模式程序結(jié)構(gòu)包括主程序、垃圾桶提升子程序、傳動(dòng)帶控制子程序、垃圾撕碎機(jī)子程序、螺旋送料及脫水子程序、油水過(guò)濾子程序和高速計(jì)數(shù)器初始化子程序。

主程序采用置位復(fù)位指令編號(hào)，子程序采用SFC指令編寫(xiě)，其中傳動(dòng)帶控制部分可根據(jù)生產(chǎn)需要從HMI輸入變頻器頻率大小來(lái)驅(qū)動(dòng)傳送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速，運(yùn)行程序如圖2所示。

3.3 MCGS 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

有機(jī)生活垃圾處理系統(tǒng)上位機(jī)選用昆侖通態(tài)的人機(jī)界面TPC7062KS，通過(guò)COM口與PLC相連，與PLC通信速率設(shè)置為19 kb/s[5]。為滿足監(jiān)控控制系統(tǒng)的需要，系統(tǒng)采用多窗口界面設(shè)計(jì)。操作面板首頁(yè)是手動(dòng)控制及參數(shù)調(diào)節(jié)顯示組態(tài)界面，可以手動(dòng)控制電機(jī)的運(yùn)行、顯示或調(diào)整設(shè)備運(yùn)行參數(shù);第二頁(yè)是生活垃圾處理系統(tǒng)整體監(jiān)控組態(tài)界面，可實(shí)時(shí)采集PLC各端口的數(shù)據(jù)變化，監(jiān)控垃圾桶提升平臺(tái)、垃圾分揀平臺(tái)、垃圾撕碎機(jī)、螺旋送料及脫水系統(tǒng)等模塊的工作過(guò)程。有機(jī)生活垃圾處理系統(tǒng)人機(jī)界面如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)有機(jī)生活垃圾在處理過(guò)程中存在的自動(dòng)化程度不高、回收利用不充分且污染環(huán)境、損害工作人員身體健康等弊端，本文在分析有機(jī)生活垃圾設(shè)備工作原理的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了以PLC為運(yùn)算控制中心，以MCGS組態(tài)為上位機(jī)的有機(jī)生活垃圾處理設(shè)備控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)組態(tài)頁(yè)面采用多畫(huà)面窗口設(shè)計(jì)，操作人員可進(jìn)行手動(dòng)控制和系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息。界面控制邏輯簡(jiǎn)單直觀，有效保障了有機(jī)生活垃圾處理設(shè)備運(yùn)行的可靠性，具有一定的實(shí)際工程意義。

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