高東明，馬建行，周 磊，黃志剛

(北京工商大學(xué) 人工智能學(xué)院，北京 100048)

0 引言

隨著我國(guó)垃圾分類的逐步實(shí)行，廚房垃圾可從固廢處理系統(tǒng)分離出來(lái)，減輕城市生活垃圾處理的難度，降低垃圾處理的負(fù)荷[1]。減量化、資源化和無(wú)害化是餐廚垃圾處理遵循的三大原則[2]，而減量化原則是從源頭上削減，最終減少處理量。因此，在餐廚垃圾處理過(guò)程中，無(wú)論采取何種最終工藝，往往都需要進(jìn)行破碎前處理，用以節(jié)省空間，方便運(yùn)輸和最終處理[3]。根據(jù)資源化處理工藝需要，破碎至較小顆粒，有利于物料在濕法厭氧消化處理中的流動(dòng)性，有利于好氧發(fā)酵過(guò)程中與氧氣充分接觸[4]。對(duì)于生活垃圾，目前破碎處理效果較好的設(shè)備有輥式撕碎機(jī)、剪切式破碎機(jī)和沖擊式破碎機(jī)等[5，6]。輥式破碎由于對(duì)生物質(zhì)材料適應(yīng)性廣，耐沖擊性好，較適合用于餐廚垃圾處理，但目前市場(chǎng)上的輥式破碎機(jī)普遍針對(duì)礦石等高硬度物料，控制對(duì)象主要是液壓系統(tǒng)[7～9]，這種驅(qū)動(dòng)形式難以用于餐廚破碎。在垃圾破碎方面，相關(guān)設(shè)備主要用于固廢垃圾[10，11]，而餐廚破碎存在大量高韌性材料，處理過(guò)程中控制系統(tǒng)常需要解決物料不容易排出、堵塞、纏繞等問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文針對(duì)輥式破碎方式設(shè)計(jì)了一套基于PLC的餐廚垃圾破碎控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在大落差轉(zhuǎn)載情況下調(diào)節(jié)破碎速率，可提高破碎效率降低能耗，另一方面系統(tǒng)具有多重檢測(cè)功能，可極大地提高破碎過(guò)程的安全性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)可自動(dòng)檢測(cè)過(guò)載并調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，具有防堵塞功能。

1 裝置的結(jié)構(gòu)及控制方案

1.1 裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

餐廚垃圾破碎采用對(duì)輥破碎原理，如圖1所示。在破碎輥的上方設(shè)置有喂料裝置，在喂料裝置里設(shè)有稱重模塊，人體紅外感應(yīng)模塊和光電檢測(cè)模塊，喂料裝置的下方為兩個(gè)相向轉(zhuǎn)動(dòng)的破碎輥，破碎輥的動(dòng)力由電機(jī)提供，破碎輥的下方為后續(xù)處理環(huán)節(jié)并安裝有液位傳感器。

圖1 裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

將餐廚垃圾投入至喂料裝置后，喂料裝置內(nèi)的光電檢測(cè)模塊檢測(cè)到物料后系統(tǒng)控制電機(jī)工作，稱重傳感器計(jì)量喂料量從而為電機(jī)轉(zhuǎn)速控制提供參考，人體紅外感應(yīng)模塊作為安全裝置用于感應(yīng)破碎輥的周圍一定范圍內(nèi)是否有人手等。電機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)兩個(gè)嚙合的破碎輥旋轉(zhuǎn)形成相互剪切、撕裂、擠壓的作用力[7～12]，從而達(dá)到破碎餐廚垃圾的功能?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)破碎輥轉(zhuǎn)速的調(diào)整。破碎過(guò)程中，當(dāng)稱重傳感器檢測(cè)到喂入量較大時(shí)，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高破碎速度；當(dāng)電流檢測(cè)模塊檢測(cè)到負(fù)載超過(guò)設(shè)定值時(shí)，降低轉(zhuǎn)速；當(dāng)負(fù)載超過(guò)警戒值時(shí)，電機(jī)先反轉(zhuǎn)后再正轉(zhuǎn)并報(bào)警。

1.2 控制方案的設(shè)計(jì)

根據(jù)裝置的功能要求，控制系統(tǒng)主要由PLC主機(jī)、模擬量擴(kuò)展模塊、多個(gè)傳感器、人機(jī)界面和變頻器等組成。根據(jù)裝置的功能需求，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。控制系統(tǒng)的主要測(cè)量?jī)x表有：喂料裝置里的人體紅外傳感器，稱重用的壓力傳感器，光電開關(guān)，液位傳感器，電流傳感器。所有測(cè)量?jī)x表都可直接變送至模擬量模塊。電機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)速變化、正反轉(zhuǎn)由控制系統(tǒng)控制，電機(jī)的所有功能都可選擇手動(dòng)控制或自動(dòng)控制。觸摸屏與PLC連接，作為系統(tǒng)的控制器和人機(jī)界面，用于數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設(shè)置[13]。

圖2 裝置的控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)內(nèi)的各傳感器自檢判斷當(dāng)前狀態(tài)，并進(jìn)入待機(jī)模式。當(dāng)喂料裝置里的光電檢測(cè)模塊檢測(cè)到物料喂入時(shí)，電機(jī)工作，破碎輥開始破碎餐廚垃圾。稱重傳感器測(cè)定喂入量并輸出至PLC，PLC根據(jù)稱重結(jié)果確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩_定破碎速度并自動(dòng)記錄稱重結(jié)果。當(dāng)破碎輥下方的液位傳感器檢測(cè)到液位超過(guò)警戒位置時(shí)，PLC控制電機(jī)停止工作并輸出警報(bào)。當(dāng)電流傳感器檢測(cè)到電機(jī)電流負(fù)載過(guò)大時(shí)，PLC控制電機(jī)反轉(zhuǎn)然后再正轉(zhuǎn)。觸摸屏用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定和手動(dòng)控制，用戶可在觸摸屏上對(duì)光電傳感器的靈敏度，稱重傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)值進(jìn)行手自動(dòng)設(shè)定；對(duì)于電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)可進(jìn)行手自動(dòng)控制；對(duì)喂入量數(shù)據(jù)可進(jìn)行存儲(chǔ)及查詢。

2 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)及硬件選型

2.1 控制及擴(kuò)展模塊

餐廚破碎裝置的控制系統(tǒng)包括PLC、傳感器、變頻器以及相應(yīng)的擴(kuò)展模塊和人機(jī)界面等，計(jì)算機(jī)可以直接通過(guò)以太網(wǎng)與PLC進(jìn)行通信。根據(jù)裝置控制系統(tǒng)的控制功能要求以及后續(xù)工藝集成的需求并結(jié)合系統(tǒng)所需輸入輸出信號(hào)，考慮到輸入輸出要留部分余量[14，15]，選擇西門子公司生產(chǎn)的S7-1200系列的CPU 1214C DC/DC/DC作為控制核心，該P(yáng)LC提供14點(diǎn)數(shù)字量輸入，10點(diǎn)數(shù)字量輸出，2點(diǎn)模擬量輸入，可滿足整個(gè)系統(tǒng)對(duì)I/O口的需求。在變頻電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，PLC將其輸出（數(shù)字信號(hào)）經(jīng)過(guò)模擬量模塊轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)傳輸給變頻器，由變頻器控制電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)破碎速度調(diào)整。模擬量擴(kuò)展模塊選擇與PLC配套的為SM1234模擬量輸入輸出模塊，該模塊可接受4點(diǎn)模擬信號(hào)輸入，輸出2點(diǎn)模擬量信號(hào)。根據(jù)控制要求分配PLC輸入輸出端口，各設(shè)備及傳感器元件的PLC端口地址分配如表1所示。

表1 PLC端口地址分配

2.2 傳感器檢測(cè)模塊

為了實(shí)現(xiàn)裝置工作過(guò)程參數(shù)的測(cè)量，控制系統(tǒng)選用光電傳感器安裝在喂料裝置內(nèi)，用于檢測(cè)是否有餐廚垃圾倒入；選用紅外人體傳感器安裝在喂料裝置內(nèi)用于檢測(cè)是否有活體進(jìn)入喂入裝置，用于保障人身安全；選用稱重傳感器安裝在喂入裝置內(nèi)，用于測(cè)定喂入量；選用電流傳感器安裝在電機(jī)的電流互感位置，用于檢測(cè)電機(jī)負(fù)載并以模擬量反饋給PLC；液位傳感器安裝在破碎部件的下方，用于檢測(cè)裝置內(nèi)的物料是否堵塞并反饋至PLC。各傳感器的具體參數(shù)如表2所示。

表2 傳感器的規(guī)格參數(shù)

2.3 變頻器與電機(jī)

為了改變電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而改變破碎輥的作業(yè)速度，控制系統(tǒng)采用變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。變頻器選用VFD-022M43A，該變頻器適用電機(jī)功率小于等于2.2kW，額定電壓為380V～480V，容許輸入電壓變動(dòng)范圍±10%，輸出頻率范圍0.1Hz～400Hz。選用電機(jī)型號(hào)Y100L1-4，其額定功率2.2kW，額定電壓380V，轉(zhuǎn)速1420rpm。與電機(jī)配套的減速機(jī)傳動(dòng)比為50∶1。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC主程序設(shè)計(jì)

餐廚垃圾破碎系統(tǒng)的控制程序包括設(shè)備監(jiān)控模塊、設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和設(shè)備控制模塊?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控模塊用于對(duì)各報(bào)警信號(hào)及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行集中顯示，設(shè)備控制模塊主要為PLC對(duì)電機(jī)及設(shè)備傳感器信號(hào)的檢測(cè)和反饋控制[16]，設(shè)置模塊用于設(shè)置傳感器的觸發(fā)信號(hào)值，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)物料的投入量、電機(jī)負(fù)載規(guī)律以及運(yùn)行異常日志。根據(jù)系統(tǒng)功能和控制要求PLC控制流程如圖3所示。

由圖3可知，系統(tǒng)和設(shè)備上電后，在觸摸屏上對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化，檢測(cè)各設(shè)備傳感器的標(biāo)定狀態(tài)，如果異常則報(bào)警。初始化成功后可選擇是否設(shè)置參數(shù)和手自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果選擇默認(rèn)設(shè)置，系統(tǒng)則保持待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)人體紅外傳感器檢測(cè)無(wú)活體且光電傳感器檢測(cè)到物料，則電機(jī)啟動(dòng)。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，PLC通過(guò)讀取稱重裝置檢測(cè)到的數(shù)據(jù)在觸摸屏顯示界面上給出合適的電機(jī)轉(zhuǎn)速參考值。在遇到特殊情況時(shí)，管理者可以通過(guò)按下緊急切換按鈕將系統(tǒng)切換到手動(dòng)模式。工作電機(jī)上安裝有電流檢測(cè)元件，可以將電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流傳給PLC，電機(jī)電流連續(xù)超限達(dá)到設(shè)定次數(shù)則報(bào)警輸出，連續(xù)累計(jì)沒達(dá)到設(shè)定次數(shù)則繼續(xù)自動(dòng)運(yùn)行直至完成各流程后，重新回到人體紅外傳感器檢測(cè)環(huán)節(jié)進(jìn)行下一輪循環(huán)。

圖3 控制程序流程圖

依據(jù)控制系統(tǒng)的流程圖，在博途V14平臺(tái)上編輯梯形指令。對(duì)應(yīng)的主要PLC網(wǎng)絡(luò)程序如圖4所示。

圖4包括：系統(tǒng)初始化，電機(jī)調(diào)速控制，電機(jī)電流超限次數(shù)累計(jì)及報(bào)警。

圖4 部分網(wǎng)絡(luò)程序

3.2 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用10寸觸摸屏作為顯示操作界面，采用以太網(wǎng)線與 PLC控制器進(jìn)行通訊。根據(jù)控制及操作要求，人機(jī)界面包括設(shè)備監(jiān)控界面、設(shè)置界面、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)界面。

如圖5所示，設(shè)備監(jiān)控界面主要顯示整機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和警報(bào)顯示。警報(bào)采用聲光形式提醒操作人員。設(shè)置界面主要包括設(shè)備運(yùn)行參數(shù)修改，手自動(dòng)切換，急停等操作。歷史數(shù)據(jù)界面可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的顯示及查詢。

圖5 觸摸屏主要界面

4 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)的餐廚垃圾破碎裝置控制系統(tǒng)不僅可以自動(dòng)完成餐廚破碎工作，還可以根據(jù)喂入量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)作業(yè)速度。同時(shí)，該系統(tǒng)采用PLC作為控制器，具有工作穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。在使用功能方面，系統(tǒng)可依據(jù)歷史數(shù)據(jù)對(duì)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行修改，可利用人機(jī)界面設(shè)定為自動(dòng)作業(yè)或手動(dòng)操作。該系統(tǒng)的成功實(shí)現(xiàn)可為遠(yuǎn)程控制環(huán)境條件差的餐廚處理車間提供技術(shù)支撐。

基于PLC的餐廚垃圾破碎裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)從控制方案，控制流程，梯形指令和人機(jī)界面等方面進(jìn)行了分析研究，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和功能設(shè)置可為餐廚垃圾預(yù)處理領(lǐng)域的自動(dòng)化和智能化設(shè)計(jì)提供借鑒。