王 珺 蘇俊愷 翁小潔 林觀明

（廣州科技職業(yè)技術(shù)大學，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著智能化時代的到來，綠色生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略成為社會可持續(xù)發(fā)展重要目標之一，垃圾分類處理產(chǎn)業(yè)技術(shù)日新月異，關(guān)于智能型的垃圾處理技術(shù)和設(shè)施的研發(fā)成為當下炙手可熱的研究課題。筆者查閱近10年關(guān)于垃圾分類的相關(guān)文獻，發(fā)現(xiàn)關(guān)于垃圾分類的文獻數(shù)量雖呈逐年遞增趨勢，但主要集中在垃圾智能分類、家庭分散式個體垃圾桶的智能化方面，如紅外線功能垃圾桶、節(jié)水型智能垃圾桶、太陽能智能垃圾桶等。關(guān)于公共區(qū)域內(nèi)垃圾桶的智能化管理系統(tǒng)研究較少，目前暫無成熟的系統(tǒng)型應(yīng)用案例。

本智能管理系統(tǒng)模型設(shè)計是以PLC技術(shù)為核心，針對高校園區(qū)垃圾集中處理站點的智能化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾站點自動滿桶更換、數(shù)據(jù)監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)管理等功能，能大大提高垃圾集中處理的工作效率，實現(xiàn)整體園區(qū)垃圾站點的統(tǒng)一管理。同時，系統(tǒng)模型將數(shù)字孿生技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用和結(jié)合，在提高開發(fā)效率，減少調(diào)試時間的前提下，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，利用高校云技術(shù)將系統(tǒng)與校園網(wǎng)相連接，實現(xiàn)整體監(jiān)控和遠程調(diào)用功能，填補了高校園區(qū)垃圾處理站點智能化管理的市場空白。

1 設(shè)計背景

許多高校響應(yīng)國家號召，進行垃圾分類處理，在各自的園區(qū)內(nèi)建立了集中的垃圾投遞站點。但是垃圾站點的管理模式，仍采用人工巡檢模式，定時更換和清理滿載的垃圾桶。這種方式對于人流量大，人員集中，站點間距離長的高校園區(qū)來說并不適用。在對廣東省55所高校的實地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，85.4%的高校垃圾站點均出現(xiàn)了不同程度的垃圾滿溢情況。筆者設(shè)計了一種基于PLC的電氣控制自動更換滿載垃圾桶的垃圾站點管理系統(tǒng)模型，以求實現(xiàn)高校園區(qū)各個垃圾站點的管理工作模式過程的全自動化、物聯(lián)網(wǎng)化。

經(jīng)前期調(diào)研，對比市場垃圾桶相關(guān)產(chǎn)品，本系統(tǒng)具有以下明顯的優(yōu)勢：一是該模型符合市場發(fā)展趨勢，發(fā)展前景大。該設(shè)計符合疫情常態(tài)化下綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，尤其是各大高校要加強大學生垃圾分類意識和習慣養(yǎng)成教育發(fā)展方向，系統(tǒng)的推廣可獲得更多高校的認同和支持，豐富大學生綜合素質(zhì)教育的內(nèi)容，改善師生生活環(huán)境和提高身體健康水平。二是系統(tǒng)的投資成本少，符合高校園區(qū)垃圾治理發(fā)展規(guī)劃。前期使用智能垃圾回收站的雛形，在一般職業(yè)院校的學校實驗室設(shè)備基礎(chǔ)上即可研發(fā)使用，設(shè)計成本和開銷均在可控范圍內(nèi)，成型產(chǎn)品的成本低，對于未設(shè)有專項垃圾分類專項經(jīng)費的高校也在可承受范圍之內(nèi)，價格在可接受范圍內(nèi)，“復制”和“推廣”性高。三是系統(tǒng)有技術(shù)發(fā)展前景和自主知識產(chǎn)權(quán)。該設(shè)計實現(xiàn)了PLC自動控制與傳感器技術(shù)在新的運用領(lǐng)域的突破，本項目對PLC與傳感器的創(chuàng)新設(shè)計和運用，利用校園網(wǎng)進行連接，形成云終端的智能監(jiān)控，可實現(xiàn)兩項技術(shù)在新的運用領(lǐng)域的突破。

2 設(shè)計介紹

本設(shè)計采用傳感設(shè)備與電氣自動化技術(shù)標準，實現(xiàn)了空桶定位、滿桶感應(yīng)、自動換桶、溫度監(jiān)測、遠程監(jiān)控等多種功能的集成，形成了智能垃圾站管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)擴展性能強、能24小時不間斷運行，能有效替代人工巡檢模式，可以將站點工作情況上傳云端，與校園網(wǎng)相連，通過其他平臺端口監(jiān)控整體園區(qū)的垃圾站點運行情況。從而解決高校園區(qū)垃圾堆積和人工消耗過大的問題。

2.1 程序編寫與建模仿真

程序編寫與建模仿真采用螺旋模型開發(fā)法，將原型法實現(xiàn)的迭代特征與線性順序模型中的控制和系統(tǒng)化的方面結(jié)合起來，使得軟件的增量版本的快速開發(fā)成為可能。程序的編寫采用TIA Portal軟件，它集成性強，兼容性良好，系統(tǒng)穩(wěn)定，增刪改查流程相對簡單。建模采用NX MCD軟件，用模塊化結(jié)構(gòu)對智能垃圾站的細節(jié)進行逐一仿真，而后將各模塊進行組合，并結(jié)合SIMITV V10，PLCSIM ADVanced 等仿真軟件讓機械結(jié)構(gòu)運動起來，最后通過編程軟件 TIA Portal 輸入相應(yīng)數(shù)值，進行仿真模擬。

圖1為系統(tǒng)仿真階段的整體結(jié)構(gòu)。通過仿真軟件的孿生技術(shù)調(diào)試，不僅可以進行快速的數(shù)據(jù)分析以及迭代更新，還可以逐一擺放部件的位置，以此對智能化垃圾站的空間資源進行合理化配置。

圖1 系統(tǒng)仿真整體結(jié)構(gòu)

2.2 雛形搭建與基于數(shù)字孿生系統(tǒng)的虛實調(diào)試

根據(jù)仿真模型進行智能垃圾站雛形的實物搭建。通過實證研究法，依據(jù)科學理論和實踐需要提出設(shè)計傳感器型號、電機型號，并結(jié)合專業(yè)理論知識與仿真模型中垃圾站的應(yīng)用情況，選擇合適的傳感器、電機、推桿、檢測裝置、通信擴展等部件。通過專家咨詢、資料分析等途徑了解垃圾站實際需求，讓功能的實現(xiàn)更為合理化。

雛形搭建完成后，利用數(shù)字孿生技術(shù)對整體項目進行測試與調(diào)整。對系統(tǒng)的各種模塊的測試和確認測試，包括測試每個模塊的程序是否有錯誤、測試模塊之間的接口是否正確、測試整個軟件系統(tǒng)是否滿足設(shè)計功能和性能的要求，判斷出項目規(guī)劃中所有的工藝流程以及可能出現(xiàn)的矛盾、缺陷、不匹配等問題。

2.3 硬件模塊設(shè)計與組成

垃圾站點智能管理系統(tǒng)雛形的實際整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。本系統(tǒng)是以西門子S7-1214C PLC作為控制核心，該系列PLC具有適應(yīng)惡劣環(huán)境、體積小、維修快、擴展性能強等特點。通過連接步進電機、減速電機、直流推桿、光電傳感器組成了主要的傳動模塊、驅(qū)動模塊、感應(yīng)模塊。對垃圾桶進行定位檢測、滿桶感應(yīng)；控制推桿運動，實施空桶與滿桶的更換工作，站內(nèi)溫度與濕度監(jiān)控以及相關(guān)數(shù)據(jù)上傳云端等集成監(jiān)控功能。

圖2 系統(tǒng)實際整體結(jié)構(gòu)

2.4 換桶模塊的控制流程

第一，接通電源后，系統(tǒng)會檢測投放點是否有垃圾桶存在，如在投放點沒有擺放垃圾桶時，空桶出料倉庫會將空的垃圾桶運送至出料推桿處，由出料推桿將空桶推至傳送平臺。傳送平臺將空桶送入相應(yīng)位置，并由裝載推桿推入，設(shè)置好空桶。

第二，當站內(nèi)垃圾桶滿載時，傳感器會感應(yīng)到桶已裝滿，首先關(guān)閉投遞口，同時亮燈提示正在更換垃圾桶。裝載推桿將垃圾桶拉入傳送平臺上，由傳送平臺送入不同類別的滿桶回收倉庫。

第三，此時空桶出料倉庫再次將相應(yīng)顏色的空桶置入傳送平臺，并推入相應(yīng)位置，完成垃圾桶自動置換，此時，投遞口打開，提示燈關(guān)閉，完成換桶流程。

2.5 通信與監(jiān)控

站內(nèi)設(shè)有多項數(shù)據(jù)檢測，以及無線網(wǎng)絡(luò)端口，利用PLC本身的易組網(wǎng)性將每個站點情況通過校園網(wǎng)上傳至云端，形成整個園區(qū)內(nèi)站點的統(tǒng)一監(jiān)控。無論是PC端還是移動端，均可通過WEB界面查看整體數(shù)據(jù)和各個站點情況。

如圖3所示，在觸摸屏上可簡單直觀了解到每一個垃圾站點的運行情況。

圖3 站點狀況記錄界面

3 結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計是在全國高校大力宣傳和普及垃圾分類教育的背景下提出的，有別于其他針對普通生活社區(qū)垃圾處理系統(tǒng)設(shè)計的研究項目，模型設(shè)計聚焦于高校園區(qū)，解決垃圾集中投放的管理和處置問題，從而對垃圾站系統(tǒng)提出智能優(yōu)化和設(shè)計。設(shè)計就高校園區(qū)人員密集，人流量大、垃圾量大、站點之間間隔長等突出問題。設(shè)計采用垃圾桶智能傳送更換鏈、適應(yīng)智慧校園的PLC網(wǎng)絡(luò)通信與傳感器物聯(lián)網(wǎng)連接、利用校園網(wǎng)形成高校社區(qū)智能垃圾回收站系統(tǒng)模型，在解決垃圾桶滿桶自動更換問題的同時，降低高校園區(qū)垃圾處理成本。如能順利將本設(shè)計投入實際生產(chǎn)和運用，可幫助高校園區(qū)節(jié)省開支，為減少校園環(huán)境污染做出重要貢獻，意義深遠。