一種下沉式城市生活垃圾處理站系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

于泳　潘培　孫光耀　楊笑盈　胥軍

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢　430070）

一種下沉式城市生活垃圾處理站系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

于泳潘培孫光耀楊笑盈胥軍

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430070）

針對(duì)當(dāng)今城市垃圾年產(chǎn)量增大，污染嚴(yán)重且轉(zhuǎn)運(yùn)站占地面積大等問題，設(shè)計(jì)了一種下沉式垃圾處理站的控制系統(tǒng)方案。該電氣控制系統(tǒng)運(yùn)用三菱Q系列PLC、CC-LINK總線和觸摸屏技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)電控系統(tǒng)的優(yōu)化控制、優(yōu)化運(yùn)行和優(yōu)化管理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行。本文討論了系統(tǒng)的控制流程、硬件選型和軟件系統(tǒng)開發(fā)，完成外箱門及內(nèi)箱體的升降，壓縮推板的伸縮，數(shù)據(jù)的采集和可視化監(jiān)控等功能。所提出的設(shè)計(jì)方案適用于城市中心的生活垃圾站，具有較高的性價(jià)比和應(yīng)用價(jià)值。

城市垃圾下沉式垃圾處理站自動(dòng)化運(yùn)行可視化監(jiān)控

1　引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市垃圾年產(chǎn)量呈現(xiàn)逐步上升態(tài)勢(shì)，導(dǎo)致垃圾收集、運(yùn)輸費(fèi)用的不斷增加。在城市生活垃圾的全過程管理中，垃圾的收運(yùn)是連接發(fā)生源與處理處置設(shè)施的不可或缺的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其收運(yùn)費(fèi)用耗資最大，約占總費(fèi)用的60%～80%，且操作過程也極為復(fù)雜。因此，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種適用于城市中心的下沉式垃圾處理站，將垃圾外箱體置于地表之上，內(nèi)箱體可沉入地下，完成垃圾壓縮工作。外箱的設(shè)計(jì)保證了工作人員的安全，小型化設(shè)備有效地節(jié)約了工作空間，同時(shí)電控系統(tǒng)極大地提高了設(shè)備的自動(dòng)化程度。

2　系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計(jì)

本文綜合利用三菱Q系列可編程控制器PLC運(yùn)行穩(wěn)定和CCLINK總線信號(hào)傳輸可靠的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種適用于城市中心的垃圾處理站的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于高可靠性的工控產(chǎn)品以及總線控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)電控系統(tǒng)的優(yōu)化控制、優(yōu)化運(yùn)行和優(yōu)化管理，為我國城市垃圾處理站電控系統(tǒng)功能的提升奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)下沉式城市生活垃圾處理站的作業(yè)流程以及作業(yè)特點(diǎn)，本文篩選出了該控制系統(tǒng)主要的功能，這些功能包括：外箱門及內(nèi)箱體的升降，壓縮推板的伸縮，數(shù)據(jù)的采集和可視化監(jiān)控。各項(xiàng)功能的控制需求描述如下：

（1）壓縮推板的伸縮：壓縮裝置是該系統(tǒng)的主要機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)通過壓縮推板的伸縮實(shí)現(xiàn)城市生活垃圾的壓縮。該功能通過三相電機(jī)實(shí)現(xiàn)，并通過限位開關(guān)判斷其是否運(yùn)動(dòng)到位。

（2）內(nèi)箱體的升降：通過電動(dòng)伸縮桿來實(shí)現(xiàn)垃圾站內(nèi)箱體的上升和下降，相對(duì)于液壓剪叉舉升，有效地節(jié)約了空間。

（3）內(nèi)、外箱門的同步升降：外箱門通過卡槽與內(nèi)箱門連接，控制中心PLC發(fā)出控制信號(hào)，用YN90-60三相電機(jī)加以控制，實(shí)現(xiàn)內(nèi)箱門和外箱門的同步升降。

（4）數(shù)據(jù)的采集：壓力傳感器實(shí)時(shí)采集模擬信號(hào)，通過A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳送給PLC控制器。

（5）可視化監(jiān)控：在操作面板上設(shè)有觸摸屏，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制，形象直觀地實(shí)時(shí)呈現(xiàn)給操作人員垃圾站的工作情況。

該系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)通過電機(jī)實(shí)現(xiàn)，PLC通過控aa制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)箱門的開關(guān)、擋板和壓縮機(jī)的伸縮以及內(nèi)箱的升降。

在該控制方案中，遠(yuǎn)程A/D模塊采集壓力傳感器的數(shù)據(jù)，通過CC-LINK總線傳輸?shù)街髡綪LC中。主站PLC對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，發(fā)出控制信號(hào)，該信號(hào)通過CC-LINK總線將執(zhí)行命令傳輸?shù)竭h(yuǎn)程I/O，驅(qū)動(dòng)壓縮電機(jī)實(shí)現(xiàn)壓縮桿伸縮。同時(shí)采用GS2107系列觸摸屏開發(fā)了垃圾站電控系統(tǒng)HMI界面。

3　軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1下位機(jī)的設(shè)計(jì)

該垃圾站自動(dòng)壓縮控制由系統(tǒng)控制軟件實(shí)施，可壓縮噸位數(shù)量級(jí)垃圾。具體壓縮工作流程描述如下：

（1）接通系統(tǒng)的電源，PLC和觸摸屏得電，當(dāng)判斷垃圾量達(dá)到設(shè)定值后，則程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)城市生活垃圾壓縮的功能。

（2）垃圾壓縮為多級(jí)進(jìn)行，一級(jí)壓縮力為100KN，二級(jí)壓縮力為150KN，三級(jí)壓縮力為200KN，直至垃圾壓縮強(qiáng)度達(dá)到1.1t/m2。

（3）壓力傳感器傳送信號(hào)給控制器，控制箱體舉升到地表之上，箱門電機(jī)工作，使內(nèi)外箱門過渡開啟到限定位置，水平推桿將垃圾推入車內(nèi)，限位開關(guān)起保護(hù)作用。

（4）內(nèi)外箱門過渡下降，回到原位后，PLC控制舉升裝置，將垃圾內(nèi)箱下降到初始位置，自動(dòng)調(diào)到待機(jī)模式，完成一個(gè)工作周期。

為了實(shí)現(xiàn)壓縮功能的準(zhǔn)確性，本文選用了三菱Q系列的PLC作為主控制器，采用壓力傳感器JHBM-7，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將傳感器輸出的0～10V模擬電壓值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的0～32000數(shù)字量。

3.2上位機(jī)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用GS2107-WTBD觸摸屏，在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)的監(jiān)視與控制，觸摸屏通過RS-232接口與PLC互連。HMI界面包括內(nèi)箱體、內(nèi)外箱門、電動(dòng)伸縮桿和水平推桿等動(dòng)作監(jiān)視，電機(jī)啟動(dòng)與停止以及降塵除臭。

本系統(tǒng)采用可視化的理念將垃圾站的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況全部顯示與上位機(jī)中。例如：內(nèi)箱門的升降監(jiān)控畫面監(jiān)控內(nèi)箱門的升降過程，當(dāng)“內(nèi)箱門升”所對(duì)應(yīng)的燈亮起時(shí)表示內(nèi)箱門處于上升過程。當(dāng)“內(nèi)箱門升到位”的燈亮起時(shí)表示內(nèi)箱門上升完畢。當(dāng)“內(nèi)箱門降”的燈亮起時(shí)表示內(nèi)箱門出于下降過程，當(dāng)“內(nèi)箱門將到位”的燈亮起時(shí)表示內(nèi)箱門下降完畢。該過程將其運(yùn)動(dòng)過程實(shí)時(shí)顯示到HMI界面上。

4　系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)論

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，采用有機(jī)玻璃和鋁塑板搭建了功能演示模型，對(duì)預(yù)期的功能進(jìn)行模擬分析。

仿真模型搭建完畢后，將控制程序下載到PLC中，按下啟動(dòng)按鈕或觸碰顯示屏上的“啟動(dòng)”按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)；將工作模式調(diào)到手動(dòng)調(diào)節(jié)模式，可以人為控制垃圾處理站進(jìn)行生活垃圾壓縮。關(guān)掉手動(dòng)調(diào)試模式，將工作方式切換到自動(dòng)模式，對(duì)垃圾站進(jìn)行全自動(dòng)調(diào)試。在調(diào)試過程中，內(nèi)箱門、外箱門、內(nèi)箱體、水平推桿和抖動(dòng)伸縮桿運(yùn)動(dòng)正常且平穩(wěn)，能夠正常完成生活垃圾壓縮模擬。顯示屏上的各監(jiān)控畫面能夠跟蹤各運(yùn)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)狀況，并通過畫面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

由模型測(cè)試結(jié)果可知：本控制方案將三菱Q系列PLC、CCLINK總線、以及遠(yuǎn)程IO模塊和GS2107系列觸摸屏應(yīng)用于城市生活垃圾站的電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能以及對(duì)該模型的動(dòng)作進(jìn)行可視化監(jiān)控。且與現(xiàn)有的垃圾箱融為一體，占地面積小、信息化水平高，可替代傳統(tǒng)的垃圾收集轉(zhuǎn)運(yùn)箱，用于中心城區(qū)生活垃圾的分散收集和清潔轉(zhuǎn)運(yùn)，有良好的環(huán)境效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］李庭婷等.LYC全封閉多級(jí)壓縮垃圾中轉(zhuǎn)設(shè)備研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011，（03）：161-163.

［2］基于三菱Q系列PLC工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2010，13（5）：21-24.