一種下沉式城市生活垃圾處理站系統設計與開發

于泳 潘培 孫光耀 楊笑盈 胥軍

【摘 要】針對當今城市垃圾年產量增大，污染嚴重且轉運站占地面積大等問題，設計了一種下沉式垃圾處理站的控制系統方案。該電氣控制系統運用三菱Q系列PLC、CC-LINK總線和觸摸屏技術，可實現電控系統的優化控制、優化運行和優化管理，同時實現設備自動化運行。本文討論了系統的控制流程、硬件選型和軟件系統開發，完成外箱門及內箱體的升降，壓縮推板的伸縮，數據的采集和可視化監控等功能。所提出的設計方案適用于城市中心的生活垃圾站，具有較高的性價比和應用價值。

【關鍵詞】城市垃圾 下沉式垃圾處理站 自動化運行 可視化監控

1 引言

隨著我國經濟的發展和城市化進程的加快，城市垃圾年產量呈現逐步上升態勢，導致垃圾收集、運輸費用的不斷增加。在城市生活垃圾的全過程管理中，垃圾的收運是連接發生源與處理處置設施的不可或缺的一個重要環節，其收運費用耗資最大，約占總費用的60%～80%，且操作過程也極為復雜。因此，本文設計開發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，內箱體可沉入地下，完成垃圾壓縮工作。外箱的設計保證了工作人員的安全，小型化設備有效地節約了工作空間，同時電控系統極大地提高了設備的自動化程度。

2系統硬件選型與設計

本文綜合利用三菱Q系列可編程控制器PLC運行穩定和CC-LINK總線信號傳輸可靠的特點，設計開發了一種適用于城市中心的垃圾處理站的控制系統。該系統基于高可靠性的工控產品以及總線控制技術，可實現電控系統的優化控制、優化運行和優化管理，為我國城市垃圾處理站電控系統功能的提升奠定基礎。

根據下沉式城市生活垃圾處理站的作業流程以及作業特點，本文篩選出了該控制系統主要的功能，這些功能包括：外箱門及內箱體的升降，壓縮推板的伸縮，數據的采集和可視化監控。各項功能的控制需求描述如下：

（1）壓縮推板的伸縮：壓縮裝置是該系統的主要機構，系統通過壓縮推板的伸縮實現城市生活垃圾的壓縮。該功能通過三相電機實現，并通過限位開關判斷其是否運動到位。

（2）內箱體的升降：通過電動伸縮桿來實現垃圾站內箱體的上升和下降，相對于液壓剪叉舉升，有效地節約了空間。

（3）內、外箱門的同步升降：外箱門通過卡槽與內箱門連接，控制中心PLC發出控制信號，用YN90-60三相電機加以控制，實現內箱門和外箱門的同步升降。

（4）數據的采集：壓力傳感器實時采集模擬信號，通過A/D模塊轉換為數字信號，傳送給PLC控制器。

（5）可視化監控：在操作面板上設有觸摸屏，實現對設備的控制，形象直觀地實時呈現給操作人員垃圾站的工作情況。

該系統中的運動通過電機實現，PLC通過控aa制電機的正反轉實現箱門的開關、擋板和壓縮機的伸縮以及內箱的升降。

在該控制方案中，遠程A/D模塊采集壓力傳感器的數據，通過CC-LINK總線傳輸到主站PLC中。主站PLC對傳感器的數據進行處理，發出控制信號，該信號通過CC-LINK總線將執行命令傳輸到遠程I/O，驅動壓縮電機實現壓縮桿伸縮。同時采用GS2107系列觸摸屏開發了垃圾站電控系統HMI界面。

3軟件系統的設計

該垃圾站自動壓縮控制由系統控制軟件實施，可壓縮噸位數量級垃圾。具體壓縮工作流程描述如下：

（1）接通系統的電源，PLC和觸摸屏得電，當判斷垃圾量達到設定值后，則程序自動實現城市生活垃圾壓縮的功能。

（2）垃圾壓縮為多級進行，一級壓縮力為100KN，二級壓縮力為150KN，三級壓縮力為200KN，直至垃圾壓縮強度達到1.1t/m2。

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

（4）內外箱門過渡下降，回到原位后，PLC控制舉升裝置，將垃圾內箱下降到初始位置，自動調到待機模式，完成一個工作周期。

為了實現壓縮功能的準確性，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轉換模塊將傳感器輸出的0～10V模擬電壓值轉換為對應的0～32000數字量。3.2 上位機的設計

本系統選用GS2107-WTBD觸摸屏，在觸摸屏上實現對該系統的監視與控制，觸摸屏通過RS-232接口與PLC互連。HMI界面包括內箱體、內外箱門、電動伸縮桿和水平推桿等動作監視，電機啟動與停止以及降塵除臭。

本系統采用可視化的理念將垃圾站的實時運行情況全部顯示與上位機中。例如：內箱門的升降監控畫面監控內箱門的升降過程，當“內箱門升”所對應的燈亮起時表示內箱門處于上升過程。當“內箱門升到位”的燈亮起時表示內箱門上升完畢。當“內箱門降”的燈亮起時表示內箱門出于下降過程，當“內箱門將到位”的燈亮起時表示內箱門下降完畢。該過程將其運動過程實時顯示到HMI界面上。

4系統調試與結論

為了驗證系統的可行性，在實驗室環境下，采用有機玻璃和鋁塑板搭建了功能演示模型，對預期的功能進行模擬分析。

仿真模型搭建完畢后，將控制程序下載到PLC中，按下啟動按鈕或觸碰顯示屏上的“啟動”按鈕，系統進入工作狀態；將工作模式調到手動調節模式，可以人為控制垃圾處理站進行生活垃圾壓縮。關掉手動調試模式，將工作方式切換到自動模式，對垃圾站進行全自動調試。在調試過程中，內箱門、外箱門、內箱體、水平推桿和抖動伸縮桿運動正常且平穩，能夠正常完成生活垃圾壓縮模擬。顯示屏上的各監控畫面能夠跟蹤各運動部分的運動狀況，并通過畫面進行實時顯示。

由模型測試結果可知：本控制方案將三菱Q系列PLC、CC-LINK總線、以及遠程IO模塊和GS2107系列觸摸屏應用于城市生活垃圾站的電控系統，實現了預期功能以及對該模型的動作進行可視化監控。且與現有的垃圾箱融為一體，占地面積小、信息化水平高，可替代傳統的垃圾收集轉運箱，用于中心城區生活垃圾的分散收集和清潔轉運，有良好的環境效益、社會效益和經濟效益。

參考文獻：

[1] 李庭婷等.LYC全封閉多級壓縮垃圾中轉設備研究[J].機械設計與制造，2011，（03）： 161-163.

[2] 基于三菱Q系列PLC工業生產控制系統的設計[J]實驗室科學，2010，13（5）： 21-24.