基于PLC的餐廚垃圾破碎機控制系統設計

高東明，馬建行，周 磊，黃志剛

(北京工商大學 人工智能學院，北京 100048)

0 引言

隨著我國垃圾分類的逐步實行，廚房垃圾可從固廢處理系統分離出來，減輕城市生活垃圾處理的難度，降低垃圾處理的負荷[1]。減量化、資源化和無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，在餐廚垃圾處理過程中，無論采取何種最終工藝，往往都需要進行破碎前處理，用以節省空間，方便運輸和最終處理[3]。根據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性，有利于好氧發酵過程中與氧氣充分接觸[4]。對于生活垃圾，目前破碎處理效果較好的設備有輥式撕碎機、剪切式破碎機和沖擊式破碎機等[5，6]。輥式破碎由于對生物質材料適應性廣，耐沖擊性好，較適合用于餐廚垃圾處理，但目前市場上的輥式破碎機普遍針對礦石等高硬度物料，控制對象主要是液壓系統[7～9]，這種驅動形式難以用于餐廚破碎。在垃圾破碎方面，相關設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，處理過程中控制系統常需要解決物料不容易排出、堵塞、纏繞等問題。

針對上述問題，本文針對輥式破碎方式設計了一套基于PLC的餐廚垃圾破碎控制系統。該系統可以在大落差轉載情況下調節破碎速率，可提高破碎效率降低能耗，另一方面系統具有多重檢測功能，可極大地提高破碎過程的安全性和穩定性，系統可自動檢測過載并調節驅動電機，具有防堵塞功能。

1 裝置的結構及控制方案

1.1 裝置的結構及工作原理

餐廚垃圾破碎采用對輥破碎原理，如圖1所示。在破碎輥的上方設置有喂料裝置，在喂料裝置里設有稱重模塊，人體紅外感應模塊和光電檢測模塊，喂料裝置的下方為兩個相向轉動的破碎輥，破碎輥的動力由電機提供，破碎輥的下方為后續處理環節并安裝有液位傳感器。

圖1 裝置的結構示意圖

將餐廚垃圾投入至喂料裝置后，喂料裝置內的光電檢測模塊檢測到物料后系統控制電機工作，稱重傳感器計量喂料量從而為電機轉速控制提供參考，人體紅外感應模塊作為安全裝置用于感應破碎輥的周圍一定范圍內是否有人手等。電機通過減速器帶動兩個嚙合的破碎輥旋轉形成相互剪切、撕裂、擠壓的作用力[7～12]，從而達到破碎餐廚垃圾的功能。控制系統通過調節電機轉速來實現破碎輥轉速的調整。破碎過程中，當稱重傳感器檢測到喂入量較大時，提高電機轉速，提高破碎速度；當電流檢測模塊檢測到負載超過設定值時，降低轉速；當負載超過警戒值時，電機先反轉后再正轉并報警。

1.2 控制方案的設計

根據裝置的功能要求，控制系統主要由PLC主機、模擬量擴展模塊、多個傳感器、人機界面和變頻器等組成。根據裝置的功能需求，控制系統結構示意圖如圖2所示。控制系統的主要測量儀表有：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，液位傳感器，電流傳感器。所有測量儀表都可直接變送至模擬量模塊。電機的啟停、轉速變化、正反轉由控制系統控制，電機的所有功能都可選擇手動控制或自動控制。觸摸屏與PLC連接，作為系統的控制器和人機界面，用于數據顯示和參數設置[13]。

圖2 裝置的控制系統組成

控制系統上電后，系統內的各傳感器自檢判斷當前狀態，并進入待機模式。當喂料裝置里的光電檢測模塊檢測到物料喂入時，電機工作，破碎輥開始破碎餐廚垃圾。稱重傳感器測定喂入量并輸出至PLC，PLC根據稱重結果確定電機的轉速從而確定破碎速度并自動記錄稱重結果。當破碎輥下方的液位傳感器檢測到液位超過警戒位置時，PLC控制電機停止工作并輸出警報。當電流傳感器檢測到電機電流負載過大時，PLC控制電機反轉然后再正轉。觸摸屏用于現場監控、參數設定和手動控制，用戶可在觸摸屏上對光電傳感器的靈敏度，稱重傳感器與電機轉速的對應值進行手自動設定；對于電機的啟停和正反轉可進行手自動控制；對喂入量數據可進行存儲及查詢。

2 控制系統的分析設計及硬件選型

2.1 控制及擴展模塊

餐廚破碎裝置的控制系統包括PLC、傳感器、變頻器以及相應的擴展模塊和人機界面等，計算機可以直接通過以太網與PLC進行通信。根據裝置控制系統的控制功能要求以及后續工藝集成的需求并結合系統所需輸入輸出信號，考慮到輸入輸出要留部分余量[14，15]，選擇西門子公司生產的S7-1200系列的CPU 1214C DC/DC/DC作為控制核心，該PLC提供14點數字量輸入，10點數字量輸出，2點模擬量輸入，可滿足整個系統對I/O口的需求。在變頻電動機控制系統中，PLC將其輸出（數字信號）經過模擬量模塊轉換成模擬量信號傳輸給變頻器，由變頻器控制電機進行變頻調速，進而實現破碎速度調整。模擬量擴展模塊選擇與PLC配套的為SM1234模擬量輸入輸出模塊，該模塊可接受4點模擬信號輸入，輸出2點模擬量信號。根據控制要求分配PLC輸入輸出端口，各設備及傳感器元件的PLC端口地址分配如表1所示。

表1 PLC端口地址分配

2.2 傳感器檢測模塊

為了實現裝置工作過程參數的測量，控制系統選用光電傳感器安裝在喂料裝置內，用于檢測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用于檢測是否有活體進入喂入裝置，用于保障人身安全；選用稱重傳感器安裝在喂入裝置內，用于測定喂入量；選用電流傳感器安裝在電機的電流互感位置，用于檢測電機負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，用于檢測裝置內的物料是否堵塞并反饋至PLC。各傳感器的具體參數如表2所示。

表2 傳感器的規格參數

2.3 變頻器與電機

為了改變電機轉速進而改變破碎輥的作業速度，控制系統采用變頻器對電機進行調速。變頻器選用VFD-022M43A，該變頻器適用電機功率小于等于2.2kW，額定電壓為380V～480V，容許輸入電壓變動范圍±10%，輸出頻率范圍0.1Hz～400Hz。選用電機型號Y100L1-4，其額定功率2.2kW，額定電壓380V，轉速1420rpm。與電機配套的減速機傳動比為50∶1。

3 系統軟件設計

3.1 PLC主程序設計

餐廚垃圾破碎系統的控制程序包括設備監控模塊、設置模塊、數據存儲模塊和設備控制模塊。現場監控模塊用于對各報警信號及系統運行狀態進行集中顯示，設備控制模塊主要為PLC對電機及設備傳感器信號的檢測和反饋控制[16]，設置模塊用于設置傳感器的觸發信號值，數據存儲模塊用于存儲物料的投入量、電機負載規律以及運行異常日志。根據系統功能和控制要求PLC控制流程如圖3所示。

由圖3可知，系統和設備上電后，在觸摸屏上對控制系統進行初始化，檢測各設備傳感器的標定狀態，如果異常則報警。初始化成功后可選擇是否設置參數和手自動控制系統，如果選擇默認設置，系統則保持待機狀態。當人體紅外傳感器檢測無活體且光電傳感器檢測到物料，則電機啟動。在系統運行過程中，PLC通過讀取稱重裝置檢測到的數據在觸摸屏顯示界面上給出合適的電機轉速參考值。在遇到特殊情況時，管理者可以通過按下緊急切換按鈕將系統切換到手動模式。工作電機上安裝有電流檢測元件，可以將電機運行時的電流傳給PLC，電機電流連續超限達到設定次數則報警輸出，連續累計沒達到設定次數則繼續自動運行直至完成各流程后，重新回到人體紅外傳感器檢測環節進行下一輪循環。

圖3 控制程序流程圖

依據控制系統的流程圖，在博途V14平臺上編輯梯形指令。對應的主要PLC網絡程序如圖4所示。

圖4包括：系統初始化，電機調速控制，電機電流超限次數累計及報警。

圖4 部分網絡程序

3.2 觸摸屏軟件設計

控制系統采用10寸觸摸屏作為顯示操作界面，采用以太網線與 PLC控制器進行通訊。根據控制及操作要求，人機界面包括設備監控界面、設置界面、歷史數據統計界面。

如圖5所示，設備監控界面主要顯示整機的運行狀態和警報顯示。警報采用聲光形式提醒操作人員。設置界面主要包括設備運行參數修改，手自動切換，急停等操作。歷史數據界面可進行歷史數據的顯示及查詢。

圖5 觸摸屏主要界面

4 結語

本研究設計的餐廚垃圾破碎裝置控制系統不僅可以自動完成餐廚破碎工作，還可以根據喂入量實時調節作業速度。同時，該系統采用PLC作為控制器，具有工作穩定性好的特點。在使用功能方面，系統可依據歷史數據對作業參數進行修改，可利用人機界面設定為自動作業或手動操作。該系統的成功實現可為遠程控制環境條件差的餐廚處理車間提供技術支撐。

基于PLC的餐廚垃圾破碎裝置自動控制系統從控制方案，控制流程，梯形指令和人機界面等方面進行了分析研究，該系統的設計方法和功能設置可為餐廚垃圾預處理領域的自動化和智能化設計提供借鑒。