基于PLC與RFID垃圾車智能管理系統設計

王冬云，孫源，張建剛

（1.秦皇島職業技術學院，河北秦皇島，066100；2.河北科技工程職業技術大學，河北邢臺，054000；3.秦皇島首秦金屬材料有限公司，河北秦皇島，066326）

0 引言

隨著城市、農村建設的快速發展，人們對環境問題越來越重視，并且在新型冠狀病毒等傳染病流行的今天，垃圾的收集轉運物流監控已經提升到越來越重要的地位，但是由于技術或者管理的局限性，環衛處對垃圾車的管理一直缺乏有效的方式和方法。主要問題如下：無法了解垃圾桶的數量和分布信息，導致垃圾管理不及時，勞動強度大；垃圾無法及時清理，造成環境污染；無法進行垃圾溯源記錄；無法保證垃圾搜集次數執行到位，有重復或遺漏。

要解決這些問題就需要一套監管系統，而RFID 射頻識別技術的運用為垃圾轉運車監管提供了方向[1]。為解決上述問題，文獻[2]利用了RFID 技術，當垃圾車通過垃圾集裝箱時，車上的讀取設備準確讀出垃圾集裝箱上的標簽信息，獲取收取垃圾的地址等信息。文獻[3]利用RFID 技術，將讀寫器采集的RFID 標簽數據傳輸至中央控制計算機，調度垃圾車。但是這些方法，與現場控制分離，在RFID 讀取數據后，將數據上傳，現場垃圾桶是否被清理存在漏洞。

1 系統概述

■1.1 系統流程概述

給垃圾桶貼或嵌入RFID 標簽，RFID 標簽中寫有垃圾桶位置等數據信息，垃圾車配有此系統設備PLC 控制器、HMI 觸摸屏、RFID 讀寫器、水箱、水泵等。

在系統啟動后，垃圾轉運車正常行駛中，當帶有RFID標簽的垃圾桶進入RFID 讀寫器射頻范圍，RFID 標簽數據傳輸到PLC 內，PLC 驅動蜂鳴器鳴響，提醒工作人員附近有待清理垃圾桶，并在HMI 觸摸屏上實時顯示標簽部分信息，將垃圾桶放在抬升臂附近，工作人員按下啟動按鈕，傳輸信號給PLC，PLC 驅動液壓缸等執行元件動作，垃圾桶被抬起，垃圾倒入車斗內，抖動，清洗消毒，并將存儲的RFID 標簽信息上傳至上位機（PC），保存到數據庫，工作人員通過上位機查詢垃圾桶一日清理及各垃圾轉運車回收垃圾的情況，可對數據信息溯源。

■1.2 射頻識別技術概述

RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）是一種無線通信技術，而且是一種非接觸式的自動識別技術，不需要建立在機械或者光學接觸的基礎上。RFID 通常是一個簡單的無線系統，通常由三部分組成：閱讀器、電子標簽和調試軟件。閱讀器由天線、耦合元件、芯片、讀取（寫入）標簽信息設備四個部分組成，分為手持式閱讀器和固定式閱讀器。電子標簽有多種分類方式，從供電方式進行分類，電子標簽分為有源標簽和無源標簽。有源標簽內部自帶電池，不需要通過閱讀器發射射頻信號磁場產生電能。而無源標簽內部沒有自帶電源，它需要利用閱讀器發射的電磁場產生能量才能完成讀寫操作。標簽一般包含天線、耦合元件、芯片三個部分，電子標簽內的編碼具有唯一性，并附著在識別對象上。調試軟件是應用軟件層，主要作用為調試RFID與電子標簽識別、讀取（寫入）標簽信息，為人們做出管理決策提供依據。系統設有的天線，通常用于標簽和閱讀器間傳遞射頻信號[4]。

2 系統總體設計

■2.1 系統結構

系統以PLC 為核心，包含控制、識別、傳感、執行和上位機五部分，設計結構如圖1 所示。

圖1 基于PLC 與RFID 垃圾車智能管理系統結構圖

識別部分：應用RFID 讀寫器對在射頻信號范圍內貼或嵌入垃圾桶的電子標簽進行識別、讀取信息，通過通信傳輸，傳送到PLC 控制器中。

控制部分：接收RFID 標簽數據信息，通過程序將標簽部分信息轉換實時顯示在HMI 觸摸屏上，現場工作人員按下HMI 啟動按鈕，啟動執行元件，垃圾桶被清理后，PLC將RFID 標簽信息通過WiFi 通信傳輸上傳至上位機（PC）并保存在數據庫。

執行部分：液壓缸、水泵、蜂鳴器等，通過接收到的控制指令，實現升降、清洗垃圾桶等動作。

傳感部分：液壓壓力繼電器檢測液壓缸伸出、縮回到達指定位置，檢測液壓缸有桿腔、無桿腔的壓力，到達設定壓力，將到位時的壓力轉換成電信號傳送到PLC 控制器，PLC 根據信號執行指令。

上位機部分：接收PLC 傳輸的標簽數據信息，通過軟件實現標簽信息的可視化及查詢，垃圾車的工作情況。

車載系統示意圖如圖2 所示。

圖2 系統車載示意圖

■2.2 設備選擇

控制器選擇：由于水泵多數位220V 交流電供電，換向閥為直流24V 供電即可，再根據功能要求、經濟等情況，這里選擇西門子PLC，CPU 型號為1214C DC/DC/RLY。

RFID 設備選擇：根據標簽工作頻率的不同，標簽可分為低頻標簽(頻率范圍：30kHz～300kHz)、高頻標簽(頻率范圍：3MHz～30MHz)、超高頻標簽(頻率范圍：300MHz～3GHz)和微波系統(2.45GHz)四類[2]。這里選擇UHF 超高頻RFID 讀寫器及標簽，由于此讀寫器接口為RS485 接口，PLC 需要拓展CM1241-RS422/485 通信模塊。

壓力繼電器選擇：選用海德信HJCS-02N 壓力繼電器。

WiFi 模塊選擇：網絡上WiFi 遠程控制模塊多數以RS232、RS422/485 串口轉WiFi/以太網接口，這里使用RS485 串口通信的模塊，減少程序復雜程度。

水泵選擇：根據水箱大小、對水壓的需求，選擇24V—220W 抽水直流潛水泵。

PLC 控制器與各設備的外部連接如圖3 所示。

圖3 PLC 外部接線圖

■2.3 執行部分液壓回路設計

后裝式垃圾車一般有兩個液壓缸分別安裝在垃圾車廂兩側，為同步動作缸。本系統結合現有后裝式垃圾轉運車以液壓驅動方式，抓取、提升翻斗機構的垃圾桶抬升裝置即液壓回路，在原有的基礎上，在液壓缸伸出到位、縮回到位的位置安裝液壓缸傳感器，液壓缸到位時通過傳感器生成電信號輸入給PLC，將液壓缸的單電控換向閥線圈與PLC 連接。液壓回路連接如圖4 所示。

圖4 液壓回路連接圖

3 系統實現

■3.1 PLC 與RFID 讀寫器及WiFi 模塊的通信傳輸

這里使用的西門子PLC，應用TIA 博途組態軟件梯形圖編程，添加相應PLC 及CM1241 通信模塊，選擇功能塊SEND_PTP，此功能塊是發送數據，功能塊RCV_PIP，此功能塊是接收數據，填寫相關參數及數據塊，將CM1241 引腳與USB 轉485 接頭相連并接入電腦，通過調試軟件檢驗PLC 收發數據功能[5]。通過CM1241模塊引腳定義，將模塊3 腳與RS485-B 口連接，8 腳與RS485-A 口連接。CM1241-RS422/485 模塊的引腳含義（母頭）如圖5 所示[5]。

圖5 CM1241-RS422/485模塊引腳含義

在PLC 和RFID 讀寫器單獨測試發送、接收數據無異常后，將兩部分連接，將標簽放在射頻區域附近，觀察PLC接收數據塊的數據變化，完成PLC 與RFID 讀寫器的通信傳輸。RFID 接收數據塊變化數據為識別RFID 標簽數據示例如圖6 所示。

圖6 RFID 接收數據塊中數據示例

由于WiFi 模塊為RS485 接口，PLC 和WiFi 模塊的通信與RFID 通信傳輸同理。

■3.2 記錄上傳、溯源功能實現

在RFID 讀寫到標簽數據后，不會將數據立刻上傳到上位機（PC），而是暫時儲存在PLC 接收數據塊中，要將數據上傳，需要現場操作，將垃圾桶清理的同時上傳數據。具體操作為：在按下啟動按鈕后，PLC 梯形圖程序將存儲在RFID 接收數據塊中的RFID 標簽數據傳輸給WiFi 模塊發送數據塊中，程序上傳結合實際操作如圖7 所示。

圖7 上傳結合實際操作程序

WiFi 模塊通過無線網絡上傳至PC 數據庫，上位機通過開發應用通過設定PLC 型號、IP 地址與垃圾轉運車的PLC 控制器通信[6]。上位機數據查詢如圖8 所示。

圖8 上位機畫面實例

■3.3 抬升垃圾桶、抖動和消毒功能實現

利用PLC 程序實現一次操作，多功能順序動作，通過RFID 讀取到標簽數據，液壓缸通過傳感器1B1、2B1 檢測在原位（縮回到位）狀態，工作人員按下HMI 觸摸屏的啟動按鈕，收垃圾、抖動和消毒功能啟動。PLC 控制器使垃圾轉運車兩側液壓缸的電磁換向閥線圈得電，垃圾桶被機械結構的抬升臂抬升，到達最高處（液壓缸伸出到位位置），垃圾桶中的垃圾車被倒出，這時部分垃圾桶會有附著在垃圾桶上的垃圾桶，就需要抬升臂做出像人手一樣抖動的動作，本系統通過PLC 梯形圖程序，2s一周期的使電磁換向閥線圈得電失電，由于換向閥帶有彈簧復位，在線圈失電后，換向閥換向，液壓缸縮回，這樣就實現了抬升臂“抖動”。PLC 控制垃圾桶抬升、抖動程序如圖9 所示。

圖9 抬升垃圾桶、抖動程序圖

PLC 消毒功能是垃圾轉運車在垃圾桶被抬升位置正對的垃圾桶口附近，裝有自動旋轉清洗噴頭（是利用液體的反作用力驅動進行旋轉運動，無需外部動力），水泵與噴頭水管連接，水泵與PLC 電連接。PLC 消毒程序如圖10所示。

圖10 消毒程序圖

4 系統的組態界面

系統的組態界面即HMI 觸摸屏畫面由啟動RFID 讀寫器射頻功能、執行元件啟停、數據顯示構成，實時顯示RFID識別讀取標簽的部分信息，另外配備緊急狀態下的電氣按鈕。HMI 觸摸屏畫面如圖11 所示。

圖11 HMI 觸摸屏畫面