基于PLC的有償智能飲料瓶回收裝置設(shè)計

摘 要：在現(xiàn)代社會，塑料廢棄物的處理已成為一個日益嚴峻的問題。文章設(shè)計了一款基于西門子200SMART控制器的有償智能飲料回收裝置，主要由數(shù)據(jù)收集模塊、西門子200SMART可編程控制器、材料識別模塊、壓縮模塊、定量模塊、信息錄入模塊、蜂鳴器提示模塊組成。采用西門子200SMART系列PLC，分別獲取塑料飲料瓶材料和數(shù)量信息并進行處理，通過擺動氣缸完成不同材料飲料瓶的回收，利用紅外傳感器完成飲料瓶數(shù)量的計數(shù)，當計數(shù)到達設(shè)定值后對飲料瓶進行壓縮，倉滿后提醒工作人員清倉處理。該設(shè)計為用戶提供一種可積分的有償智能回收裝置，讓智能回收機架起商業(yè)價值與社會價值的橋梁。

關(guān)鍵詞：智能飲料瓶回收機；西門子200SMART；環(huán)保

中圖分類號：TH69 文獻標志碼：A

*基金項目：2022年度陜西省教育廳科研計劃項目“基于西門子S7-1200PLC的沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程控制系統(tǒng)設(shè)計與研究”（22JK0281）。

作者簡介：李瓊（1992-），女，碩士，講師，主要研究方向：液壓元件的仿真研究。

1 研制背景及意義

中國高度重視生態(tài)環(huán)境保護問題，秉持把“綠水青山就是金山銀山”作為生態(tài)治理的重要理念，倡導人與自然和諧共生。作為塑料制品生產(chǎn)和消費大國之一，有效治理塑料垃圾污染尤為重要。當前，人們對塑料垃圾的管理缺少科學分類和回收的正解認識，對于塑料污染的認識停留在主要是“白色污染”的淺層次認知，而對于廢舊塑料包裝物隱性的、深層次的“致命危害”認知淺薄。垃圾分類回收口號喊響后，由于無償性，各地區(qū)落實力度欠佳、商業(yè)效益低下，同時，從事塑料垃圾回收工作的中老年人銳減，年輕人從事塑料回收行業(yè)的人數(shù)更是屈指可數(shù)[1-3]。

在此背景下，秉持“減少環(huán)境污染，動員公民保護環(huán)境”的科學發(fā)展觀，為保護環(huán)境奉獻微薄之力，解決塑料飲料瓶隨處亂扔和鼓勵主動收集空塑料瓶等問題[4]，文章提出一種基于PLC控制的有償智能飲料瓶回收裝置，旨在通過自動化回收過程，減少人工操作，提高回收效率，鼓勵消費者積極參與到廢品回收中來，降低廢棄塑料物對生態(tài)環(huán)境造成的影響。文章設(shè)計的裝置運用PLC控制系統(tǒng)、傳感器和執(zhí)行器等硬件設(shè)備，對瓶子回收過程進行自動化控制和監(jiān)測。回收過程中，消費者將空瓶投入回收裝置，智能裝置通過傳感器識別并計數(shù)瓶子數(shù)量，同時控制系統(tǒng)發(fā)出信號控制氣缸將瓶子回收至箱中，當瓶子數(shù)量達到箱體的滿容量時，控制系統(tǒng)會自動發(fā)出滿箱信號，終端收集信號并進行瓶子出箱。此外，該設(shè)計還設(shè)置有償回收功能，消費者在回收過程中可以通過掃描二維碼的方式，獲得一定的回收獎勵，以此提高廣大公民的參與度。其中，學生作為飲料的消費主力軍，可通過政企合作，鼓勵廣大師生將用過的空塑料瓶回收起來換取有用的商品或者兌換學分，無償回收變?yōu)橛袃敾厥眨蟠筇岣吡斯窕厥湛账芰掀康姆e極性。該設(shè)計為環(huán)保事業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出了貢獻，值得推廣。

隨著全球資源的日益枯竭和環(huán)境污染的日益嚴重，回收利用已經(jīng)成為全球環(huán)保的重要策略之一。回收裝置作為回收利用的關(guān)鍵設(shè)備，已經(jīng)成為環(huán)保產(chǎn)業(yè)中的重要組成部分。目前，回收裝置已經(jīng)在廢金屬回收、廢紙回收、廢塑料回收、廢電池回收等多個領(lǐng)域得到了廣泛應用[5]。

在環(huán)保行業(yè)中，瓶裝飲料是重要的消費品之一，大量的廢棄飲料瓶對生態(tài)環(huán)境造成了很大的壓力。傳統(tǒng)的飲料瓶回收方式是通過回收站收集瓶子并按一定比例計算回收費用，回收飲料瓶的方法主要有手工回收和機械回收2種方式[6]。手工回收具有成本低、簡單易行等優(yōu)點，但效率低，需要大量人力投入。機械回收的效率雖高，但設(shè)備成本高，不易推廣。未來，隨著環(huán)保產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和工業(yè)自動化技術(shù)的不斷進步，PLC技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于各種自動化裝置中，能夠?qū)崿F(xiàn)對機械、電氣和控制等方面的集成控制。基于PLC的有償智能飲料瓶回收裝置，具有回收效率高、成本低、自動化程度高等優(yōu)點，通過技術(shù)手段和市場手段的相互結(jié)合，實現(xiàn)飲料瓶回收的普及化和高效化，進而達到節(jié)約資源、保護環(huán)境、促進可持續(xù)發(fā)展的目標，能夠有效解決飲料瓶回收問題，具有廣闊的應用前景。

2 系統(tǒng)理論基礎(chǔ)和硬件選擇

2.1 理論基礎(chǔ)

有償智能飲料瓶回收裝置設(shè)計需要掌握以下技術(shù)和理論基礎(chǔ)：

（1）PLC控制技術(shù)。PLC控制技術(shù)是現(xiàn)代自動化控制系統(tǒng)中的核心技術(shù)，可以對各種工業(yè)設(shè)備進行自動控制和監(jiān)測。在設(shè)計有償智能飲料瓶回收裝置中，需要用到PLC控制技術(shù)對回收裝置進行自動控制和監(jiān)測。

（2）傳感器技術(shù)。傳感器技術(shù)是將感應到的物理量、化學量等轉(zhuǎn)化為電信號輸出的技術(shù)，可實現(xiàn)對物體的檢測、控制、測量等功能。在有償智能飲料瓶回收裝置中，需要用到各種不同類型傳感器進行信號的采集和檢測。

（3）電機驅(qū)動技術(shù)。電機驅(qū)動技術(shù)是實現(xiàn)機械運動的核心技術(shù)，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動、提升、抓取等功能。

在有償智能飲料瓶回收裝置中，需要用到電機驅(qū)動技術(shù)實現(xiàn)機械臂的抓取和移動。

（4）通信技術(shù)。通信技術(shù)是現(xiàn)代自動化控制系統(tǒng)中不可或缺的技術(shù)，可以實現(xiàn)設(shè)備之間的信息交換。在有償智能飲料瓶回收裝置中，需要用到通信技術(shù)實現(xiàn)控制機與上位機之間的信息交換和傳輸。

（5）數(shù)據(jù)處理技術(shù)。數(shù)據(jù)處理技術(shù)是對大量數(shù)據(jù)進行分析和處理，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、存儲和顯示。在有償智能飲料瓶回收裝置中，需要用到數(shù)據(jù)處理技術(shù)對回收裝置進行數(shù)據(jù)的分析和存儲。

綜上所述，有償智能飲料瓶回收裝置設(shè)計所需要的技術(shù)和理論基礎(chǔ)包括PLC控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、電機驅(qū)動技術(shù)、通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)等。

2.2 系統(tǒng)硬件選擇

有償智能飲料瓶回收系統(tǒng)硬件的選擇主要是依據(jù)工作過程中的控制要求、硬件產(chǎn)品的性能、硬件的質(zhì)量、相應硬件產(chǎn)品的性價比等方面進行選型[7]，根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計進行電路連接。

PLC 作為設(shè)備控制系統(tǒng)的核心單元，在選型時，需要考慮PLC的處理能力、I/O數(shù)量、通信接口、可靠性、維護和升級方便等因素，出于具體的應用需求和系統(tǒng)規(guī)模的考慮，選用西門子200SMART為核心控制器，該產(chǎn)品價格低廉且具備豐富的通信接口和擴展能力，能夠滿足中小設(shè)備規(guī)模和應用場景的需求。

有償智能飲料瓶回收裝置中，傳感器是非常重要的組成部分，用于檢測和感知飲料瓶的存在、數(shù)量和狀態(tài)等信息，收集瓶子信息從而觸發(fā)控制器控制執(zhí)行器動作回收。光電傳感器適用于檢測物體的存在和位置，可以用于檢測傳送帶上的飲料瓶，以及判斷瓶子裝箱是否已滿；重量傳感器可用于檢測瓶子的重量，從而判斷瓶子是否已滿；材料的分類選用金屬傳感器；液位傳感器可用于檢測回收站內(nèi)的液位，以便及時清理回收站。

有償智能飲料瓶回收裝置有2個執(zhí)行器，分別是電機和氣缸。電機是用于推送瓶子到瓶子傳送帶的設(shè)備，該電機需要具有較高的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，以確保能夠快速而有效地推送瓶子。此外，由于回收裝置需要長時間運行，電機也需要具有良好的耐用性和可靠性，在選型過程中，可以考慮使用直流無刷電機或步進電機，該設(shè)計中選用直流無刷電機。

氣缸用于控制瓶子的夾緊和松開。由于涉及到瓶子的精準夾緊，氣缸需要具有較高的精度和可靠性。同時，為了使氣缸在短時間內(nèi)完成夾緊和松開操作，氣缸也需要具有較高的速度和功率。在選型時，除了考慮性能和可靠性外，成本也是重要的考慮因素。需要在不影響執(zhí)行器性能和可靠性的前提下，盡量選擇合適的價格。

有償智能飲料瓶回收裝置的需求，可以考慮選擇以太網(wǎng)通訊模塊或者無線通信模塊。

電源模塊主要用于為PLC控制器和執(zhí)行器等提供穩(wěn)定的直流24 V供電，采用開關(guān)電源設(shè)計，具有過載、過壓和短路保護功能，可以保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

完成整體硬件的選型，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

有償智能飲料瓶回收裝置的軟件設(shè)計方案可以分為2個部分：PLC程序設(shè)計和人機界面設(shè)計。

（1）PLC程序設(shè)計。根據(jù)設(shè)備硬件設(shè)計部分的選型，確定控制器輸入輸出模塊的端口號和類型，輸入模塊用于檢測傳感器信號，輸出模塊用于控制執(zhí)行器；編寫PLC程序，實現(xiàn)瓶子識別、計數(shù)、金額計算、瓶子分揀、電機控制等功能；將PLC程序下載到PLC控制器中，進行實際操作測試，根據(jù)測試結(jié)果進行調(diào)試，直至程序穩(wěn)定運行。

（2）人機界面設(shè)計。確定人機界面顯示內(nèi)容，系統(tǒng)狀態(tài)、瓶子數(shù)量、回收金額，設(shè)計界面布局和樣式，使界面美觀易用，并將需要顯示的內(nèi)容添加到相應的位置。總體來說，PLC程序編寫需要在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，按照需求分析和系統(tǒng)整合測試的要求進行編寫，保證程序的正確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 工作原理及性能

整機系統(tǒng)是由PLC、單片機、觸摸屏、傳感器、液壓缸等模塊組裝成的一個整體設(shè)計，每個控制模塊根據(jù)其功能通過STEP7和Keil軟件程序編寫，程序編寫結(jié)構(gòu)簡單。最終可實現(xiàn)如下功能：

（1）用戶掃碼或刷臉登錄賬戶，顯示屏點擊開始開啟機器投放口，視覺相機判斷瓶子大小及材質(zhì)，入口傳感器計數(shù)瓶子數(shù)量，PLC驅(qū)動電動機帶動皮帶運料，若為金屬材質(zhì)瓶，則傳送帶末端的擺動氣缸帶動擋桿將物料推送到相應的倉儲區(qū)域。

（2）若瓶子存放數(shù)量超過監(jiān)測值，倉底的壓縮機啟動進行壓縮，當物品壓縮容量到達監(jiān)測位則發(fā)送倉滿信號。

本設(shè)計的主要性能指標如下：

（1）檢測精度：通過紅外線或超聲波傳感器檢測空瓶數(shù)量的精度高，可以準確地計算出空飲料瓶的數(shù)量。

（2）回收效率：通過自動化回收裝置的設(shè)計，能夠有效提高回收效率，減少人工回收所需的時間和成本。

（3）回收獎勵：通過有償回收機制，鼓勵消費者積極參與廢品回收，從而實現(xiàn)回收效果的最大化。

（4）可靠性和穩(wěn)定性：通過選用優(yōu)質(zhì)的硬件和軟件組件，能夠保證裝置的穩(wěn)定性和可靠性，從而保證回收效果的長期穩(wěn)定和可持續(xù)性。

（5）用戶體驗：通過添加顯示屏等功能，能夠方便消費者了解回收情況和獎勵等信息，提高用戶體驗。

5 整體仿真設(shè)備的搭建

依據(jù)上述各硬件選型，根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計將所選的各硬件模塊組裝，通過西門子200SMART控制軟件STEP7程序編寫，程序完成后對硬件系統(tǒng)中各元件進行調(diào)試。硬件調(diào)試首先要保證電路連接安全，不允許系統(tǒng)出現(xiàn)短路，確保電源上電無誤后，連接總電源，調(diào)試擺動氣缸擺動范圍，保證飲料瓶能夠推進金屬區(qū)，調(diào)試皮帶傳送的速度，保證擺動氣缸不擺動，塑料飲料瓶能夠收納到塑料區(qū)，調(diào)試PLC，觀察光電傳感器輸入信號，氣缸、蜂鳴器、指示燈等輸出信號硬件連接正確，如有異常情況等，及時排除故障并解決問題，再重新連接電源進行調(diào)試。

6 結(jié)語

（1）分揀單元的設(shè)置：在傳輸帶的末端有一擺動氣缸，通過相機辨別材質(zhì)后，PLC可編程控制器接收信號，當為塑料材質(zhì)的飲料瓶時，擺動氣缸擺動，皮帶運送飲料瓶到末端后，通過擺動氣缸將其推送到相應的收納區(qū)。

（2）裝置選用西門子200SMART作為核心控制器，價格便宜，結(jié)構(gòu)簡單，編程容易，還可以智能語音提示倉儲信息。

此次的研究旨在增強用戶的環(huán)保意識，通過有償（返現(xiàn)或兌換學分）提高瓶子的回收率，適用于各大高校、小區(qū)、飲料販機等場所。在科技強國的時代背景下，應積極響應時代需求，注重綠色科技的發(fā)展對現(xiàn)有的飲料瓶回收體系進行完善，在校大學生通過飲料瓶投放進行返現(xiàn)或兌換學分，能創(chuàng)建綠色校園文化，養(yǎng)成良好的環(huán)保習慣，增強環(huán)保意識。該產(chǎn)品可與當?shù)卣献鳎e極相應黨的環(huán)保號召，提高社會價值，降低白色污染。雖然該設(shè)計方案已經(jīng)取得了一定的成果，但在實際應用中還存在一些問題和不足之處。未來，有償智能飲料瓶回收裝置的發(fā)展還需要進一步地完善。在硬件方面，可以增加裝置的容量，提高裝置的穩(wěn)定性和安全性；在軟件方面，可以增加人機交互界面，提高裝置的易用性；在傳感器方面，可以增加傳感器的種類和精度，提高回收裝置的智能化水平。

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Design of Paid Intelligent Beverage Bottle Recycling Device Based on PLC

LI Qiong

（Intelligent Manufacturing College，Shaanxi Institute of Mechatronic Technology，Baoji Shaanxi 721001，China）

Abstract：In modern society， the disposal of plastic waste has become an increasingly serious problem.The pa?per designs a paid intelligent beverage recycling device based on Siemens 200SMART controller， which is mainly composed of data collection module， Siemens 200SMART programmable controller， material identification module，compression module， quantitative module， information entry module and buzzer reminder module.Siemens200SMART series control PLC is used to obtain and process the material and quantity information of plastic bever?age bottles respectively. The recycling of beverage bottles of different materials is completed by swinging cylinders，and the count of the number of beverage bottles is completed by using infrared sensors. When the count arrives， the beverage bottles are compressed， and the warehouse is full to remind the staff to clear the warehouse.To provide us?ers with an integral paid intelligent recycling device， so that intelligent recycling frame as a bridge between commer?cial value and social value.

Key words：smart beverage bottle recycling machine; Siemens 200SMART; environmental protection