生活垃圾前分選系統的自動控制

張月平，苗家森

（天津百利陽光環保設備有限公司，天津 300410）

目前，生活垃圾構成種類越來越多，處理越來越困難。傳統的垃圾處理方式是直接填埋或焚燒，垃圾填埋場通常設置在農村，占用大量農田，對不分類的垃圾進行焚燒，會造成大氣污染。隨著我國改革開放的進一步深入，經濟發展越來越豐富，生活節奏加快，人們在生活中產生的垃圾也越來越多，成分越來越復雜，越來越難處理。上世紀九十年代我國就有人提出對垃圾進行綜合利用，但是由于當時技術不成熟，而且沒有得到足夠重視，直到現在，生活垃圾的處理設備也是在焚燒和填埋方面的研究比較多，對垃圾分選設備研究比較少。隨著社會的發展，生活垃圾的綜合處理得到越來越多的關注。生活垃圾中含有多種成分，很大一部分可以回收再利用。由于處理困難，這部分有用的物質一般都沒有得到有效利用。垃圾分選設備研究的目的，就是將混合垃圾進行有效的分類，對某垃圾成分中的少量雜質進行分離，得到較為單一的組分，或是從混合垃圾中分離出某種少含量垃圾組分，有利于垃圾的回收再利用和后續處理。

生活垃圾處理項目主要包括前分選生產線和各種專項處理設備等。前分選生產線主要是將混合垃圾進行分類，經后續處理后的生活垃圾幾乎全部變廢為寶，有機質經噴爆造粒變為肥料，滲濾液經水處理循環利用，分離出的塑料制成燃燒棒可供發電、渣土制磚等。根據前分選生產線的運行要求，我們采用PLC作為主要控制元件，觸摸屏和上位機作為人機交互界面，設計出自動化水平較高、運行平穩可靠的控制系統。我們經過不斷的摸索和改進，將生產出更加完善的生產線，為我市的環保事業做出貢獻。

1 生產線設備構成

根據垃圾組分及分選結果不同，前分選設備基本包括板式輸送機、滾筒篩、破碎機、磁選機、風選機、液壓料倉、打包機等主要處理設備，通過皮帶輸送機或螺旋輸送機將物料輸送至處理設備。板式輸送機為最初上料設備，原生垃圾通過該設備輸送到后續處理生產線，該設備由輸送部分和均料破袋部分組成，輸送部分主要運送原生垃圾，均料破袋部分控制垃圾均勻輸送，并將袋裝垃圾破袋；滾筒篩將垃圾按粒徑進行篩分，根據網孔的大小將垃圾在滾動過程中分成大小粒徑兩部分，再進行不同的處理過程；破碎機將大件垃圾破碎；磁選機將鐵質垃圾分出；風選機按物料重量分為輕物料和重物料；打包機將輕物料（塑料，紙制品等）打包；皮帶機將各主要設備連接起來，將物料輸送至不同的處理方向。前分選設備主要完成對垃圾各種成分的分類，分出有機質去制肥或發酵發電，分出塑料制品去造粒，分出鐵質物品回收，渣土填埋或制磚等。圖1所示為一條較小的生產線布局。

圖1 前分選設備布局Fig.1 Layout of sorting equipments

2 控制系統構成

前分選控制系統主要由主控室上位機部分和現場控制設備組成。上位機通過以太網讀取現場PLC采集的各設備的狀態、運行數據，具有設定工藝參數、遠程啟停設備、監控生產線運行、及時顯示設備故障、記載歷史數據等功能。現場控制設備由下位機可編程邏輯控制器（PLC）、現場操作設備觸摸屏、驅動設備、檢測元件等組成，控制系統網絡組成如圖2所示。系統采用PLC作為現場控制單元，通過各種傳感器、開關、按鈕檢測設備的狀態，并通過變頻器、接觸器等控制元件來驅動現場的各種電機、泵、閥、風機等運行。現場的變頻器及各種智能設備通過Profibus總線連接到PLC主站，主站將各設備及從站的狀態上傳到上位機，通過上位機的組態軟件轉換為可操作的視窗界面，操作人員通過視窗界面可實時了解所有設備的運行狀況，工程師可通過操作界面對設備進行參數的設置，維修人員可通過操作界面了解故障的發生點和發生原因，還可將當日的運行狀況打印出來記錄存檔。上位機可通過工業以太網和交換機連接到公司的管理網絡上，經過授權的管理人員可隨時了解車間的生產狀況和設備的運行狀態。所有設備均采用遠程、現場、零位的控制模式，維修人員在現場即可輕松地實現控制方式的轉換，方便對所有設備進行檢修，同時整個電路采用直流24 V作為控制電壓，現場廣泛使用各種安全開關和保護開關，極大地提高了維修人員的安全性。

圖2 網絡結構及PLC組成Fig.2 Network structure and PLC composition

3 下位機組成及功能

3.1 硬件

根據文獻[1-2]，下位機系統主要采用西門子S7-300 PLC和S7-200 PLC實現過程控制，S7-300 PLC包括控制電源、CPU、數字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、以太網模塊和單元擴展接口模塊，2個現場采用西門子IM153模塊通過Profibus-DP與主站CPU通訊。觸摸屏分布在生產車間各處，用于手動操作就近設備啟停，操作界面如圖3所示。生產線一旦出現故障，觸摸屏會及時顯示，報告故障位置。

圖3 觸摸屏手動操作畫面Fig.3 HMI operation screen

S7-200Smart PLC配有CPU模塊和以太網通訊模塊，通過CPU自帶485通訊接口，與驅動元件ABB變頻器完成Modbus RTU通訊，采集變頻器運行數據，發出運行指令及寫入運行參數。這樣配置主要是為了節省成本，因為ABB變頻器標配有Modbus RTU通訊協議，不用另外采購通訊模塊，變頻器數量又多，通訊模塊的采購成本遠超過S7-200Smart的采購成本。S7-200Smart通過以太網與S7-300通訊，經S7-300將數據集中于上位機。

3.2 軟件

S7-300編程采用西門子公司開發的組態軟件STEP7 V5.5 SP2編輯。S7-200Smart采用 STEP 7-MicroWIN SMART組態軟件編程。

3.2.1 S7-300程序

S7-300程序結構如圖4所示。通過一系列的數據采集交換，經過編程實現各臺設備順序啟停，設備狀態檢測、故障處理、急停處理、與上位機及觸摸屏的通訊、工藝控制等功能。

全局控制程序匯集整條生產線各臺設備的手動/自動狀態、故障狀態、急停狀態。發出啟動或停止生產線自動運行命令，發出聲光報警。

報警匯總程序采集設備檢測元件數據，匯集急停報警、過熱報警、跑偏報警、跑偏故障、直流電源報警、變頻器故障報警、皮帶機打滑報警、堵料報警等。一方面服務全局程序故障報警指示，另一方面報告上位機及觸摸屏，顯示故障內容。

圖4 S7-300程序結構Fig.4 S7-300 program structure

圖5 控制流程Fig.5 Flow chart of control

自動控制程序自動控制流程如圖5所示。順序啟動、停止生產線運行：啟動時由生產線最后端受料設備逐步向最前端送料設備啟動，保證受料設備啟動后送料設備才可啟動，避免輸送機上堆料。停止時則由最前端送料設備到最后端受料設備逐步停止，保證停止運行時清空輸送機上的物料；自動運行過程中故障處理程序：立即停止故障設備及給其供料設備的運行，維修恢復后，由該設備開始，其供料設備順序啟動；自動運行過程中急停處理程序：檢測到生產線上任意一個急停信號，全部設備停止運行，直至恢復急停，全線重新啟動。

手動控制程序任何一臺設備在手動狀態下都可以通過觸摸屏手動操作單獨啟動或停止，手動操作主要用于設備檢修。

驅動控制程序PLC輸出點驅動程序。每臺設備手動或自動運行指令通過PLC輸出點輸出，驅動設備運行。

單機控制程序控制滾筒篩、風選機及人工手選設備的單獨運行程序。

通訊程序建立S7-300 PLC與上位機、觸摸屏、S7-200Smart PLC通訊。

3.2.2 S7-200Smart程序

S7-200Smart PLC與變頻器建立Modbus RTU通訊，通過編寫輪詢程序逐一掃描每臺變頻器，讀寫變頻器參數。S7-200Smart PLC與S7-300 PLC建立以太網通訊，交互變頻器參數。

4 上位機系統

上位機采用工業控制計算機加工業控制軟件的配置。工業控制軟件采用西門子組態可視軟件WinCC7.0，它具有以下過程可視化的功能：全圖形顯示；報警顯示；報警歸檔和報警記錄；測量值采集（歸檔功能、數據壓縮、最小值和最大值等）；報表編輯器，用于把機器順序和過程順序以個別報表形式形成文件；對各種PLC系統的過程通訊；標準接口，例如Microsoft程序；在所有的WinCC應用模塊中都有編程接口（API），允許訪問數據和函數；復雜的可視化任務可以使用ANSI-C或VB編程語言來解決[3]。

上位機操作界面在系統啟動或注銷后，必須輸入正確的用戶名和操作密碼進行登錄后才能進入系統操作。系統設置多種用戶操作權限，分為操作員權限、管理員權限。操作員權限只能進行狀態監視、設備操作、報表打印，管理員具有操作員全部權限外、還可進行參數的修改和設定。系統登錄界面如圖6所示。

圖6 上位機登錄界面Fig.6 PC login

主工藝流程如圖7所示，顯示完整城市生活垃圾處理工藝過程，并且所有設備均用動態圖形表示。運行狀態用不同的顏色來區分，如用藍色表示停止，灰色表示自動，黃色表示手動，紅色表示故障，綠色運動的箭頭等表示物料的運行方向和設備的運轉。在工藝流程圖上可設定流量閥的開度，調節上料速度，設定變頻器的頻率，調節處理速度，顯示流量閥實際開度和變頻器的實際頻率值、電流值。變頻器參數還可在變頻器參數畫面中設定和顯示，還可顯示其參數曲線，如圖8所示。

圖7 工藝流程Fig.7 Process flow

圖8 頻器參數畫面Fig.8 Parameters of inverters

自控系統報警進行分組處理，報警具有未消失未被確認、未消失已被確認、消失未被確認和消失已被確認4種狀態，可通過報警界面按取消和確認報警。在監控界面底部設置報警欄，不同顏色代表不同優先級，顯示最近4個報警未消失未被確認的詳細內容，包括報警的當前狀態、發生時間、“消失”的時間和確認的時間，用戶可在報警出現時自動通過打印機打印輸出，如圖9所示。并且，系統配置有報警歷史記錄，可隨時調出查看，根據時間、內容分析報警情況和原因。

圖9 報警記錄Fig.9 Alarm record

上位機系統具備功能強大的事件記錄功能。

操作記錄功能操作記錄是指用戶對系統的使用情況，主要包括用戶登錄記錄、控制操作記錄、退出記錄等，用來保證系統的安全性。系統自動檢查結果情況，并記錄在控制操作表中，內容有命令發出時間、對象及操作性質、執行結果和用戶名等。

設備運行記錄功能設備運行記錄是指垃圾處理設備的運行情況，主要包括用設備狀態記錄等。系統自動記錄生產運行情況，并記錄在生產記錄表中。

報警記錄功能報警運行記錄是指系統現場設備的控制、運行情況，主要包括各種設備的停止、啟動的預報警，設備參數達到（超過）上下限時報警等，用來反映生產運行時出現的異常情況。系統自動檢查報警情況，并記錄在報警記錄表中，內容有報警的種類、地點、名稱、報警時間等。監測并顯示電氣設備的故障有過載、短路、過流、過電壓、失壓、過熱、缺相、超速、低速、主回路故障、變頻器故障、欠壓、PLC運行狀態等。

歷史數據庫功能記錄各種垃圾處理過程中的數據，如用日處理記錄等，將所有數據歸納匯總形成報表，并相應制報表顯示、打印和存檔。

5 結語

以高可靠性的西門子S7-300 PLC作為垃圾前分選生產線的主控制器，配以通訊網絡、上位計算機，觸摸屏實現了對生產線的遠程、智能、安全的自動控制；實現了良好的人機對話，方便操作人員在觸摸屏、主控室了解現場設備的實際運行狀況并適時修改參數設置；實現了故障保護功能；實現了遠程和現場兩級操作，達到了直觀、快捷、安全的運行目的。該控制系統已經在多條生產線中應用，運行平穩、可靠，獲得良好的經濟效益和社會效益。

[1]劉華波，何文雪，王雪.西門子S7-300/400PLC編程與應用[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]陳海霞，柴瑞娟，任慶海，等.西門子S7-300/400PLC編程技術及工程應用[M].北京：機械工業出版社，2012.

[3]姜建芳.西門子WinCC組態軟件工程應用技術[M].北京：機械工業出版社，2015.