垃圾房自動換桶控制系統設計與研制

王宇穎，單立軍，孔永華

(1.上海市國有資產信息中心，上海 200003；2.東華大學機械工程學院，上海 201620)

0 引言

近年來，政府高度重視生活垃圾分類處理工作，采取多項措施，緩解垃圾快速增長的趨勢。其中，垃圾分類是對垃圾減量的一種有效措施。然而，垃圾分類措施的實行也大大增加了城市小區內垃圾房的垃圾清運人員的工作壓力。他們每天都要按時更換新的垃圾桶，以便小區內的居民正常投放垃圾。不僅如此，他們還要經常去垃圾房查看垃圾桶是否被裝滿。因此，這種需要人工定時去查看垃圾桶是否需要更換的方式，不僅浪費時間和人力，而且效率低下。

借助于人工智能的高速發展，為了提高垃圾房的利用效率和垃圾清運人員的工作效率，經過調研，本文提出了一種垃圾房自動換桶裝置的設計方案。根據方案，設計了一種傳送結構穩定性高的自動換桶裝置。該裝置降低了垃圾清送人員的勞動強度，提高了垃圾清運人員的工作效率和垃圾房的使用效率，解決了垃圾房內時常人工更換垃圾桶的問題。

1 垃圾房自動換桶裝置的主要部件

垃圾房自動換桶裝置主要由空桶傳送輥筒滾道、滿桶傳送輥筒滾道、限位輥筒滾道、圓形換向輥筒滾道、自動頂升裝置、傳動裝置組成。自動頂升裝置與傳送輥筒滾道相連，在一條直線上，傳動裝置中的傳動電機安裝在傳送輥筒滾道的下面，傳送輥筒滾道與傳送電機通過傳送齒輪和齒條進行連接，限位輥筒滾道安裝在傳送輥桶滾道的兩側，傳送系統中的圓形換向輥筒滾道安裝在傳送輥筒滾道中需要換向的位置上，具有對傳送垃圾桶進行更換傳送方向的功能[1-3]。自動頂升裝置上裝有稱重傳感器。當測量到垃圾桶達到一定質量時，便對垃圾桶進行及時更換。裝置還裝有限位傳感器。當垃圾桶到達指定位置時，電機便停止工作。自動換桶裝置工作結構如圖1所示。

圖1 自動換桶裝置工作結構圖Fig.1 Working structure of automatic bin changing device

1.1 傳送系統

自動換桶裝置中的傳送系統主要包括空桶傳送輥筒滾道、滿桶傳送輥筒滾道、限位輥筒滾道、圓形換向輥筒滾道四部分。空桶傳送輥筒滾道主要用于完成上桶工作。當頂升裝置上的垃圾桶裝滿時，空垃圾桶會從空桶傳送輥筒滾道上來填補，從而保障垃圾投放口處一直有可用的垃圾桶可使用。限位輥筒滾道安裝在傳送輥筒滾道的兩側，主要用于保證垃圾桶在傳送的過程中不會傾倒，能夠安全順利地到達指定的位置，提高了傳送過程的穩定性、安全性和工作效率。滿桶傳送輥筒滾道主要用于完成下桶工作。當頂升裝置上垃圾桶內垃圾的質量或垃圾桶內的體積被檢測到達到要求時，滿桶傳送輥筒滾道開始工作，將滿的垃圾桶通過滿桶傳送輥筒滾道傳送到滿桶區域。圓形換向輥筒滾道主要用來完成滿的垃圾桶在傳送過程中傳送方向的更換工作。當滿的垃圾桶傳送到圓形換向輥筒滾道時，圓形換向輥筒滾道開始工作，傳送方向向滿桶傳送輥筒滾道方向轉動，從而實現了滿桶與空桶的分流。

1.2 傳動裝置

傳動裝置中的電機采用ZH-2200-250-SZ-B三項剎車異步電機。三相異步電動機轉子的轉速低于旋轉磁場的轉速，轉子繞組因與磁場間存在著相對運動而產生感生電動勢和電流，并與磁場相互作用產生電磁轉矩，實現能量變換。與單相異步電動機相比，三相異步電動機運行性能好，并可節省各種材料。按不同的轉子結構，三相異步電動機可分為籠式和繞線式兩種[4-6]。籠式轉子的異步電動機結構簡單、運行可靠、質量輕、價格便宜，得到了廣泛的應用。

傳動裝置中采用電機與鏈條、齒輪相連接。相比于帶傳動，齒輪傳動有以下優點：瞬時傳動比恒定；非圓齒輪傳動的瞬時傳動比能按需要的變化規律來設計；傳動比范圍大，可用于減速或增速；速度(指節圓圓周速度)和傳遞功率的范圍大，可用于高速(v>40 m/s)、中速和低速(v<25 m/s)的傳動；傳動效率高，一對高精度的漸開線圓柱齒輪，效率可達99%以上；結構緊湊，適用于近距離傳動。其缺點是制造成本較高。某些具有特殊齒形或精度很高的齒輪，因需要專用的或高精度的機床、刀具和量儀等，故制造工藝復雜，成本高。傳送裝置示意圖如圖2所示。

圖2 傳送裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of conveyor

1.3 自動頂升裝置

自動頂升裝置結構示意圖如圖3所示。

圖3 自動頂升裝置結構示意圖Fig.3 Structure diagram of automatic lifting device

自動頂升裝置采用液壓驅動，可以自由升降。除此之外，自動頂升裝置與傳送輥筒滾道相連，在一條直線上。當頂升裝置上的垃圾桶達到設定的質量或者桶內的垃圾體積達到要求時，自動頂升裝置會將平臺升起來，并將滿的垃圾桶傳送到傳送輥筒滾道上。當空的垃圾桶傳送過來時，自動頂升裝置又會將平臺降下[7-8]。

2 硬件設計

傳感器在垃圾房自動換桶裝置中占有重要的位置。在頂升裝置平臺上，裝有稱重傳感器和限位傳感器，在垃圾桶上裝有漫反射激光傳感器。傳感器的選型非常重要，要充分考慮成本、靈敏度、壽命等因素，選擇合適的傳感器來提高自動換桶裝置的穩定性、高效率和安全性。傳感器將信息傳輸給S7-200 PLC進行處理，并將處理后的信息傳輸給電機，從而實現一系列的換桶動作。自動換桶系統框圖如圖4所示。

圖4 自動換桶系統框圖Fig.4 Block diagram of automatic bin changing system

2.1 稱重傳感器模塊

稱重傳感器模塊是一種將所測物體的質量轉換為電信號用以輸出的裝置，安裝在自動頂升裝置的平臺。根據平臺的大小、垃圾桶滿桶時的質量，結合濕度較大和腐蝕程度較高的環境，選擇了GJBLY稱重傳感器。GJBLY稱重傳感器阻抗高、功率小，僅需很低的輸入能量，就可獲得較大的變化量，從而具有較高的信噪比和系統穩定性；動態響應快，工作頻率可達幾兆赫；結構簡單、適應性強，可在高低溫、強輻射等惡劣的環境下工作，滿足上述所提的要求[9-10]。GJBLY稱重傳感器安裝在自動頂升裝置上，當垃圾桶內垃圾的質量達到限定值時，稱重傳感器將信號傳給S7-200 PLC，單片機將信號處理好后發給電機，從而實現換桶的動作。GJBLY稱重傳感器原理如圖5所示。

圖5 GJBLY稱重傳感器原理圖Fig.5 Schematic diagram of GJBLY load cell

2.2 接觸式限位傳感器模塊

接觸式限位傳感器模塊安裝在自動頂升裝置的平臺上。當垃圾桶到達自動頂升裝置平臺上指定位置時，與限位傳感器接觸，從而切斷電源，使電機停止工作，傳動裝置就停止工作。根據上述要求，選擇了Z-15GW22-B接觸式傳感器。Z-15GW22-B接觸式傳感器使用壽命長、靈敏度高、動態響應快、成本低、結構小巧簡單，額定頻率為50～60 Hz，額定電流15 A，滿足所需的要求。Z-15GW22-B接觸式傳感器安裝在自動頂升裝置上，檢測到垃圾桶到達指定位置時，將信號發給S7-200 PLC，單片機將信號處理后發送給電機，使電機停止工作。

Z-15GW22-B接觸式傳感器電路如圖6所示。

圖6 Z-15GW22-B接觸式傳感器電路圖Fig.6 Contact sensor circuit diagram of Z-15GW22-B

2.3 漫反射激光傳感器模塊

DDSK-0510N1漫反射激光傳感器接線方式如圖7所示。

圖7 DDSK-0510N1漫反射激光傳感器接線方式Fig.7 Connection mode of DDSK-0510N1 diffuse reflection laser sensor

漫反射激光傳感器模塊是一種集發射器和接收器于一體的傳感器。當有被檢測物體經過時，物體將光電開關發射器發射的足夠量的光線反射到接收器，使光電開關產生了開關信號。漫反射激光傳感器安裝在垃圾桶桶口，利用漫反射激光傳感器測量反射距離的長短來確定垃圾桶是否裝滿。DDSK-0510N1漫反射激光傳感器具有延時、展寬、外同步、抗相互干擾、可靠性高、安裝簡便，可檢測透明物體、成本低等特點，工作電壓10～30 V，檢測距離1～130 mm并且可調，輸出方式為NPN/PNP NO/NC。其中，NPN NO表示常態是常開。檢測到物體時，黑色線輸出一個負電壓信號，NPN NC表示常態下黑色線是輸出負電壓信號的。檢測到物體時斷開輸出信號。DDSK-0510N1漫反射激光傳感器安裝在垃圾桶上，當檢測到垃圾桶內垃圾的體積達到要求時，DDSK-0510N1漫反射激光傳感器將信號傳輸給S7-200 PLC上，并將處理后的信息傳輸給電機，從而實現換桶的一系列動作。

3 系統總流程

程序流程如圖8所示。

圖8 程序流程圖Fig.8 Program flow chart

該控制系統的軟件由一個主程序組成。主程序由一些狀態選擇語句組成，主要是在系統復位后重新檢測桶的狀態，如是否滿桶、桶內垃圾的質量是否達到要求等因素。當傳感器傳回的桶內垃圾的質量信息或垃圾桶是否被裝滿的信息后，S7-200響應相應的信號，控制電機轉動，從而實現一系列的動作。

4 結論

本垃圾房自動換桶裝置，經過一系列測試后，得出以下結論：自動換桶裝置傳送結構穩定性高，換桶過程流暢，達到了設計的要求。本設計還將自主設計的換桶裝置與稱重傳感器和限位傳感器有機結合在一起，并與垃圾桶上的漫反射激光傳感器相結合，構成一個完整系統。系統響應快，感應模塊反應靈敏，最大程度提高拉垃圾房換桶的自動化程度，降低了垃圾清送人員的勞動強度，提高了垃圾清送人員的工作效率。本設計對提高垃圾房的使用效率具有十分積極的意義。