基于PLC的廚余垃圾分選自動控制系統(tǒng)

王海霞，袁亞雄（江蘇雋諾環(huán)保工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210012）

0 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市人口的不斷增加，居民生活和消費(fèi)水平的顯著提高，生活垃圾的產(chǎn)生量也在急劇增加。而在生活垃圾中廚房產(chǎn)生的垃圾占比較大，因此廚余垃圾的高效處理成為解決城市環(huán)境問題的關(guān)鍵所在。廚余垃圾是居民在日常生活中消費(fèi)形成的生活廢棄物，飯店、食堂、居民住宅區(qū)等是廚余垃圾集中排放的主要場所。較之其他垃圾，廚余垃圾具有含水率高，油脂和鹽分含量高等特點(diǎn)，很容易腐壞變質(zhì)產(chǎn)生惡臭，滋生病菌，造成環(huán)境污染。且廚余垃圾有機(jī)物含量較高，含有多種微量元素，具有很高的再利用價值。因此，廚余垃圾的處置引起社會越來越多的關(guān)注。

廚余垃圾分選系統(tǒng)包括喂料機(jī)、均料機(jī)、風(fēng)選、篩選等多臺設(shè)備，設(shè)備數(shù)量多，分布范圍廣，為了方便操作，系統(tǒng)的每個設(shè)備需要集中控制，而在設(shè)備保養(yǎng)維修時需要現(xiàn)場獨(dú)立控制。而本文所述的基于PLC的集散控制系統(tǒng)既可實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制，完成相應(yīng)的過程自動化操作和設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視，又可實現(xiàn)每個設(shè)備現(xiàn)場獨(dú)立控制。本文以重慶市某廚余垃圾分選項目為例，重點(diǎn)分析基于PLC的自動控制系統(tǒng)在廚余垃圾處理中的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)概述

廚余垃圾分選自動控制系統(tǒng)采用PLC集散控制，主要由集中控制室的操作站、PLC控制站、現(xiàn)場操作箱、系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)等組成，見圖1。

圖1 控制系統(tǒng)配置圖

本系統(tǒng)采用西門子新一代的SMATIC S7-1500系列的控制器，實現(xiàn)集中管理，分散控制。可實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制和現(xiàn)場獨(dú)立控制兩種控制手段。遠(yuǎn)程集中控制實現(xiàn)項目的全面控制管理，在集中控制室的上位機(jī)上通過鼠標(biāo)鍵盤實現(xiàn)控制及監(jiān)視項目的所有設(shè)備運(yùn)行過程及狀態(tài)，完成整個生產(chǎn)過程的監(jiān)控和操作。現(xiàn)場獨(dú)立控制是一種必要的控制方式，在設(shè)備現(xiàn)場的操作箱上選擇相應(yīng)的按鈕，直接控制設(shè)備的啟停，也能在設(shè)備發(fā)生異常時快速有效的停止設(shè)備運(yùn)行，為單獨(dú)控制某一設(shè)備提供了方便，也為維保人員在設(shè)備保養(yǎng)或檢修時提供了安全保障。

操作站設(shè)置于項目的集中控制室。由上位機(jī)、鍵盤和鼠標(biāo)組成，通過WINCC系統(tǒng)完成生產(chǎn)過程的監(jiān)控和操作，包括電動機(jī)的組起動/組停車及緊急停車的操作，用電設(shè)備的備妥、運(yùn)行、故障等狀態(tài)的顯示，生產(chǎn)過程參數(shù)的顯示、設(shè)定、報警、記錄和自動控制等。實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的集中管理。現(xiàn)場操作箱設(shè)置于每臺設(shè)備現(xiàn)場，PLC控制站、低壓柜、變頻柜以及軟啟柜等設(shè)置于電氣室，PLC系統(tǒng)與各個設(shè)備之間進(jìn)行通訊及連接，完成順序邏輯控制的起動、停車和連鎖關(guān)系，在線進(jìn)行開關(guān)量和模擬量的實時數(shù)據(jù)采集、處理及回路的控制等。

2 硬件配置及選型

根據(jù)廚余垃圾分選項目工藝設(shè)備的數(shù)量、控制類型及分布，計算出所需要的模擬量和數(shù)字量的I/O點(diǎn)數(shù)。以此作為選擇PLC控制站硬件配置的條件依據(jù)，本系統(tǒng)PLC控制站的硬件選型配置如下：

（1）CPU處理器：采用西門子S7-1500系列1512SP-1 PN，帶儲存卡4MB。

（2）CPU電源模塊：6EP7133-6AB00-0BN0。

（3）16點(diǎn)數(shù)字量輸入模塊：6ES7131-6BH01-0BA0；16點(diǎn)數(shù)字量輸出模塊：6ES7132-6BH01-0BA0；8點(diǎn)4～20 mA模擬量輸入模塊：6ES7134-6GF00-0AA1；4點(diǎn)4～20 mA模擬量輸出模塊：6ES7135-6HD00-0BA1；I/O 模塊底座：6ES7193-6BP00-0BA0。

（4）I/O電源：10A NDR-240-24。

（5）工業(yè)交換機(jī)：EDS-408A-SS-SC。

（6）信號隔離器:模擬量輸入輸出使用。

（7）中間繼電器:CR-M230AC2L和 CRM024AC2L分別為數(shù)字量輸入和輸出使用。

為了滿足廚余垃圾處理的控制要求，本系統(tǒng)選用了西門子S7-1500系列1512SP-1PN的控制處理器，此型號處理器有功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)接口：配備PROFINET IO IRT（3端口交換機(jī)）作為標(biāo)準(zhǔn)接口。具有多種通信功能：PG/OP通信、PROFINET IO通信、開放式 IE 通信（TCP、ISO-on-TCP和 UDP）、Web服務(wù)器和S7通信等。CPU 1512SP-1PN適用于獨(dú)立生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中對處理性能和響應(yīng)速度有要求的應(yīng)用。集成式PROFINET IO IRT接口的設(shè)計形式為3端口交換機(jī)，這樣就可以在系統(tǒng)中通過端口1和2建立總線型拓?fù)洌部赏ㄟ^端口3來連接編程設(shè)備/PC或HMI設(shè)備。

根據(jù)設(shè)備需求，已統(tǒng)計被控對象的輸入和輸出信號的總點(diǎn)數(shù),并考慮調(diào)整和工藝改進(jìn)的需要，在實際統(tǒng)計點(diǎn)數(shù)基礎(chǔ)上，增加了一定的備用量。最終確定了數(shù)字量和模擬量輸入輸出的模塊數(shù)量：DI模塊11只，DO模塊4只，AI模塊4只以及AO模塊2只。

PLC控制站及擴(kuò)展結(jié)構(gòu)見圖2，CPU將接收到上位機(jī)傳遞的控制信號并進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果控制相應(yīng)設(shè)備，實現(xiàn)廚余垃圾處理過程的自動化操作。

圖2 PLC控制站及擴(kuò)展結(jié)構(gòu)

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本項目采用的PLC控制系統(tǒng)有實時監(jiān)控、電流報警、故障提示、安全連鎖等功能。集中控制室的上位機(jī)與PLC控制站連接、PLC控制站與現(xiàn)場設(shè)備連接，這三者之間的連接是實現(xiàn)自動化管理和控制的關(guān)鍵所在。模擬信號均轉(zhuǎn)化成4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，通過信號隔離器引至控制系統(tǒng)I/O模塊，信號隔離器可避免信號在傳輸過程中受到干擾，保證信號的穩(wěn)定。開關(guān)量信號統(tǒng)一采用220V.AC。

3.1 軟件概述及設(shè)計

本文所述的控制系統(tǒng)通過TIA博途軟件進(jìn)行編程及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑢N余垃圾分選設(shè)備的所有PLC控制器，變頻器等歸納到一個項目中。TIA博途是全集成自動化軟件TIA portal的簡稱，是西門子工業(yè)自動化集團(tuán)發(fā)布的全集成自動化軟件。它是業(yè)內(nèi)第一個采用統(tǒng)一的工程組態(tài)和軟件項目環(huán)境的自動化軟件，幾乎適用于所有自動化任務(wù)。借助該軟件平臺，能夠快速、直觀地開發(fā)和調(diào)試自動化系統(tǒng)。

PLC控制系統(tǒng)根據(jù)項目的工藝邏輯進(jìn)行編寫程序,通過程序編寫，實現(xiàn)自動化控制。設(shè)備以數(shù)字量的形式向PLC控制器輸送信號，PLC控制器讀入信號后，根據(jù)內(nèi)部編程進(jìn)行邏輯處理和條件判斷，輸出開關(guān)信號來控制繼電器，決定設(shè)備啟停等動作。將控制設(shè)備按照工藝流程順序啟動，倒序停車，根據(jù)工藝要求完成設(shè)備邏輯控制的程序塊，通過采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，傳遞到集中控制室上位機(jī)，完成對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，保證設(shè)備安全有序運(yùn)行，做好變頻設(shè)備的速度控制及皮帶機(jī)的信號檢測和控制等。

3.2 組態(tài)監(jiān)控

WINCC是一種數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的軟件平臺工具，是工業(yè)應(yīng)用軟件的一個組成部分。利用各種協(xié)議與大型設(shè)備控制器、PLC控制站、數(shù)字調(diào)節(jié)器等交換數(shù)據(jù)，并將生產(chǎn)現(xiàn)場的重要數(shù)據(jù)（如電流、頻率、液位、溫度、壓力等）通過畫面的方式顯示在計算機(jī)屏幕上，供操作人員檢查和操作。其內(nèi)容包括：變量組態(tài)、畫面組態(tài)、過程通信、報警組態(tài)、趨勢組態(tài)等。

本系統(tǒng)通過WINCC組態(tài)軟件創(chuàng)建項目，并在項目中組態(tài)過程畫面，包括框架畫面、流程畫面、報警畫面等。根據(jù)工藝過程的需要，將生產(chǎn)工藝線上關(guān)鍵設(shè)備設(shè)置的運(yùn)行參數(shù)信號送入計算機(jī)控制系統(tǒng)，完成設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、加工，實時和歷史數(shù)據(jù)的處理、趨勢曲線、報警等事務(wù)，完成對設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)視，既可隨時查看現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，也可通過鍵盤鼠標(biāo)在組態(tài)界面中進(jìn)行參數(shù)修改，達(dá)到實際所需。

3.3 安全連鎖

每臺設(shè)備以及每組設(shè)備的啟停控制按照工藝要求都有相應(yīng)條件去約束，比如某條帶式輸送機(jī)需要開啟，那么下游設(shè)備按照工藝要求必須全都開啟，否則物料不運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使物料在設(shè)備上堆積，造成堵塞。同樣，當(dāng)此設(shè)備因故障緊急停車，那么此設(shè)備上游的所有設(shè)備按照工藝要求都要立刻停車。當(dāng)某一控制環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障問題，對應(yīng)的報警系統(tǒng)應(yīng)該立即啟動，同時與此環(huán)節(jié)相關(guān)聯(lián)的設(shè)備需立刻停車。為了生產(chǎn)線的安全有效運(yùn)行，在PLC程序編寫的過程中必須實現(xiàn)上述的連鎖保護(hù)功能。

3.4 PLC的通訊與連接

在本文所述的自動控制系統(tǒng)中，PLC對設(shè)備的控制主要體現(xiàn)在啟停設(shè)備以及改變設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)上，這就需要除鐵器、打包機(jī)、破碎機(jī)等大型設(shè)備自身的PLC控制器與總PLC系統(tǒng)即PLC控制站之間建立通訊；PLC控制站與集中控制室的上位機(jī)之間建立通訊；PLC控制站與變頻器等設(shè)備建立相關(guān)的連接以及PLC控制站與TIA博途軟件建立通訊。

在廚余垃圾分選控制系統(tǒng)中，PLC與變頻器、軟啟動器以及低壓柜之間未采用特定的通訊方式，而是使用開關(guān)量，模擬量的點(diǎn)對點(diǎn)硬件接線方式控制；PLC與PLC之間則采用了西門子內(nèi)部S7系列產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議S7協(xié)議進(jìn)行通信，此通信方式確保雙方無論是否在同一MPI總線上、同一PROFIBUS總線上或者同一工業(yè)以太網(wǎng)中，都可以通過S7協(xié)議建立通信連接；PLC與上位機(jī)之間通過交換機(jī)、工業(yè)以太網(wǎng)連接，采用基于國際標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行連接和擴(kuò)充，遵循TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊，保證通訊的穩(wěn)定性；PLC與博途軟件TIA之間使用PG通訊方式，對CPU進(jìn)行在線連接、上下載程序、調(diào)試和診斷。

4 總結(jié)

本文所述的控制系統(tǒng)在重慶市某廚余垃圾分選項目得到了很好的應(yīng)用，實現(xiàn)了項目自動化監(jiān)視和控制功能。自項目投運(yùn)以來，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，對設(shè)備控制性能良好，通訊可靠，不僅降低了生產(chǎn)的人工成本，還提高了生產(chǎn)效率，解決了廚余垃圾分選項目的設(shè)備分布廣、種類繁雜、無法集中控制等問題。