地埋式垃圾中轉站控制系統的智能化設計

張宗鋒

（1.福龍馬集團股份有限公司，福建 龍巖 364000；2.福建省環衛裝備技術及應用研究重點實驗室，福建 龍巖 364000）

0 引言

隨著國民經濟的發展，城市在日益擴大，城市人口在一天天增加，生活垃圾量不斷增多。垃圾清運的工作成了城市環衛部門一個主要的工作，而垃圾中轉站則是城市生活垃圾清運工作中重要的設施之一。地埋式垃圾中轉站是一種將主體設備放置于地面以下的垃圾處理設備，主要由升降平臺和垃圾壓縮箱組成（圖1），具有占地面積小、隱蔽性好、空間結構合理的優勢[1]。傳統的地埋垃圾站控制系統有兩套操作手柄，分別對升降平臺和垃圾壓縮箱進行手動操作，操作繁瑣、自動化程度低；垃圾收集車卸料時，在卸料口產生較大的揚塵，地坑內因垃圾處理過程中排放的污水及小顆粒垃圾殘留，難以清洗，導致臭氣外溢，造成工作環境污染；工作時，平臺和壓縮箱都沉入地坑內，當發生故障時，因為沒有自動報警診斷，需進入地坑內進行排查，而地坑內空間狹小、密閉，對故障排查又增加了困難；設備長時間停運將直接造成生活垃圾不能及時處理，大大降低環衛部門的工作效率，造成環境污染。本文以PLC作為控制核心進行各系統設備的數據采集、邏輯運算、故障診斷和控制輸出，以觸摸屏作為PLC的上位機進行各系統數據的上傳、集中監控與數據交互，通過接近開關、物位與光電傳感器等的使用實現各系統設備的半自動與全自動控制，很好地解決了現有中轉站操作繁瑣、自動化水平低下、工作環境惡劣、故障排查困難等問題。

圖1 地埋站主要結構示意圖

1 系統簡介與控制功能設計

地埋式垃圾中轉站主要由升降平臺、垃圾壓縮箱、地坑清洗裝置、噴霧降塵裝置組成。升降平臺與垃圾壓縮箱配套使用，由各自的液壓系統進行動作驅動，作業的過程中，壓縮箱通過承載平臺隱藏于地面以下，當壓縮箱裝滿垃圾后，承載平臺將壓縮箱升起至地面，從而使得垃圾壓縮箱能被移出進行轉運。地坑清洗裝置用于將垃圾壓縮處理過程中排放入地坑的污水及小顆粒垃圾沖洗干凈，噴霧降塵裝置用于垃圾車卸料時卸料口的壓塵。具體控制功能設計如下：

（1）升降平臺的自動下降與自動上升。升降平臺上裝有9個接近開關，用于舉升機構、蓋板、料斗、插銷位置與壓縮箱放置到位信息的采集，4組紅外感應光電傳感器，用于檢測是否有人員闖入平臺自動動作區域。由工作人員采用拉臂車將壓縮箱空箱放置于承載平臺上，當壓縮箱放置到位后，將壓縮箱的電源及控制線路插頭連接好；啟動自動控制模式，控制系統通過檢測各動作機構的位置信息進行執行動作的切換，按動作流程執行自動操作，壓縮箱滑板打開→料斗下降→蓋板打開→插銷收回→平臺下降，平臺自動下降動作結束后，由垃圾收集車前往卸料口進行倒料。當壓縮箱壓滿后，控制系統檢測到壓縮箱滿載信息，進行平臺自動上升動作，蓋板關閉→料斗上升→壓縮箱滑板關閉→平臺上升→插銷伸出，平臺自動上升動作結束后，由工作人員拔出壓縮箱的電器連接器件，采用拉臂車將垃圾壓縮箱轉運至垃圾填埋場或垃圾焚燒廠倒料[2]。平臺自動上升及自動下降的過程中，如檢測到有人員闖入、緊急停止、液壓系統故障或傳感器異常信號時，立即停止自動動作，并通過觸摸屏人機界面及聲光報警裝置進行報警提示。

（2）垃圾壓縮箱的自動壓縮。壓縮箱上裝有2個接近開關，用于檢測滑板的位置信號，1組微波物位傳感器，用于檢測推板上方是否有垃圾，1個壓力傳感器，用于檢測推板動作過程中液壓系統的壓力信號。當微波物位傳感器感應到有垃圾時，推板按預設的壓縮循環次數自動進行垃圾壓縮的操作，壓縮達到次數后若傳感器仍感應到有垃圾，則繼續進行壓縮循環動作，否則停止壓縮動作；若壓縮過程中檢測到壓縮箱滿載信號、緊急停止或液壓系統故障信號，則停止自動壓縮動作，并在觸摸屏人機界面進行聲光報警提示。自動壓縮動作時，推板先執行收回動作直至油壓達到收回壓力閾值時則為收回到位，進而執行推板推出動作直至油壓達到推出壓力閾值時則為推出到位[3]，反復進行上述兩個步驟，動作切換時暫停1 s。

（3）地坑自動清洗及卸料口自動噴霧。地坑清洗裝置有1個清洗水箱水位低開關，1個清洗電機接觸器，噴霧裝置有1個藥箱藥位低開關，1個噴霧電機接觸器，1個安裝于卸料口的紅外感應光電傳感器，均接入升降平臺控制器；當升降平臺上升到位時，垃圾壓縮處理工作已完成，地坑內殘留有大量壓縮過程排出的污水和細小垃圾，此時自動開啟地坑清洗電機對地坑進行沖洗直至清洗時間達到所設置的清洗時間閾值，將污水沖入排污坑，由排污泵將污水送入市政污水管網。當卸料口紅外感應光電傳感器感應到有垃圾車卸料時，自動開啟噴霧系統進行壓塵。當檢測到緊急停止、清洗水箱水位低信號或清洗電機過載信號時，立即停止清洗電機，當檢測到緊急停止、藥箱藥位低信號或噴霧電機過載信號時，立即停止噴霧電機；并通過觸摸屏人機界面及聲光報警裝置進行報警提示。

（4）在觸摸屏上可選擇手動、半自動、全自動操作模式，手動模式時可以操作升降平臺、壓縮箱各執行機構的手動動作及地坑清洗電機和噴霧電機的啟停，以方便設備調試及傳感器異常時的手動操作。半自動模式時，可操作平臺自動上升、平臺自動下降、壓縮循環等半自動操作。全自動操作模式時，則通過各信號及數據的采集、傳輸，通過相應條件的判斷進行各半自動流程的切換與聯動，進而實現整站設備的全自動控制。同時在操作面板安裝與觸摸屏具有相同功能的硬操作按鈕[4]，與觸摸屏操作互相冗余，以增加設備使用的可靠性，降低因操控裝置故障導致停機的可能性。

（5）在觸摸屏上直觀顯示升降平臺、壓縮箱各執行機構動作情況、液壓系統運行工況；地坑清洗電機、噴霧電機的運行情況等信息。

（6）設置遠程監控系統，通過電腦客戶端或手機APP，進行整站信息的實時監控與遠程維護。

2 PLC自動控制系統的設計

2.1 系統I/O分配

根據控制功能要求，升降平臺控制系統輸入點有：緊急停止1點、點動操作8點、半自動操作2點、接近開關9點、光電傳感器5點、液壓系統電機啟停、電機過載和油位低共4點、液壓油壓力變送器2點、地坑清洗系統電機啟停、電機過載和水位低共4點、噴霧系統電機啟停、電機過載和藥位低共4點；輸出點有：液壓系統電機啟動接觸器、液壓換向閥和溢流閥共14點、地坑清洗電機啟動接觸器1點、噴霧系統電機啟動接觸器1點、聲光報警裝置1點，總共有37個數字量輸入點、2個模擬量輸入點、17個數字量輸出點。垃圾壓縮箱控制系統的輸入點有：緊急停止1點、點動操作4點、半自動操作1點、接近開關2點、微波物位傳感器1點、液壓系統電機過載、油位低、油溫高共3點，壓力變送器1點；輸出點有：液壓系統電機啟動接觸器、冷卻風扇啟動繼電器、液壓換向閥和溢流閥共9點，聲光報警裝置1點，總共有12個數字量輸入點，1個模擬量輸入點、10個數字量輸出點。

2.2 PLC選型

本控制系統選用市面上廣泛使用的具有高性價比的西門子200smart系列PLC[5]，其CPU模塊本體集成有1個以太網接口，1個485接口，可滿足與觸摸屏進行通信的要求[6-7]。按系統使用的輸入輸出點數并增加20%以上裕量，升降平臺控制系統選用SR60 AC/DC/RLY型號控制器作為控制核心，1塊EM DE08模塊作為數字量輸入的擴展模塊、1塊EM AE04模塊作為模擬量輸入的擴展模塊；垃圾壓縮箱控制系統選用SR30 AC/DC/RLY型號控制器作為控制核心，1塊SB AE01信號板作為模擬量輸入的擴展信號板。

2.3 自動控制邏輯圖

根據控制功能的要求，繪制全自動、平臺自動上升、平臺自動下降、壓縮箱自動壓縮、地坑自動清洗及卸料口自動噴霧控制邏輯圖。此處以全自動邏輯圖進行示例，如圖2所示。

圖2 全自動邏輯圖

2.4 自動控制程序的設計

采用STEP 7-Micro/WIN SMART編程軟件[8]分別進行升降平臺PLC和壓縮箱PLC控制程序梯形圖的設計與編寫。設置手動控制和自動控制模式，手動控制模式由操作人員通過操作面板按鈕或點擊觸摸屏軟操作按鈕對升降平臺各執行機構進行點動操作及液壓系統電機、地坑清洗電機、噴霧系統電機的手動啟停；自動控制模式設置半自動與全自動模式，由控制器通過對各傳感器信號的采集與數據傳輸處理，根據相應的控制邏輯進行自動控制。半自動模式可執行平臺的自動上升、自動下降和壓縮箱推板動作的壓縮循環，全自動模式無需人工操作，自動進行升降平臺的升降、壓縮箱推板的自動壓縮、地坑的自動清洗和卸料口的自動噴霧。按PLC、擴展模塊的型號及通訊方式進行硬件組態和通信參數的配置[9]，根據I/O點的分配按自動控制邏輯圖進行控制程序梯形圖的編寫[10]。示例程序如圖3、4所示。

圖3 平臺自動上升示例程序

控制程序說明：圖3為平臺自動上升示例程序，用于將地坑內的壓縮箱舉升到地面進行轉運，各執行機構按控制邏輯進行自動動作直至插銷伸出到位。當選擇半自動模式時，可通過觸摸屏或操作面板上的按鈕進行平臺自動上升的操作；當選擇全自動模式時，檢測到壓縮箱滿載信號后，自動進行平臺自動上升的動作。當檢測到緊急停止、液壓泵站故障、傳感器故障或人員闖入時，立即停止平臺自動上升動作。圖4為壓縮箱自動壓縮示例程序，用于垃圾壓縮箱推板的自動壓縮動作，推板按預設的壓縮循環次數進行自動壓縮，當選擇半自動模式時，可通過觸摸屏或操作面板上的按鈕進行壓縮循環的操作；當選擇全自動模式時，檢測到推板上方有垃圾時，自動進行推板的壓縮循環動作，直到壓縮箱滿載。當檢測到緊急停止或液壓系統故障時，立即停止壓縮循環動作。

圖4 壓縮箱自動壓縮示例程序

3 監控系統的設計

3.1 監控系統的選型

將升降平臺PLC控制系統和壓縮箱PLC控制系統同時接入觸摸屏，通過數據的傳輸，在人機界面進行可視化集中監控，以便更好地對整個地埋站的設備進行管理。升降平臺控制器采用超五類網線與觸摸屏連接通信；壓縮箱部分的控制采用可拔插的重載連接器，不便采用以太網進行通訊連接，因此采用RS485雙絞屏蔽線與觸摸屏連接通信；觸摸屏需要同時與平臺PLC和壓縮箱的PLC進行連接，因此需要配有以太網及485通訊接口。本系統選用經濟實用的繁易FE6070WE物聯HMI作為PLC的上位機，其本體集成有1個以太網口、2個485串口，滿足與PLC通信的要求；為了更加經濟便捷的聯網，方便對整站設備進行遠程維護，配置FLink物聯網關模塊與觸摸屏組合成物聯人機界面[11]。監控系統的組成與網絡結構如圖5所示。

圖5 監控系統的組成與網絡結構

3.2 觸摸屏人機界面的設計

采用FStudio軟件進行組態界面設計[12]，HMI通過以太網通訊及485串口通訊分別與平臺和壓縮箱進行數據連接，可以直接進行各設備的動作操作，同時對PLC的數據進行采集，實現對運行工況的實時監控。設計的主要界面有操作主界面（圖6）、輸入輸出界面、參數設置界面、報警界面、統計界面。

圖6 觸摸屏操作主界面

操作主界面：按升降平臺、地坑清洗系統、噴霧系統、壓縮箱進行分區域顯示，以便于監視與操作。設置手動、半自動、全自動操作模式選擇按鈕；升降平臺部分設置液壓系統油泵電機狀態、油壓的數據顯示，平臺、料斗、蓋板、插銷的手動操作及半自動操作平臺自動上升、平臺自動下降的軟操作按鈕；地坑清洗系統及噴霧系統部分設置運行狀態顯示、手動開啟/關閉軟操作按鈕；壓縮箱部分設置油泵電機運行狀態、油壓的數據顯示及推板、滑板的手動操作及半自動操作壓縮循環的軟操作按鈕；并設置指示燈對各動作的執行情況進行反饋；由操作人員根據工作流程優先選擇進行設備的自動操作。

輸入輸出界面：用于平臺、壓縮箱控制系統PLC的輸入、輸出點的實時監控。

參數設置界面：設置電機閑時自停參數、壓縮力設置參數、壓縮循環次數、地坑自動清洗時間等參數，以便進行電機節能、推板壓縮力、自動壓縮次數、地坑自動清洗時間等參數的調整，供管理人員按需設置。

報警界面：通過屏幕顯示平臺、壓縮箱、清洗系統、噴霧系統的報警信息；如平臺電機過載、平臺油箱油位低、清洗水箱水位低、壓縮箱油箱油位低等，便于工作人員快速進行故障的排查處理。

統計界面：設置系統運行時間、各執行機構動作次數、報警信息統計等功能，方便對整站設備的使用情況進行跟蹤。

3.3 遠程監控界面的設計

在FlexManger電腦客戶端進行硬件組態，參照觸摸屏輸入輸出界面、參數設置界面、報警界面、統計界面的數據進行監控點的添加。按系統及功能區分，共設置平臺運行工況、平臺I/O、平臺參數設置、平臺運行總覽、壓縮箱運行工況、壓縮箱I/O、壓縮箱參數配置、壓縮箱運行總覽、報警記錄及歷史記錄界面。通過4G網絡將控制系統信息傳送至遠端云平臺，無需前往現場查看，通過電腦客戶端或FBOX手機APP，即可進行整站信息的實時監控與遠程維護。方便隨時隨地掌握設備的運行情況，當遇到設備異常時，遠程協助工人進行設備故障的快速排查處理。遠程監控系統界面如圖7所示。

圖7 遠程監控系統界面

4 結束語

本文基于PLC、觸摸屏進行地埋式垃圾中轉站控制系統的設計，通過多種傳感器的使用、控制邏輯的編寫及數據信息的交互，實現垃圾站內主設備及附屬設備的半自動與全自動控制。通過以太網通訊、串口通訊將觸摸屏分別與升降平臺及壓縮箱的控制器連接通訊，將整站設備的操作、運行工況、設備參數、故障診斷等信息進行可視化集中監控。使用物聯模塊與HMI連接，通過物聯網將數據傳送至云平臺進行遠程監控。整個控制系統具有自動化、信息化、網絡化的特點，提高了地埋站控制系統的智能化水平，降低了運營成本，提高了垃圾處理效率，改善了工人的工作環境，降低了他們的勞動強度，提高了控制系統的安全性、可靠性與可維護性，并為后續控制系統信息接入環保部門綜合管理平臺提供了有力的保障。