基于PLC的压缩式垃圾中转站的设计与实现

　　摘要：为解决日益突出的城市生活垃圾处理问题，研发了一套以可编程控制器（PLC）为控制核心的压缩式垃圾中转站并投入使用。该垃圾中转站包含基建、压缩机构等硬件部分及控制、监视和人机界面等软件系统。其中软件系统在确保安全、简化操作的基础上，引入PLC软件滤波对信号进行滤波处理并控制电磁阀动作，同时加入触摸屏用于读取信息及做出相应控制。济南某小区使用结果表明：该垃圾中转站工作稳定，操作人性化、安全化，工作人员劳动强度低，中转效率高，且有效地解决了生活垃圾转运过程中的二次污染问题。

　　关键词：生活垃圾　压缩设备　可编程控制器　人机界面

　　引　言

　　随着城市化进程的不断加快，城市居民生活垃圾产生量也随之增长，而同时人们生活观念不断改变，对生活环境的要求日益提高，传统意义的垃圾站，已不能满足人们对高效、环保、节能低耗等新概念的要求，而同时压缩式垃圾中转站以其占地面积小、空间结构合理、密封性强、垃圾处理效率高，正引领垃圾处理行业的发展。应济南某小区要求，已完成基于PLC的压缩式垃圾中转站的设计与实现。现介绍如下：

　　1、技术方案介绍

　　1.1、垃圾处理能力设计计算

　　通过测算该小区居民人口数量及相应的垃圾产出量，该垃圾中转站日处理能力要求为单日垃圾处理量不低于100T。通过计算，此方案应配置压缩主机一套、容量为15T的垃圾运输箱一套。详细计算如下：

　　压缩头截面积（A）：宽×高=0.74m×1.95m=1.443m3

　　压缩头在压缩腔内运动行程（L）：1.5m

　　压缩头一次压缩行程的垃圾压缩量（VC）：A×L=2.16m3

　　压缩头一次压缩循环时间（T）：42S

　　散装生活垃圾单位体积重量（国家标准）（PW）：0.2-0.3T/m3

　　垃圾集装箱装载能力为：15T/箱

　　一次换箱所需时间：600S

　　则理论压满一箱垃圾需要时间为：[（15÷0.25）÷2.16]×42＋600=1766S

　　则每小时理论可压满箱数为（取整）：[3600÷1766]=2箱

　　则每小时单机理论处理能力为：2×15T=30T

　　受垃圾运输车辆的卸料量、进站连续性以及操作等因素影响，设备不可能完全有效的进行连续压缩，从而在实际使用中压缩主机无法达到理论处理能力，故一般取理论处理能力的50%作为实际处理能力，则单机每小时实际处理能力为15吨。

　　按中转站每日实际工作时间7小时计算，则单机日处理能力在105吨左右，完全符合要求。

　　1.2工作流程设计

　　2、中转站基建设计

　　本设计采用平台卸料方案，基本特征如下：

　　1、中转站前部为压缩设备厂房；

　　2、中转站后部为标高3500mm的卸料平台；

　　3、中转站侧面设置坡度为10%的收集车侧上料坡道；

　　4、所有设备均安装在设备厂房内，部分设备进行防尘防护；

　　5、污水采用地上半密封，地下全管道密封方案，有效导流污水，减少站内的污染；

　　6、中转站距离市政管网较远，对站内产生的污水设置了20m3的蓄污池，可由吸污车将站内污水定期抽走，作无害化处理；

　　7、中转站主要结构为：设备厂房为框架砖混结构；平台及坡道四周采用挡土墙支撑，土方填实后铺设混凝土。

　　3、中转站综合技术分析

　　水平式压缩主机由压缩主机体（含压缩腔、压缩推头）、卸料槽、污水排放系统、大小闸门升降机构、推拉箱装置、液压锁紧装置、液压系统组成。

　　固定式垃圾压缩设备在压缩垃圾时，压缩系统与垃圾集装箱通过液压锁紧装置紧密的连接在一起，压缩头固定在压缩腔内，由压缩头的水平运动向垃圾集装箱内压入垃圾，垃圾集装箱内的垃圾压满后，自动将压缩系统与垃圾集装箱分离，再由拉臂车中转至填埋场或垃圾发电站进行处理。

　　方案的先进性：

　　（1）收集车进料门可以采用监视系统观察手动遥控启闭；还可以采用地感电磁线圈控制的全自动卷帘门实现全自动自行启闭。

　　（2）主要工作设备和环境控制设备均采用西门子PLC微处理器进行编程控制，通过接触开关或行程开关获取启动信号，各设备通过预设程序实现全自动控制。极大的简化操作的复杂性，降低误操作的可能性。

　　（3）设备的控制系统可以采用触摸屏加按钮，电脑远程控制加现场台式控制的方式，利用优化的人机界面准确实现各种控制；同时各工作系统间实现了安全互锁及感应监控等措施，确保设备运行及人员的安全。

　　（4）设备的大闸门启闭系统可以自动判断闸门是否启闭到位，是否有垃圾留存在闸门与主机对接部位，并自动执行启闭预设流程，通过强压等预设程序可以确保闸门关闭后密封完好，无垃圾外漏和滞留。

　　（5）设备的小闸门系统可以在设备更换垃圾箱时保证压缩腔与外界的隔离状态，保证收集车可以进行不间断的垃圾倾倒作业，提高设备处理能力。

　　（6）设备压缩控制过程采用分段控制，压缩前期阶段对低密度垃圾采用高速低压进行压缩，压缩后期阶段对高密度垃圾进行低速高压进行压缩，充分利用液压系统的效率，有效降低能耗。

　　（7）设备采用进口密封胶条和污水密封收集结构，可确保无固、液垃圾外漏，中转站内污水处于密封或半密封状态排放，最大限度提高中转站的环保性能。

　　（8）设备的液压系统采用外置式独立工作站模式，便于维护，并带有独立的强制液压油降温系统，保证系统运行的稳定性。

　　（9）压缩头运行控制采用全程线位移传感控制，摒弃老式点感应控制带来的故障率高、精确性差的问题，其控制故障率低于万分之一，控制精度可达1mm。 　　（10）设备的控制系统具有垃圾装箱压满报警，以及垃圾装载量分段指示的双功能；可对垃圾装载量进行全过程指示，有效提高设备运行管理和装载调度的效率。

　　4、控制系统设计

　　4.1、PLC控制系统

　　该方案的电气控制总成采用PLC核心控制原理，关键及核心部件均采用国际知名品牌的进口原装部件，设计合理，可靠性高，功能强大，实现了设备的智能化控制。设备的电气控制箱安装在主机侧面的机体上，包括各类控制元器件组成的电器箱和传感器等。

　　方案的先进性：

　　1）、控制系统采用西门子S7-200CN高性能微处理器作为控制核心，采用西门子WINCC专用控制软件编程平台编程，系统运行稳定可靠，可以实现现场、远距离双重控制功能。

　　2）、电子文本显示器、各类继电器、保护器、变压器、操作按钮、各类磁力和红外感应器、线位移传感器等器件，均采用大量实验进行验证，性能更加可靠、稳定。

　　3）、设备对压缩头的移动控制采用欧洲先进的线性传感器，该传感器可以实现压缩头在运动的全过程中控制信号不间断的输出、输入，对于压缩头的运动定位精度可以达到毫米级别。这样压缩头不论在任何工作位置，通过控制屏操作人员均可适时清楚的了解其工作状况，对于日常维护、紧急停车、强退、故障诊断等操作都提供了良好的基础保障能力。杜绝了以前点信号控制传感器的高故障和控制区域有限的弊病。

　　4）、控制系统具有以下防止误操作的安全自锁设置：

　　a、垃圾集装箱未与压缩机完全对接，或闸门未提升到位时压缩头无法启动；

　　b、出现设备故障报警时压缩主机自动停机，不可启动使用；

　　c、大闸门未关闭到位时液压抱爪无法开启；

　　d、液压抱爪未开启时，推拉箱机构无法启动。

　　5）、设备的故障自动诊断、报警功能

　　当设备出现故障时，控制台上的显示器将显示“ ”符号，此时按2次文本显示器面板上的ESC键，选择“显示警报”项目，则显示器上将直接显示出设备的故障原因，有效提高设备维护的便捷性，以及对故障处理的效率。

　　可以诊断的故障有以下一些类型：电机过载、油箱油位偏低、油泵压力不足、感应器失效、液压油油温过高、保险丝熔断或电力缺相、油箱滤芯堵塞、紧急状态未取消、垃圾集装箱后门未关、压缩头机械卡死（油缸卡死）、传感器故障等。

　　6）、现场控制台

　　该方案在设备使用现场附近设置现场控制台，作为现场紧急控制和调试、维修的控制平台，该控制平台能够切断中央控制器的控制线路。

　　7）、急停功能和强退功能

　　该控制系统能够实现设备紧急停机、压缩头强制退回的安全控制功能。

　　8）、压缩循环具有自动控制和手动控制双控制方式

　　选择自动循环后，压缩机可以根据到料口超声波感应器自动感应垃圾下落，然后自动开启循环，压缩循环达到预设循环次数后自动停止。选择手动循环时，先将钥匙开关旋至5次循环位置，按下启动或停止按钮，可任意控制压缩循环的启动和停止。

　　9）、强力压缩关闭闸门功能

　　当集装箱空箱与主机锁紧后，将钥匙开关旋至闸门升降位，按下闸门升按钮，提门机构自动将闸门提升至指定位置，压缩机与集装箱贯通；如集装箱未装满时，采用此控制程序，可以手动关闭闸门。

　　当集装箱装满后，将钥匙开关旋至关门循环位，按下闸门降按钮，控制系统自动执行关门循环，直至闸门完全关闭，循环自动停止。

　　当垃圾装满后，满箱指示灯闪亮，启动关门循环按钮，推头将自动加大压缩力进行压缩，当压缩头后退前，闸门下落至压缩头上部，阻滞压缩头上部空间的垃圾被带出，压缩头后退至压缩腔，返回起始位置，闸门完全下落，封闭压缩集装箱后门。

　　10）、其他控制功能

　　垃圾集装箱自动拉进、锁紧和松脱、推出。

　　4.2、中央控制系统平台

　　中央控制系统安装在独立的中央控制室内，使用工控机作为控制硬件主体，采用自主研发编制的基于西门子WINCC开发平台专门为本中转站开发的专业控制软件。

　　中央控制系统的所有主要工作设备的控制信号，均采用RS485串行通讯协议和编程接口实现无缝传输和对接，确保数据传输的准确性和精确性。信号传入工控机后通过自编控制软件进行自动化分析，实现全自动控制。

　　通过人机界面显示在显示屏上的控制界面，可方便实现自动和手动两种工作形式的转换。自动控制时，软件自行接受各类信号，在进行分析后自动发出控制信号对设备进行控制。手动控制时，软件将数据分析结果分布通过人机界面显示出来，并有操作员确定每一步的操作方法后再发出控制信号。

　　由于中央控制系统具有远程操控能力，因此系统的安装和使用远离设备现场，极大改善了工作环境。同时，中央控制系统为模块化设计，可根据设备的数量和功能灵活进行设置和增减。

　　中央控制系统和全站监视系统联合布置，使操作员能实时、准确掌握设备现场状态，确保操作的准确性和设备运行的安全性。同时，该系统可配套远程信号传输系统，将设备工作数据、故障数据以及现场视频等数据传输至上一级控制中心，实现环卫系统的大范围监控和管理。

　　4.3、监视系统

　　4.3.1、监视系统设计

　　（1）对站区的垃圾运输车进出站等重要使用环节24小时监控。

　　（2）视频信号采用视频传输方式，采用75欧姆同轴电缆传输。

　　（3）监控中心发出的RS485控制信号通过一条2*1.0的线传送到各个解码器，通讯距离可达1200米。

　　（4）硬盘录像机可以接入宽带网络，将压缩后的视频信号通过TCP/IP协议在Internet上网络共享，市局管理中心可进行远程视频监视（此功能为预留接口）。

　　4.3.2、监视控制功能

　　（1）图像传输到电视监控中心，通过硬盘录像机的控制在显示器上显示，并通过数字硬盘录像机根据需求对其录像。

　　（2）系统传输的图像信号进行切换、记录、重放、加工和复制等功能。而且使用监视器进行图像重现，有时还采用投影电视来显示其图像信号。

　　（3）各监视部位的视频信号通过视频电缆传送到分控点，接入硬盘录像机的输入端，通过编程可归类将不同区域的视频信号输出到显示器上进行自动定格监视（便于管理），在显示器上同时显示对应画面图像的摄像机编号。

　　5、结论

　　通过以上的介绍，我们对整个垃圾中转站设计方案有了整体的认识，该方案具有较好的环境效益，垃圾压缩箱绝对密封，隔绝臭味、污水等污染，防止蚊蝇、病菌滋生；全自动操作，垃圾工人不需直接接触垃圾，管理方便且外型美观，工作效率高，占地面积小，建设及维护费用低。该项目有力于提高城市环境卫生水平、改善城市环境质量、创造良好生活环境、促进城市的可持续发展。生活垃圾中转站将成为提高城市人民生活水平和生活质量的重要基础设施，具有较好的社会和经济效益。

　　参考文献

　　[1]　赵健英，PLC在紧急事故停机装置控制系统中的应用【J】，《机电技术》，2008.03

　　[2]　张冰等，监控软件在FSSS中的应用，《山东电力高等专科学校学报》，2010.03

　　[3]　皮晓明等，后装式压缩垃圾车的液压系统及PLC控制系统设计，《机械设计与制造》，2006.08

　　[4]　刘宏宝，PLC在油压装置控制系统中的应用【J】，《应用能源技术》，2007.06