張宗鋒
(1.福龍馬集團(tuán)股份有限公司,福建 龍巖 364000;2.福建省環(huán)衛(wèi)裝備技術(shù)及應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 龍巖 364000)
隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市在日益擴(kuò)大,城市人口在一天天增加,生活垃圾量不斷增多。垃圾清運(yùn)的工作成了城市環(huán)衛(wèi)部門一個(gè)主要的工作,而垃圾中轉(zhuǎn)站則是城市生活垃圾清運(yùn)工作中重要的設(shè)施之一。地埋式垃圾中轉(zhuǎn)站是一種將主體設(shè)備放置于地面以下的垃圾處理設(shè)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(jié)構(gòu)合理的優(yōu)勢[1]。傳統(tǒng)的地埋垃圾站控制系統(tǒng)有兩套操作手柄,分別對升降平臺和垃圾壓縮箱進(jìn)行手動(dòng)操作,操作繁瑣、自動(dòng)化程度低;垃圾收集車卸料時(shí),在卸料口產(chǎn)生較大的揚(yáng)塵,地坑內(nèi)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(dǎo)致臭氣外溢,造成工作環(huán)境污染;工作時(shí),平臺和壓縮箱都沉入地坑內(nèi),當(dāng)發(fā)生故障時(shí),因?yàn)闆]有自動(dòng)報(bào)警診斷,需進(jìn)入地坑內(nèi)進(jìn)行排查,而地坑內(nèi)空間狹小、密閉,對故障排查又增加了困難;設(shè)備長時(shí)間停運(yùn)將直接造成生活垃圾不能及時(shí)處理,大大降低環(huán)衛(wèi)部門的工作效率,造成環(huán)境污染。本文以PLC作為控制核心進(jìn)行各系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、邏輯運(yùn)算、故障診斷和控制輸出,以觸摸屏作為PLC的上位機(jī)進(jìn)行各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的上傳、集中監(jiān)控與數(shù)據(jù)交互,通過接近開關(guān)、物位與光電傳感器等的使用實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)設(shè)備的半自動(dòng)與全自動(dòng)控制,很好地解決了現(xiàn)有中轉(zhuǎn)站操作繁瑣、自動(dòng)化水平低下、工作環(huán)境惡劣、故障排查困難等問題。
圖1 地埋站主要結(jié)構(gòu)示意圖
地埋式垃圾中轉(zhuǎn)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(tǒng)進(jìn)行動(dòng)作驅(qū)動(dòng),作業(yè)的過程中,壓縮箱通過承載平臺隱藏于地面以下,當(dāng)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(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。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(shí)卸料口的壓塵。具體控制功能設(shè)計(jì)如下:
(1)升降平臺的自動(dòng)下降與自動(dòng)上升。升降平臺上裝有9個(gè)接近開關(guān),用于舉升機(jī)構(gòu)、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(yīng)光電傳感器,用于檢測是否有人員闖入平臺自動(dòng)動(dòng)作區(qū)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(dāng)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(dòng)自動(dòng)控制模式,控制系統(tǒng)通過檢測各動(dòng)作機(jī)構(gòu)的位置信息進(jìn)行執(zhí)行動(dòng)作的切換,按動(dòng)作流程執(zhí)行自動(dòng)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(dòng)下降動(dòng)作結(jié)束后,由垃圾收集車前往卸料口進(jìn)行倒料。當(dāng)壓縮箱壓滿后,控制系統(tǒng)檢測到壓縮箱滿載信息,進(jìn)行平臺自動(dòng)上升動(dòng)作,蓋板關(guān)閉→料斗上升→壓縮箱滑板關(guān)閉→平臺上升→插銷伸出,平臺自動(dòng)上升動(dòng)作結(jié)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(zhuǎn)運(yùn)至垃圾填埋場或垃圾焚燒廠倒料[2]。平臺自動(dòng)上升及自動(dòng)下降的過程中,如檢測到有人員闖入、緊急停止、液壓系統(tǒng)故障或傳感器異常信號時(shí),立即停止自動(dòng)動(dòng)作,并通過觸摸屏人機(jī)界面及聲光報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警提示。
(2)垃圾壓縮箱的自動(dòng)壓縮。壓縮箱上裝有2個(gè)接近開關(guān),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(gè)壓力傳感器,用于檢測推板動(dòng)作過程中液壓系統(tǒng)的壓力信號。當(dāng)微波物位傳感器感應(yīng)到有垃圾時(shí),推板按預(yù)設(shè)的壓縮循環(huán)次數(shù)自動(dòng)進(jìn)行垃圾壓縮的操作,壓縮達(dá)到次數(shù)后若傳感器仍感應(yīng)到有垃圾,則繼續(xù)進(jìn)行壓縮循環(huán)動(dòng)作,否則停止壓縮動(dòng)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(tǒng)故障信號,則停止自動(dòng)壓縮動(dòng)作,并在觸摸屏人機(jī)界面進(jìn)行聲光報(bào)警提示。自動(dòng)壓縮動(dòng)作時(shí),推板先執(zhí)行收回動(dòng)作直至油壓達(dá)到收回壓力閾值時(shí)則為收回到位,進(jìn)而執(zhí)行推板推出動(dòng)作直至油壓達(dá)到推出壓力閾值時(shí)則為推出到位[3],反復(fù)進(jìn)行上述兩個(gè)步驟,動(dòng)作切換時(shí)暫停1 s。
(3)地坑自動(dòng)清洗及卸料口自動(dòng)噴霧。地坑清洗裝置有1個(gè)清洗水箱水位低開關(guān),1個(gè)清洗電機(jī)接觸器,噴霧裝置有1個(gè)藥箱藥位低開關(guān),1個(gè)噴霧電機(jī)接觸器,1個(gè)安裝于卸料口的紅外感應(yīng)光電傳感器,均接入升降平臺控制器;當(dāng)升降平臺上升到位時(shí),垃圾壓縮處理工作已完成,地坑內(nèi)殘留有大量壓縮過程排出的污水和細(xì)小垃圾,此時(shí)自動(dòng)開啟地坑清洗電機(jī)對地坑進(jìn)行沖洗直至清洗時(shí)間達(dá)到所設(shè)置的清洗時(shí)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(wǎng)。當(dāng)卸料口紅外感應(yīng)光電傳感器感應(yīng)到有垃圾車卸料時(shí),自動(dòng)開啟噴霧系統(tǒng)進(jìn)行壓塵。當(dāng)檢測到緊急停止、清洗水箱水位低信號或清洗電機(jī)過載信號時(shí),立即停止清洗電機(jī),當(dāng)檢測到緊急停止、藥箱藥位低信號或噴霧電機(jī)過載信號時(shí),立即停止噴霧電機(jī);并通過觸摸屏人機(jī)界面及聲光報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警提示。
(4)在觸摸屏上可選擇手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)操作模式,手動(dòng)模式時(shí)可以操作升降平臺、壓縮箱各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手動(dòng)動(dòng)作及地坑清洗電機(jī)和噴霧電機(jī)的啟停,以方便設(shè)備調(diào)試及傳感器異常時(shí)的手動(dòng)操作。半自動(dòng)模式時(shí),可操作平臺自動(dòng)上升、平臺自動(dòng)下降、壓縮循環(huán)等半自動(dòng)操作。全自動(dòng)操作模式時(shí),則通過各信號及數(shù)據(jù)的采集、傳輸,通過相應(yīng)條件的判斷進(jìn)行各半自動(dòng)流程的切換與聯(lián)動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整站設(shè)備的全自動(dòng)控制。同時(shí)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(shè)備使用的可靠性,降低因操控裝置故障導(dǎo)致停機(jī)的可能性。
(5)在觸摸屏上直觀顯示升降平臺、壓縮箱各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作情況、液壓系統(tǒng)運(yùn)行工況;地坑清洗電機(jī)、噴霧電機(jī)的運(yùn)行情況等信息。
(6)設(shè)置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),通過電腦客戶端或手機(jī)APP,進(jìn)行整站信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控與遠(yuǎn)程維護(hù)。
根據(jù)控制功能要求,升降平臺控制系統(tǒng)輸入點(diǎn)有:緊急停止1點(diǎn)、點(diǎn)動(dòng)操作8點(diǎn)、半自動(dòng)操作2點(diǎn)、接近開關(guān)9點(diǎn)、光電傳感器5點(diǎn)、液壓系統(tǒng)電機(jī)啟停、電機(jī)過載和油位低共4點(diǎn)、液壓油壓力變送器2點(diǎn)、地坑清洗系統(tǒng)電機(jī)啟停、電機(jī)過載和水位低共4點(diǎn)、噴霧系統(tǒng)電機(jī)啟停、電機(jī)過載和藥位低共4點(diǎn);輸出點(diǎn)有:液壓系統(tǒng)電機(jī)啟動(dòng)接觸器、液壓換向閥和溢流閥共14點(diǎn)、地坑清洗電機(jī)啟動(dòng)接觸器1點(diǎn)、噴霧系統(tǒng)電機(jī)啟動(dòng)接觸器1點(diǎn)、聲光報(bào)警裝置1點(diǎn),總共有37個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)、2個(gè)模擬量輸入點(diǎn)、17個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)。垃圾壓縮箱控制系統(tǒng)的輸入點(diǎn)有:緊急停止1點(diǎn)、點(diǎn)動(dòng)操作4點(diǎn)、半自動(dòng)操作1點(diǎn)、接近開關(guān)2點(diǎn)、微波物位傳感器1點(diǎn)、液壓系統(tǒng)電機(jī)過載、油位低、油溫高共3點(diǎn),壓力變送器1點(diǎn);輸出點(diǎn)有:液壓系統(tǒng)電機(jī)啟動(dòng)接觸器、冷卻風(fēng)扇啟動(dòng)繼電器、液壓換向閥和溢流閥共9點(diǎn),聲光報(bào)警裝置1點(diǎn),總共有12個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn),1個(gè)模擬量輸入點(diǎn)、10個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)。
本控制系統(tǒng)選用市面上廣泛使用的具有高性價(jià)比的西門子200smart系列PLC[5],其CPU模塊本體集成有1個(gè)以太網(wǎng)接口,1個(gè)485接口,可滿足與觸摸屏進(jìn)行通信的要求[6-7]。按系統(tǒng)使用的輸入輸出點(diǎn)數(shù)并增加20%以上裕量,升降平臺控制系統(tǒng)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(shù)字量輸入的擴(kuò)展模塊、1塊EM AE04模塊作為模擬量輸入的擴(kuò)展模塊;垃圾壓縮箱控制系統(tǒng)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(kuò)展信號板。
根據(jù)控制功能的要求,繪制全自動(dòng)、平臺自動(dòng)上升、平臺自動(dòng)下降、壓縮箱自動(dòng)壓縮、地坑自動(dòng)清洗及卸料口自動(dòng)噴霧控制邏輯圖。此處以全自動(dòng)邏輯圖進(jìn)行示例,如圖2所示。
圖2 全自動(dòng)邏輯圖
采用STEP 7-Micro/WIN SMART編程軟件[8]分別進(jìn)行升降平臺PLC和壓縮箱PLC控制程序梯形圖的設(shè)計(jì)與編寫。設(shè)置手動(dòng)控制和自動(dòng)控制模式,手動(dòng)控制模式由操作人員通過操作面板按鈕或點(diǎn)擊觸摸屏軟操作按鈕對升降平臺各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)操作及液壓系統(tǒng)電機(jī)、地坑清洗電機(jī)、噴霧系統(tǒng)電機(jī)的手動(dòng)啟停;自動(dòng)控制模式設(shè)置半自動(dòng)與全自動(dòng)模式,由控制器通過對各傳感器信號的采集與數(shù)據(jù)傳輸處理,根據(jù)相應(yīng)的控制邏輯進(jìn)行自動(dòng)控制。半自動(dòng)模式可執(zhí)行平臺的自動(dòng)上升、自動(dòng)下降和壓縮箱推板動(dòng)作的壓縮循環(huán),全自動(dòng)模式無需人工操作,自動(dòng)進(jìn)行升降平臺的升降、壓縮箱推板的自動(dòng)壓縮、地坑的自動(dòng)清洗和卸料口的自動(dòng)噴霧。按PLC、擴(kuò)展模塊的型號及通訊方式進(jìn)行硬件組態(tài)和通信參數(shù)的配置[9],根據(jù)I/O點(diǎn)的分配按自動(dòng)控制邏輯圖進(jìn)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(dòng)上升示例程序
控制程序說明:圖3為平臺自動(dòng)上升示例程序,用于將地坑內(nèi)的壓縮箱舉升到地面進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn),各執(zhí)行機(jī)構(gòu)按控制邏輯進(jìn)行自動(dòng)動(dòng)作直至插銷伸出到位。當(dāng)選擇半自動(dòng)模式時(shí),可通過觸摸屏或操作面板上的按鈕進(jìn)行平臺自動(dòng)上升的操作;當(dāng)選擇全自動(dòng)模式時(shí),檢測到壓縮箱滿載信號后,自動(dòng)進(jìn)行平臺自動(dòng)上升的動(dòng)作。當(dāng)檢測到緊急停止、液壓泵站故障、傳感器故障或人員闖入時(shí),立即停止平臺自動(dòng)上升動(dòng)作。圖4為壓縮箱自動(dòng)壓縮示例程序,用于垃圾壓縮箱推板的自動(dòng)壓縮動(dòng)作,推板按預(yù)設(shè)的壓縮循環(huán)次數(shù)進(jìn)行自動(dòng)壓縮,當(dāng)選擇半自動(dòng)模式時(shí),可通過觸摸屏或操作面板上的按鈕進(jìn)行壓縮循環(huán)的操作;當(dāng)選擇全自動(dòng)模式時(shí),檢測到推板上方有垃圾時(shí),自動(dòng)進(jìn)行推板的壓縮循環(huán)動(dòng)作,直到壓縮箱滿載。當(dāng)檢測到緊急停止或液壓系統(tǒng)故障時(shí),立即停止壓縮循環(huán)動(dòng)作。
圖4 壓縮箱自動(dòng)壓縮示例程序
將升降平臺PLC控制系統(tǒng)和壓縮箱PLC控制系統(tǒng)同時(shí)接入觸摸屏,通過數(shù)據(jù)的傳輸,在人機(jī)界面進(jìn)行可視化集中監(jiān)控,以便更好地對整個(gè)地埋站的設(shè)備進(jìn)行管理。升降平臺控制器采用超五類網(wǎng)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(wǎng)進(jìn)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(shí)與平臺PLC和壓縮箱的PLC進(jìn)行連接,因此需要配有以太網(wǎng)及485通訊接口。本系統(tǒng)選用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的繁易FE6070WE物聯(lián)HMI作為PLC的上位機(jī),其本體集成有1個(gè)以太網(wǎng)口、2個(gè)485串口,滿足與PLC通信的要求;為了更加經(jīng)濟(jì)便捷的聯(lián)網(wǎng),方便對整站設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù),配置FLink物聯(lián)網(wǎng)關(guān)模塊與觸摸屏組合成物聯(lián)人機(jī)界面[11]。監(jiān)控系統(tǒng)的組成與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 監(jiān)控系統(tǒng)的組成與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
采用FStudio軟件進(jìn)行組態(tài)界面設(shè)計(jì)[12],HMI通過以太網(wǎng)通訊及485串口通訊分別與平臺和壓縮箱進(jìn)行數(shù)據(jù)連接,可以直接進(jìn)行各設(shè)備的動(dòng)作操作,同時(shí)對PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。設(shè)計(jì)的主要界面有操作主界面(圖6)、輸入輸出界面、參數(shù)設(shè)置界面、報(bào)警界面、統(tǒng)計(jì)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(tǒng)、噴霧系統(tǒng)、壓縮箱進(jìn)行分區(qū)域顯示,以便于監(jiān)視與操作。設(shè)置手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)操作模式選擇按鈕;升降平臺部分設(shè)置液壓系統(tǒng)油泵電機(jī)狀態(tài)、油壓的數(shù)據(jù)顯示,平臺、料斗、蓋板、插銷的手動(dòng)操作及半自動(dòng)操作平臺自動(dòng)上升、平臺自動(dòng)下降的軟操作按鈕;地坑清洗系統(tǒng)及噴霧系統(tǒng)部分設(shè)置運(yùn)行狀態(tài)顯示、手動(dòng)開啟/關(guān)閉軟操作按鈕;壓縮箱部分設(shè)置油泵電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、油壓的數(shù)據(jù)顯示及推板、滑板的手動(dòng)操作及半自動(dòng)操作壓縮循環(huán)的軟操作按鈕;并設(shè)置指示燈對各動(dòng)作的執(zhí)行情況進(jìn)行反饋;由操作人員根據(jù)工作流程優(yōu)先選擇進(jìn)行設(shè)備的自動(dòng)操作。
輸入輸出界面:用于平臺、壓縮箱控制系統(tǒng)PLC的輸入、輸出點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
參數(shù)設(shè)置界面:設(shè)置電機(jī)閑時(shí)自停參數(shù)、壓縮力設(shè)置參數(shù)、壓縮循環(huán)次數(shù)、地坑自動(dòng)清洗時(shí)間等參數(shù),以便進(jìn)行電機(jī)節(jié)能、推板壓縮力、自動(dòng)壓縮次數(shù)、地坑自動(dòng)清洗時(shí)間等參數(shù)的調(diào)整,供管理人員按需設(shè)置。
報(bào)警界面:通過屏幕顯示平臺、壓縮箱、清洗系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)的報(bào)警信息;如平臺電機(jī)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(jìn)行故障的排查處理。
統(tǒng)計(jì)界面:設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間、各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作次數(shù)、報(bào)警信息統(tǒng)計(jì)等功能,方便對整站設(shè)備的使用情況進(jìn)行跟蹤。
在FlexManger電腦客戶端進(jìn)行硬件組態(tài),參照觸摸屏輸入輸出界面、參數(shù)設(shè)置界面、報(bào)警界面、統(tǒng)計(jì)界面的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控點(diǎn)的添加。按系統(tǒng)及功能區(qū)分,共設(shè)置平臺運(yùn)行工況、平臺I/O、平臺參數(shù)設(shè)置、平臺運(yùn)行總覽、壓縮箱運(yùn)行工況、壓縮箱I/O、壓縮箱參數(shù)配置、壓縮箱運(yùn)行總覽、報(bào)警記錄及歷史記錄界面。通過4G網(wǎng)絡(luò)將控制系統(tǒng)信息傳送至遠(yuǎn)端云平臺,無需前往現(xiàn)場查看,通過電腦客戶端或FBOX手機(jī)APP,即可進(jìn)行整站信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控與遠(yuǎn)程維護(hù)。方便隨時(shí)隨地掌握設(shè)備的運(yùn)行情況,當(dāng)遇到設(shè)備異常時(shí),遠(yuǎn)程協(xié)助工人進(jìn)行設(shè)備故障的快速排查處理。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖7所示。
圖7 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)界面
本文基于PLC、觸摸屏進(jìn)行地埋式垃圾中轉(zhuǎn)站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),通過多種傳感器的使用、控制邏輯的編寫及數(shù)據(jù)信息的交互,實(shí)現(xiàn)垃圾站內(nèi)主設(shè)備及附屬設(shè)備的半自動(dòng)與全自動(dòng)控制。通過以太網(wǎng)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(shè)備的操作、運(yùn)行工況、設(shè)備參數(shù)、故障診斷等信息進(jìn)行可視化集中監(jiān)控。使用物聯(lián)模塊與HMI連接,通過物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至云平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。整個(gè)控制系統(tǒng)具有自動(dòng)化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn),提高了地埋站控制系統(tǒng)的智能化水平,降低了運(yùn)營成本,提高了垃圾處理效率,改善了工人的工作環(huán)境,降低了他們的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了控制系統(tǒng)的安全性、可靠性與可維護(hù)性,并為后續(xù)控制系統(tǒng)信息接入環(huán)保部門綜合管理平臺提供了有力的保障。