劉 宇 （北京市新媒體技師學(xué)院，北京 102600）

基于PLC的餐廚垃圾處理設(shè)備控制系統(tǒng)研究

劉 宇 （北京市新媒體技師學(xué)院，北京 102600）

通過對餐廚垃圾處理技術(shù)的分析，中型垃圾處理器采用堆肥化處理方法不僅解決了浪費的問題，而且實現(xiàn)了回收利用，促進(jìn)資源的良性循環(huán)。因此針對已經(jīng)設(shè)計出餐廚垃圾堆肥處理設(shè)備，系統(tǒng)采用三菱的FX2N-48MRPLC進(jìn)行系統(tǒng)控制，提高穩(wěn)定性；采用變頻器，實現(xiàn)電機的軟啟動和節(jié)能；采用觸摸屏作為輸入面板，讓操作更人性化、可視化，實現(xiàn)了餐廚垃圾堆肥智能化控制。

餐廚垃圾；餐廚垃圾處理設(shè)備；可編程控制器；控制系統(tǒng)

Ketwords: Food waste; Food waste disposal equipment; PLC; Controlling system

1 引言

我國經(jīng)濟飛速發(fā)展導(dǎo)致了城市規(guī)模的不斷擴大，城市垃圾數(shù)量不斷上升，其中餐廚垃圾產(chǎn)量快速增長，若不能及時有效地處理，對環(huán)境存在極大危害，并且極易導(dǎo)致禽流感、口蹄疫等傳染性疾病的大規(guī)模流行，人畜的交叉感染，已經(jīng)對人類健康、社會穩(wěn)定構(gòu)成了極大威脅。據(jù)統(tǒng)計北京市城市垃圾的產(chǎn)量目前已超過1.4萬噸/天，嚴(yán)重影響了社會經(jīng)濟的良性發(fā)展。

因此，2005年1月，國務(wù)院發(fā)布39號文件，其中指出“加大城市環(huán)境保護(hù)，著力解決顆粒物、噪聲和餐飲業(yè)污染；爭取在2010年實現(xiàn)生活廢棄物無害化治理率不低于60%” 。2012年9月，北京市市政市容委聯(lián)合市財政局，發(fā)布《北京市推廣餐廚垃圾就地資源化處理項目指導(dǎo)意見》，就餐人數(shù)超過1000人，面積大于1000平方米的大型就餐單位和餐飲企業(yè)實行餐廚垃圾就地資源化處理，市、區(qū)兩級財政最高一次性補貼134萬，分兩次撥付。

由此可見，餐廚垃圾就地資源化處理在當(dāng)下勢在必行。

餐廚垃圾堆肥處理的特點是處理方法簡單，成本較低，產(chǎn)品中能保留較多的氮，可用于農(nóng)業(yè)肥料，采用密閉式的結(jié)構(gòu)，也減少了對周圍環(huán)境的污染。采用堆肥處理技術(shù)實現(xiàn)了餐廚垃圾處理的資源化、無害化，是較優(yōu)的處理方法。該餐廚垃圾處理設(shè)備，具有體積小、效率高、產(chǎn)肥效果好、污染少、操作簡單的優(yōu)點，有廣泛的推廣與應(yīng)用價值。因此，本文餐廚垃圾處理設(shè)備采用堆肥型，適用于中型較為集中餐廚垃圾場所。

2 堆肥型餐廚垃圾處理設(shè)備

2.1 處理發(fā)酵工藝流程（如圖1所示）

圖1 堆肥型餐廚垃圾的處理工藝

工藝過程說明：當(dāng)有餐廚垃圾進(jìn)來，首先進(jìn)行粉碎，把大塊的餐廚垃圾磨小，然后加入合適的菌種，調(diào)節(jié)發(fā)酵室內(nèi)的溫度、濕度與含氧量，進(jìn)行攪拌，使菌種有效地與餐廚垃圾進(jìn)行生物作用發(fā)酵，最后產(chǎn)生氣體和固體飼料，氣體經(jīng)過過濾，排到空氣中，固體是最后發(fā)酵的產(chǎn)品，做成有機肥料進(jìn)行回收利用。

2.2 完成堆肥型餐廚垃圾處理設(shè)備（如圖2所示）

圖2 堆肥型餐廚垃圾處理設(shè)備外型

該設(shè)備按其功能可分為：送料裝置、粉碎裝置、清洗裝置、發(fā)酵容器和空氣過濾裝置。

為實現(xiàn)對這五個裝置的控制，達(dá)到既能手動，又能自動控制要求，共確定了16個開關(guān)量的輸入點和6個模擬量的輸入點，11個開關(guān)量的輸出點和3個模擬量的輸出點。同時為了方便操作，觸摸屏實現(xiàn)所有按鈕的操作和參數(shù)的顯示。

2.2.1 輸入點分析

輸入點的類型可分為開關(guān)量輸入和模擬量輸入。

開關(guān)量輸入主要包括一些啟動、停止控制和位置檢測開關(guān)。根據(jù)工藝要求，該系統(tǒng)有兩種控制方式，手動和自動控制。在手動控制中能夠?qū)崿F(xiàn)送料、粉碎、攪拌、清洗、加熱、通風(fēng)、鼓風(fēng)和排料控制的各項單獨操作，因此在各項控制中用專控按鈕啟動，而停止是用一個停止按鈕控制；在自動控制中只需自動啟動按鈕與急?？刂?。無論在哪種控制方式中，系統(tǒng)都需要有運料小車的上限位、下限位開關(guān)和物料檢測開關(guān)。

（1）有16個開關(guān)量的輸入點，每個開關(guān)量的名稱和具體內(nèi)容如表1所示。

表1 開關(guān)量輸入分析表

模擬量輸入是檢測連續(xù)變化的物理量，主要包括菌種生存的溫度、濕度和二氧化碳含量的檢測，總共有三個點，與具體的實際傳感器相連，把相關(guān)的數(shù)值送到控制系統(tǒng)中，由系統(tǒng)程序完成自動調(diào)節(jié)與控制。

（2）6個模擬量輸入點，每個摸擬量的具體內(nèi)容如表2所示。

表2 模擬量輸入分析表

2.2.2 輸出點分析

輸出點分為開關(guān)量和模擬量兩種。

在本系統(tǒng)中開關(guān)量的輸出有送料電機的上升、下降、粉碎電機的轉(zhuǎn)動、攪拌電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、加熱器的工作、通風(fēng)機的工作、鼓風(fēng)機的工作、灑水閥的打開、相應(yīng)自動與手動的指示燈。

（1）有11個開關(guān)量的輸出點，每個開關(guān)量的具體內(nèi)容如表3所示。

表3 開關(guān)量輸出分析表

模擬量的輸出用于顯示，在設(shè)計中，采用觸摸屏顯示，把檢測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接|摸屏。

（2）有3個數(shù)值量輸出，每個數(shù)值量的具體內(nèi)容如表4所示。

表4 數(shù)值量輸出分析表

2.2.3 調(diào)節(jié)控制

對于溫度、濕度和二氧化碳含量的控制，在自動控制中能實現(xiàn)閉環(huán)的調(diào)節(jié)。根據(jù)實際菌種的要求，溫度不能低于60℃；濕度控制在40%RH～60%RH之間；二氧化碳含量不超過20000ppm。

2.2.4 顯示控制

在系統(tǒng)的操作面板上能夠顯示出溫度、濕度和含氧量的實際值與設(shè)定值。

3 基于PLC控制的系統(tǒng)設(shè)計

3.1 PLC選型及元器件

選擇PLC控制方式基于其穩(wěn)定性、可靠性和適應(yīng)性進(jìn)行對比。對于中型集中式的餐廚垃圾處理設(shè)備，選用了性價比高、維護(hù)簡單、易于編程的整體式FX2N-48MR的PLC。同時依據(jù)技術(shù)參數(shù)要求和系統(tǒng)需要，選擇了適用的模擬量A/D輸入的特殊功能模塊FX2N-4AD、接近開關(guān)、光纖傳感器、電磁閥、溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、變頻器和觸摸屏等外圍設(shè)備來滿足設(shè)備要求。

3.2 PLC的程序設(shè)計流程

根據(jù)系統(tǒng)功能和原理分析，確定兩種控制方式，手動與自動。在手動控制中，能夠完成各項單獨功能操作；在自動控制中，系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定參數(shù)，自動完成餐廚垃圾處理。因而設(shè)計如圖3所示的工作流程。

系統(tǒng)通電啟動后，PLC首先對外接的觸摸屏、特殊功能模塊進(jìn)行通訊檢測，判斷其通訊設(shè)備能否正常工作。此處常見的故障，可以通過各模塊上的指示燈進(jìn)行判斷。PLC與觸摸屏的連接是通過FX2N-485BD板，檢測燈閃亮，則程序正常；若檢測燈不亮，則應(yīng)及時檢查通訊板上的數(shù)據(jù)線。PLC與FX2N -4AD的通訊是通過內(nèi)部的數(shù)據(jù)判斷，如果數(shù)據(jù)正確，則程序繼續(xù)。

然后進(jìn)行手動與自動的選擇判斷，如果選擇手動控制，則進(jìn)入手動控制程序；如果選擇自動控制，則進(jìn)入自動控制程序。在手動控制程序中，第一步是設(shè)定溫度、濕度和二氧化碳含量，第二步通過外部的傳感器自動檢測實際溫度、濕度和二氧化碳含量，并顯示在觸摸屏上。然后根據(jù)控制需求，選擇送料、粉碎、灑水、攪拌、排料、加熱、通風(fēng)、鼓風(fēng)的操作按鈕實現(xiàn)相應(yīng)控制，該設(shè)備可以在人工操作下完成餐廚垃圾處理。在自動控制程序中，第一步也是設(shè)定相關(guān)量值，然后系統(tǒng)將自動檢測實際溫度、濕度和二氧化碳含量，與設(shè)定值進(jìn)行對比，并自動進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。當(dāng)溫度不夠時，則啟動加熱裝置；當(dāng)二氧化碳含量不夠時，則啟動鼓風(fēng)機；當(dāng)濕度過高時，開啟通風(fēng)機，降低含濕度；當(dāng)濕度過低時，需要打開水閥進(jìn)行灑水，提高發(fā)酵容器中的含濕度。只有當(dāng)各量值達(dá)到要求后，之后物料檢測開關(guān)進(jìn)行判斷，是否物料桶里有垃圾，若無垃圾，設(shè)備處于待機狀態(tài)；若有垃圾，則啟動送料電機，當(dāng)物料桶到達(dá)頂部，利用機械原理，物料桶傾斜，將垃圾倒出。當(dāng)餐廚垃圾通過三輥時，在輥子的作用下，大塊的餐廚垃圾（如大塊的骨頭等）被壓碎，并在輸送帶的帶動下進(jìn)入發(fā)酵室進(jìn)行生物處理。餐廚垃圾一邊發(fā)酵，一邊與菌種進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，攪拌電機工作周期是每2小時攪拌1 0分鐘。若未到系統(tǒng)的工作周期，此系統(tǒng)再次進(jìn)行溫濕度檢測，不斷循環(huán)工作。當(dāng)菌種工作時間達(dá)到系統(tǒng)工作周期時，餐廚垃圾已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎玫姆柿?，則攪拌電機反轉(zhuǎn)，把產(chǎn)生的肥料排出。系統(tǒng)工作周期與菌種有關(guān)，由于本設(shè)備選用好氧菌種，其工作周期是每4～5天排料一次。

圖3 控制系統(tǒng)工作流程圖

4 觸摸屏的控制界面設(shè)計

本系統(tǒng)的輸入控制由觸摸屏的模擬元件或?qū)嶋H按鈕來實現(xiàn)，觸摸屏有四個工作界面，如圖4所示，分別是首頁、選擇頁面、自動控制界面和手動控制界面。

其中在選擇界面可以通過選擇鍵，分別進(jìn)入自動控制界面或手動控制界面。在自動控制界面中，可以實現(xiàn)自動啟動和停止控制，同時能夠檢測與設(shè)定溫度、濕度和二氧化碳含量，顯示工作狀態(tài)。在手動控制界面中，除能夠檢測與設(shè)定各量，還可以實現(xiàn)送料、粉碎、灑水、加熱、通風(fēng)、鼓風(fēng)、攪拌的單獨控制。

（a） 首頁

（b） 選擇界面

（c）自動控制界面

5 功能分析

本系統(tǒng)的控制流程設(shè)計，能夠通過自動和手動兩種控制方式對系統(tǒng)進(jìn)行控制。在手動模式下，操作人員可以對系統(tǒng)中任意執(zhí)行元件進(jìn)行控制，并可隨時進(jìn)行切換；在自動模式下，只需操作人員設(shè)定期望的濕度、溫度和二氧化碳含量，系統(tǒng)就會按照堆肥工藝流程自動工作，并能實現(xiàn)濕度、溫度和二氧化碳含量的閉環(huán)自動調(diào)節(jié)。例如發(fā)酵室對溫度的控制如圖5所示。

圖4 觸摸屏的控制界面圖

（d）手動控制界面

當(dāng)溫度低于設(shè)定值時，系統(tǒng)啟動加熱裝置，開始加熱，當(dāng)溫度等于或高于設(shè)定溫度，則停止加熱。

6 結(jié)語

基于PLC、觸摸屏和變頻器的餐廚垃圾控制系統(tǒng)，大大提高了控制的穩(wěn)定性，降低了故障率，非常易于操作，可以滿足不同的菌類對溫度、濕度和含氧量的要求，并且利用變頻器對物料電機實現(xiàn)更好的啟?？刂坪凸?jié)能。

[1] 劉永海, 馮曉霞, 魏富奎. 家庭餐廚垃圾處理方法及設(shè)備的研究[J]. 機械研究與應(yīng)用, 2010, (03) : 9 – 10.

[2] 劉玉德, 繩以健, 石文天, 藍(lán)俞靜, 劉洋. 小型餐廚垃圾處理設(shè)備研究[J].北京工商大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版) , 2011, 29 (6) : 69 – 72.

[3] 孔凡君, 如何設(shè)計PLC控制系統(tǒng)的方案[J]. 2010, (23) : 85 – 86.

[4] 孟瀟, 韓濤, 任連海, 王迪. 通風(fēng)量對餐廚垃圾好氧堆肥的影響[J]. 北京工商大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版) 2008, (03) .

Research on Control System for Food Waste Disposal Equipment Based on PLC

Through analysis of the kitchen garbage treatment technology, the medium garbage processor with the composting method not only solves the waste problem, but also realizes and promotes the recycling of resources. Therefore in this paper, we have designed a kitchen waste composting treatment equipment, which uses Mitsubishi FX2N-48MRPLC to control the system, improve the stability, frequency converter to implement motor soft starting and energy saving and a touch screen as the input panel to make the operation more user-friendly and visualization. The intelligent control of kitchen waste compost is therefore realized.

劉宇（1977-），女，內(nèi)蒙古人，高級講師，現(xiàn)就職于北京市新媒體技師學(xué)院電氣工程學(xué)院，主要研究方向為機電一體化、自動控制。

B

1003-0492(2014)02-0084-04

TP273