高校園區(qū)垃圾分類站點智能管理系統(tǒng)模型設計探討
——基于PLC技術基礎的研究

王 珺 蘇俊愷 翁小潔 林觀明

（廣州科技職業(yè)技術大學，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著智能化時代的到來，綠色生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略成為社會可持續(xù)發(fā)展重要目標之一，垃圾分類處理產業(yè)技術日新月異，關于智能型的垃圾處理技術和設施的研發(fā)成為當下炙手可熱的研究課題。筆者查閱近10年關于垃圾分類的相關文獻，發(fā)現(xiàn)關于垃圾分類的文獻數(shù)量雖呈逐年遞增趨勢，但主要集中在垃圾智能分類、家庭分散式個體垃圾桶的智能化方面，如紅外線功能垃圾桶、節(jié)水型智能垃圾桶、太陽能智能垃圾桶等。關于公共區(qū)域內垃圾桶的智能化管理系統(tǒng)研究較少，目前暫無成熟的系統(tǒng)型應用案例。

本智能管理系統(tǒng)模型設計是以PLC技術為核心，針對高校園區(qū)垃圾集中處理站點的智能化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)垃圾站點自動滿桶更換、數(shù)據(jù)監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)管理等功能，能大大提高垃圾集中處理的工作效率，實現(xiàn)整體園區(qū)垃圾站點的統(tǒng)一管理。同時，系統(tǒng)模型將數(shù)字孿生技術與物聯(lián)網(wǎng)技術運用和結合，在提高開發(fā)效率，減少調試時間的前提下，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，利用高校云技術將系統(tǒng)與校園網(wǎng)相連接，實現(xiàn)整體監(jiān)控和遠程調用功能，填補了高校園區(qū)垃圾處理站點智能化管理的市場空白。

1 設計背景

許多高校響應國家號召，進行垃圾分類處理，在各自的園區(qū)內建立了集中的垃圾投遞站點。但是垃圾站點的管理模式，仍采用人工巡檢模式，定時更換和清理滿載的垃圾桶。這種方式對于人流量大，人員集中，站點間距離長的高校園區(qū)來說并不適用。在對廣東省55所高校的實地調查中發(fā)現(xiàn)，85.4%的高校垃圾站點均出現(xiàn)了不同程度的垃圾滿溢情況。筆者設計了一種基于PLC的電氣控制自動更換滿載垃圾桶的垃圾站點管理系統(tǒng)模型，以求實現(xiàn)高校園區(qū)各個垃圾站點的管理工作模式過程的全自動化、物聯(lián)網(wǎng)化。

經前期調研，對比市場垃圾桶相關產品，本系統(tǒng)具有以下明顯的優(yōu)勢：一是該模型符合市場發(fā)展趨勢，發(fā)展前景大。該設計符合疫情常態(tài)化下綠色環(huán)保產業(yè)的發(fā)展趨勢，尤其是各大高校要加強大學生垃圾分類意識和習慣養(yǎng)成教育發(fā)展方向，系統(tǒng)的推廣可獲得更多高校的認同和支持，豐富大學生綜合素質教育的內容，改善師生生活環(huán)境和提高身體健康水平。二是系統(tǒng)的投資成本少，符合高校園區(qū)垃圾治理發(fā)展規(guī)劃。前期使用智能垃圾回收站的雛形，在一般職業(yè)院校的學校實驗室設備基礎上即可研發(fā)使用，設計成本和開銷均在可控范圍內，成型產品的成本低，對于未設有專項垃圾分類專項經費的高校也在可承受范圍之內，價格在可接受范圍內，“復制”和“推廣”性高。三是系統(tǒng)有技術發(fā)展前景和自主知識產權。該設計實現(xiàn)了PLC自動控制與傳感器技術在新的運用領域的突破，本項目對PLC與傳感器的創(chuàng)新設計和運用，利用校園網(wǎng)進行連接，形成云終端的智能監(jiān)控，可實現(xiàn)兩項技術在新的運用領域的突破。

2 設計介紹

本設計采用傳感設備與電氣自動化技術標準，實現(xiàn)了空桶定位、滿桶感應、自動換桶、溫度監(jiān)測、遠程監(jiān)控等多種功能的集成，形成了智能垃圾站管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)擴展性能強、能24小時不間斷運行，能有效替代人工巡檢模式，可以將站點工作情況上傳云端，與校園網(wǎng)相連，通過其他平臺端口監(jiān)控整體園區(qū)的垃圾站點運行情況。從而解決高校園區(qū)垃圾堆積和人工消耗過大的問題。

2.1 程序編寫與建模仿真

程序編寫與建模仿真采用螺旋模型開發(fā)法，將原型法實現(xiàn)的迭代特征與線性順序模型中的控制和系統(tǒng)化的方面結合起來，使得軟件的增量版本的快速開發(fā)成為可能。程序的編寫采用TIA Portal軟件，它集成性強，兼容性良好，系統(tǒng)穩(wěn)定，增刪改查流程相對簡單。建模采用NX MCD軟件，用模塊化結構對智能垃圾站的細節(jié)進行逐一仿真，而后將各模塊進行組合，并結合SIMITV V10，PLCSIM ADVanced 等仿真軟件讓機械結構運動起來，最后通過編程軟件 TIA Portal 輸入相應數(shù)值，進行仿真模擬。

圖1為系統(tǒng)仿真階段的整體結構。通過仿真軟件的孿生技術調試，不僅可以進行快速的數(shù)據(jù)分析以及迭代更新，還可以逐一擺放部件的位置，以此對智能化垃圾站的空間資源進行合理化配置。

圖1 系統(tǒng)仿真整體結構

2.2 雛形搭建與基于數(shù)字孿生系統(tǒng)的虛實調試

根據(jù)仿真模型進行智能垃圾站雛形的實物搭建。通過實證研究法，依據(jù)科學理論和實踐需要提出設計傳感器型號、電機型號，并結合專業(yè)理論知識與仿真模型中垃圾站的應用情況，選擇合適的傳感器、電機、推桿、檢測裝置、通信擴展等部件。通過專家咨詢、資料分析等途徑了解垃圾站實際需求，讓功能的實現(xiàn)更為合理化。

雛形搭建完成后，利用數(shù)字孿生技術對整體項目進行測試與調整。對系統(tǒng)的各種模塊的測試和確認測試，包括測試每個模塊的程序是否有錯誤、測試模塊之間的接口是否正確、測試整個軟件系統(tǒng)是否滿足設計功能和性能的要求，判斷出項目規(guī)劃中所有的工藝流程以及可能出現(xiàn)的矛盾、缺陷、不匹配等問題。

2.3 硬件模塊設計與組成

垃圾站點智能管理系統(tǒng)雛形的實際整體結構如圖2所示。本系統(tǒng)是以西門子S7-1214C PLC作為控制核心，該系列PLC具有適應惡劣環(huán)境、體積小、維修快、擴展性能強等特點。通過連接步進電機、減速電機、直流推桿、光電傳感器組成了主要的傳動模塊、驅動模塊、感應模塊。對垃圾桶進行定位檢測、滿桶感應；控制推桿運動，實施空桶與滿桶的更換工作，站內溫度與濕度監(jiān)控以及相關數(shù)據(jù)上傳云端等集成監(jiān)控功能。

圖2 系統(tǒng)實際整體結構

2.4 換桶模塊的控制流程

第一，接通電源后，系統(tǒng)會檢測投放點是否有垃圾桶存在，如在投放點沒有擺放垃圾桶時，空桶出料倉庫會將空的垃圾桶運送至出料推桿處，由出料推桿將空桶推至傳送平臺。傳送平臺將空桶送入相應位置，并由裝載推桿推入，設置好空桶。

第二，當站內垃圾桶滿載時，傳感器會感應到桶已裝滿，首先關閉投遞口，同時亮燈提示正在更換垃圾桶。裝載推桿將垃圾桶拉入傳送平臺上，由傳送平臺送入不同類別的滿桶回收倉庫。

第三，此時空桶出料倉庫再次將相應顏色的空桶置入傳送平臺，并推入相應位置，完成垃圾桶自動置換，此時，投遞口打開，提示燈關閉，完成換桶流程。

2.5 通信與監(jiān)控

站內設有多項數(shù)據(jù)檢測，以及無線網(wǎng)絡端口，利用PLC本身的易組網(wǎng)性將每個站點情況通過校園網(wǎng)上傳至云端，形成整個園區(qū)內站點的統(tǒng)一監(jiān)控。無論是PC端還是移動端，均可通過WEB界面查看整體數(shù)據(jù)和各個站點情況。

如圖3所示，在觸摸屏上可簡單直觀了解到每一個垃圾站點的運行情況。

圖3 站點狀況記錄界面

3 結語

本系統(tǒng)設計是在全國高校大力宣傳和普及垃圾分類教育的背景下提出的，有別于其他針對普通生活社區(qū)垃圾處理系統(tǒng)設計的研究項目，模型設計聚焦于高校園區(qū)，解決垃圾集中投放的管理和處置問題，從而對垃圾站系統(tǒng)提出智能優(yōu)化和設計。設計就高校園區(qū)人員密集，人流量大、垃圾量大、站點之間間隔長等突出問題。設計采用垃圾桶智能傳送更換鏈、適應智慧校園的PLC網(wǎng)絡通信與傳感器物聯(lián)網(wǎng)連接、利用校園網(wǎng)形成高校社區(qū)智能垃圾回收站系統(tǒng)模型，在解決垃圾桶滿桶自動更換問題的同時，降低高校園區(qū)垃圾處理成本。如能順利將本設計投入實際生產和運用，可幫助高校園區(qū)節(jié)省開支，為減少校園環(huán)境污染做出重要貢獻，意義深遠。