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摘要：为提高垃圾分类效率,降低后续处理工作的难度,提出了一种基于SIMATIC S7-1200的户外智能垃圾分拣箱结构及控制系统的方案,并对其工作原理及结构进行了全方面的介绍。该智能分拣箱具备垃圾种类自动识别和分拣功能,能有效地完成垃圾分类收集环节的预分拣工作,同时具备远程监控功能以便管理人员及时地监控各设备的运行情况。
关键词：S7-1200；物料分拣；分拣箱；垃圾分类；远程监控
Design of a Outdoor Intelligent Garbage Sorting Box Based on SIMATIC S7-1200 Control System
HU Yongqi,LIANG Yu,ZHANG Zhenfeng
(University of South China,School of Civil Engineering,Hengyang Hunan 421001)
【Abstract】：In order to improve the efficiency of garbage classification and reduce the difficulty of subsequent treatment,a scheme of outdoor intelligent garbage sorting box structure and control system based on SIMATIC S7-1200 was proposed,and its working principle and structure are introduced in all aspects.The intelligent sorting box has automatic identification and sorting functions of garbage types,and can effectively complete the pre-sorting work of garbage sorting and collection.At the same time,it has the function of remote monitoring so that managers can monitor the operation of each equipment in time.
【Key words】：S7-1200;material sorting;sorting box;garbage classification;remote monitoring
0引言
垃圾分类处理是实现垃圾资源化、减量化处理的最终环节,也是最为关键的环节,垃圾分类收集的最终目的也是为了降低分类处理环节的难度。垃圾分拣是世界各国垃圾处理的难点,目前我国垃圾处理环节的垃圾分拣基本都依靠人力,仅有少量机械辅助,存在人力成本较高、分拣人员工作强度大等诸多弊端[1]。
本文基于SIMATIC S7-1200研制了一款户外智能垃圾分拣箱,它是一种应用于街道边,针对中小型随机的干垃圾进行分类,主要是涉及到金属、玻璃、塑料及纸类垃圾的分类装置；而人工垃圾分拣需要从一堆垃圾里,将干湿垃圾、可回收物一一分拣出来,分别投放到塑料瓶、易拉罐、玻璃筐里；所有干、湿垃圾都要仔细分拣,为工作人员带来巨大的工作量,整个流程复杂、繁琐,因此在垃圾分类全流程中的收集环节进行初步分拣,可以有效减轻后续环节的工作量。
1分拣箱设计方案
1.1分拣箱的工作流程
本文分拣箱的设计主要由控制设备、传送机构、识别装置、分拣部分等组成。其中,采用SIMATIC S7-1200作为控制系统的控制器,该控制器可实现简单却高度精确的自动化任务；陡角提升皮带和水平分传送带构成传送机构,分别由单独设置的电动机驱动,此机构能够将垃圾匀速平稳地送至识别及分拣平台；识别装置选用光电传感器、金属传感器、电容传感器和分拣检测系统智能判断模块将垃圾分为金属、纸、玻璃、塑料和其他五种类型,其中光电传感器除识别垃圾种类之外,还兼具在投料口检测垃圾投入情况和垃圾桶满料提醒的功能。分拣部分则由信号控制模块、分拣推杆和推杆电机组成,是垃圾分类的执行装置,通过识别装置的控制信号,将垃圾快速且精确地推送出传送带,落至对应的垃圾桶。
当用户通过投料仓上开设的投料口将垃圾投入分拣机构内侧时,经由光电开关,感应垃圾投入情况并联动系统自动启动、传动及分拣系统启动；事先启动水平分传送带旋转运行,5S后再启动陡角提升皮带斜向运行；而后将投料口中的垃圾逐步提升至水平分传送带上,以供检测；分拣检测系统智能判断模块及其连接的传感器用于确定来料垃圾类型并输出无源触点控制信号,配合分拣推杆,将垃圾按信号控制器接收到的无源触电控制信号推送到对应的垃圾桶内,完成对垃圾的有效自动分类分拣操作。每组垃圾桶上方设置光电料位开关,用于故障报警和满料提醒,超限自动输出报警提醒信号,控制分拣箱停止分拣。其工作流程如图1所示。
1.2分拣箱机械结构设计
对此,结合上述整体方案,进一步对分拣箱的机械结构进行设计,并使用绘图软件CAD三维建模,从而对本产品有更加直观的认识[2]。
分拣箱的内侧安装有用于斜向输送垃圾的陡角提升皮带,带动水平分传送带水平传动推送的转动传杆和限定垃圾桶安装位置的隔离导板。陡角提升皮带的内侧有若干位于呈环型阵列设置的用于提升与主动杆之间的紧密结合强度的内壁齿,并安装有辅动杆；主动杆表面呈圆形阵列开设有若干齿槽,主动杆和辅动杆均通过齿槽和内壁齿配合与陡角提升皮带啮合联动。
分拣箱由后箱壳和前箱壳提供外部防护,其一端设置有表面贯穿开设有投料口的投料仓,前箱壳的一侧等距离开设有五组仓门口,投料口的一侧设置有用于感应垃圾投入情况并联动系统自动启动、传动及分拣的光电开关。
五组转动传杆通过后箱壳和前箱壳配合与分拣箱并排安装,转动传杆的外侧套设有水平分传送带,其一侧设置有若干一端开设有接料口的垃圾桶,垃圾桶通过固定设置在后盖壳上的六组隔离导板限位安装。后箱壳的一侧安装有陡角提升带电机和水平分传送带电机,主动杆和转动传杆分别与其旋转安装；并设置有一端连接有5个信号控制模块的分拣检测系统智能判断模块。信号控制模块一端按照顺序依次连接有推杆电机、分拣推杆,三者共同组成分拣组件,五组分拣组件依次与五组垃圾桶对应设置,每两组转动传杆之间构成一处掉落腔。其结构设计如图2、图3所示。
1.3分拣箱控制与监控系统设计
1.3.1 PLC控制系统设计
(1)工作原理。为实现投入垃圾物料的自动识别和分类,需要分拣箱的各个功能模块之间相互协调,发挥各自的功能[3]。物料分拣系统通电之后,步进电机启动,陡角提升皮带将垃圾输送至水平分传送带上以供各类传感器对其进行识别分类,当垃圾种类被检查出来之后,PLC控制推杆电机转动,带动分拣推杆,将垃圾推入对应的垃圾桶之中[4]。
(2)PLC I/O分配。本方案采用SIMATIC S7-1200CPU 1214C型号,该PLC能满足本次设计的需求。本文所述物料分拣系统中输入输出设备与PLC I/O点的分配如表1所示[2]。
(3)PLCI/O接线图。根据该物料分拣系统的功能需求以及I/O点分配情况,根据PLC的I/O端子按图接线[5],如图4所示。
(4)系统软件设计。通过TIA Portal V15.1软件进行PLC梯形图的编写,使用互锁程序与计时器来实现顺序启动与停止,从而确保设备安全运行。当启动按钮SB_2触发后,系统进入待机模式。待机模式下,投放垃圾检测开关SQ6动作,使得水平传送带电机开关KM7接通,水平传送带启动。投放垃圾检测开关SQ6动作以后,T39开始计时,90s后断开陡角提升带电机开关KM6,使得陡角提升带停止。水平传送带电机开关KM7接通触发T37,5s后陡角提升带电机开关KM6接通,陡角提升带启动,T5开始计时10s,后断开水平传送带电机开关KM7,水平传送带停止。
1.3.2远程监控系统设计
GPRS物联网技术被广泛应用于物联网设备无线通讯网络的数据采集与监控。分拣箱在前端设备层采用GPRS DTU模块和QJ1 MB91通信模块,将其连接到PLC来完成数据的协议转换和无线通讯；在数据传输层通过移动GPRS网络将监控数据上传至管理中心的服务器中,以实现设备层与管理层的双向无线数据传输[4]。管理人员通过工作电脑可以有效实时地监控分拣箱中各设备的运行情况。
上位机的管理平台则是在TIA Portal V15的WinCC组态环境中对监控界面进行编辑,包括满料检测、电机过载、电机故障、当前状态[2]。监控报警界面如图6所示2供电与照明设计近年来,国家倡导节能降碳,绿色发展,故分拣箱在供电方式上,采用市电和光伏电进行自动切换供电,优先采用光伏电。光伏电由配套的太阳能板搭配蓄电池提供,将太阳能板安装于分拣箱顶部,蓄电池则置于分拣箱底部[6]。
当采用蓄电池供电时,如果光伏蓄电池低于设定电压值,则由蓄电池供电自动切换到市电供电。当采用市电供电时,光伏蓄电池充能至设定电压值时,则由市电供电自动切换到蓄电池供电。
为使分拣箱在夜晚比较显眼,本设计考虑添加照明设备[6]。在箱体顶部外表面装有光敏元件,当检测到环境光照强度低于设定值,该原件将会发送信号给PLC。PLC检测到信号后,就会接通外部的LED灯,以此实现夜晚自动照明的功能。当光敏元件检测到外部光照强度高于设定值时,就会停止发送信号,使PLC关闭外部LED灯,以达到节能的目的。
3创新点和推广价值
户外智能垃圾分拣箱能够有效的促进垃圾分类政策的顺利落实,且能够有效的减少执行和监管过程的人力成本,但是市场上现存的分拣设备大都发生垃圾总量过大时,易造成局部打滑、制动现象,传送带对垃圾的运输不流畅；易发生垃圾分拣脱轨现象,不具备对垃圾分拣的自动化功能的问题。为此,本文提出了上述新型智能垃圾分拣箱的设计方案。
与现有技术相比,本设计方案通过内壁齿和齿槽的设置,有效加强传送带与传动结构之间的紧密联动性,避免垃圾总量过大时,造成局部制动现象,确保系统对垃圾分类的不间断分拣；防止传送带出现局部打滑现象,确保传送带对垃圾的流畅运输与传送；通过前箱壳一侧开设的仓门口,为及时取出满溢状态的垃圾桶提供方便,减少不必要的操作步骤,简化手动操作流程,实现全自动化；经由隔离导板的设置,有效避免垃圾桶安装过程中发生错位,避免垃圾跌落至垃圾桶外侧,防止发生垃圾分拣脱轨现象,避免垃圾在系统内部发生堵塞,确保系统正常运行。
4结语
户外智能垃圾分拣箱是将智能识别和分拣技术直接整合到产品中,应用于垃圾分类收集环节。用户只需要投入垃圾,垃圾箱便能自行完成垃圾分类。由于自动分类垃圾桶一次只能投放一件垃圾,只适合垃圾量少、人员流动性大、监管难度高的公共区域,因此自动分类垃圾桶目前的应用场景主要以商场、公园等公共区域为主[1]。如果该系统能够在此基础上解决同时分拣垃圾量过少的问题,则能进一步扩大其应用范围。
参考文献
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[4]徐智,袁新雅,武宇,等.智能分拣垃圾桶[J].自动化博览,2018,35(S1):45-47.
[5]丰波.基于西门子PLC 1200的产品自动分拣控制系统设计[J].机电信息,2019(36):128-129.
[6]温文雅,高瑞,郭福雁,等.智能垃圾分拣箱的设计[J].科技创新与应用,2017(25):22+24.
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