（机械工程专业论文）生活垃圾处理中转站控制系统设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 随着我国经济的发展和城市化进程的加快，生活垃圾的产量呈现逐步上升 态势。同时，生活垃圾处理设施的严重不足与处理水平低下已成为影响城市环 境质量、制约城市可持续发展的重要因素。生活垃圾处理中转站的建设是为达 到生活垃圾的及时收集、处理和转运，以实现生活垃圾处理的“减量化、资源 化、无害化 目标。 本文综合采用p l c 控制技术、现场总线技术和组态监控技术等，设计了一 种新型的生活垃圾处理中转站控制系统，文章主要开展以下几个方面的工作： ( 1 ) 在深入分析生活垃圾处理中转站工艺流程的基础上，提出控制系统的 功能需求，综合运用p l c 控制技术、现场总线技术及组态监控技术，设计生活 垃圾处理中转站控制系统的总体方案。 ( 2 ) 在生活垃圾处理中转站控制系统总体方案的基础上，结合现场总线控 制系统的配置形式，设计生活垃圾处理中转站控制系统的网络结构，并对控制 系统所需的软硬件进行详细的配置，完成控制系统硬件的网络组态。 ( 3 ) 在生活垃圾处理中转站控制系统总体方案的基础上，完成控制系统软 件的总体结构设计，开发压装设备控制系统p l c 程序、触摸屏界面和监控主机 软件。 ( 4 ) 提出一种采用组态软件脚本语言的控制系统测试方法，通过脚本实现 对不同工况的模拟，可完成对控制系统程序全方位的仿真测试。通过搭建测试 平台，实现对控制系统程序的测试。测试结果表明本系统可以实现预期的各种 功能，满足设计要求。 本文的研究工作可作为生活垃圾处理中转站控制系统的设计理论基础，较 好的解决了工程实际中遇到的难题，增强了控制系统的安全性、协调性和可扩 展性，解决了企业的迫切需要，同时为控制系统中控制网络与信息网络的集成 提供了良好的借鉴。 关键词i l i 生活垃圾；中转站；控制系统；p r o f i b u s ；f a m e v i e w 武汉理工大学硕士学位论文 h 一塾坚堡三奎堂堡圭堂堡笙壅 _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ - 一一一一 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n a s e c o n o m i ca n da c c e l e r a t e do fu r b a n i z a t i o n p r o c e s s ，ag r a d u a lu p w a r dt r e n do fw a s t eo u t p u ti ss h o w n ，a n da s e r i o u ss h o r t a g eo f g a r b a g ed i s p o s a l f a c i l i t i e sa n dt h el e v e ll o w e ro fg a r b a g ed i s p o s a lh a v eh a d 锄 i m p o r t a n te f f e c to n t h eq u a l i t yo ft h eu r b a ne n v i r o n m e n ta n du r b a n 蓟艇；伽n a b l e d e v e l o p m e n t t h eg a r b a g ed i s p o s a l t r a n s f e rs t a t i o ni sb u i l tt oa c h i e v et h et i m e l y c o i l e c t i o n ，p r o c e s s i n ga n dt r a n s p o r t a t i o n o fg a r b a g e ，a n dt oa c h i e v et h eg o a lo f g a r b a g e “m i n i m i z a t i o n , r e s o u r c er e c o v e r y , h a r m l e s s ” t h j sp a p e rh a su s e dt h ep l cc o n t r o lt e c h n o l o g y , f i e l d b u sa n dc o n f i g u r a t i o n m o n i m r i n gt e c h n o l o g y , an e w c o n t r o ls y s t e mo fg a r b a g ed i s p o s a lh a sb e e nd e s i g n e d ， i tm a i n l yc o n t a i n st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 b yi n t r o d u c i n gt h eg a r b a g ed i s p o s a lt r a n s f e rs t a t i o np r o c e s s ，c o n t r o ls y s t c m f 眦l c t i o n a lr e q u i r e m e n t si sp r o p o s e d u s i n gt e c h n o l o g y o fp l cc o n t r o l ，f i e l d b u s t e c h n o l o b y , c o n f i g u r a t i o na n dm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , t h eo v e r a l l s c h e m ed e s i g no f g a r b a g ed i s p o s a lt r a n s f e rs t a t i o nc o n t r o ls y s t e m i sp r e s e n t 2 o nt h eb a s i so fc o l l 臼lo v e r a l ls c h e m ea b o u tg a r b a g ed i s p o s a lt r a n s f e rs t a t i o n , 锄c c o r d i n gt o l ef i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mc o n f i g u r a t i o n s ，g a r b a g ed i s p o s a l t r a n s f e r s 协t i o nc o n 仃d ls y s t e m sn e t w o r ks t r u c t u r e i sd e s i g n e d d e t a i l e dc o n f i g u r a t i o no f h 砌w 锄e 锄ds o r w a r en e e d e dt oc o n t r o ls y s t e mi sc a r r i e do u ta n dt h ec o n f i g u r a t i o n o ft h ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r en e t w o r ki sf i n i s h e d 3 b 嬲e do nt h eo v e r a l ls c h e m eo ft h eg a r b a g ed i s p o s a lt r a n s f e rs t a t i o nc o n t r o l s v s t e m 。t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ec o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ei sd e s i g n e dt om a i n l y d e v e l o pp l cp r o g r a ma n dt o u c hs c r e e ni n t e r f a c eo f t h ep r e s s f i tc o n t r o ls y s t e ma n d t oc o m p l e t et h em o n i t o r i n gh o s ts o r w a r ed e v e l o p m e n t 4 am e t h o do fu s i n gc o n f i g u r m i o ns o r w a r es c r i p tl a n g u a g ef o rc o n t r o ls y s t e m s t e s ti sp r o p o s ；e di nt h i sp a p e r b yt h es c r i p tt h a tc a na c h i e v ed i f f e r e n ts i m u l m i o n ，i t c 觚b ec o m p l e t e db yaf u l lr a n g eo fp r o c e s sc o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o nt e s t i n g a s i m d a t i o nd e v e l o p m e n tp l a t f o r mi sb u i l tt oa c h i e v ec o n t r o ls y s t e mp r o g r a m t e s t ，t h e t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss y s t e mc a n r e a l i z et h ee x p e c t e df u n c t i o n ，m e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s i i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h eg a r b a g ed i s p o s a lt r a n s f e rs t a t i o nc o n t r o l s y s t e m d e s i g n e di sp r o v i d e di nt h i sp a p e rt os o l v et h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di ne n g i n e e r i n g p r a c t i c e ，a n de n h a n c ec o n t r o ls y s t e ms e c u r i t y , c o o r d i n a t i o na n ds c a l a b i l i t y i tm e e t s t h eu r g e n tn e e d so ft h ee n t e r p r i s e ，a n dp r o v i d e sa g o o dr e f e r e n c ef o rt h ec o n t r o l s y s t e mo fc o n t r o ln e t w o r ka n di n f o r m a t i o nn e t w o r k k e yw o r d s ：g a r b a g e ；t r a n s f e rs t a t i o n ；c o n t r o ls y s t e m ；p r o f i b u s d p ；f a m e v i e w 烈 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着我国经济的发展和城市化进程的加快，城市生活垃圾产量呈现逐步上 升态势【1 1 1 2 1 。2 0 1 0 年，我国城市年清运垃圾3 5 2 亿吨，城市人均年生活垃圾产 量约为4 5 0 5 0 0 k g ，并且每年以8 - 1 0 的速度增长，全国历年垃圾累积存量已 超过6 0 亿吨【3 】，大量的生活垃圾得不到及时有效地处理，垃圾包围城市的问题 越显突出【引。城市生活垃圾处理设施的严重不足与生活垃圾处理水平低下已成为 影响城市环境质量、制约城市可持续发展的重要因素，如何提升城市生活垃圾 的处理水平已经成为全社会共同关注的焦点1 5 j 【6 】。近年来，国家明确提出要求进 一步提高我国城市生活垃圾无害化处理的能力和水平，实现生活垃圾处理的“减 量化、资源化、无害化 原则【_ 刀。在国家政策的宏观调控下，城市生活垃圾无害 化处理率逐年升高，其中2 0 0 1 2 0 0 9 年全国城市垃圾处理情况i s j 如图1 1 所示。 因此，建立完善的城市生活垃圾收运管理系统是解决上述问题的最有效办 法，其中生活垃圾处理中转站的建设已成为完善城市生活垃圾收运系统的核心 之一。本文将重点对生活垃圾处理中转站控制系统进行研究。 0 1 1 1 柏 i1 2 0 ：1 0 0 8 0 4 0 2 0 0 图1 12 0 0 1 2 0 0 9 年全国城市垃圾处理情况 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 论文研究背景 1 1 1 生活垃圾及其处理状况 生活垃圾是指在居民日常生活中或为日常生活提供服务的活动中产生的固 体废弃物，其主要成份包括厨余物、报纸、废塑料、废织物、废金属、废玻璃、 砖瓦渣土等【9 】。生活垃圾成分复杂，主要受当地经济发展水平、气候条件、能源 结构以及居民生活习惯的影响，致使其难有统一的处理模式l l o l 。不同的地区往 往根据当地实际情况采用不同的垃圾处理方法，但不同的处理技术及方法最终 都是以垃圾处理的“减量化、资源化、无害化 为目标。目前我国生活垃圾最 终处理的方式主要有填埋、焚烧和堆肥【l 。 填埋法是将垃圾压实减容后，在底层防渗的填埋场进行分层填埋，压实后 顶层再覆盖土层，使垃圾与外界隔离，在厌氧条件下发酵而达到无害化处理的 方法【1 2 】；其优点是资金投入少、操作简单便捷、垃圾处理量大，缺点是填埋场 需要占用大量的土地资源，还存在严重的二次污染。 焚烧法是一种采用高温热化学处理技术对垃圾进行处理的方法，在高温环 境下，有机可燃成分在氧气作用下氧化分解为气态氧化物和固态残渣1 1 2 1 。焚烧 法极好地实现了生活垃圾处理的减量化、资源化和无害化j 并且其占地小，还 可利用余热发电等。但该法最大的问题是前期投资高，外排有毒气体不易控制 等。 堆肥法是利用微生物的新陈代谢作用，在适宜的条件下，微生物进行自我 繁殖，从而将有机物降解为稳定的腐殖质，实现生活垃圾处理的无害化和资源 化【1 2 1 。堆肥法的主要优点是部分实现资源化，有利于生态良性循环；其缺点是 占地面积大、处理周期长、卫生条件差。 1 1 2 生活垃圾处理转运 生活垃圾从产生到最终处置需要经历垃圾收集、中转运输及垃圾处理三个 重要环节1 1 3 1 ，而其中的垃圾收集和中转运输则构成了生活垃圾的转运系统。垃 圾收集是指将生活垃圾从不同的产生源收集并将其转送至生活垃圾处理中转站 的过程。垃圾处理是指采用专项的垃圾处理设施对生活垃圾进行统一处置，如 分选回收、焚烧发电、高温堆肥、卫生填埋等，以实现生活垃圾处理的“减量 化、资源化、无害化 目标。中转运输是在运输距离、运输量增加的基础上， 2 武汉理工大学硕士学位论文 为提高生活垃圾处理系统工作效率而衔接垃圾收集与垃圾处理两个环节的配套 过程。生活垃圾处理过程流程如图1 2 所示。 图1 2 生活垃圾处理过程流程 其中，垃圾中转运输是指将分散的垃圾集中到生活垃圾处理中转站内，经 过站内机械设备压实减容后装入垃圾转运集装箱，再采用大中型垃圾集装箱转 运车运到远距离垃圾处理场所的过程。生活垃圾处理设施的严重不足与生活垃 圾处理水平低下已成为影响城市环境质量、制约城市可持续发展的重要因素。 此外，垃圾填埋场距离城市中心越来越远，易引发垃圾运输过程中的二次污染、 亏载等一系列问题。为此，建设生活垃圾处理中转站是解决上述问题的最有效 办法。 1 2 论文主要工作的国内外研究现状 2 0 世纪4 0 年代，欧美等国就开始对垃圾压缩中转设备进行研究，并一直处 于领先地位，研制出了许多成熟的产品，如著名的荷兰环境实业集团的垃圾竖 直装箱设备、预压式水平装箱垃圾压缩设备等。这些垃圾压缩设备可靠性高、 垃圾压缩比高，但其引进价格高、系统维护升级难等。同时，国外对生活垃圾 收运系统的研究已经形成了一套较成熟的理论，在生活垃圾收集技术和生活垃 圾运输技术上都得到了较快的发展，国外对垃圾中转站的研究也主要集中在垃 圾收运系统和垃圾压缩设备。 随着计算机技术、通信技术、微电子技术等高科技的飞速发展，世界进入 了一个信息化时代，同时也为控制领域带来了一场巨大的变革。用户对自动化 控制系统的要求不再满足于单个装置的自动化水平提高，而是把整个工厂甚至 整个集团作为一个可控的有机体来运行，要求控制系统具备实时性、准确性、 系统性和全面性i l4 1 。生活垃圾处理中转站的建设与实施离不开控制系统，而控 制系统功能的日新月异，其对控制系统的开放性、稳定性和可维护性要求是十 3 武汉理工大学硕士学位论文 分明显的。生活垃圾处理中转站是进行生活垃圾收集转运的重要枢纽，其自动 化控制和信息化管理水平直接影响到垃圾收运系统的运营效率和社会效益，但 目前国内生活垃圾处理中转站成套设备成熟度较低，其控制系统多为集成控制 系统厂家所定制，开放性差、维护和升级不便。 在生活垃圾处理中转站控制技术的研究中河北科技大学的刘东辉等设计了 一种将垃圾压缩设备与先进的控制技术、视频技术结合在一起，可完成垃圾压 缩处理、垃圾转运、自动化控制以及多工位视频监控等功能的垃圾中转站控制 系统1 1 5 】。上海数字智能化系统工程有限公司的杨杰等给出了一种垃圾中转站计 算机监控系统的具体实现方法，监控计算机完成中央监控和调度功能，现场p l c 根据各容器重量、压实器状态、车辆情况等判断车辆到位，控制压实器动作和 卸料区、运转区的信号灯，以完成对垃圾车识别、称重、卸料、垃圾压实、容 器运转等工艺过程的自动化监控和管理【l6 1 。同济大学的张文杰提出了一种利用 p l c 控制技术实现分体式垃圾压缩机自动控制的方法，综合模糊控制理论、单 片机技术，实现了垃圾集装箱充满度的智能监测，提高了垃圾转运的效率，而 且能够避免垃圾运输过程中的二次污染和车辆超载等问题1 1 7 j 。天津市市容环境 工程设计研究所的田毅等针对天津市潘楼垃圾中转站的通风除尘、除臭问题进 行分析研究，提出了采用软帘封闭污染源形成负压区及使用喷淋除尘的方法， 综合药液吸收和活性炭吸附两级除臭方式，使室外粉尘排放浓度以及恶臭排放 都达到国家标型1 8 】。长治清华机械厂的李海清等研究了一种采用w e b a e c e s s 组 态软件的垃圾转运站监控系统，实现对转运站成套设备进行数据采集、控制和 管理，以及对位于各部分的位置开关信号的监测和转运车车厢内垃圾重量的监 测、对泵站电机等设备的启停、对各个液压电磁阀的控制等。在计算机显示器 上可以直接观察到压装机构、横移机构、纵移机构、锁紧机构、提门机构、除 尘机构等的动画模拟动作效果0 9 1 。 1 3 论文工作的目的和意义 生活垃圾处理中转站是整个垃圾收运系统的核心，中转站的建设是为达到 生活垃圾的及时收集、处理和转运，以实现生活垃圾处理“减量化、资源化、 无害化一的目标。生活垃圾处理中转站综合采用各种自动化控制技术与节能措 施，实现绿色环保、节能的目标，并将中转站对周边环境的影响降低到最低程 度。建设生活垃圾处理中转站是在保护环境的前提下，以垃圾无害化为基本出 4 武汉理工大学硕士学位论文 发点，达到减量化、逐步实现资源化的目的，充分发挥课题的社会效益、环境 效益和经济效益1 2 0 1 。 从国内生活垃圾处理的发展趋势来看，越来越多的城市在其环卫设施规划 中倾向于采用中转技术，即建设更多的垃圾中转站，以提高生活垃圾的运输效 率。然而，在生活垃圾的处理成本中，垃圾收集和运输成本占据相当大的比例。 在整个生活垃圾处理中转站的设计过程中，如何实现生活垃圾处理中转站压缩 处理的最优控制，又要使其对周围环境的污染最小，经济效益与社会效益达到 最优，那么科学、合理地对中转站控制系统进行设计就是解决这一问题的关键 所在。 本文的主要研究目的是在充分了解生活垃圾处理中转站控制流程的基础 上，针对垃圾压装设备、降尘除臭设备、计量称重系统和车辆调度设备等装备 进行深入分析研究，设计一种新型的生活垃圾处理中转站控制系统的设计。在 控制系统设计过程中，综合采用开放式现场总线技术、p l c 控制技术和组态监 控技术，实现了中央控制室对整个生活垃圾处理中转站的监控与管理。这些技 术的引用，提高控制系统的可靠性与可维护性，并为后续控制系统信息的集成 提供了有力的保障，有利于实现环保部门对所有生活垃圾处理中转站的综合管 理。 本文的研究工作可为生活垃圾处理中转站控制系统的设计提供理论基础， 较好的解决了工程实际中遇到的难题，增强了控制系统的安全性、协调性和可 扩展性，解决了企业的迫切需要，同时为控制系统中控制网络与信息网络的集 成提供了良好的借鉴。 1 4 论文课题支撑及主要研究内容 1 4 1 论文的课题支撑 企业技术开发项目“城市生活垃圾处理中转站关键技术的开发 。 1 4 2 论文的主要工作内容 本文以生活垃圾处理中转站为研究对象，在充分研究分析中转站各装备后， 针对现有的生活垃圾处理中转站控制系统的不足，综合运用现场总线技术、p l c 控制技术和组态监控技术，设计完成了生活垃圾处理中转站控制系统。本文主 5 武汉理工大学硕士学位论文 要研究内容如下： 1 ) 生活垃圾处理中转站控制系统的总体设计 通过分析生活垃圾处理中转站的工艺流程，结合站内关键装备，提出控制 系统的功能需求；并采用现场总线与以太网将现场设备与中央控制室连为一体， 实现中央控制室对现场设备的监控与管理，并对控制系统进行了总体结构设计。 2 ) 生活垃圾处理中转站控制系统的网络结构设计 在生活垃圾处理中转站控制系统总体结构的基础上，根据p r o f i b u s d p 总 线控制系统网络的常用配置形式，结合生活垃圾处理中转站的实际情况，设计 完成了控制系统p r o f i b u s d p 总线结构的网络模型。运用s t e p 7 软件，完成 对控制系统主从站的网络组态。 3 ) 生活垃圾处理中转站控制系统的软件开发 根据控制系统网络的硬件配置，完成控制系统软件的总体结构设计。软件 开发主要包括p l c 控制程序开发、触摸屏界面开发以及监控主机软件开发三部 分。本文中p l c 控制程序部分主要以压装设备控制系统为例进行控制程序的详 细设计，包括：系统资源分配、程序结构和程序设计等。触摸屏界面部分包括 系统登录界面、系统监控界面和管理界面的设计。监控主机软件部分包括生活 垃圾处理中转站控制系统监控界面设计、应用程序数据交换接口o p c 服务器的 实现，以及远程访问w e b 服务器的实现。 4 ) 生活垃圾处理中转站控制系统的测试 生活垃圾处理中转站控制系统测试是在控制系统设计完成后，对所设计的 控制系统进行全面仿真测试，以判断该系统是否满足设计要求，验证是否达到 预期设计的效果。为此，依据相关控制系统测试方法，设计开发相关的测试平 台，严格制定测试流程，完成对控制系统程序的测试。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章生活垃圾处理中转站控制系统的总体设计 本章通过分析生活垃圾处理中转站的工艺流程，提出了控制系统的需求。 在确定控制系统构成的基础上，采用现场总线与以太网将现场设备与中央控制 室连为一体，实现中央控制室对现场设备的监控与管理，并设计了控制系统的 总体结构。 2 1 生活垃圾处理中转站简介 2 1 1 生活垃圾处理中转站及其分类 生活垃圾处理中转站的主要目的是对垃圾进行处理与中转运输，即通过中 转站将小吨位垃圾收集转运车倒换为大型的集装箱垃圾运输车，同时有效的增 加垃圾的装载密度，提高垃圾的运输效率。另外，在生活垃圾处理中转站还可 以对垃圾进行分选等预处理。国内外生活垃圾处理中转站形式各异，主要区别 在于中转站内垃圾处理设备的工作原理和处理效果【2 l 】。由此，可以将生活垃圾 处理中转站分为以下两大类： 1 ) 非压缩式 非压缩式是指垃圾收集后由小型垃圾收集车运输到中转站，不经处理直接 将垃圾卸入大型垃圾运输车而进行转运的方式。这种形式的中转站主要特点是 无需专用垃圾处理设备，投资少、运营管理费用低。但这也存在着在中转过程 中，没有对垃圾进行压缩减容处理，使得中转站内垃圾转运车集装箱的体积要 求很大，无法实现大批量垃圾运输的需求。因此，这种模式的生活垃圾处理中 转站已很少采用。 2 ) 压缩式 压缩式是指垃圾收集后经过压缩减容处理后再将垃圾装入大型垃圾运输车 进行转运的方式。按压缩机的布置形式压缩式又分为：水平压缩和垂直压缩两 种形式。水平压缩式又包括直接压入式和预压缩式1 2 2 】1 2 3 1 。 直接压入式简称直压式，即压缩机直接将垃圾推入到垃圾转运车的集装箱 内，实现垃圾的边装载边压实。直接压入式占地面积较少，工艺成熟、操作简 便。但同时也存在压缩比相对较低、压板行程短，需加强集装箱的强度，并且 压缩过程中垃圾和污水容易外泄，集装箱的装载量难以控制等问题，因此多用 7 武汉理工大学硕士学位论文 于中、小型生活垃圾处理中转站。 预压缩式是指垃圾先在压缩机的预压腔内经过反复压缩形成密实的垃圾 块，然后再一并推入垃圾转运集装箱中的方式。此种方式具有垃圾压缩比高， 可精确计量垃圾压缩量，并且垃圾压缩过程密封，污水、臭气外泄现象少等特 点。因而多适用于大、中型生活垃圾处理中转站。 本文所研究的生活垃圾处理中转站采用技术较为成熟的水平预压式垃圾压 缩工艺。其主要优点有： 压缩机的压缩力大，垃圾脱水率高，垃圾压缩比高； 压缩过程密封，垃圾、臭气及渗滤液外泄少： 预压腔可存贮一定垃圾，能有效应对垃圾处理高峰期； 配套使用大容量集装箱垃圾转运车，垃圾运输效率高，垃圾的装箱、 倾倒过程相对简单。 2 1 2 生活垃圾处理中转站工艺流程 针对生活垃圾的特点，按照生活垃圾处理中转的模式，可将生活垃圾处理 中转站工艺流程划分为：称重与识别、垃圾卸料、垃圾预压、垃圾装车、垃圾 运输和倾倒填埋这六个过程。其工艺流程如图2 1 所示。 i v 装车n i 垃圾预压i i 卸科 v 垃圾运输v i 倾倒填埋 匕= = 冷亡爿 命 瞄【j 面，称重识掰 图2 1 生活垃圾处理中转站垃圾处理工艺流程图 ( 1 ) 称重与识别 垃圾收集车进入生活垃圾处理中转站后，具有智能化管理功能的计量称重 系统自动执行车辆信息扫描、车辆吨位计量、数据存储与上传。 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 卸料 垃圾收集车在交通信号灯的指引下，进入指定的卸料位开始卸料；与此同 时，降臭系统开始工作，实现卸料区域的喷水降尘和抽风除臭；待卸料完毕后， 垃圾收集车离开卸料位，卸料槽的推料机构自动将垃圾推至落料口处，垃圾进 入压缩机的预压腔。 ( 3 ) 垃圾预压 垃圾压缩机压板由液压驱动，将垃圾向预压腔前部推进，当液压系统压力 达到设定值后保压一段时间，然后压板缩回。如此反复多次推压，直到压缩腔 内垃圾块达到指定容积，然后发出满箱信号，提示集装箱垃圾转运车进行垃圾 装箱操作。 ( 4 ) 垃圾装车 集装箱垃圾转运车与压缩设备出料口完成对接、锁紧后，出料门提起，压 板将垃圾块推入大容量转运车的集装箱内。待垃圾推入集装箱后锁紧装置解锁、 出料门关闭，转运车与压缩设备分离。 ( 5 ) 垃圾运输与倾倒填埋 集装箱垃圾转运车将满载垃圾的集装箱运往垃圾焚烧厂或填埋场，垃圾倾 倒完毕后返回生活垃圾处理中转站进入下一轮循环。 2 2 生活垃圾处理中转站的关键装备 1 ) 垃圾压装设备 垃圾压装设备( 垃圾压缩和装载设备) 是生活垃圾处理中转站的核心，主 要包括预压式垃圾压缩机、卸料槽、液压系统等。 预压式垃圾压缩机由压缩腔、出料门、挂车自动锁定装置、压板液压缸、 压板组成。压缩腔为长型的箱式结构，能承受较大的压力；出料门位于压缩腔 的尾部，当出料门处于关闭时，可与压缩腔一起构成封闭的压缩箱体，在液压 油缸的巨大压力下，松散垃圾经多次压缩而成为密实的垃圾块，最后推入垃圾 转运车的集装箱内。预压式垃圾压缩机代表了垃圾压缩设备最新研究成果，如 图2 2 所示，具体有如下特点： 垃圾在压缩腔内被预先分段连续紧压，垃圾压缩比高； 通过重量及容积检测装置可实现对垃圾块重量与体积的准确控制； 预压式垃圾压缩机对转运车集装箱的强度要求较低，可进一步降低转 9 武汉理工大学硕士学位论文 运车集装箱的重量，从而有利于更好地提高净载率； 图2 - 2 垃圾压装设备 卸料槽采用半潜式刮料机构，该机构由一个半潜于垃圾卸料槽中的带罩刮 板组成，可来回将卸料槽中的垃圾刮入压缩机的压缩腔内。此种卸料设备可具 有多车位不间断卸料的优点，特别适合垃圾处理量大的场合。 2 ) 计量称重系统 计量称重系统主要由电子汽车衡、标签阅读器、红外车辆分离器、道闸、 显示屏以及计算机和管理系统软件组成。其工作原理是：当车辆上磅后，标签 阅读器对车上所携带的电子卡进行快速识别，验证车辆信息后对车辆进行称重， 并将车辆信息及称重信息一并上传至中央控制室，实现对车辆信息和称重信息 的存储和备份。计量称重系统示意图如图2 3 所示。 甚像a 巧 摄像机 煳勰万塑 图2 3 计量称重系统示意图 l o ，r _ 一 l-i一jjj_ 肇一 一，一 武汉理。r 大学硕士学位论文 计量称重系统通过以太网与中央控制室的信息网络相连，将垃圾收集车单 次称重数据，累积称重数据同步传输到中央控制室，使得称重数据共享与备份， 便于控制系统对垃圾收集车进行合理调度，以控制集装箱的垃圾装载量，同时 按期将垃圾综合处理信息上报环保管理部门。称重管理系统软件具有存储数据 并打印记录的功能，可根据要求分别按每车、每天、每月、每季度、每年统计 垃圾收集量，并打印统计报表。 3 ) 降尘除臭装置 生活垃圾处理中转站在工作过程中，臭气和灰尘是一个相当严重的问题， 不但造成环境污染，更损害站内工作人员的健康。当垃圾收集车向卸料槽内倾 倒垃圾时，会不同程度的产生扬尘。同时由于垃圾在收集转运过程中存储时间 较长，因发酵而不同程度地散发出臭气【2 4 1 。因此，降尘除臭系统是必不可少的。 降尘除臭系统一般采用水浴化学处理及特质材料两级吸附系统，在生活垃 圾处理中转站卸料槽后侧及上部安装集气罩，通过风管与风机相连，使卸料槽 上方呈负压状态，将卸料过程中的灰尘和臭气吸入降尘除臭处理设备的废气净 化装置，经过处理后达到国家有关废气排放标准。卸料间除收集车卸料口外挂 隔帘，而其余全部封闭，以有效隔绝垃圾灰尘和臭气。在卸料间及垃圾处理工 作间上部，设置多个喷头，当有收集车卸料时，喷雾装置自动开启，水雾从喷 头呈实心锥状喷出洒下，抑制并沉降灰尘。降尘除臭装置如图2 - 4 所示。 图2 4 降尘除臭装置 4 ) 污水处理系统 生活垃圾处理中转站污水的来源主要包括以下几个方面：站内生活污水， 车辆、场地和设备的冲洗污水，以及垃圾在储存、压缩过程中产生的渗滤液等。 武汉理工大学硕士学位论文 污水处理系统对生活垃圾处理中转站内的垃圾渗滤液及生活污水进行处 理，使其达到国家相关排放标准，而且采用污水回用处理技术能够提高水资源 利用率、降低运营成本。污水处理系统的污水处理工艺流程如图2 5 所示。 图2 5 污水处理工艺流程图 车辆及场地冲洗水经过平流沉砂池沉淀水中比重较大的物质，然后再混合 垃圾渗滤液和站内生活污水等通过格栅机清除水中较大的悬浮物后汇入调节池 进行比例调节，再通过毛发聚集器清除纤维性污物，通过在膜生物反应池中进 行生物氧化、净化水质、杀菌消毒，最后汇入回用贮水池，供给场地车辆容器 冲洗用。定期须对平流沉砂池、格栅机及膜生物反应池进行清污，对清理出来 的污物作烘干处理后运往终端处理站。 5 ) 视频监视系统 视频监视系统由高品质摄像机、控制器件、传输线缆和视频监控器等组成。 站内布置的摄像机将摄像画面，通过专用的视频传输线路传送到中央控制室内 的监视主机，监视主机上的视频采集卡将画面信号采集放大，通过专用监控软 件单屏或多屏显示。可分别监视压装设备与垃圾转运车对接处画面、垃圾收集 车卸料情况画面、计量称重系统以及整个垃圾中转站运行情况等画面。 2 3 生活垃圾处理中转站控制系统的需求分析 2 3 1 生活垃圾处理中转站控制系统的功能需求 针对我国生活垃圾的特点和国家对生活垃圾处理的指导原则，生活垃圾处 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 理中转站需要将收集的垃圾进行压缩成块，然后装入大型集装箱转运车运往垃 圾处理场进行最终处理。为了避免垃圾在压缩处理过程中造成二次污染( 即在 垃圾倾倒及压缩过程中，会不同程度的产生扬尘、臭气等) ，需要进行必要的降 尘和除臭处理，并且需要将压缩处理过程中产生的污水经过处理之后再进行排 放。同时，生活垃圾处理中转站是市政工程，需要定期提交相关的垃圾处理量 信息，并且还允许上级相关部门实时查看站内垃圾处理的工作情况，这使得中 转站需要开放网络信息共享接口与功能。再次，为使生活垃圾处理中转站安全 可靠运行，控制系统还需要具备以下功能： 实现垃圾收集及转运车辆的自动称重，并能实现报表打印输出； 及时引导垃圾收集车至指定地点倾卸垃圾，提高垃圾倾倒效率； 垃圾压装设备安全运行，实现状态报警，并备有应急处理能力； 降尘除臭系统适时运行，并可设置调节功耗，有效节省能源； 监控主机能监视站内各设备的运行情况，必要时能紧急控制停机； 现场设备信息实现集中管理，远程监控中心能通过i n t e m e t 实时查看。 2 3 2 生活垃圾处理中转站控制系统的性能需求 结合生活垃圾处理中转站系统的硬件设备，控制系统需要对站内各设备进 行协调控制，以实现垃圾的收集处理与转运。控制系统的总体性能应达到如下 标准： 安全性：控制系统能安全稳定运行，出现故障时不致对人身财产造成 较大的损伤； 可靠性：系统长时间运行无故障，若出现故障能及时报警提示，并能 采取相应应急处理能力； 互换性：常用易损件容易更换，并且更换系统中的器件，控制系统无 须大的调整； 协调性：各子系统之间相互协调，实现生活垃圾处理中转站稳定运行： 扩展性：系统应具备扩展能力，在中转站扩展相关功能或增加垃圾处 理量时能方便快速的进行系统升级。 2 4 生活垃圾处理中转站控制系统的总体方案 生活垃圾处理中转站控制系统是针对我国生活垃圾的特点，按照垃圾收集 武汉理工大学硕士学位论文 转运的模式和处理方法，将垃圾收集、处理、转运等设备连接起来，构成一个 自动化协调控制的系统。本文所研究的生活垃圾处理中转站控制系统总体方案 采用p l c + 现场总线+ 组态软件的形式，其中：p l c 用以实现对单个设备或系统 的自主控制，现场总线用以实现现场设备或系统的信息至中央控制室监控主机 的传输，组态软件则用于实现系统运行监控、故障报警、数据采集与存储等功 能，以此最终实现生活垃圾处理中转站全自动化的垃圾收集、处理与转运，以 及实现对中转站的远程监控与管理。 生活垃圾处理中转站控制系统由中央监控系统、压装设备控制系统、降尘 除臭控制系统、污水处理控制系统、车辆调度系统，以及计量称重系统、视频 监视系统组成。图2 6 为生活垃圾处理中转站控制系统总体结构。 压蓑设鲁控嗣压装设备控嗣降尘障臭系统污水处理系统车辆调度系统监视设备 系统1 系统秘 图2 - 6 生活垃圾处理中转站控制系统总体结构 生活垃圾处理中转站内的垃圾压装设备、降尘除臭设备、污水处理设备构 成现场总线系统的分布式子站，分别由各自的p l c 进行控制。各子站p l c 将系 统的运行状态信息经现场总线发送给控制系统主站，主站通过现场总线实现与 从站p l c 数据通讯，并同时将从站现场设备的运行状态信息传递给中央监控系 统。中央监控系统采用组态软件将这些状态信息实时反映在监控界面中，可实 时查看各设备的运行情况，同时还可以向压装设备控制系统、降尘除臭控制系 统、污水处理控制系统发出控制指令，完成远程控制功能。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 在计量称重系统中，电子汽车衡获取垃圾收集车的重量信息，通过数据线 传输给计量称重系统主机，实现智能化称重并存储数据，同时能按客户要求打 印统计报表。称重数据采用o p c 方式经由以太网传送至中央控制室，实现数据 信息的交互与备份。监视设备采集生活垃圾处理中转站现场的图像信息，经过 监视系统处理，中央控制室能实时监视站内现场设备的工作情况。中央监控系 统开放相应的数据信息访问接口，远程监控中心通过i n t e m e t 可以实时查看站内 的垃圾处理量信息及现场工作情况【2 5 1 。 1 ) 中央监控系统 中央监控系统是整个生活垃圾处理中转站控制系统的大脑，用于协调控制 和管理整个站内现场设备的运行情况，其设置在中央控制室内，将垃圾压装设 备、降尘除臭设备、污水处理设备等运行状态信息通过组态软件显示在监控主 机的监控界面上，实时地反映现场设备的运行状态，并能在中央控制室完成对 现场设备的控制。中央监控系统结构如图2 7 所示。 图2 7 中央监控系统结构图 中央监控系统包括：工控主机、网络通讯卡、显示器、组态软件、数据库 软件、w e b 服务器软件等。监控系统将现场设备控制站的运行状态信息、称重 管理系统的数据、监视系统的视频信息一起打包，通过w e b 服务器或o p c 服务 器将这些信息共享给i n t e m e t 上的其他计算机，以供远程监控中心查看。 2 ) 压装设备控制系统 压装设备控制系统是生活垃圾处理中转站控制系统的核心系统，主要包括 压装系统p l c 、数字量输入部分、模拟量输入部分、数字量输出部分和触摸屏 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 等，结构如图2 8 所示。压装系统p l c 采集的输入信号包括：开关按钮输入、 限位开关输入、重量传感器、位移传感器和压力传感器等。输出控制状态指示 灯、油泵电机、溢流阀和液压换向阀等。触摸屏用于便捷地实现对压装设备的 操作，以及系统参数设置等。压装系统p l c 将本系统关键状态信息打包后经由 现场总线发送给控制系统主站，同时接收来自控制系统主站的控制命令。 现场总线 彳卜 l 开关按钮卜 数 子网 p r o f i b u s ”命令，建立p r o f i b u s 网络。s i m a t i c m a n a g e r 配置界面如图3 - 9 所示。 图3 - 9s i m a t i cm a n a g e r 配置界面 2 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 设置p r o f i b u s 网络 p r o f i b u s d p 物理层采用r s - 4 8 5 传输技术，传输速率为9 6 k b i t s 到 1 2 m b i t s ，每个p r o f i b u s - d p 网络中的所有设备均应选用相同的传输速率，传 输速率主要由电缆的最大长度决定，p r o f i b u s d p 的传输速率与通讯电缆长度 关系如表3 1 所示。 表3 1p r o f i b u s d p 传输速率与电缆距离 波特率( k b p s ) 9 6 1 9 29 3 7 51 8 7 55 0 01 5 0 01 2 0 0 0 距离( m ) 1 2 0 01 2 0 0 1 2 0 01 0 0 04 0 0 2 0 01 0 0 根据p r o f i b u s d p 传输速率与电缆距离关系表，选取合适的总线传输速 率，本文选取5 0 0 k b p s 。在之前建立的p r o f i b u s 网络对象上点击鼠标右键选择 “对象属性 ，在弹出的p r o f i b u s 属性窗口进行网络设置，其中：最高 p r o f i b u s 地址取默认的“12 6 ”，传输率选取“5 0 0 k b p s ”，配置文件选择“d p ” 行规，如图3 1 0 所示。 3 ) 组态p r o f i b u s 从站 在s i m a t i cm a n a g e r 左侧目录树下选择“压装设备从站l 撑 ，然后双击右 侧生成的硬件图标，在打开的h wc o n f i g 窗口中进行组态，从硬件目录中按订货 号和硬件安装次序依次插入机架( r a i l ) 、电源( p s3 0 75 a ) 、c p u ( 3 1 5 2 d p ) 和i o 模块。 图3 1 0p r o f i b u s 网络设置 双击插槽中的“d p ”，弹出d p 属性对话框，先设置从站地址为“3 ”，然后 2 8 武汉理 j 大学硕士学位论文 在“工作模式”选项卡设置为“d p 从站”，最后在“组态”选项卡中新建通信 数据交换接口。在本从站中设置输入区为8 个字( 从i b l 0 0 开始) ，设置输出区 为8 个字( 从q b l 0 0 开始) ，设置完成如图3 1 1 所示。“压装设备从站2 j f j ”组态 与此相似，不同在于将从站地址设置为“4 ”。 图3 1 ld p 从站属性设置 4 ) 组态p r o f i b u sp c 站 在s i m a t i cm a n a g e r 界面的左侧选择“p cs t a t i o n ”，进入h wc o n _ f i g 组态 界面，打开硬件目录，按订货号和硬件安装次序依次添加o p cs e r v e r 和c p 5 6 1l 卡，并设置c p 5 6 1l 卡地址为“2 ”，完成p c 站的组态，如图3 1 2 所示。 图3 1 2p cs t a t i o n 组态界面 2 9 武汉理工大学硕士学位论文 5 ) 组态p r o f i b u s 主站 在s i m a t i cm a n a g e r 界面的左侧选择“埠制系统主站”，进入h we o n f i g 进 行组态，打开硬件目录，按订货号和硬件安装次序依次插