王 珺 苏俊恺 翁小洁 林观明

（广州科技职业技术大学，广东 广州 510000）

0 引言

随着智能化时代的到来，绿色生态和可持续发展战略成为社会可持续发展重要目标之一，垃圾分类处理产业技术日新月异，关于智能型的垃圾处理技术和设施的研发成为当下炙手可热的研究课题。笔者查阅近10年关于垃圾分类的相关文献，发现关于垃圾分类的文献数量虽呈逐年递增趋势，但主要集中在垃圾智能分类、家庭分散式个体垃圾桶的智能化方面，如红外线功能垃圾桶、节水型智能垃圾桶、太阳能智能垃圾桶等。关于公共区域内垃圾桶的智能化管理系统研究较少，目前暂无成熟的系统型应用案例。

本智能管理系统模型设计是以PLC技术为核心，针对高校园区垃圾集中处理站点的智能化管理系统。该系统能够实现垃圾站点自动满桶更换、数据监控、联网管理等功能，能大大提高垃圾集中处理的工作效率，实现整体园区垃圾站点的统一管理。同时，系统模型将数字孪生技术与物联网技术运用和结合，在提高开发效率，减少调试时间的前提下，保证系统的稳定运行，利用高校云技术将系统与校园网相连接，实现整体监控和远程调用功能，填补了高校园区垃圾处理站点智能化管理的市场空白。

1 设计背景

许多高校响应国家号召，进行垃圾分类处理，在各自的园区内建立了集中的垃圾投递站点。但是垃圾站点的管理模式，仍采用人工巡检模式，定时更换和清理满载的垃圾桶。这种方式对于人流量大，人员集中，站点间距离长的高校园区来说并不适用。在对广东省55所高校的实地调查中发现，85.4%的高校垃圾站点均出现了不同程度的垃圾满溢情况。笔者设计了一种基于PLC的电气控制自动更换满载垃圾桶的垃圾站点管理系统模型，以求实现高校园区各个垃圾站点的管理工作模式过程的全自动化、物联网化。

经前期调研，对比市场垃圾桶相关产品，本系统具有以下明显的优势：一是该模型符合市场发展趋势，发展前景大。该设计符合疫情常态化下绿色环保产业的发展趋势，尤其是各大高校要加强大学生垃圾分类意识和习惯养成教育发展方向，系统的推广可获得更多高校的认同和支持，丰富大学生综合素质教育的内容，改善师生生活环境和提高身体健康水平。二是系统的投资成本少，符合高校园区垃圾治理发展规划。前期使用智能垃圾回收站的雏形，在一般职业院校的学校实验室设备基础上即可研发使用，设计成本和开销均在可控范围内，成型产品的成本低，对于未设有专项垃圾分类专项经费的高校也在可承受范围之内，价格在可接受范围内，“复制”和“推广”性高。三是系统有技术发展前景和自主知识产权。该设计实现了PLC自动控制与传感器技术在新的运用领域的突破，本项目对PLC与传感器的创新设计和运用，利用校园网进行连接，形成云终端的智能监控，可实现两项技术在新的运用领域的突破。

2 设计介绍

本设计采用传感设备与电气自动化技术标准，实现了空桶定位、满桶感应、自动换桶、温度监测、远程监控等多种功能的集成，形成了智能垃圾站管理系统。该系统扩展性能强、能24小时不间断运行，能有效替代人工巡检模式，可以将站点工作情况上传云端，与校园网相连，通过其他平台端口监控整体园区的垃圾站点运行情况。从而解决高校园区垃圾堆积和人工消耗过大的问题。

2.1 程序编写与建模仿真

程序编写与建模仿真采用螺旋模型开发法，将原型法实现的迭代特征与线性顺序模型中的控制和系统化的方面结合起来，使得软件的增量版本的快速开发成为可能。程序的编写采用TIA Portal软件，它集成性强，兼容性良好，系统稳定，增删改查流程相对简单。建模采用NX MCD软件，用模块化结构对智能垃圾站的细节进行逐一仿真，而后将各模块进行组合，并结合SIMITV V10，PLCSIM ADVanced 等仿真软件让机械结构运动起来，最后通过编程软件 TIA Portal 输入相应数值，进行仿真模拟。

图1为系统仿真阶段的整体结构。通过仿真软件的孪生技术调试，不仅可以进行快速的数据分析以及迭代更新，还可以逐一摆放部件的位置，以此对智能化垃圾站的空间资源进行合理化配置。

图1 系统仿真整体结构

2.2 雏形搭建与基于数字孪生系统的虚实调试

根据仿真模型进行智能垃圾站雏形的实物搭建。通过实证研究法，依据科学理论和实践需要提出设计传感器型号、电机型号，并结合专业理论知识与仿真模型中垃圾站的应用情况，选择合适的传感器、电机、推杆、检测装置、通信扩展等部件。通过专家咨询、资料分析等途径了解垃圾站实际需求，让功能的实现更为合理化。

雏形搭建完成后，利用数字孪生技术对整体项目进行测试与调整。对系统的各种模块的测试和确认测试，包括测试每个模块的程序是否有错误、测试模块之间的接口是否正确、测试整个软件系统是否满足设计功能和性能的要求，判断出项目规划中所有的工艺流程以及可能出现的矛盾、缺陷、不匹配等问题。

2.3 硬件模块设计与组成

垃圾站点智能管理系统雏形的实际整体结构如图2所示。本系统是以西门子S7-1214C PLC作为控制核心，该系列PLC具有适应恶劣环境、体积小、维修快、扩展性能强等特点。通过连接步进电机、减速电机、直流推杆、光电传感器组成了主要的传动模块、驱动模块、感应模块。对垃圾桶进行定位检测、满桶感应；控制推杆运动，实施空桶与满桶的更换工作，站内温度与湿度监控以及相关数据上传云端等集成监控功能。

图2 系统实际整体结构

2.4 换桶模块的控制流程

第一，接通电源后，系统会检测投放点是否有垃圾桶存在，如在投放点没有摆放垃圾桶时，空桶出料仓库会将空的垃圾桶运送至出料推杆处，由出料推杆将空桶推至传送平台。传送平台将空桶送入相应位置，并由装载推杆推入，设置好空桶。

第二，当站内垃圾桶满载时，传感器会感应到桶已装满，首先关闭投递口，同时亮灯提示正在更换垃圾桶。装载推杆将垃圾桶拉入传送平台上，由传送平台送入不同类别的满桶回收仓库。

第三，此时空桶出料仓库再次将相应颜色的空桶置入传送平台，并推入相应位置，完成垃圾桶自动置换，此时，投递口打开，提示灯关闭，完成换桶流程。

2.5 通信与监控

站内设有多项数据检测，以及无线网络端口，利用PLC本身的易组网性将每个站点情况通过校园网上传至云端，形成整个园区内站点的统一监控。无论是PC端还是移动端，均可通过WEB界面查看整体数据和各个站点情况。

如图3所示，在触摸屏上可简单直观了解到每一个垃圾站点的运行情况。

图3 站点状况记录界面

3 结语

本系统设计是在全国高校大力宣传和普及垃圾分类教育的背景下提出的，有别于其他针对普通生活社区垃圾处理系统设计的研究项目，模型设计聚焦于高校园区，解决垃圾集中投放的管理和处置问题，从而对垃圾站系统提出智能优化和设计。设计就高校园区人员密集，人流量大、垃圾量大、站点之间间隔长等突出问题。设计采用垃圾桶智能传送更换链、适应智慧校园的PLC网络通信与传感器物联网连接、利用校园网形成高校社区智能垃圾回收站系统模型，在解决垃圾桶满桶自动更换问题的同时，降低高校园区垃圾处理成本。如能顺利将本设计投入实际生产和运用，可帮助高校园区节省开支，为减少校园环境污染做出重要贡献，意义深远。