基于PLC控制的智能垃圾分类系统研究

梁克靖 申屠佳颖 毛弘江 李宽野

摘 要：目前，城市可持续发展和生态文明建设对开展生活垃圾分类的需求已经极为迫切。基于此，本文基于可编程逻辑控制器（PLC）设计了一种具有识别功能的智能化垃圾分类系统。该系统不仅能帮助人们实现对常见垃圾的有效分类，而且可以向人们普及垃圾分类知识，满足人们对垃圾分类知识的需求。

关键词：可编程逻辑控制器;垃圾分类;智能垃圾分类系统

中图分类号：TP391.44;X705文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2020）22-0020-03

Abstract： At present， the sustainable development of the city and the construction of ecological civilization have an urgent need to carry out domestic waste classification. Based on this， this paper designed an intelligent garbage sorting system with identification function based on PLC. The system can not only help people to realize the effective classification of common garbage， but also popularize the knowledge of garbage classification to meet the needs of people for garbage classification knowledge.

Keywords： PLC;garbage classification;intelligent garbage sorting system

1 研究背景

随着科技的进一步发展，智能机器产业逐渐打破了只服务于大型工业化制造业的壁垒，开始走进寻常百姓家。除制造业对工业型机器的需求稳步提升外，人民大众对服务型机器的需求也在快速增长，洗碗机、扫地机器人等小型智能家用电器在广大家庭中的应用为越来越多的人们解决了生活中的家务难题。然而，在公共服务方面，目前还没有一个成熟的系统型应用示例。

随着人们对生态环境的重视程度越来越高，政府将“绿水青山”作为国家规划发展的前提条件，垃圾的分类处理对环境和人们来说，都是有百利而无一害。但目前，我们对实行垃圾分类而做出的努力还远远不够。PLC是可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），一种具有微处理器的用于自动化控制的数字运算控制器[1-2]。为了实现垃圾的有效分类，本文利用施耐德M340型PLC设计了一款智能垃圾分类系统。

该型号的PLC运行稳定、扩展方式多样、编程环境成熟、可复制性高，比较适合开展模型研究。

2 系统架构

垃圾分类具有以下三方面特点。第一，动态性：垃圾的产生与清运是一个动态的过程，理想状态是尽可能将公共空间的垃圾桶维持在始终有存储容量的状态。

第二，延续性：垃圾的产生与处理贯穿人类社会发展，尤其是进入工业时代之后，只要有人类存在，就会产生不同种类的垃圾，对垃圾分类的需求也就越来越高。

第三，全民性：真正进入垃圾分类处理的良性循环阶段，使垃圾得到妥善的再利用与无害处理，达到环保的目的，必定需要全体人类的力量。

基于垃圾分类的上述三个特点，将基于PLC控制的智能垃圾分类系统分为三个主要部分，即中央服务器、垃圾分类集中处理箱和手机APP客户端[3]。在当下国内垃圾分类体系尚未成熟的背景下，设计该系统旨在达到培养人们分类意识，使其养成分类习惯，并简化分类流程的目的。其中中央服务器是数据处理核心，具有统筹规划的作用，监控各个处理箱的工作状态，搭建垃圾分类知识数据库，优化垃圾清运流程等。垃圾分类集中处理箱包括PLC模块与识别系统，主要作用是对人们丢弃的垃圾进行分类，并通过内部机械装置投放到相应的内部箱体中，方便后期清运处理。手机APP客户端作为该系统的应用终端，为所有使用者提供垃圾分类知识，培养其垃圾分类意识，并提供垃圾类别的识别方法。

3 系统设计

3.1 中央服务器分析

中央服务器作为该系统的命令接收与发布单元，具有对从属垃圾分类处理箱的实时监控作用，如运行状态、垃圾储量、调度清运等;同时，还需要满足该系统垃圾分类相关数据的存储要求，故需要性能高、稳定性好、方便维护的服务器。

3.2 垃圾分类集中处理箱设计

垃圾分类集中处理箱由PLC模块、识别系统、伺服系统、光电传感器、可旋转箱体五部分组成[4-5]。其中，PLC模块包含M340型PLC与输入输出模块，通过PLC编程序控制，实现对信息的收集、处理和控制工作。识別系统主要是对放入旋转平台的垃圾进行类别识别。此系统可识别的垃圾主要分为两类：一类是零散的垃圾，如矿泉水瓶、面纸、塑料袋等户外常见的垃圾，此类垃圾比较容易识别;另一类是人们在家中已经完成分类、打包好的垃圾袋，此时只需要在投放时在垃圾袋上贴上对应的颜色贴纸（可回收垃圾、干垃圾、湿垃圾、有害垃圾等分别设置不同的对应颜色）。该识别系统可以通过内部的摄像头扫描贴纸颜色来对封闭垃圾袋进行垃圾类别判断。设置伺服系统与光电传感器主要为了对垃圾分类的投放过程进行控制。伺服电机在PLC的直接控制下可改变投掷杆角度和十字柱形挡板角度，以实现垃圾分类投放。

由于日常生活中的垃圾主要有可回收垃圾、干垃圾、湿垃圾、有害垃圾4类，故把垃圾分类集中处理箱的箱体设计为4个90°扇柱形箱体，组成一个圆柱形大箱体，便于机械转轴的旋转投掷。箱体包括旋转平台和垃圾储箱上下两部分。垃圾进入垃圾箱，先暂留在旋转平台上方，经过箱体内部的识别系统识别出垃圾种类后，通过机械转轴带动旋转平台将垃圾运送至对应垃圾储箱上方，转到相应位置打开上下层间隔，从而将垃圾分送到对应的箱体，完成垃圾的分类投放。旋转平台和垃圾储箱都分为4个分区，分别对应可回收垃圾、干垃圾、湿垃圾和有害垃圾。四部分之间相互联系，进行信息交流及控制，构成一个整体。垃圾分类集中处理箱示意图如图1所示。

以施耐德M340型PLC设备为例，在Unity Pro XL上使用梯形图进行编程。软件部分分为三个主要模块：伺服电机驱动控制模块、投放电机驱动控制模块、模式选择控制模块。

设计原理如下，通过编程梯形图设置变量A、B、C、D分别代表垃圾分类投放过程中的关键节点。变量A表示传感器读取的十字挡板的位置，当有物体靠近时，传感器会输出一个高电平，当物体离开后，传感器会输出低电平。传感器的感应结果能确定变量B的值;变量C表示箱体内部识别系统读取的垃圾种类，即垃圾所应投放的位置，其能确定变量D的值。当B=D时，说明待处置的垃圾已经在所应投放的位置上，则进入模式1，伺服电机不驱动;当B与D的值不相等时，则进入模式2，伺服电机驱动，使中心转轴顺时针以速度特征曲线下的给定速度转动到对应位置。当到达对应位置后，启动投放电机驱动控制模块，打开箱体内部的上下层隔板，完成垃圾分类投放。

3.3 手机终端

移动网络的不断普及，更有利于开发此垃圾分类系统的终端应用。本APP使用可以跨平台的MUI框架和HTML 5+技术，提高软件的可移植性，它可以一次开发多次使用，轻松实现Android、iOS和微信小程序等多个平台的同步。

为方便人们提高对垃圾分类的认识，故APP的主要功能为查询垃圾所属种类，提高人们对垃圾进行自主分类的能力，进而增强人们垃圾分类意识。为此，作为匹配该智能垃圾分类系统的手机端APP，主要承担的工作有如下两方面。

第一，垃圾种类查询功能。查询功能有三种形式：拍照进行图像识别、文字输入查询、人工客服查询。这一功能旨在帮助分类意识薄弱、垃圾分类知识不足的人群提高分类意识与分类能力。其中拍照识别功能基于TensorFlow?进行机器学习，通过深度可分解卷积网络训练人工智能识别图片内容，将训练好的模型打包压缩，使手机可以依靠自身算力完成图像识别。文字查询功能通过模糊匹配和数据库技术实现。人工客服查询功能需要较高的人力成本。具体如图2所示。

第二，垃圾分类科普教育传播。充分利用移动网络的终端触达能力，将垃圾分类的知识传播给每一位APP使用者。在我国当下提倡垃圾分类的初始阶段，进行垃圾分类知识宣传、提高人们的垃圾分类意识就显得尤为必要。

4 结语

该系统目前还处于“1+1+n”的初始模型验证模式，即一个中央服务器，附加一台垃圾分类集中处理箱模型，再加上多个APP终端的模式。该模式下，终端APP使用效果良好，基本可以满足人们对垃圾分类知识的需求，并帮助人们对常见垃圾进行分类。垃圾分类集中处理箱模型在PLC的控制下，可以满足对垃圾分类投放的初始需求。经过模型验证，该系统比较适用于办公楼、行政楼、工业示范园区等垃圾种类较少、识别压力不大的区域。

参考文献：

[1]劉丽娜，陈天宇.基于PLC的皮带运输机控制装置的设计[J].现代交际，2016（21）：254-255.

[2]李历铨，周海川，随志宽.优化中国特色垃圾分类模式推动循环经济高质量发展[J].社会治理，2019（11）：40-42.

[3]吴碧程，邓祥恩，张子憧，等.基于卷积神经网络的智能垃圾分类系统[J].物理实验，2019（11）：44-49.

[4]李崇华.可编程控制器原理及应用课程体系的建设与探索[J].中国现代教育装备，2018（7）：20-22.

[5]范勇.工业控制系统网络安全防护建设[J].山东工业技术，2019（8）：141.