一、緒論1.1課題的主要研究背景餐廚垃圾，我們稱之為“泔腳水”，還有的一些人稱之為泔水、潲水，這都是人們每天的生產生活一日三餐等吃不完，余留下來的廚余垃圾。這些垃圾的主要成分包括未吃完的米飯、面食等主食殘留物、蔬果類、油類、未吃完的肉類，還有不可食用的骨頭等。其中又含有著大量可溶性的天然淀粉、纖維素、蛋白質之類的各種天然無機高分子化合物，也存在一些少量的礦物質。隨著新時代信息技術的進一步快速和發展，我國現代餐飲業技術的應用發展和趨勢也變得迅速起來。我國現在的總人口就已是高達約14億，對于世界來說占比達到了26%。而且因為我們中國人有著特殊的家庭飲食習慣所以每天都在不斷地產生著大量的廚房垃圾，在我們日常生活中產生的垃圾占比非常大，達到了驚人的90%。根據我國外賣APP“餓了么”發布的中國人點餐大數據來看，2018年中國人使用線上點餐軟件點餐的人數大約有3.46億人，2020外賣用戶大幅增長達到了驚人的80%，也就是說在我國幾乎有一半的人都使用過線上APP點餐。這些數據也都或許能將說明，人們生活水平日漸提高，外賣類APP會迎來越來越多新的用戶，餐飲行業和之前相比又有了飛速的發展。像海底撈，賢合莊等火鍋店已經開到全國連鎖，隨著這些餐飲行業的發展，無論是線上還是線下，餐廳內還是顧客手中都會產生很多的廚余垃圾。依據目前餐廚垃圾的處理情況可以發現，大多數餐廚處理垃圾的措施不夠完善，相關的技術水平有待提高，相關的處理政策有待改進，垃圾的生產速度遠遠大于制造和處理速度，這也是當前社會環境需要解決的一個大難題。很多人都隨意的將餐廚垃圾進行混合、打包、丟棄，這樣一系列的操作熟練卻不環保。他們卻不知道其中含有大量有機物質，這些物質在重新回收利用方面具有很高的價值，經過適當處理如破碎、脫水、提油等等多方面的技術，發揮這些垃圾的最大利用價值，可用作牲口家禽的飼料，亦可作為生物原料進行重新回收利用。然而沒有處理過就作為飼料喂養牲口家禽，或者將殘留物中不能用的油脂等廢棄物隨意潑灑于下水道等角落處，不僅會對環境造成嚴重污染，還會讓一些不法分子有機可乘將這些進行回收再用于食品的加工放在餐桌或食品添加劑中讓人體所吸收。這種做法對食品安全以及環境衛生和生活生產的公共設施都會造成惡劣的影響。垃圾中的有機物和水長期存放在一起會使得細菌和病毒滋生，極其容易產生有毒有害物質，滋生出大量的蚊子還有飛蟲，能夠引起傳染病，并且迅速傳播。未曾處理過的餐廚垃圾會堵塞下水道的出口，隨著時間的推移可能會使垃圾釋放出易燃易爆等有害氣體。另外，我們清理餐廚垃圾和鍋碗瓢盆之類的東西時，經常使用洗潔精清潔劑等餐廚洗滌用品，這些洗滌劑會使餐廚垃圾的廢水中出現含有多種有毒有害物質，如汞、鉛、黃曲霉素之類的對環境再到人體進行循環污染。由于一些小型商戶經常低價收購或收到他人無償贈送的餐廚垃圾，去飼養豬等家畜便出現了“泔水豬”，這就讓這些有害物質有機可乘，它們潛伏于家畜禽類的體內，進而通過市場流入人們的飯桌，最終被人體吸收。這些有害物質對人體的神經系統和免疫系統有很大的影響，還有可能導致流行疾病的傳播，對人體危害極大，所以不及時應對和處理這將會是人類給自己埋下的一顆隱形炸彈。城市食物垃圾產生的負面影響也再不斷引起社會的關注，各地紛紛出臺各項法律法規。2005年4月1日，我國第一步關于餐廚垃圾處理管理的法規在上海施行。隨之，姑蘇、蘭州、銀川、福州、重慶、石家莊等各地政府也陸續出臺各類暫行管理辦法以及征求意見稿。2010年5月國家公布有掛關開展城市餐廚廢棄物資源化利用和無害化處理的文件，這項通知主要就是針對積極開展并推進餐廚垃圾的資源化利用，最終達到無害化處理一份工作。對于垃圾處理，常用的焚燒和填埋的處理方式都不適用于餐廚垃圾。與國內其他建筑垃圾產品相比餐廚垃圾產品中往往含有量較高含量的垃圾水分,水分達高達的90%以上左右,如果直接與國內城市垃圾發電廠一同投入進行二次焚燒,餐廚垃圾發電產生出來的水熱值通常較國內低,不僅二次焚燒產品的制造成本都很高,還常常不能及時滿足二次焚燒所發電出的水熱值要求,而且也特別是容易燃燒導致的垃圾產品因其燃燒得不夠均勻充分燃燒而易產生了更多的有害化學物質,污染生活環境;如若未將對其進行無害化填埋化處理，廢棄物中殘留的水分會直接自然地通過地表和土地的成功滲透地底，對地表水和地下水進行污染。其實大家所不知道的是餐廚垃圾含有多種有機物，它的再利用價值很高，其中的氮，磷，鈣和鉀這類微量元素都是完整的，含量不低。焚燒和填埋這兩種處理方式只會導致大量有機物浪費，并不能實現餐廚垃圾的合理回收利用，因此餐廚垃圾必須進行單獨的處理。如（表1-1）所示的是我國餐廚廢棄物的主要分類處理方式和對比，從表格可以看出餐廚垃圾采用綜合利用法，經過科學有效的處理之后，在減量下，雖然投資成本很大，但是占地面積卻減少了很多，這樣大大減少了餐廚垃圾的污染，垃圾產生的衍生品價值高，實現餐廚垃圾的再次利用變廢為寶。處理方式填埋處理焚燒處理綜合利用法減量化程度低高高是否產生污染是是低占地面積大較小小投資總額少大較大衍生品價值無較大大表1-1餐廚垃圾主要處理方式2008年12月，武漢百信環保能源科技有限公司與我校合作的研究項目“餐廚垃圾加工與處理的研究”通過了武漢市科技局組織的專家評審組技術成果鑒定會，并取得了《科學技術成果鑒定證書》登記號（WK200812016），以及相應《科學技術成果證書》。該研究項目系統采用了油水自動分離、高溫生物處理、蛋白分離絮凝、烘干、微生物發酵、泔水油終端生物處理、三廢一體化處理設備等核心關鍵技術，最大程度上達到了對餐廚廢棄物廢水進行無公害化、減量化、資源化利用和能源化處理。2010年8月，武漢百信環保能源科技有限公司對于如何處理餐廚垃圾提出了一個處理體系，那就是利用移動式接料斗對垃圾進行初步的篩水，小行車空中調運處理，機械化分揀，高溫均質工藝組合，絮凝固液分離工藝，離心油水分離，將餐廚垃圾轉化為復合蛋白飼料、液體肥料、生物柴油、肥皂粉等高附加值的終端產品。本課題就是以此為研究背景，利用自動控制技術、可編程控制器，根據餐廚垃圾處理的工藝流程，按照餐廚垃圾處理的控制要求，設計與餐廚垃圾處理配套的微機自動控制系統。1.2餐廚垃圾處理技術的研究現狀早在1940年左右，美國已經開發出了家庭食物垃圾處理機。而處理原理就是使用鋒利的刀片將食物垃圾進行打碎及再處理，過后將殘渣沖涮至下水道等處，從根本上解決人們日常處理餐廚垃圾的煩惱。現在我們大部分家庭處理餐廚垃圾的方法基本都是將剩余物中的大物件比如骨肉之類的挑出來，單獨扔掉，剩下的較為小的垃圾經過弄碎處理，在直接沖入下水道中。眾所周知，日本是一個愛吃各種煎炸食物島國，所以在上世紀60年代，日本曾出現過非常嚴重的“地溝油”問題，這也因此也得到了媒體的高度關注。日本政府高度重視在此之后便出臺了相關的政策。通過高價購買食物垃圾產生的油、轉化為生物柴油。得到另外其他的一些有關食物垃圾的法律法規的出臺，很大程度的阻止了這一現象的繼續發展。1997年，日本開始回收大量回收烹調食品所剩的廢油，將這些廢油生產加工成一種新型的柴油燃料，也就是甲基醚，為城市垃圾車和小型的城市客車提供“費”燃料，促進循環接近發展，這也是我們可以學習的。2001年,繼日本以后實施到了《食品廢棄物循環法》中,規定了任何類型的食品餐飲行業組織都必須有相應義務來對這些食物垃圾資源進行處理再實現資源化,最好也能是在此目的基礎上再設法地減少一些食物垃圾資源的污染產生,這兩一規定可以加快中國建設成資源節約型的和無污染的生態友好環境型統一的社會。當然，處理餐廚垃圾最常用方法當然還有垃圾填埋處理法，這是一種所謂厭氧消化的處理法。這種方法很便利，不會有殘留的污染物，這種方法一般在農村特別常見。雖然這種方法處理效果很高，但是無法回收利用，浪費了一種資源。厭氧處理：這是一種比較環保，還能二次利用的方法，不但是這種方法的成本很高。厭氧處理能夠快速生成出大量穩定的優質的沼氣，沼氣也是一種用途很寬廣的綠色能源。這種方法將來會成為垃圾處理方式的大方向。微生物垃圾處理：顧名思義，就是指通過微生物的生長及其降解活動，對居民日常食用所剩的各類餐廚垃圾進行微生物分解轉化和再利用。大家也都知道發酵的方式主要分為固態和液態發酵這兩種。而固態發酵一般采用的是混合菌種的發酵技術，就是直接利用多個菌種混合來進行發酵處理餐廚垃圾，耗能極低，周期也短，且具有較高的產率，這種方法成為了發酵的不二選擇。目前，我國很多城市已經建有餐廚垃圾處理廠，不同的地區采用的垃圾處理方法也大不相同。1990年,在北京地塊建成一個規模在200萬噸t/d以內的南宮大型餐廚垃圾處理廠,進行污泥堆肥等處理工藝。而在另外有一處位于朝陽區規劃建設中400t/d左右的大型餐廚垃圾處理廠,采用的工藝是微生物發酵的處理技術工藝,而其處理設施規模也在200t左右/d的董村大型餐廚垃圾無害化處理廠所要采用的生物處理工藝技術都是采用濕式生物厭氧菌發酵。還有其他處理方式，例如寧波市打造并采用了物理生物處理技術。上海采用的是可消化郵寄垃圾生化處理器。西寧市采用韓國的飼料化處理技術。蘭州市采用德國先進的機械生物垃圾處理技術進行處理，用厭氧消化后產生的沼氣來發電，而工藝產生的沼氣和沼渣則是作為有機肥的產品處理。大體的來說，國內外針對餐廚垃圾進行處理研究的處理方法主要可大體分為物理生化處理法、肥料化生物處理技術、生物厭氧發酵處理技術和微生物飼料化處理技術。1.3研究目的和任務在工業控制技術中，PLC具有可靠性高、對環境要求較低的優點，它具有很多輸入/輸出開關量點數組合，PLC的模擬量有很高的可擴展性，能夠單獨的組成費用較低的自動控制系統，應用范圍很廣。PLC最早是出現在20世紀60年代末的美國。它出現的一主要技術目的可能就是用來更換繼電器,對于諸如定時計數和連續計數之類都有這樣一個順序進行控制,并且可在此控制基礎上再建立更加靈活多變的程序控制系統。1976年以PLC為正式命名,被廣泛定義其為最后一種被用于數字過程控制上的專用電子計算機。它也可以實現使用可編程邏輯存儲器來存儲各種指令,執行包括邏輯、順序、計時、計數運算和微積分計算之類在內的多種應用功能,也完全可以用于通過可編程模擬器件和各種數字電子輸入與輸出接口組件去控制運行各種工業機械操作或其它工作程序。在近幾十年中不斷地經過沉淀改進與創新發展完善后,它已經不斷地發展完善它自身,研發設計出一套完整可靠的模擬量的閉環控制系統功能,同時由于網絡化系統功能大幅度地的擴展增強,已發展出現了標準的雙向串行高速的工業以太網,因此,PLC控制技術已經開始能夠逐漸融入應用到更高一級層次的FCS總線(FieldControlSystem)的現場工業總線控制系統的體系結構設計中。餐廚垃圾的處理工業已經成為了一種新型的工業，這就說明了食物垃圾處理需要與工業控制技術進行融合，從而實現自動化智能化處理處理這些餐廚垃圾，有效地提高垃圾處理的可靠性和實用時效性，同時達到節能、減少消耗的目的。本課題研究的目的就是將工業控制技術應用在餐廚垃圾處理過程中，以300t/d餐廚垃圾處理工程本課題的研究背景，設計出一套餐廚垃圾加工處理的PLC自動控制系統，完全實現處理的“智能化”，有效地減少對人力物力的消耗，提高加工效率。其中硬件控制任務包括：對餐廚垃圾處理的上料皮帶，出料帶，通風機，增壓泵，加熱器，出口閥門，卸壓閥和油脂分離機的控制要求，提出各部位的控制方案；運用PLC控制現場設備的自動運行和停止，并實現加熱，壓力泵等反應器的壓力和分離機中溫度料位控制；將壓力油脂分離機等現場處理設備的運行狀態以及反應器的溫度和壓力參數能夠進行設定，能夠實現監控并且掌握各個部分的數據。設備的處理過程要有具有自動、手動兩種運行模式。自動模式運行之下各臺設備根據處理的工序進行啟停操作，手動運行模式在調試或者設備出現故障進行排查的時候使用。軟件設計任務包括：在西門子STEP7-MicroWIN中完成整個處理過程的PLC軟件編程，并能進行仿真運行。1.4研究內容本階段課題項目要求的電子技術方面研究開發任務中主要工作應具體包括或有包括以下的這樣的幾個最重要的方面：（1）電氣控制PLC原理及相關硬件控制系統研究設計。主要測試目的主要就是要為了根據現代信號處理測試設備技術需求,明確測定各類信號處理傳感器元件組成和標定各種可執行的測量信號裝置參數部件的設計實際數量,明確其測試工作范圍及要求等級和其設計實際準確度及等級,確定測量各種電信號輸入或驅動裝置設備名稱型號規格(主開關和各種傳感器變送器等)總數量和主要控制信號輸出及控制測量設備元件名稱類型(接觸器、電磁閥、調節閥、信號指示器等)總數,并要逐個清點出各個單元主要電路輸入或輸出控制器設備參數的最準確廠家名稱、型號參數規格和實際數量,最終可以準確的統計出控制輸入的驅動PLC口點數和能直接獲取從控制單元輸入到PLC口輸出數據的輸出控制器I/O點數,從而快速確定各種基本的PLC的控制單元選型,完成介紹了各種基本的電氣及PLC控制模塊單元的典型工作原理圖繪制及設計。（2）工業電氣智能控制儀表和嵌入式PLC控制器相關軟件開發。按照油脂工藝系統中復雜的工作流程設備布置特點和設備運行控制及工藝要求,確定包括了反應器上料的皮帶機和反鍋出料設備的皮帶,通風機,壓力泵加熱器,以及系統對各油脂分離機溫度控制和系統各關鍵工藝設備溫度的控制的閉環控制技術工藝方案,重點是突出了要對系統分別考慮對反應器溫度、壓力泵的加熱壓力控制和系統對各個油脂分離機溫度控制系統的PID溫度控制的閉環控制溫度自動控制工藝技術方案,并嚴格要求完成溫度控制系統各重要操作工藝環節運行中采用的溫度控制系統軟件程序進行優化的設計。（3）設備進行監控，利用已有軟件對餐廚垃圾處理自動控制系統的監控界面，通過圖形化、動態顯示、易操作和純中文的界面，實現設備流程的實時監控、參數顯示和故障點的報錯，實現對設備運行中的記錄、查詢、等功能。監控界面主要包括上料和出料皮帶，通風機，壓力泵加熱器，以及油脂分離機報警消息界面和數據報表界面等。二、餐廚垃圾處理總體控制方案設計2.1PLC控制總體設計根據控制任務，將餐廚垃圾處理的整個PLC控制系統分為PLC制柜和MCC柜（MotorControlCenter）、現場控制柜等兩個部分，具體的系統結構圖詳見圖2-1所示。具體的電氣總設計圖詳見圖2-2所示。其中上位監控站主要是對設備進行一個監控的作用，在監控畫面中顯示生產流程圖，控制設備的啟動和停止，可以進行設備的手動或者自動的管理，PLC自動控制啟停或能夠直接對現場的設備進行手動的控制，并可保存運行數據，生成運行數據趨勢曲線，顯示報警信號。首先在上位監控站配備一臺UPS電源，這樣就可以保證在系統緊急斷電時能運行1小時以上。PLC應用在現場控制柜里完成了現場控制開關量數據和控制模擬量信號數據的遠程采集分析和實時控制，都是直接由一個PLC控制器CPU、電源模塊和一個相應功能的可編程DI，DO，AI，AO模塊組成，使得參數擴充和遠程操作與執行管理變得更為高效便捷，再同樣的裝備一臺UPS電源，同樣是可以保證在系統緊急斷電時能運行1小時以上。現場控制柜通常用類似于現場控制系統的手動按鈕操作，以便控制系統可以通過直接按鈕驅動整個現場MCC柜。MCC柜系統中主要安放如空氣開關、交流接觸器之類的常用低壓電器，控制柜主機和控制系統PLC則通過MCC系統控制現場的設備和運行。圖2-1控制系統示意圖圖2-2電氣總設計圖在一般工作情況下，用于系統安裝或調試時或現場PLC有故障時設備的現場應急控制系統使用。根據對處理過程的分析，將PLC控制系統分為進、出料、風機通風、壓泵升降、給料液位和下料液位限制、分油機出料閥等五個環節。設備控制流程圖如圖2-4所示。油脂分離機控制流程圖如圖2-5所示。在PLC控制柜中完成設備運行參數的數據采集和電氣設備的直接控制。PLC通過數字輸入模塊采集現場儀表和執行機構的狀態，將設備開關量轉換為二進制信號，并輸入PLC的CPU，數字輸出模塊控制設備的自動順序啟動和停止，滿足設備運行時的保護聯鎖要求。PLC通過模擬量輸入模塊采集溫度和壓力信號，將傳感器或變送器的信號轉換成多位二進制信號輸入CPU，通過模擬量輸出模塊控制反應器實現溫度調節，并通過數字輸出控制壓力泵，實現分離機的壓力PID調節。同時，PLC將控制狀態上傳到上位機監控站，并實時顯示在人機界面上。圖2-3電氣控制柜結構圖圖2-4電動機控制系統的結構流程圖圖2-5油脂分離機壓力流量控制單元的結構流程圖整個流量控制系統設計所用到的全部硬件電路組成包括：監控，PL控制器的CPU主控芯片模塊及I/O控制電源模塊和UPS供電的電源控制器；MCC控制柜的各種空氣式自動開關，接觸器、熱繼電器、延時繼電器、隔離空氣式手動開關、熔斷器模塊等開關；各現場自動化控制柜配電設備所用的各式手動控制開關、按鈕、指示燈裝置等電氣控制系統產品；各現場自動化配電控制系統設備上使用配套的各種小型電動調節閥、溫度傳感器、壓力變送器、失速開關等。軟件內容包括：上位人機的操作系統采用的MicrosoftWindowsXP；采用西門子公司的STEP7-Micro/WIN對PLC控制器軟件編程。當餐廚垃圾全部運送過來，準備妥當，垃圾車將餐廚垃圾倒在上料傳送帶上，傳送帶通過震動將餐廚垃圾運送到油脂分離機中。當油脂分離機中的垃圾達到分離機的上限時，傳送帶停止輸送垃圾。油脂分離機閘門關閉，對其中的垃圾進行加壓加熱處理。加熱過程中，如果分離機中的溫度過高，則通風機開啟，對其進行空氣流通降溫處理。如是溫度過低則進行加溫，使溫度穩定在一個范圍之中。油脂分離過程中增壓泵也在實時檢測，壓力過大時卸壓閥開啟，對分離機進行一個降壓處理，當壓力達到執行值，卸壓閥關閉。油脂脫離機中垃圾處理完畢后，分離機的出口閥開啟將分離過后剩余垃圾通過出料帶排出，此后可以進行垃圾的下一步資源合理利用。2.2網絡通信S7-200是一款小型可編程控制器，一般適用于各個行業或者場所的自動化檢測、監控和控制。它擁有一系列強大的功能，無論是單機獨立運行還是聯網操作，都能夠使其能夠展示出復雜的控制功能。因此，該系列具有非常高的性價比。這個系列的控制器主要有以下這幾個方面的表現尤為突出：（1）提供非常靈活豐富的指令集。（2）系統可靠性高。（3）用戶可以很容易就掌握。（4）用戶操作更為方便。（5）豐富可靠的內置與集成的功能。（6）實時功能。（7）有較強可靠的溝通協調能力。（8）具有豐富實用的擴展應用模塊。S7-200可以進一步展示了它應用在分布式工業自動化控制系統平臺中的更強大的功能,可提供出四種不同基本型號的八個CPU。應用范圍的擴展范圍基本上也是從一個系統簡單地手動檢測控制逐漸發展擴大到了一個較復雜的系統上的全面地自動檢測及控制。S7-200系列的智能控制器的使用領域的應用范圍實際上還顯得比較的之和廣泛,無論其在是與和工業自動制造過程自動化檢測與分析技術和環境智能分析控制測量技術直接相關聯的幾乎所有的工業智能控制應用領域和其他各種先進民用設備控制系統領域,還是在其它包括在各種先進大型數控機床、電力儀表等各類民用環境監控自動化設施、環保設備控制系統領域等等諸多應用的領域上都是已經可以提供很和廣泛的現場安裝使用。集成了24V的負載控制電源:可實現通過電源直接從供電點連接負載到負載傳感器上和負載變送器上的(執行器)供電。CPU221/222分別能輸出電壓180mA,CPU224、CPU224xp、CPU226分別也能夠輸出最大電流達到280400mA。它也均都可以很廣泛地被用作負載的控制電源。不同電壓類型下的電源設備的電壓類型:CPU221和~226,具有三種不同的頻率下的電源電壓以及輸入電源和輸出負載各自控制下的電壓。本機型數字量的輸入點/輸出點：（1）CPU221具有多達至少6個輸入點和4個輸出點，CPU222至少有8個輸入點和6個輸出點，CPU224至少具有14個輸入點和10個輸出點，CPU224XP至少具有14個輸入點和10個輸出點，CPU226至少有24個輸入點和16個輸出點。本機型模擬量輸入點/輸出點：（2）CPU224XP具有2個模擬數字輸入點，1個數字模擬輸出點。（3）中斷輸入。（4）允許系統能夠以一個極快的運轉速度連續對過程信號中的上升與減沿的過程變化作出一次連續響應。（5）高速計數器。（6）CPU221/222。可以提供至少4個高速計數器的輸入頻（30KHz），可編程并可同時具有復位和計數器輸入，2個能各自獨立完成工作任務的高速計數器輸入端也均可同時作加、減計數，可用于連接一個至兩個相位差值為90°的A/B相增量編碼器。CPU224/224XP/226。6個高速時鐘計數器單元（30KHz）所組成，具有和CPU221/222相同工作頻率上的高速時鐘功能。CPU222/224/224XP/226。可實現十分簡單方便且快速高效地同時用數字量解擴和數字模擬量解擴展這兩種擴展模塊來對系統進行高速擴展。可隨時通過使用數字仿真器模塊(選件)來直接的對用戶本機輸入的輸入信號參數進行實時數字的仿真,用于快速地調試用戶程序。西門子S7-200系列支持多種通信協議，包括通用協議和特定協議。通用協議通常會采用以太網協議來進行，具體協議包括PPI、MPI、PROFIBUS-DP、USS和自由端口通信。PPI、MPI協議和PROFIBUS-DP協議都是一個基于字符的串行異步通信的協議，具有8位數據、奇偶校驗和一站式位。PPI也是一種串行主從式通信協議，主要可以用于S7-200smart的編程、S7-200smart之間的串行通信以及與HMI產品上的異步通信。它完全可以實現通過PC/PPI電纜、通信卡或雙芯屏蔽的雙絞線聯網。支持的波特率為9.6kb/s、19.2kb/s和187.5kb/s。MPI可以是主-主通信，也可以是主從通信。主要用于連接S7-300/400CPU處理器與S7-200系列智能通訊產品之間使用的網絡。基本參數支持的波特率為19.2kb/s以及187.5kb/s。PROFIBUS-DP的現場總線協議通常特別適用于實現集中式和半分布式的基于I/O系統的超高速現場通信。CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM都可以通過EM277PROFIBUS-DP擴展模塊來實現PROFIBUS-DP現場總線協議。PROFIBUS的協議結構是完全根據ISO7498的國際標準為設計理論基礎，以建立一個開放式的互聯網絡系統的OSI協議模擬(OpenSystemmInterconnection)來設計作為一個描述和其主要技術參考模型的。該模型共有七層，每一層模型中的系統功能和使用路徑又有所不同，第一層即是數據物理層，第二層是數據鏈路層，第三層到第六層都將不直接帶入系統內部使用，第七層則是數據應用層。PROFIBUS-DP首先定義了第一層和第二層主要功能和系統以及系統用戶界面，其中又嚴格規定了所有的用戶、系統設備和其他不同類型的設備中均可以直接被系統調用檢測到的各種應用程序功能。并詳細深入的介紹說明各種設備類型上的基于PROFIBUS-DP設備模型的設備行為。S7-200SMART只能作為DP從站，一般情況下，S7-300用作DP主站來發送和接收數據，波特率可為9.6kb/s至12Mb/s。USS協議是西門子傳輸產品的通信協議，最多可連接一個主站和30個傳輸設備作為從站。每個傳輸設備都有一個從站編號，主站通過從站編號識別從站。自由口通信方式是在西門子的S7-200smart/300系列可編程控制PLC模塊之間通訊的一種其中的一種比較特殊的通信協議接口方式。在此通訊模式條件下,用戶也就可以自行定義通信的接口協議。基本配置參數通過預先設置了一個特殊類型的內存字節smb30(端口0)或內存字節smb130(端口1),允許計算機以一種自由的通信的端口模式來實現通過接受指令中斷、發送命令中斷、字符命令中斷、發送指令中斷和接受指令中斷等來進行操作和自由地通信計算機的端口。只有當僅只有當只有一個CPU自由端口工作處于RUN模式時,才能保證繼續地使用這個通信自由端口模式。當其它CPU端口工作又處于停止模式時,通信自由端口便會強制停止其通信,通信模式則可自動強制地被轉換成PPI協議模式,從而這就等于保證地完成實現了可使用編程和控制運算軟件而直接能對可編程邏輯控制器進行編程修改操作和進行控制運算編程的功能。在本控制系統中，網絡通信包括PLC與現場設備的通信、PLC和可編程設備的通信，其中編程設備是臺式機PC。PC中的編程設備STEP7-Micro/WIN通過PC/PPI電纜進行RS232/485信號轉換，采用PPI協議通信，完成S7-200SMART的編程、監控等操作，S7-200SMART作為從站響應主站的通信請求，主站讀寫S7-200SMART中的數據。PLC通過屏蔽雙絞線與現場設備連接。其他現場傳輸信號為4~20mA或0~24VDC。網絡通信結構圖如圖2-6所示。PC/PPI電纜可與三星S7-200和SMART內部集成的通信口直接相連,通信口均為一個9位針形D型口的標準RS-串行485串行接口,符合歐盟歐洲標準以及EN50170標準中的PROFIBUS標準,外形如圖2-6。PC/PPI電纜從所提供連接端口的接口板上提供的DIP開關信號中被選擇出來的波特率位數應保持至少要與編程軟件中所已經設置好的波特率位一致。4號開關還可用來進行重新選擇設置的波特率位數。5號開關則可用來進行分別選擇設置的RS-串行232口模式和0數據通信終端設備口(DCE)口模式,1:數據終端設備口(DTE)口模式。未調用調制和解調器時的4號開關和5號開關電壓均應自動被重新設定為0。如圖2-7所示。圖2-6網絡通信結構圖圖2-7通信口外形圖三、電氣控制PLC及其硬件配置設計3.1PLC及其擴展模塊的選型PLC微處理器接口及其環境控制擴展應用模塊的選型設計和選型PLC或單片機是作為主要用于實現工業環境控制系統自動化的新一代高級集成專用控制工業計算機,能夠保障長期應用在某些具有特定復雜動態控制和環境系統中的各類現代工業系統能現場長期安全高效穩定地高效和可靠地安全運行地開展正常工作。目前,主要使用的品牌型號主要有:西門子,三菱,富士,施耐德,和記利時等。西門子的產品強大且易調用的功能、靈活與簡便的編程處理能力和系統極的高安全可靠性而已在當今世界工業生產線設計上已經廣泛且得到了很是廣泛的應用實際應用。這主要與它豐富的信息處理指令系統和存儲信息的內部設備有關。它每秒有可能幾十條程序或每秒數百條邏輯指令,可以直接處理出各種基本邏輯問題分析和直接計算得出各種邏輯數據。任何一款普通臺式計算機都沒有能做到,它自己也很少能做到。它的各種內部邏輯設備,即計算機內存結構中的各個數據和存儲數據區域,具有各種容量類型的和超大容量。I/O繼電器可用于同時存儲多個輸入命令和多條輸出數據信息,范圍能從每秒數十字節或每分鐘數百字節到數千、數十字甚至多達數萬。這又意味著為什么它就可以自動轉換成如此之多I/O點之間的各種輸入數據和各種輸出狀態信息,并自動控制出如此之大的控制規模。用一臺PLC直接實現對整個系統的遠程控制都是非常簡單方便可行的。這一點是因為:首先一臺PLC中控制輸入輸出邏輯連接的硬件建立都是基于一個程序,用一個程序可以代替很多硬件進行接線。編程比接線更方便,更改接線程序又比手工更改程序接線程序更方便。其次,PLC中的各類硬件設備高度地集成,并基本上已經能夠集成使用到其它各種小型化功能模塊控制化系統中。此外,這些系統模塊也相互的匹配,實現成了高度系列化產品和產品標準化。許多專業PLC系統制造商都已經有大量現貨的供應,可以很快在國內外市場上被買到。因此,它支持的各種硬件系統的配置和系統構建方式也就非常地方便,可具體分為S7-200SMART、S7-300、S7-400以及微型LOGO!它的四個系列其中LOGO!適用于由最大信號24點輸入到最小16點信號輸出之間的各種微型繼電器和控制的場合S7-200SMART主要適用于各種小型設備的實時監測、監控及控制的工業自動化和控制自動化系統,在本產品設計系列中因為其所需的控制的I/O點通道和模擬點通道數目并都不是那么很多以下為S7-200SMART型產品的具體規格表。表3-1為三星S7-200SMART規格參數表特性參數。如表3-1所示。表3-1S7-200SMART規格表特性CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226CN程序存儲區字節409640968192819216384數據存儲區字節204820485120512010240掉電保持時間/h5050190190190本機I/O6入/4出8入/6出14入/10出14入/10出24入/16出擴展模塊數量02777高速計數器單相/kHz30（4路）30（4路）30（6路）30（6路）30（6路）雙相/kHz20（2路）20（2路）20（4路）20（4路）20（4路）實時時鐘配時中卡配時中卡內置內置內置通訊口1RS-4851RS-4851RS-4852RS-4852RS-485浮點數運算有I/O映像區256（128入/128出）3.2控制系統的I/O地址分配系統的I/O分配表大致如下。如表3-2所示。表3-2控制系統I/O分配表輸入按鈕SB1I0.0啟動按鈕SB2I0.1停止急停SB3I0.2急停檢測B1I0.3進口密封檢測料位SQ1I0.4上料位料位SQ2I0.5下料位按鈕SB4I0.6通風泵手動按鈕SB5I0.7增壓泵手動按鈕SB6I1.0上料振動手動按鈕SB7I1.1出料皮帶手動按鈕SB8I1.2加熱器手動按鈕SB9I1.3油脂分離器手動按鈕SB10I1.4進口密封手動按鈕SB11I1.5出口閘門手動按鈕SB12I1.6泄壓閥手動旋鈕SA1I1.7手自動輸出接觸器KM1Q0.0通風泵接觸器KM2Q0.1增壓泵接觸器KM3Q0.2上料振動接觸器KM4Q0.3出料皮帶接觸器KM5Q0.4加熱器接觸器KM6Q0.5油脂分離器電磁閥YV1Q0.6進口密封電磁閥YV2Q0.7出口閘門電磁閥YV3Q1.0泄壓閥指示燈HL1Q1.1運行指示Q1.2Q1.33.3電氣控制原理圖3.3.1主電路圖：下圖為系統電路圖。如圖3-1所示。這個系統電氣原理圖，用的是CAD畫圖軟件進行繪制的。此前在我們學校學習中，曾經有過關于CAD軟件繪制電氣圖還有機械圖的實訓。因此對此軟件較為熟悉，能夠運用此軟件進行一些較為簡單圖紙的繪制。本次研究的系統電氣原理圖還有PLC接線圖，都是運用此軟件進行繪制，然后導出一份PDF文件。圖3-1系統主電路圖本系統中包含有通風機：給油脂脫離機中通風，防止機械在工作時溫度過高而引起故障。增壓泵：在脫離機工作過程中給設備進行增壓或者減壓的處理.上料震動：餐廚垃圾在容器里通過震動來實現到分離機的過程。出料皮帶：當脫離機完成油脂脫離之后，通過出料皮帶送達到指定位置。加熱器對整個過程實行加熱。此保護控制電路原理上運用涉及到了多個入熱式保護熱繼電器,而在這些入熱保護繼電器零件之間連接的其基本電路工作原理即都是依靠由電流通過這些入熱式繼電器元件上流過的電流而所產生的熱量,使其中兩個分別有由兩種完全不同溫度的膨脹溫度系數而組成的雙金屬片發生形,當其溫度變形的系數達到了某一定值的程度時候它也就只能夠用來推動保護電機的連桿運動,使其保護和控制電動機的保護電路完全斷開,作為串聯整個牽引電動機回路間的電流短路與過載的短路電流保護或隔離電路元件。QF(空氣開關)又名空氣斷路器,是現代機械式電子斷路器類型中的其中一種。是指的一種電子開關只要它是控制電路系統運行中只要輸入的電流信號突然增大超過輸入電源系統額定輸入的最大電流范圍內就會產生立即和自動地產生斷開輸出電流保護的一種保護開關。空氣開關同時也是一個在超低壓配電網統設計和與其它復雜電氣傳動系統結合使用實踐中非常和特別地重要的一種保護開關電器。它是基本上是集成起了各種電子控制開關裝置的和它具有的多種特殊的電子保護控制電路功能。除了通常用于完成保護觸點的保護和保護分段電流的保護電路作用外,還常常用于可以獨立完成保護電路或與其它獨立電氣設備系統共用的保護短路、嚴重過電壓保護過載保護放電保護和過載保護的欠流變壓。同時,它又通常同時也幾乎都有可用于實現對功率不甚穩定且經常要頻繁重新啟動電路的負載電機等負載的短路過載電流保護作用。3.3.2PLC接線圖下圖為此系統的PLC接線圖。如圖3-2所示。圖3-2PLC接線圖因為接觸器線圈一般不直接連接到PLC上所以做了如圖3-3所示的部分修改。圖3-3PLC接線圖修改部分四、電氣控制PLC軟件設計4.1MicroWIN軟件介紹STEP7-Micro/WIN編程軟件是專為S7-200SMART系列可編程序控制器研制并開發的應用軟件，它的編程操作簡單、擴展功能全面等優點。主要用于開發用戶程序，達到實時監控用戶程序執行狀態的一種軟件。STEP7-Micro/WIN的基本功能是幫助用戶完成開發應用程序的任務，如創建用戶程序，在離線模式下修改和編輯原始用戶程序。當然，它的功能還不止于此，還有一些工具性功能，如文檔管理和用戶程序加密；還可直接用軟件設置PLC工作方式，參數和運行監控等。啟動STEP7-Micro/WIN編程軟件后，其主界面外觀如圖4-1所示。圖4-1STEP7-Micro/WIN主界面圖4.2PLC程序設計與分析這兩段程序為自動模式，按下啟動按鈕后震動機開，油脂脫離機開，達到上料位置是便停止進料。先關閉震動器，震動器延時五秒后復位，延時五秒鐘后油脂分離器關閉，進行密封，并且進行密封檢測。關閉密封口后，開始自動計時，進行發酵。當處理餐廚垃圾過程中，系統自動檢測溫度。若是溫度較高便自動開啟通風機，使空氣進入對設備進行降溫處理。若是溫度較低小于標準值，系統開始實行自動加熱管理。與前程序段思路相同，當餐廚垃圾處理過程中壓力過高，系統自動實行卸壓操作，當壓力過高時，便開始加壓。加壓與卸壓都可循環加和卸，直到壓力達到系統進行處理的值停止。當系統檢測到餐廚垃圾處理完成后，自動停止，并對密封口進行檢測。同時下料皮帶傳送也開啟，延時三秒后系統開啟閘門，油脂脫離后的物品便會隨著皮帶傳送出來，當系統出料達到油脂脫離機的下限位時，延時10秒皮帶停止運行，并打開密封蓋。回到第一個步驟，進行往復運作。4.3程序的仿真調試在程序完成之后一般會對我們所編寫的程序進行調試來測驗程序的可用性，分析或者查找程序中的錯誤。本次調試的軟件為西門子S7-200仿真軟件中文版。它是一款非常方便的仿真軟件，通過這個軟件我們可以對所編寫的PLC程序進行測試，它能夠用于多種行業的檢測，