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工 业自动化 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 5 ． 0 9 ． 0 1 9 基于P L C控制的C L J 一 1 0 0 餐厨垃圾处理机的研发 杨德良，李雨露 湘潭职业技术学院， 湖南湘潭4 1 1 1 0 2 摘要根据餐饮行业餐厨垃圾的性状特点，设计了采用P L C 控制方式的餐厨垃圾处理机，能够在短时间内有效进行餐厨垃圾中 有机物 的无害化处理 、固态物分离、油脂提取 和处理物 回收利用 ，不污染环境 。 关键词餐厨垃圾；P L C 控制；处理机；研发 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 50 90 0 7 0 一o 4 RD b y PLC Co n t r o l M e t h o d o f Ki t c h e n W a s t e Pr o c e s s o r YANG De l i a n g． LI Yu l u X i a n g t a n V o c a t i o n a l T e c h n i c a l C o l l e g e ，X i a n g t a n 4 1 1 1 0 2 ，C h i n a Abs t r a c t I n t h i s pa p e r ， a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r s a n d f e a t u r e s o f k i t c h e n wa s t e i n r e s t a u r a n t i n d u s t r y， t h e k i t c h e n wa s t e p r o c e s s o r RD b y PL C c o n t r o l me t h o d c a n c o n d u c t t h e b i o s a f e t y d i s p o s a l o f o r g a n i c ma t t e r f r o m t h e k i t c h e n wa s t e e f f e c t i v e l y i n a s h o r t t i me a n d i mp l e me n t ma n y f u n c t i o n s， t h e s o l i d s s e p a r a t i o n， s t e r i l i z a t i o n， o i l e x t r a c t i o n， r e c y c l i n g， n o t p o l l u t i n g t h e e n v ir o n me n t ， e t c ．I t s o l v e s t h e p r o c e s s i n g p r o b l e m o f k i t c h e n wa s t e v e r y we l l i n r e s t a u r a n t i n d u s t r y a n d ma k e s u p f o r t h e de fi c i e n c y o f t h e s i mi l ar p r o d u c t s i n t h e ma r k e t ． Ke y wo r ds k i t c h e n wa s t e ； PL C c o n t r o l ； p r o c e s s o r ； RD 0引言 餐厨垃圾是食 物垃圾 中最 主要的一种 ，包括 家庭 、学校 、食堂及餐饮行业所产生的食物加工 下脚料 厨余 和食用残余 泔脚 ，主要成分是餐厨 加工中和饮食后剩余的物质垃圾及破碎餐具等多 类 物 质的混合 物 。我 国人 口众多 ，餐 饮文化 发 达 ，并 随着国民生活水平 的不断提高 ，餐厨垃圾 数量呈快速上升趋势 ，垃圾 问题严重地影响着人 们的生活质量与环境卫生 ，也成为城市市政处理 的老大难 问题。我 国在餐厨垃圾处理方面起步较 晚 ，垃圾 中所蕴含 的资源再生利用率非常低 ，不 到餐厨垃圾总量的 1 ％。 国内目前餐厨垃圾处理方式主要以填埋、微 生物降解 、焚烧三种为主，这些传统餐厨垃圾处 理方式存在 占用土地资源 、破坏生态环境 ，且处 理耗时长、处理成本高等诸多弊端。近年来，对 餐厨垃圾的处理工艺进行了研究很多 ，也对处理 系统进行详细的研究探讨 一 1 ，国家也出台了餐厨 垃圾处理的行业标准 。从市场 中出现的餐厨垃圾 处理装置 ，有面向城市成片制 的餐厨垃圾集中无 害化处理系统口 和家庭装的微型粉碎直排垃圾处理 器 ，而对于餐饮市场中分散性 的中小型餐饮企业 的餐饮垃圾监管与处理仍是空 白。因此 ，设计一 种能集餐厨垃圾处理机 ，能够在短时间内有效进 行餐厨垃圾 中有机物的无害化处理 ，具备 固态物 分离 、油脂提取 、对环境污染小等基本 功能 ，实 现资源再利用 ，十分必要。 1 整体结构与功能 1 ． 1 餐厨垃圾处理流程 根据餐厨垃圾成分分析，确定处理流程如图 1 所示。 1 ． 2 整体结构设计瞄 本餐厨垃圾处理 机 ，包 括壳体 ，分拣切断 、 高温蒸煮室 、固液分离室 、油水分离室 、处理水 湖南省教育厅科技计划项目 编号 1 4 C 1 1 1 0 嗍 叭 [二工 杨德 良等基才P L C控制的C L J 一 1 0 0 餐厨垃圾处理机 的研 发 图 1 餐厨 垃圾 处理流程图 循环消毒室 、输送系统以及控制系统等组成 。经 过 优 化 组 合 设 计 和 不 断 的 试 制 总 结 ，确 定 C L J 一 1 0 0 的系统结构如 图2 所示。 1 ． 料斗2 ． 调节 闸门3 ． 切断装 置4 ． 球形 清洗蓬 头5 ． 蒸煮 室水位传感器6 ． 蒸煮室温度传感器7 ． 蛇形高温蒸汽加热管 8 ． 高温蒸煮室9 ．蒸煮室齿轮泵1 O ． 电动机1 1 ． 分离室齿轮泵 1 2 ． 清 水 桶 l 3 ． 电加热 器1 4 ． 循 环 室齿 轮泵1 5 ． 放油 阀门 1 6 ． 阀门 1 7 ． 阀门 1 8 ． 紫外线消毒灯1 9 ． 过滤器2 O ． 油脂刮 板2 1 ． 硅橡胶滚筒2 2 ． 分离室温度传感器2 3 ． 分离室水位传 感器2 4 ． 自来水进口2 5 ． 自 来水进口2 6 ． 固液分离室2 7 ． 油 水分离室2 8 ． 油脂箱2 9 循 环消毒室3 O ． 壳体 图2 c L J 一 1 0 0 系统结构示意图 1 ． 3各项功能的实现 1 ． 3 ． 1 分拣与切断 餐 厨垃圾 成 分相 对复 杂 ，先 经初 期人 工分 拣，将垃圾中的无机物 如 饮料瓶盖、碎玻璃 瓷具、塑料制品等分拣出来归类处理 ，剩余的 餐厨有机物垃圾倒人料斗 中，经料 斗内永久磁 铁 进一步将细小铁磁性物质去除。分拣后的餐厨垃 圾依靠重力进入相互啮合一对齿轮组成的切断装 置 ，将 长 段 的餐厨 垃 圾切 断 至 1 O～2 0 mm的小 段 。为便于清理及维护 ，料斗相对于壳体可翻转 倾倒 ，便 于操作 人员 的清 理 维 护 。料斗底部设有调节 闸门 ，方 便控制切断速度 。 l - 3 - 2 蒸煮 蒸煮的 目的是促使油脂液化 分离 、高温消毒杀菌 、清除异味 等目的。切断后的细段餐厨垃圾 依靠重力直接进入 高温蒸煮 室。 室上端安装有球形清洗蓬头用于 清洗 ，设有 自来水进 口实现补充 加水，室内还设有水位传感器控 制水位高度，温度传感器显示室 内温度 。当水位达到要求后 ，启动 电磁阀门注入 高温蒸汽 ，通过蛇形高温蒸汽加热管对餐厨混合 物进行加热蒸煮 。为降低能耗 ，高温蒸汽可通过 后置阀门接 口，连接厨房蒸柜或锅炉的高温余 气 ，无需额外热源 。如不具备条件 ，亦可 由电加 热产生的蒸汽发生器产生。高温蒸煮后的餐厨垃 圾加水降温稀释后，从底部管道经齿轮泵泵送至 固液分离室。泵送完毕 ，给蒸煮室中的3 6 0 。 球形 水喷头供水 ，可对该室进行冲洗处理。 1 ． 3 ． 3固液分离 固液分离是为促使蒸煮后 的混合物 中固体物 料与油水混合物的分离 ，为后续处理做 准备 。本 处理机参考了波轮式全 自动洗衣机的洗涤脱水原 理 ，电动机直接 驱动清水桶 ，在清水桶 中放置 了 可重 复使用织物过滤芯 。泵送过来 的固液混合物 料置入 织物 袋 中 ，通过 清水桶 的正反 向往 复旋 转，将垃圾中的油脂成分和细微的垃圾洗涤掉 ， 实现垃圾与油脂的分离。分离的油水混合物经齿 轮泵送至油水分离室。泵送完毕后 电动机驱动清 水桶 高速 旋转 ，利用 离心力将 滤 出 的固态物甩 干 ，实现餐厨垃圾 的固液分离 。分离后 的固态餐 厨垃圾由人工连同织物袋一并提取出来，固态餐 厨垃圾 可作为有机肥料或动物饲料 的优 良胚 料 。 因高温蒸煮灭菌处理 ，无异昧 ，无污染 ，可放人 可重复使用的密封袋堆放 ，待积存一定量后经后 续深加工处理。脱水织物袋和密封袋可重复使用 。 1 ． 3 _ 4油水分离 油水分离室 的主要作用是将油水液态混合物 保持在相对恒定 的温度 ，将油脂从混合物 中分离 出来 。从 固液分离后 的油水混合物 ，经齿轮泵泵 、业 自 动 送至该室后 ，加水进一步稀释冷却 ，油水分离室 中设有温度传感器和电加热器，保证油水混合物 的温度稳定在4 5℃ 2℃范围，此为油脂最佳提取 分离温度 区间。 利用油脂浮与于液体表面的特性，在分离室 顶部安装一硅橡胶滚筒 ，滚筒底部低于油水液面 1 0～1 5 m m，通过 电机匀速驱动滚筒 ，油脂沾 附 于滚筒表 面，滚筒另一侧设置一油脂刮板并 与滚 筒接触 ，油脂刮板上的导油槽用来油脂提取油脂 中的细小悬浮物，过滤出来的细小悬浮物停留在 梳 型板上 ，可手工予 以收集清除 ，见 图3 。油脂 则顺着导油槽和导油管流人集脂箱 中，完成液面 油脂 的收集。油脂箱底部设有排油管道 ，当油脂 收集到一定容量后，可经管道上设有的放油阀门 放 出，用作工业原料。 1 ． 3 ． 5处理水循环 在进行油水分离的同时 ，油水分离 室底部通 过管道连接齿轮泵，不断将油水分离室中的处理 用水 细微颗粒杂质和水混合物泵送至过滤器 中，经过滤后 回送至高温蒸煮室。过滤后 ，处理 用水中的细微颗粒杂质残 留在滤芯上 ，压力表监 控过滤水压 。当压力达到设计数值时 ，说明滤芯 上的细微颗粒杂质残留过多，工作人员只需将滤 2 0 3 4 3 5 2 1 3 3 2 8 2 0 ． 油脂刮板2 1 ． 硅橡胶滚筒2 8 ． 油脂箱人口 3 3 ． 驱动电机3 4 ． 导油槽3 5 ．导油管 图3 滚筒与油脂刮板示意图 芯取 出，放置清水 中清洗即可 ，清洗完毕装 回可 继续使用。在循环过滤处理用水 的同时，处理用 水在透 明玻璃管处 ，通过紫外线照射进行实时消 毒灭菌，再泵送进入高温蒸煮室利用，实现处理 用水的循环再用 ，提高水资源利用率 ，减少排 放 。待一班次工作后 ，打开高温蒸煮室阀门，将 处理用水排放流入下水道。 2电气控制系统 考虑到设备所处空间温度高 、湿度大 ，为保 证设备工作稳定可靠，本设计电气控制系统采用 P L C系统控制 ，并将所有 电控单元集 中于控制盒 内，便于操作使用和维护 ，电控箱按 I P 5 4 等级设 计 。P L C将采集 的各种信号进行集 中处理 ，输 出 对应的控制信号[8】 。电气控制系统的控制方框如图 4 所示 。电气控制系统设计 时主要解决 以下几个 问题。 2 ． 1 解决多点温度检测控制的要求 由图 4 表明 ，设 置在蒸煮室 、分离室的温度 检测点，两处温度检测信号均连接到温控仪面板 直接显示 ，并通过温控仪的参数设定将控制状态 送入 中控 单元 P L C 。控 制 系统 完成 的控 制功 能 是 蒸煮室温度检测控制加热蒸汽 阀门的通断 ， 确保蒸煮消毒有效。分离室温控则控制电辅电源 的通断，确保分离工艺温度在调定范 围之 内。 2 ． 2 满足液位控制的要求 蒸煮室的液位检测 主要是联合 温控检测控制 加热蒸汽的通断，分离室的液位检测主要联合液 位检测控制橡胶滚筒 的驱动电机 ，确保各执行部 件 的逻辑动作 。 2 ． 3满足 自动化程度高的要求 本机基于 P L C实现全过程化控制 ，防水膜式 触摸操作 按钮 ，操 作界 面友好 ，采用液 晶屏 显 示 ，全过程地监控了垃圾 的处理流程 ，确保作业 时间短、 操作简单、节省人力资源。 2 ． 4满足维护方便的要求 本机配置了自动和手动两种操控模式 ，既能 按程 序完成 处理过程 ，也 能独立运 行各分立 功 能，方便设备的维修维护。 3 技术创新与主要技术指标 3 ． 1技术创新 本新 型餐厨 垃圾处 理机 ，集 “ 垃圾 分拣切 断、高温杀菌 、固液分离、油水分离、资源再利 用”等功能于一体 ，具备 以下技术创新点 。 杨德 良等基于P L C控制 的C L J 一 1 0 0 餐厨垃圾处理机 的研发 工业 自 1 节约资源 ，有利环保。本处理机有效解 决 了垃圾 处理 后 的对 环境 的危害 ，该机 外形 美 观 ，占地面积小 ，能随时处理 ，不产生臭气 ，没 有废渣 ，处理水排放很少 ，且不对城市地下排污 管网造成堵塞。本机 的高温蒸煮装置采用双模式 供热蒸煮装置，利用一般餐厅厨房常备的高温气 源余气 ，辅 以电加热高温蒸汽发生器两种供热形 式 ，转换 阀门方便气源之间的转换 ，蛇形导热管 加大了热交换 的面积 ，节约能源 。处理产物基本 能够回收再用 ，经高温和杀菌处理的固体产物， 可用做肥料 和动物饲料 的坯料 ，回收油脂可做工 业再 生油 脂原料 ，避 免流人 下水道 造成 环境 污 染 ，也杜绝为不法分子所用作地沟油的可能。 本过滤干净的水经传送泵送入煮沸室进行烹煮或 作 冲洗水 使用 ，从而实现处理用水 的重 复利用 ， 降低处理成本的同时，节约宝贵的水资源。 3 ． 2主要技术指标 1 规格尺寸 1 8 0 0 mmx 8 0 0m mx 9 0 0m m； 2 电机功率 约 1 k W； 3 处理能力 1 0 0 k g ／ 天； 4 料斗容量 2 0L ； 5 电辅功率 4 k W 6 设备净重 6 0k g 。 4结束语 本处理机能够适 时对餐厨垃圾 中有机物的进 行无 害化 处理 ，油脂 分离彻 底 ，处 理物 回收再 主一 一L 一 一 一L I 窜 窜 审 审 一 由 一 控 监 、 圈 阔 网 一 兀 十 十 十 十 十 J ⋯ 图4 电气系统控制方框图 2 消毒 彻底 。对餐厨 垃圾 进行高温蒸 煮 ， 使餐厨垃圾 中所含有的大肠杆菌 、沙门氏菌等有 严重危害性 的病菌失活 ，减少 了病 菌的传播 ，方 便固态餐厨垃圾无菌再利用。位于高温消毒室和 油水分离室中 ，设置两处温度检测装置 ，消毒室 中的温度传感器 自动检测杀菌消毒温度 ，有效保 证餐厨垃圾中的病菌杀除率。 3 油脂分离充分。黏附在餐厨垃圾上的油 脂在蒸煮高温作用下液化于水中，有效实现油脂 与餐厨垃圾分离。油水分离室中的温度传感器经 过温控仪送人 P L C，控制加热装置 ，实时调节油 水分离温度维 持在 4 3 ℃ ～4 7 ℃之 间 ，保持油水分 离的最佳温度 ，确保油脂提取的最佳效果 。 4 处理水循环利用 。在餐厨垃圾处理机的 右端部设计了水循环过滤灭菌装置 。提脂后 的处 理用水经传送泵泵送至过滤器 中 ，通过过滤器 的 滤芯过滤作用将处理用水中的细小垃圾杂质过 滤 ，并经紫外线灭菌装置流 回油水分离室中。循 环多次过滤灭菌处理后 ，由P L C控制 电磁阀将基 用 ，节约处理用水 、不造 成环境污染 、自动化程度 高等优点，很好地解决了 餐饮行业餐厨垃圾 的处理 难题 ，弥补了市场同类产 品的不足 。通过样品的试 制 ，运行 良好 ，各项技术 指标均达到设计要求。 参考文献 [ 1 ]王磊 ，胡超 ，刘伟 ，等． 中国餐厨 垃圾 处理 现状 与 展 望[ J ]．广 东 化 工 ，2 0 1 3 1 6 7 6 7 8 ． [ 2 ]徐可可，李积彬 ，姚旺_ 基于餐厨垃圾处理设备的新 型油水 分 离器 [ J ]． 机 电工程技 术 。2 0 0 9 1 0 77- 78． [ 3 ]文派 餐厨垃圾 处理P L C控制 系统研 究 [ D]． 武汉 武汉工业大学，2 0 1 1 ． [ 4 ]C J J 1 8 4 2 0 1 2 ． 餐厨垃圾处理技术规范 [ s ]． [ 5 ] 北京中源创能技术有 tt ／2 “ 司，第二代城市餐厨垃圾 处理装备 [ E B ／ O L ]． h t t p ／ ／ w w w ． s i n o e n e _ c 0 m ／ ． [ 6 ]丁树模． 机械工程学 [ M]． 北京机械工业出版社 ， 2 00 5． [ 7 ]邱映辉． 机械原理与设计 [ M]． 大连大连理工大学 出版 社 ．2 0 0 6 ． [ 8 ] 王 永 华． 现 代 电 气控 制 及 P L C应 用技 术 第 2版 [ M]． 北京北京航空航天大学出版社，2 0 0 8 ． [ 9 ] 机械 设计手册 新版 编委 会． 机 械设计手册 [ M]． 北京机械工业出版社，2 0 0 8． 第一作者简介杨德良，男，1 9 6 6 年生，湖南湘潭人，硕 士，副教授。研究领域，机械设计与制造，已发表论文 l 2 篇。 编辑 向飞
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