Разработка автоматизированной системы управления процессами переработки твердых бытовых отходов

1. Разработка автоматизированной системы управления процессами переработки твердых бытовых отходов

Казахский университет технологии и бизнеса имени
К.Кулажанова
Технологический факультет
Кафедра «Химия, химическая технология и экология»
6B11230 – «Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей
среды»
Подготовила:Д.А. Жанаханова
Начный руководитель:Ш.Ж.Усенкулова
Доктор PhD,асс.профессор
Астана, 2024 год

2.

Актуальностью дипломной работы является рассмотрение неблагоприятных факторов,
повышенной экологической нагрузки на окружающую среду связанных с хозяйственноэкономической деятельностью человека, устойчивый рост промышленного производства,
развитие транспортной и городской инфраструктуры, что в конечном итоге приводит к
увеличению объемов производимых твердых бытовых отходов. Нерешенные к настоящему
времени проблемы, связанные с утилизацией ТБО, имеют как экологические, так и
экономические негативные последствия [1, 2]. Одним из способов решения данной проблемы
является непрерывная информационная поддержка системы управления твердыми бытовыми
отходами (ТБО), которая включает как процессы сбора и вывоза ТБО, так и процессы
подготовки к использованию утильных компонентов и уничтожением или захоронением
неиспользуемых фракций [3].
Цель дипломной работы:
разработка модели управления процессами утилизации твердых бытовых отходов и
проведении исследований эффективности управления ТБО;
сравнительный анализ данных по ТБО зарубежных стран и Казахстана;
управление отходами, сбор и переработка твердых бытовых отходов и загрязнение
окружающей среды.
Задача исследования: Изучив данную проблему, найти информацию о переработке
твердых бытовых отходов, а также выработать рекомендации по разработке автоматизированной
системы управления ТБО, которые помогут всем желающим уменьшить вредное влияние на
окружающую среду.
Объект исследования – Процесс переработки твердых бытовых отходов и экологическая
ситуация мира.
Предмет исследования – проблема автоматизированной системы управления процессом
переработки твердых бытовых отходов.

3.

Товары, которые потеряли свои потребительские свойства, являются отходами в сфере
потребления, их называют твердыми бытовыми отходами. Они являются непригодными в
быту. Поэтому, данные отходы разделяя по классификациям подлежат утилизации. Я
выделила основные виды отходов, которыми пользуемся в быту:
Органические отходы – это пищевые, садовые и животные отходы
Рециклируемые материалы – это материалы, которые можно переработать и вернуть в
оборот, например: бумага, стекло, пластик, металл
Опасные отходы – такие отходы содержат токсичные химикаты, которые могут
принести вред человеку. В эту категорию входят: фармацефтические препараты,
химические вещества, электронные отходы
Композитные отходы: отработанная одежда, картонные коробки для продуктов питания
и напитков Tetra Pack, пластиковые отходы, такие как игрушки и пластиковая садовая
мебель.
Электрические и электронные отходы (WEEE) – электроприборы, лампочки,
стиральные машины, телевизоры, компьютеры, экраны, мобильные телефоны,
будильники, часы и т.д.
Крупногабаритные отходы – это предметы крупных размеров, которые не могут быть
утилизированы стандартным образом. В эту категорию входят: строительные
материалы, бытовая техника и мебель.

4.

Известны четыре
основных подхода к
использованию ТБО
Захоронение
Пеимущества этого метода:
уменьшение объема отходов
в 10 раз; снижение риска
загрязнения почвы и воды
отходами; возможность
рекуперации
образующегося тепла
Сжигание
Компостирование плюс
сбраживание
Рисайклинг
Анализ мировых
тенденций показывает,
что метод полного
сжигания ТБО прежде
всего неэкологичен,
черезвычайно дорог и
неэкономичен
это биохимический
процесс разложения
органической части
ТБО
микроорганизмами.
Рационализированная
система сбора и
переработки
компонентов ТБО в
продукты, имеющие
потребительскую
стоимость.

5.

С двадцатого века развитие в сфере экономики привело к беспрецедентном масштабам
негативного воздействия на биосферу. Возникли противоречия между растущими
потребностями мирового сообщества и ограниченные возможности биосферы. Устойчивое
развитие предполагает динамику человек-экономика-природа, которая должна стабильно
функционировать и обеспечивать прогрессивное движение и безопасность социальной,
экономической и экологические сферы. Становление и развитие экономической науки и
практики устойчивого развития общества должна следовать путь изучения, анализа
взаимодействия человечества и природы. Определить закономерности этого взаимодействия и
использовать их для создания разумной экономики в гармонии с природными процессами.
Зарубежные аналитики считают, что решение проблем с переработкой ТБО зависит от:
объема образования
ТБО на душу
населения , которое
растет
новые
технологии
переработки
ТБО
отходы
становятся
опасными для
человека и
окружающей
среды
усложнение
управления
отходами
отрицательное
отношения к
полигонам
ужесточение
норм ТБО

6.

В странах Европейского Союза проблемы обращения с твердыми бытовыми отходами уже на протяжении
нескольких лет решаются достаточно эффективно. Бытовые твердые отходы заслуживают особого
внимания [13]. Обращение с ТБО в зарубежных странах в основном находится в сфере ответственности
муниципального сектора и текущая экономическая ситуация во многих странах ЕС требует
дополнительных разработок и усилий для реализации этих шагов наиболее эффективным образом.
Таблица 1. Иерархическая схема приоритетности мероприятия по обращению с отходами в
стран ЕС
Последовательность
Мероприятия по обращению с отходами
1
2
3
4
5
Предотвращение образования
Повторное использование
Переработка
Восстановление
Размещение
Согласно представленной таблице можно сделать вывод, что основной проблемой в сфере
обращения с отходами является предупреждение создания отходов, как коммунальных, так и
индустриальных в местах их образования.
По информации Всемирного банка, ежегодно люди производят более 2 млрд тонн твердых
отходов. Уже в 2050 году показатель выйдет за отметку в 3,4 млрд тонн. Однако все больше
мировых государств подключаются к активному решению проблемы с отходом. Где-то
запрещают пластиковые пакеты, где-то ввозят сортировку мусора, а где-то производят
электроэнергию из отходов.

7.

На территории города Алматы и ближайших пригородных районов действуют 25
предприятий, занимающихся сбором, вывозом и переработкой вторичного сырья у
юридических и физических лиц, из них 6 - макулатурой, 1 - отработанными
аккумуляторами, 1 - стеклобоем, 1 - отходами текстиля, 3 - полиэтиленом и
пластмассами, 1 - бывшими в употреблении шинами, маслами и нефтешламом, 3 медицинскими отходами, 3 - цветными металлами, 1 - отработанными автопокрышками,
1 - аккумуляторами, 2 - ртутьсодержащими изделиями и приборами и т.п. [24].
Из выше изложенного можно сделaть вывод, что морфологический состaв ТБО
претерпел знaчительные изменения в следующих компонентaх: уменьшилaсь доля
мaкулaтуры (бумaгa, кaртон); уве личилaсь доля плaстмaсс, стеклa, метaллa и т.д.
Диаграмма №2. Структурa формирования и обрaзовaния ТБО городa Aлмaты

8.

в Алмате есть мусоросортировочный завод, этот завод в сутки зачисляет 200
мусоровозов, это в месяц приблизительно 5,5-6 тыс. рейсов и каждая машина привозит по 6
тонн отхода. Следственно в месяц среднем привозят на завод 35 000 тонн мусора. А
перерабатывается в сутки вокруг 1000 тонн бытовых отходов.
Например, сортировка мусора на заводе Green Recycle происходит следующим
образом: Комплекс состоит из четырех одинаковых линий. Загрузка идет одновременно на
каждую из них. Подача мусора на линии осуществляется с помощью механических
манипуляторов, которые равномерно укладывают отходы на линии. На заводе работает
свыше 600 человек, основную массу составляет линейный персонал.
На первом этапе отбирают строительный мусор, затем – картон и крупные куски
пленки. Следом стекло, которое делится на белое и цветное.
После сортировки отдельно отбираются пакеты-маечки, пакеты из полиэтилена
низкого давления – цветные, бумага, ПЭТ-бутылки. Их моют, очищают, дробят и плавят в
пластиковые гранулы.
На завершающем этапе мощнейшие прессы легко превращают отобранные для
последующей переработки отходы в десятки ровных квадратных брикетов, которые тут же
доставляются на склад.
Стоит отметить, что весь рассортированный мусор продается алматинским компаниям
для второстепенного использования. Потребители вторсырья не связываются с маленькими
партиями и выбирают брать мгновенно много – от 100 до 300 тонн.

9.

Основная цель системы управления переработкой бытовых отходов – это сокращение
объемов отходов, их повторное использование и переработка с целью получения полезных
ресурсов. Задачи системы включают в себя:
*
• Сбор и сортировку бытовых отходов;
• Транспортировку отходов к местам переработки;
*
• Переработку отходов с использованием различных
технологий;
• Утилизацию и обезвреживание опасных отходов;
*
• Мониторинг и контроль за процессом переработки;
• Образование и просвещение населения по вопросам
раздельного сбора и переработки отходов.

10.

Индуктивный датчик
приближения
Шаговый двигатель 1
Ёмкостный датчик
приближения
ATmega328
Датчик влажности
Шаговый двигатель 2
Источник питания
Рис.1. Структурная схема секции разделения
Для устойчивого развития сообщества необходима интегрированная система утилизации отходов и
управления ими. Такая структура обеспечивает общее благополучие, поддерживает динамичную
экономику, уменьшает выбросы загрязняющих воздух веществ, например, веществ, разрушающих
озоновый слой, повышает жизнеспособность и активы компании, а также обеспечивает устойчивый
источник энергии. Эффективная цепочка управления отходами, имеющая важное значение, подчеркивает
сокращение источников, повторное использование, утилизацию органики и активов, а не вывоз земли.
Действительно, городские IoT предназначены для того, чтобы помочь Концепция "Умного города",
которая нацелена на злоупотребление самыми исключительными инновациями в области переписки,
чтобы помочь администрациям, включенным в программу, повысить эффективност организации города и
для граждан.
Система состоит из двух частей: сегрегации и мониторинга. Секция сегрегации состоит из ATmega
328 в качестве основного контроллера. Она включает в себя индуктивный датчик приближения,
емкостный датчик приближения и датчик влажности для определения типа отходов. Он также оснащен
двумя шаговыми двигателями для вращения барабана и заслонки. Основное назначение секции
разделения - улавливать отходы и отделять их это отличает его от других видов отходов. Когда
выбрасывается какой-либо предмет, датчики идентифицируют его, и на шаговые двигатели подается
сигнал для поворота барабана в указанную секцию.

11.

Секция мониторинга оснащена
тремя ультразвуковыми датчиками.
подключен к контроллеру ATmega328.
Эти
ультразвуковые
датчики
размещены в каждом из барабанов на
расстоянии фиксированное расстояние
от базы. С помощью ультразвуковые
датчики уровня отходов в каждом из
барабаны можно контролировать. С
помощью Wi-Fi Модуль, эти отходы
контролируются
с
помощью
Платформа на базе Интернета вещей
под названием ThingSpeak. Здесь
графическое
представление
добавленных отходов также может
быть просмотрен. После того, как
урны
наполнятся
до
порога,
предупреждающее сообщение или
твит отправляется властям озабочен
сбором
мусора.
Это
помогает
исключить ручное вмешательство,
которое было ранее необходимый.
Рис. 2. Раздел «Мониторинг»
В
разделе
мониторинга
системы
используется
программная платформа IoT, называемая ThingSpeak. ThingSpeak
— это аналитическая платформа Интернета вещей, с помощью
которой можно агрегировать, визуализировать и анализировать
потоки данных в реальном времени в облаке. ThingSpeak
обеспечивает
мгновенную
графическую
визуализацию
введенных данных. В ThingSpeak можно выполнять онлайнанализ и обработку данных по мере их поступления. Интернет
вещей включает в себя интеллектуальные устройства («вещи» в
IoT), которые собирают данные и включают в себя машины и
датчики. Кроме того, он включает в себя облако, где данные из
нескольких источников накапливаются и анализируются в
режиме реального времени, часто с помощью аналитической
платформы IoT, предназначенной для этой цели. Он
обеспечивает разработку алгоритмов, благодаря которым
инженер или специалист по данным получает представление о
собранных данных.

12.

13.

Автоматический сортировщик мусора и система мониторинга — это экономичная система управления
для разделения пластиковых, сухих, влажных и металлических отходов без постоянного внимания человека.
Простой контроллер с индуктивными, емкостными датчиками приближения и датчиком влажности
используется для того, чтобы сделать систему малозаметной и простой. Используемые компоненты легко
доступны на рынке для массового производства. Модель реализована в продуктовых центрах, кинотеатрах,
общественных парках, садах и успешно протестирована.
Система может быть дополнительно улучшена за счет использования обнаружения объектов с
использованием обработки изображений. Этот метод может идентифицировать входящие объекты, используя
ранее загруженную базу данных объектов. При дальнейших исследованиях можно будет внедрить обработку
изображений для обнаружения отходов и заменить ими несколько датчиков. Термическое преобразование —
еще одна технология, которую можно реализовать в существующей системе. Его можно использовать для
переработки отходов в химикаты, удобрения, масла и другие полезные продукты. Систему также можно
сделать интеллектуальной, добавив алгоритмы искусственного интеллекта и машинного обучения для
обучения системы сортировке и мониторингу отходов.
Автоматизированное (IoT) и машинное обучение — это технологическое развитие, в котором каждому
устройству назначается уникальный идентификатор (IP-адрес) и дополнен возможностью автоматического
распределения данных по сети, без взаимодействия человека с человеком или человека с компьютером.
Любая сущность в физическом мире, которая может упоминаемый с помощью IP-адреса для обеспечения
возможности передачи данных по сети, может быть частью системы IoT путем их создание с помощью
электронного оборудования, такого как датчики, программное обеспечение и сетевое оборудование. Интернет
обеспечивает расширенные возможности подключения разнообразного оборудования, различных сервисов,
многочисленных протоколов и различных приложений; более того, IoT характеризуется видением
гетерогенности. Интернет доказал свою эффективность не только дома [20].

14.

Понятие
«умный город» сегодня
является очень важной темой с точки зрения
улучшения условий жизни. Правительство
Индии выступила с инициативой создания
100 «умных» городов. Умный город оснащен
инновационными
технологиями,
обогащающими
с
сенсорной
сетью,
камерами, беспроводными устройствами,
быстрой сетью, такой как 5G, ИТинфраструктурой и центрами обработки
данных для получения необходимой услуги,
такие как электричество, водоснабжение,
канализация, переработка отходов, транспорт
и т. д. И подтверждают их эффективное
управление. Управление отходами является
жизненно
важной
частью
управления
городом, особенно там, где оно является
важными для переосмысления городов с
точки зрения экологической устойчивости.
Невозможно представить умный город без
умной системы управления отходами.
Развитое
управление
отходами
Развитие
системы воды и
погоды
Умные парковки
Автоматизирова
нное зеленое
общество
Развитое
здравоохранение
Умные дома
Развитие
энергетики
Развитие в сфере
образования

15.

Одной из основных проблем нашей
окружающей среды является утилизация твердых
отходов, которая не только нарушает баланс
окружающей
среды,
но
и
оказывает
неблагоприятное
воздействие
на
здоровье
общества. Выявление, мониторинг и управление
отходами являются частью основных проблем
современности. Традиционный способ ручного
мониторинга
отходов
в
мусорных
баках
представляет собой сложный, громоздкий процесс,
требующий больше человеческих усилий, времени
и затрат, что несовместимо с современными
технологиями. Управление твердыми отходами
является серьезной проблемой в городских
районах. За прошедшие годы было разработано
множество систем и различных методов обращения
с твердыми отходами.
Рисунок 13: Блок-схема интеллектуальной системы утилизации отходов.
Датчики состояния были реализованы с помощью концевых выключателей и датчика
приближения. Они помогают контроллеру узнать состояние системы. Существует четыре
состояния системы: дверца интеллектуального мусорного контейнера открыта; дверца
интеллектуального мусорного контейнера закрыта; Смарт-корзина заполнена; Смарткорзина пуста; поступил запрос на эвакуацию мусора из Smart bin. Дисплей вывода
помогает пользователям и операторам в любой момент узнать состояние системы.

16.

Рисунок 15. ЖК-интерфейс микроконтроллера.
Рис. 14. Входной интерфейс датчиков
состояния
Рисунок 16. Источник питания

17.

Эта работа представила улучшенное
решение проблемы утилизации отходов,
особенно в городах развивающихся стран,
таких как Нигерия, где образуется много
отходов. Автоматизация открытия и закрытия
крышек обеспечит поддержание очень
высокого
уровня
гигиены,
поскольку
пользователь не будет иметь никакого
контакта с мусорным баком. Загрязнение
окружающей среды и засорение окружающей
среды сведены к минимуму, поскольку
крышка контейнера будет закрыта для
пользователей до тех пор, пока мусоровоз не
опустошит его, поэтому пользователю не
будет разрешено переполнить контейнер.
Своевременный
Утилизация отходов обеспечивается за
счет того, что система автоматически
отправляет
SMS-уведомление
водителю
грузовика, как только контейнер заполнится,
тем самым гарантируя, что контейнер
опустеет, чтобы избежать сброса мусора на
пол.
Рисунок 19. Полная принципиальная схема

18.

ATMEGA328 используется так же, как и любой другой контроллер. Все, что нужно сделать, это
запрограммировать. Контроллер просто выполняет предоставленную нами программу в любой момент. Без
программирования контроллер просто остается на месте, ничего не делая.
Весь процесс использования ATMEGA328P выглядит следующим образом:
Перечислите функции, которые должны выполняться контроллером.
Написать функции на языке программирования в IDE-программах.
Программирование на ATMEGA328P также можно выполнять в среде ARDUINO IDE.
После написания программы скомпилировать ее для устранения ошибок.
Нужно IDE сгенерировать шестнадцатеричный файл для написанной программы после компиляции.
Этот шестнадцатеричный файл содержит машинный код, который должен быть записан во флэшпамять контроллера.
Выбрать устройство программирования (обычно это SPI-программатор, предназначенный для
контроллеров AVR), которое устанавливает связь между ПК и ATMEGA328P. Вы также можете
запрограммировать ATMEGA328P с помощью платы ARDUINO UNO.
Управление отходами в вашем доме разумным и простым с помощью этого уникального самодельного
умного контейнера.
Для создания ручной работы понадобится:
Мусорное ведро
Ультразвуковой датчик
Металлический серводвигатель и аксессуары
Соединительный кабель длиной 20 см
Как только приблизитесь к мусорному ведру, первый ультразвуковой датчик обнаружит ваше
присутствие. Таким образом, оповещая об этом эвакуатор.
В ответ сервоголовка начнет вращаться, натягивая нить, и таким образом откроется крышка мусорного
ведра.
Ультразвуковой датчик под крышкой определит количество и подаст сигнал eviva. Затем eviva
отобразит процентное содержание отходов на экране.
Как только уровень достигнет 90%, устройство подаст звуковой сигнал, оповещающий пользователя.

19.

Рисунок 9. Датчик приближения
Рисунок 11. Проверка объема содержимого
Рисунок 10. Открывание крышки
Рисунок 12. Связь
Рисунок 13. Рабочее состояние

20.

Приказом и.о. Министра здравоохранения Республики Казахстан от 25 декабря 2020
года № ҚР ДСМ-331/2020. Зарегистрирован в Министерстве юстиции Республики Казахстан
28 декабря 2020 года № 21934 В соответствии с пунктом 3 статьи 100 Кодекса Республики
Казахстан от 7 июля 2020 года "О здоровье народа и системе здравоохранения" и подпунктом
132-1) пункта 16 Положения о Министерстве здравоохранения Республики Казахстан,
утвержденного постановлением Правительства Республики Казахстан от 17 февраля 2017
года № 71 Об утверждении Санитарных правил "Санитарно-эпидемиологические требования
к сбору, использованию, применению, обезвреживанию, транспортировке, хранению и
захоронению отходов производства и потребления" прописаны правила.
По степени воздействия на здоровье человека и окружающую среду отходы
распределяются на следующие пять классов опасности:
1) 1 класс – чрезвычайно опасные;
2) 2 класс – высоко опасные;
3) 3 класс – умеренно опасные;
4) 4 класс – мало опасные;
5) 5 класс – неопасные.
Допускается накопление и временное хранение отходов сроком не более
шести месяцев, до их передачи третьим лицам, осуществляющим работы по
утилизации, переработке, а также удалению отходов, не подлежащих переработке или
утилизации. Отходы в жидком и газообразном состоянии хранятся в герметичной таре. По
мере накопления отходы удаляют с территории промобъекта или проводят их
обезвреживание на производственном объекте.

21.

Заключение
Современный подход человечества к организации жизни вынуждает природу
защищаться от стихийных бедствий. Общество должно преступить к исследованию
жилых пространств по природоохранным программам на основе естественных
технологий. Так как мир в котором живем – природа, где элементарные отходы могут
загрезнять воздух, почву, воду. Поэтому, чтобы сохранить природу предлагается создать
экологическую программу «Чистая природа» которая направлена, в первую очередь, на
повышение качества экологической консультации и ответственности малых, средних и
крупного бизнеса за загрязнение воздуха, воды, продуктов питания, местности и
природы. Во-вторых, привлечь к ответственности природоохранных служб и органы по
экологическому состоянию воздуха, питьевой воды, города и села. В-третьих,
рассмотреть о формировании и поддержке природоохранных проектов и мер по
контролю, учитывать и беречь окружающую среду. В-четвертых, для разработки и
введения автоматизированного порядка учета и контроля чистотого воздуха, воды, еды,
энергии, мегаполиса и деревни, окружающей среды. Материалы от автоматизированной
системы управления, приобретенные государственными и социальными
природоохранных контролирующих органов разрешит быстро реагировать на
негативные явления. В-пятых, для постройки и получение экологического жилья на
основе долевого участия трудового участия. Осуществление этой программы будет
способствовать быстрейшему решению всех вопросов, сориентированных на
восстановление окружающей среды и использование пополняемых источников энергии,
и большинство превратить землю в заповедник на котором люди будут жить по
экологическим заповедям.