栽培基質(zhì)車間生產(chǎn)加工裝備及監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

安亞群　許東來　崔愛軍等

摘要 [目的]解決農(nóng)林廢棄物數(shù)量龐大治理困難的問題，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物無害化處理的全程自動化監(jiān)控，實現(xiàn)資源高效化利用。[方法]設(shè)計FPJ-A型翻拋機械裝備，并對物料的翻拋作業(yè)過程、基質(zhì)發(fā)酵過程、工藝參數(shù)監(jiān)測過程以及根據(jù)采集的工藝參數(shù)值實現(xiàn)實時響應(yīng)的控制過程的各組態(tài)功能軟件進行設(shè)計。[結(jié)果]FPJ-A型翻拋機綜合了滾筒式與鏈板式翻拋機的優(yōu)勢，并且在翻拋機的傳動系統(tǒng)、防護系統(tǒng)以及換槽作業(yè)方面作出了較大的改進，使其性能大幅度提高；同時設(shè)計了能實現(xiàn)智能控制物料的發(fā)酵工藝參數(shù)，并能自動定位堆體、自動調(diào)整翻拋的速度、深度、位置的控制系統(tǒng)。[結(jié)論]實現(xiàn)了基質(zhì)發(fā)酵過程中各動態(tài)工藝參數(shù)的精確控制，物料分布均勻的工藝目標(biāo)；保障了產(chǎn)品質(zhì)量實現(xiàn)了基質(zhì)車間連續(xù)生產(chǎn)的全程自動監(jiān)控。所設(shè)計的人機界面友好，便于操作。

關(guān)鍵詞 翻拋機；栽培基質(zhì)；無線控制；系統(tǒng)

中圖分類號 S126 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）13-339-03

Design of a Shop Production Equipment and Monitoring System of Cultivation Medium

AN Yaqun， XU Donglai， CUI Aijun et al

（College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology， Beijing University of Technology， Beijing 100124）

Abstract [Objective] To solve a large number of agricultural and forestry waste and management diffculties， realize automatic monitoring of harmless treatment， and resource highefficient utilization. [Method] FPJ-A compost turner equipment was designed， the turning process， matrix fermentation process， technical parameters monitoring process， and functional software for realizing realtime response control process according to collected technical parameters were designed. [Result] FPJ-A compost turner combined the advantages of drum type and chain plate turning machine， and made improvement of transmission system， protection system， which can significantly improve its performance. The fermentation technical parameters for intelligent control of material， and control system of automatic positioning， automatic adjustment of pile turning speed， depth， location were designed. [Conclusion] This system realizes the technology target of the dynamic technical parameters controlled accurately and equally distributed during the fermentation， and achieves the automatic monitoring of the production plant for substrate continuous production， and guarantees highquality product. The designed manmachine interface is friendly， easy to operate.

Key words Compost turner； Cultivation medium； Wireless control system

農(nóng)林廢棄物是農(nóng)業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)與加工過程中的副產(chǎn)品，數(shù)量巨大，可再生、可生物降解、對環(huán)境友好，是重要的生物質(zhì)資源，主要有樹皮、果殼、鋸末、秸稈、蔗渣等[1]。目前我國正面臨農(nóng)林固體廢棄物數(shù)量龐大治理困難的難題，過去焚燒一直是人們處理農(nóng)林廢棄物的主要方式，這種處理方式污染環(huán)境，同時還造成了資源的嚴(yán)重浪費。而利用農(nóng)作物秸稈及其他廢棄物生產(chǎn)有機肥或者無土栽培基質(zhì)等發(fā)酵物料，是農(nóng)林廢棄物無害化處理與資源高效化利用的重要途徑[2]。

物料發(fā)酵過程需要實時監(jiān)測溫度、水分等工藝參數(shù)，在此過程控制方面，我國大都是工人依靠平時積累的經(jīng)驗，人工控制翻拋、通風(fēng)等操作工藝，故誤差大，不能實時監(jiān)控?；|(zhì)的參數(shù)直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，所以基質(zhì)發(fā)酵過程的參數(shù)控制非常重要[3]。而在農(nóng)林廢棄物生產(chǎn)處理方面美國、德國等發(fā)達國家投入大，發(fā)展快，生產(chǎn)工藝和技術(shù)裝備均已比較成熟，正向大型化、智能化方向發(fā)展[4-5]。

為實現(xiàn)綜合考慮翻拋作業(yè)過程、基質(zhì)發(fā)酵過程、工藝參數(shù)監(jiān)測過程以及根據(jù)采集的工藝參數(shù)值進行實時控制過程，設(shè)計了FPJ—A型翻拋機及其監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)工藝參數(shù)實時監(jiān)測，并通過PLC控制翻拋機動作，極大地提高了產(chǎn)品品質(zhì)。

1 總體設(shè)計方案

利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)對發(fā)酵槽中栽培基質(zhì)水分、溫度、含氧量的實時監(jiān)測，通過遠程控制模塊，輔助繼電器實現(xiàn)整車控制（翻拋車的前行、后退、翻拋、升降）。通過加工機械和監(jiān)測裝置對基質(zhì)的均勻化攪拌、翻拋、噴霧、干風(fēng)通風(fēng)、供氧等工藝及監(jiān)測措施，調(diào)節(jié)基質(zhì)的溫度、水分含量和通風(fēng)供氧量，使各動態(tài)工藝參數(shù)分布均勻，保障產(chǎn)品的品位及質(zhì)量。

針對系統(tǒng)功能需求，將系統(tǒng)分為以下幾個模塊：槽式翻拋裝置設(shè)計、翻拋機傳動系統(tǒng)設(shè)計、基質(zhì)信息采集與監(jiān)測模塊、控制系統(tǒng)模塊（圖1）。

2 FPJ—A型翻拋機設(shè)計方案及結(jié)構(gòu)特點

2.1 翻拋機設(shè)計方案

翻拋機是整個栽培基質(zhì)發(fā)酵過程中的核心設(shè)備，主要用于物料的打散、翻拋、轉(zhuǎn)移、輸送，目的是使物料與空氣充分接觸，提高物料分解率。其直接決定了生產(chǎn)過程的機械化水平。

目前國內(nèi)外的翻拋機從發(fā)酵方式來分主要有槽式、條垛式和反應(yīng)器式3種。槽式發(fā)酵系統(tǒng)的溫度、濕度過程自動化控制效果較好，適應(yīng)我國的國情，是發(fā)展的主要趨勢[6]。從翻拋裝置來分主要有滾筒式、鏈板式、螺旋攪拌式，滾筒式與鏈板式應(yīng)用最為廣泛。

滾筒式翻拋機的優(yōu)勢在于對物料的攫取能力、破碎能力強，有利于物料之間的橫向攪拌混合，結(jié)構(gòu)簡單，維護方便。鏈板式翻拋機的長處在于物料能在空氣中停留較長時間，可與空氣充分接觸，有利于物料的充分發(fā)酵[7]。螺旋攪拌裝置行程大，會造成較大的車身震動[8]。FPJ—A型翻拋機設(shè)計方案正是在綜合滾筒式與鏈板式優(yōu)點的基礎(chǔ)上提出的。

2.2 FPJ—A型翻拋機主要技術(shù)參數(shù)和栽培基質(zhì)參數(shù)

2.3 FPJ—A型翻拋機結(jié)構(gòu)特點

2.3.1 工作原理與結(jié)構(gòu)。FPJ—A型翻拋機在鏈板前方通過支架連接翻拋滾筒，鏈板與滾筒通過液壓缸實現(xiàn)升降。翻拋作業(yè)時，物料在被鏈板翻動之前先經(jīng)過滾筒的橫向攪拌，這樣可以達到更好的翻拋、攪拌效果。解決了鏈板式翻拋機翻拋效果好，但無法實現(xiàn)物料之間的橫向攪拌混合；滾筒式翻拋機橫向攪拌混合效果好，但攪拌深度淺的問題。

2.3.2 傳動系統(tǒng)。在農(nóng)用機械中，翻拋裝置大都采用鏈傳動的方式，傳動效率低，傳動裝置龐大復(fù)雜，行走系統(tǒng)一般由電機驅(qū)動。該設(shè)計的動力傳動由變頻電機帶動液壓泵轉(zhuǎn)動，液壓油進而被帶動進入各個液壓馬達以及液壓缸，4個行走輪的動力、翻拋滾筒以及鏈輪的轉(zhuǎn)動均由液壓馬達帶動，液壓缸實現(xiàn)滾筒升降。液壓傳動效率高，傳動較平穩(wěn)，可實現(xiàn)無極調(diào)速，也可以為整機設(shè)計提供方便。

2.3.3 換槽作業(yè)。目前大都采用移行車或者鋪設(shè)軌道的辦法換槽，增加生產(chǎn)成本的同時并沒有帶來便利，該設(shè)計在每對軌道行走輪的前方都裝有可伸縮的地面行走輪，這樣可避免借助輔助設(shè)備換槽帶來的種種麻煩，利用自動更換車輪的方式來實現(xiàn)翻拋機在地面上的行走。翻拋作業(yè)時，地面行走輪收縮，軌道輪發(fā)揮作用，需要換槽時，地面行走輪伸出，可在地面任意行走。

2.3.4 防護系統(tǒng)。在鏈板前端底部裝有2個對稱的支撐轉(zhuǎn)向輪，鏈板兩側(cè)對稱裝有兩對導(dǎo)向輪，導(dǎo)向輪的彈性與旋轉(zhuǎn)可以防止鏈板在工作過程中與槽壁的擠壓、摩擦。

2.3.5 自動化程度。采用半自動化設(shè)計，鏈板前端底部裝有2個對稱的支撐轉(zhuǎn)向輪，工作時駕駛?cè)藛T通過方向盤控制整車轉(zhuǎn)向，操作靈活，運轉(zhuǎn)方便。

3 栽培基質(zhì)信息采集與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

實際操作時，翻拋機在發(fā)酵槽上不斷移動、翻拋，要求現(xiàn)場不能有過多的電纜、導(dǎo)線暴露在外，因此采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，利用溫度傳感器、水分傳感器對基質(zhì)進行信息采集，可精確反應(yīng)基質(zhì)發(fā)酵過程中的參數(shù)變化，通過上位機監(jiān)測平臺顯示實時數(shù)據(jù)變化，PLC輔助繼電器控制翻拋機的各種動作，調(diào)節(jié)肥料的溫度、水分含量和通風(fēng)供氧量。此種傳輸方式經(jīng)濟、高效，抗干擾性強。

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)基本組成

下位機由溫度水分采集模塊、主控模塊、無線通訊模塊、顯示模塊、電源模塊等部分組成；上位機包括無線模塊、串口通訊模塊、溫度水分顯示模塊以及數(shù)據(jù)存儲模塊等組成。選用組態(tài)軟件實現(xiàn)上位機功能，人機界面友好，方便操作[9]。

硬件系統(tǒng)包括：土壤水分傳感器、土壤溫度傳感器、氧分析儀、RS485集線器、Zigbee發(fā)送模塊、Zigbee接收模塊。

3.2 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)

由于系統(tǒng)監(jiān)測范圍小，監(jiān)測站點多，因此選擇適合于多個傳感器之間通信的ZigBee協(xié)議，可靠而且經(jīng)濟[10]。在系統(tǒng)設(shè)計中選擇眾多傳感器節(jié)點密集部署于監(jiān)控區(qū)域，通過溫度傳感器、水分傳感器采集溫度、水分信號，用氧分析儀測量基質(zhì)的含氧量，來實現(xiàn)全程監(jiān)控。整個系統(tǒng)覆蓋300個監(jiān)測點，共5個發(fā)酵槽，每個發(fā)酵槽有50個溫度監(jiān)測節(jié)點，10個水分監(jiān)測節(jié)點。由數(shù)據(jù)采集模塊處理現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)，處理后的數(shù)據(jù)通過串口傳送給Zigbee發(fā)送模塊，Zigbee發(fā)送模塊通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)上傳給Zigbee接收模塊，接收模塊通過以太網(wǎng)上傳到上位機。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

控制系統(tǒng)主要核心模塊選用高可靠性的PLC模塊，系統(tǒng)的噴霧、鼓風(fēng)、翻拋功能均采用變頻器進行速度控制，噴霧、鼓風(fēng)等輔助設(shè)備均安裝于翻拋機上，滾筒的旋轉(zhuǎn)，鏈板升降，鏈輪以及行走輪的旋轉(zhuǎn)均由PLC輸出信號控制。PLC控制過程如圖4所示。

每個發(fā)酵槽均有5個斷面，每個斷面內(nèi)都裝有溫度傳感器與水分傳感器，將橫向的5個斷面中的傳感器都連接到一起再連接采集器、集線器以及Zigbee構(gòu)成一個總斷面，每個這樣的總斷面連接一個控制柜，控制柜接線圖如圖5所示。

3.3 組態(tài)軟件的開發(fā)

設(shè)計要求通過組態(tài)軟件可以獲得栽培基質(zhì)發(fā)酵過程中的主要工藝參數(shù)數(shù)值，并根據(jù)數(shù)值得到實時變化曲線，同時上位機根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)自動控制通風(fēng)裝置、噴霧裝置以及翻拋機的前進、后退、翻拋、升降等動作。

由圖6可以看出，計算機界面上有各個組態(tài)功能鍵。點擊監(jiān)測界面按鍵，進入實時監(jiān)控的界面（圖7）。

由圖7可知，發(fā)酵槽內(nèi)的物料總共有3種用途，即用于培育花卉或者果樹的基質(zhì)或者直接施與土壤用作肥料。開啟車間控制系統(tǒng)之前，首先選擇物料的種類，1～5號發(fā)酵槽中分別放有不同種類的物料，點擊啟動后，系統(tǒng)進入發(fā)酵過程，待發(fā)酵結(jié)束后，對翻拋機可選擇暫?；蛘邚?fù)位動作，點擊進料或出料按鈕可控制運輸機的進料、出料動作。此畫面可以顯示監(jiān)測到的溫度數(shù)據(jù)以及水分數(shù)據(jù)，點擊每個斷面均可生成一張數(shù)據(jù)報表，并生成曲線，每一時刻數(shù)據(jù)都不同，溫度高于50 ℃數(shù)據(jù)會呈紅色顯示，并會產(chǎn)生報警。數(shù)據(jù)報表如圖8所示，報警界面如圖9所示。

4 結(jié)束語

FPJA型翻拋機綜合了滾筒式與鏈板式2種翻拋機的優(yōu)勢，并且在翻拋機的傳動系統(tǒng)、防護系統(tǒng)以及換槽作業(yè)方面作出了較大的改進，解決了傳統(tǒng)翻拋作業(yè)的攪拌均勻性和粉碎性差、生產(chǎn)效率低、勞動強度大、作業(yè)成本高等諸多問題。并且將翻拋機與堆肥智能發(fā)酵系統(tǒng)相結(jié)合，研制了一種能實現(xiàn)智能控制物料的發(fā)酵工藝參數(shù)、并能自動定位堆體、自動調(diào)整翻拋的速度、深度、位置等功能的加工機械裝備系統(tǒng)，在我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面具有較大的意義。