新型有機(jī)肥轉(zhuǎn)化裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張艷麗， 牛國(guó)玲， 劉志忠， 陶 然

(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007)

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新型有機(jī)肥轉(zhuǎn)化裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張艷麗， 牛國(guó)玲*， 劉志忠， 陶 然

(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007)

針對(duì)目前有機(jī)肥轉(zhuǎn)化裝置的衛(wèi)生性和自動(dòng)化程度，提出一種基于MCGS通用監(jiān)控系統(tǒng)與PLC控制技術(shù)相結(jié)合的有機(jī)肥轉(zhuǎn)化裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)由PLC實(shí)現(xiàn)控制功能，由MCGS組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢及參數(shù)設(shè)定等功能。實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可操作性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，對(duì)我國(guó)城市生活垃圾的減量化和資源化利用的研究有著積極意義，且該裝置有一定經(jīng)濟(jì)效益，具有推廣價(jià)值。

PLC；MCGS；有機(jī)肥；控制系統(tǒng)；自動(dòng)化

隨著城鎮(zhèn)化水平的不斷發(fā)展，居民生活水平也在不斷提高，生活垃圾也越來(lái)越多，如何處理這些垃圾成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題[1]。常見的生活垃圾處理方法有堆肥、焚燒和填埋等[2-3]，但是這些方式不僅占地面積大而且也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成很大的危害。也有在居民家中處理生活垃圾的方法，一般采用廚余垃圾發(fā)酵桶，其完全依賴人工手動(dòng)操作，過(guò)程繁瑣，自動(dòng)化程度低，發(fā)酵周期長(zhǎng)，過(guò)度依靠人力，有異味產(chǎn)生，極不衛(wèi)生且發(fā)酵成功率低。華中科技大學(xué)武昌分校生物與化學(xué)系的張小菊等[4]研發(fā)了一種利用微生物厭氧發(fā)酵處理餐廚垃圾產(chǎn)生沼氣的方法；北京工業(yè)大學(xué)循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究院的徐鵬等[5]對(duì)餐廚垃圾在能源生產(chǎn)中的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行了研究，總結(jié)了利用餐廚垃圾生產(chǎn)甲烷、氫氣、燃料酒精、生物柴油、生物炭等的研究進(jìn)展。針對(duì)目前有機(jī)肥轉(zhuǎn)化裝置的衛(wèi)生性和自動(dòng)化程度，筆者提出一種基于MCGS通用監(jiān)控系統(tǒng)與PLC控制技術(shù)相結(jié)合的有機(jī)肥轉(zhuǎn)化裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以期為我國(guó)城市生活垃圾的減量化和資源化利用的研究提供參考。

1　有機(jī)肥轉(zhuǎn)化裝置的功能改進(jìn)

廚余垃圾發(fā)酵桶是市場(chǎng)上現(xiàn)有的有機(jī)肥轉(zhuǎn)化裝置，其硬件部分包括桶體、濾網(wǎng)和桶蓋。桶體用來(lái)承裝需要發(fā)酵的廚余垃圾，作為容器；濾網(wǎng)用來(lái)分隔廚余堆肥雜質(zhì)和堆肥液；桶蓋用來(lái)密封，防止桶內(nèi)發(fā)酵產(chǎn)生的異味散出。廚余垃圾發(fā)酵桶處理過(guò)程如下：① 材料備好后，對(duì)其進(jìn)行人工碎塊或剝碎處理；②在廚余發(fā)酵桶底部鋪上吸油紙或舊報(bào)紙；③在吸油紙或舊報(bào)紙上先均勻地鋪一層發(fā)酵菌糠，而后放入適量處理好的廚余垃圾，在其上面再鋪放一層發(fā)酵菌糠，循環(huán)此操作步驟，直至發(fā)酵桶裝滿；④將蓋子蓋緊進(jìn)行密封發(fā)酵，在停止填料的第7天，可以收取桶底的有機(jī)肥液，應(yīng)1～2 d收取1次；⑤第10～15 天后，桶內(nèi)順利長(zhǎng)出白色或偏紅色的菌絲，發(fā)酵成功；⑥第15～20天后，可將桶內(nèi)發(fā)酵物全部倒出作為基底肥埋入土中或封存裝袋留作備用。分析該過(guò)程后，發(fā)現(xiàn)廚余垃圾發(fā)酵桶可以很好地將廚余垃圾發(fā)酵為固態(tài)有機(jī)肥和液態(tài)有機(jī)肥，但處理過(guò)程中缺少滅菌步驟，廚余垃圾自身攜帶的病菌會(huì)增加發(fā)酵的失敗率，若桶蓋的密封不理想將會(huì)直接導(dǎo)致發(fā)酵失敗，浪費(fèi)時(shí)間和資源。為此，筆者對(duì)廚余垃圾發(fā)酵桶的功能進(jìn)行革新設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的加工過(guò)程如圖1所示。該設(shè)計(jì)在廚余垃圾發(fā)酵桶原有的功能基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行完善，加入了滅菌、投菌、控溫、采集有機(jī)肥液、出固態(tài)有機(jī)肥和排發(fā)酵廢氣等功能。

2　控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1PLC主程序設(shè)計(jì)在DVP-32EH系列的PLC編程軟件WPLSoft 2.41內(nèi)進(jìn)行程序編寫及仿真。利用溫度傳感器采集裝置內(nèi)部溫度信息上傳至上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)中相關(guān)寄存器的設(shè)置也可以對(duì)溫度上下限、合格溫度及各類定時(shí)進(jìn)行設(shè)定。對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行分析后繪制出流程圖，如圖2所示。

2.2MCGS上位機(jī)遠(yuǎn)程系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)MCGS遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控和操作控制2個(gè)部分組成。監(jiān)控部分包括轉(zhuǎn)化裝置的運(yùn)行狀態(tài)、裝置內(nèi)部溫度及發(fā)酵完全提示等。操作控制部分包括粉碎、出料、出液、參數(shù)設(shè)定及復(fù)位。粉碎是用來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)化裝置粉碎機(jī)構(gòu)的按鍵，對(duì)入料斗內(nèi)的發(fā)酵材料進(jìn)行粉碎處理，并將其送至發(fā)酵箱；在發(fā)酵計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，PLC會(huì)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，此時(shí)單擊出料和出液按鍵是用來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)化裝置中的出料機(jī)構(gòu)和出液機(jī)構(gòu)的，啟動(dòng)出料機(jī)構(gòu)或出液機(jī)構(gòu)會(huì)將發(fā)酵箱內(nèi)的固態(tài)有機(jī)肥或液態(tài)有機(jī)肥取出；參數(shù)設(shè)定是對(duì)該系統(tǒng)內(nèi)需要設(shè)定的粉碎時(shí)間、滅菌時(shí)間、冷卻時(shí)間、發(fā)酵時(shí)間、合格溫度及溫度上下限的設(shè)定；復(fù)位是在轉(zhuǎn)化裝置完成一次加工后，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作，開始下一輪加工。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)并同步裝置的運(yùn)行狀態(tài)及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)參數(shù)，當(dāng)運(yùn)行數(shù)據(jù)超出正常運(yùn)行范圍，自動(dòng)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)給PLC，顯示報(bào)警數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化裝置的可視化、智能化控制。MCGS操作簡(jiǎn)便、功能強(qiáng)大，具有很高的可靠性和實(shí)用性。MCGS上位機(jī)中有機(jī)肥轉(zhuǎn)化裝置監(jiān)控系統(tǒng)的主界面如圖3所示。

圖1　加工過(guò)程Fig. 1 The machining process

圖2　主程序流程Fig. 2　The flow chart of main program

在MCGS的運(yùn)行策略中創(chuàng)建循環(huán)策略，在腳本程序中編寫的轉(zhuǎn)化裝置的控制程序如下：

IF 內(nèi)部溫度 > 40 THEN

溫度過(guò)高 = 1

ELSE

溫度合格 = 1

ENDIF

IF M110 = 1 THEN

IF 內(nèi)部溫度 < 合格溫度 THEN

M73 = 1

ELSE

M73 = 0

ENDIF

ENDIF

該程序是對(duì)冷卻過(guò)程和控溫過(guò)程中檢測(cè)到內(nèi)部溫度的判斷，根據(jù)不同判斷結(jié)果發(fā)出不同的動(dòng)作信號(hào)，實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)部溫度的自動(dòng)控制。

圖3　監(jiān)控系統(tǒng)的主界面Fig. 3　The main interface of monitoring system

2.3模擬量設(shè)備通道的連接模擬量設(shè)備通道的連接就是將PLC中的通道參數(shù)與MCGS組態(tài)軟件中數(shù)據(jù)變量進(jìn)行連接，從而將設(shè)備中的數(shù)據(jù)送入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的指定數(shù)據(jù)對(duì)象或?qū)?shù)據(jù)對(duì)象的值送入設(shè)備指定的通道輸出，當(dāng)通道連接完成后再進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試[6]。該系統(tǒng)的設(shè)備編輯窗口如圖4所示。

圖4　設(shè)備編輯窗口Fig. 4　The equipment editor window

3　轉(zhuǎn)化裝置的三維仿真及系統(tǒng)測(cè)試

3.1轉(zhuǎn)化裝置的三維仿真根據(jù)有機(jī)肥轉(zhuǎn)化裝置的功能分析，參考相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)該裝置進(jìn)行三維仿真設(shè)計(jì)，采用的三維軟件是Pro/e，仿真結(jié)果如圖5所示。其中包含入料斗、粉碎機(jī)械、滅菌箱、滅菌器、投菌口、發(fā)酵箱、濾網(wǎng)、集液箱、排氣管、機(jī)架、電機(jī)支架、電機(jī)及螺旋推進(jìn)器。

預(yù)期工作過(guò)程：從入料斗上開口投入材料，由下口進(jìn)入粉碎機(jī)械進(jìn)行粉碎，粉碎后的小塊材料落入滅菌箱，待所有材料處理完成，開啟滅菌器對(duì)材料滅菌，滅菌后冷卻，檢測(cè)內(nèi)部溫度合格后，在投菌口投放適量菌糠，由電機(jī)帶動(dòng)螺旋推進(jìn)器將滅菌箱內(nèi)的材料與菌糠送至發(fā)酵箱，開始發(fā)酵過(guò)程，在該過(guò)程中對(duì)內(nèi)部溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，溫度過(guò)低時(shí)，開啟加熱裝置，溫度達(dá)到一定值時(shí)，停止升溫，將溫度始終保持在一個(gè)適宜發(fā)酵菌的范圍內(nèi)，發(fā)酵結(jié)束后，由電機(jī)帶動(dòng)螺旋推進(jìn)器將發(fā)酵箱內(nèi)的固態(tài)肥取出，打開電磁閥放出集液箱內(nèi)的液態(tài)肥，完成一次加工。

圖5　有機(jī)肥轉(zhuǎn)化裝置Pro/e圖Fig. 5　The Pro/e diagram of conversion device of organic fertilizer

3.2系統(tǒng)調(diào)試有機(jī)肥轉(zhuǎn)化裝置控制系統(tǒng)包括電氣部分(圖6)和程序部分，電氣部分包含空氣開關(guān)、24 V直流穩(wěn)壓電源、DVP-32EH系列PLC、昆侖通態(tài)觸摸屏、溫度傳感器、中間繼電器及若干導(dǎo)線；程序部分包括PLC的梯形圖程序和MCGS組態(tài)軟件程序。

圖6　電氣部分Fig. 6　Electrical component

調(diào)試步驟如下：第1步，接通電源，打開急停開關(guān)；第2步，檢查PLC和觸摸屏的得電情況；第3步，在觸摸屏上點(diǎn)擊“進(jìn)入”，從開機(jī)界面跳轉(zhuǎn)至主界面，在主界面內(nèi)點(diǎn)擊“參數(shù)設(shè)定”跳轉(zhuǎn)至參數(shù)設(shè)定界面，對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，滅菌定時(shí)、冷卻定時(shí)、合格溫度、發(fā)酵定時(shí)分別輸入10、2、37、15，點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”后，點(diǎn)擊“返回上一層”。參數(shù)設(shè)定界面如圖7所示；第4步，點(diǎn)擊粉碎，彈出粉碎定時(shí)窗口，設(shè)定數(shù)值后，點(diǎn)擊確認(rèn)，彈出投菌量選擇窗口，確認(rèn)后，窗口自動(dòng)關(guān)閉，此時(shí)對(duì)應(yīng)流程圖，查看PLC的I/O指示燈和主界面內(nèi)各工序?qū)?yīng)的指示燈點(diǎn)亮的順序；第5步，在發(fā)酵定時(shí)即時(shí)結(jié)束后，在主界面內(nèi)會(huì)顯示“出料”、“出液”和“復(fù)位”，點(diǎn)擊“出料”和“出液”會(huì)進(jìn)行出料和出液動(dòng)作，相應(yīng)指示燈會(huì)亮起，點(diǎn)擊“復(fù)位”后，觸摸屏?xí)灵_機(jī)界面；第6步，關(guān)閉空氣開關(guān)，停止供電；最后，切斷電源，系統(tǒng)調(diào)試完成。在有機(jī)肥轉(zhuǎn)化裝置運(yùn)行試驗(yàn)過(guò)程中，遇到了許多需要注意的問(wèn)題，在解決問(wèn)題中也完善了設(shè)計(jì)上的不足之處，運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)肥轉(zhuǎn)化裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案具有可行性。

圖7　參數(shù)設(shè)定界面Fig.7　Interface of parameter setting

4　結(jié)論

生活垃圾處理已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)面臨的重大挑戰(zhàn)，作為一種可再生能源，如何將其資源化、合理化利用已成為社會(huì)熱點(diǎn)話題。目前，現(xiàn)有的生活垃圾處理設(shè)備功能簡(jiǎn)單，操作過(guò)程繁瑣，依賴大量人力，且不衛(wèi)生，而該研究設(shè)計(jì)的新型有機(jī)肥轉(zhuǎn)化裝置的控制系統(tǒng)提高了現(xiàn)有設(shè)備的衛(wèi)生性和自動(dòng)化程度，其應(yīng)用了PLC和MCGS組態(tài)軟件相結(jié)合的高級(jí)技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行革新改進(jìn)，加入了新的功能，可操作性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，且運(yùn)行穩(wěn)定。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功，對(duì)我國(guó)城市生活垃圾的減量化和資源化利用的研究有著積極意義，具有一定經(jīng)濟(jì)效益，可大面積推廣。

[1] 李鳳美.生活垃圾產(chǎn)生的沼氣發(fā)電之經(jīng)濟(jì)分析[J].中國(guó)集體經(jīng)濟(jì)，2016(7)：9-10.

[2] 李化山,于光輝,李詩(shī)剛,等.餐廚垃圾與園林植物廢棄物混合堆肥工藝研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,42(28):9745-9748.

[3] 錢棟.城市生活垃圾焚燒處理及其污染控制研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,43(9):261-263.

[4] 張小菊,李橫江,楊娟,等.餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的初步探究[J].湖北師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2015,35(1)：96-99.

[5] 徐鵬,穆獻(xiàn)中.餐廚垃圾在能源生產(chǎn)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,36(5)：12-16.

[6] 王云剛,陳文燕.基于MCGS和PLC的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2014，33(1):96-98.

Design and Realization of Control System of New Organic Fertilizer Conversion Device

ZHANG Yan-li, NIU Guo-ling*, LIU Zhi-zhong et al

(Mechanical Engineering Institute of Jiamusi University, Jiamusi, Heilongjiang 154007)

In order to improve the health and automation of the organic fertilizer conversion device, we proposed a control system of organic fertilizer conversion device, including control function by PLC, data monitoring and querying by MCGS. Experiments and applications showed that the design realized the real-time monitoring of equipment, and had strong maneuverability and high automation. It reduced the living garbage in cities. Use of urban living garbage research had positive significance, and had certain economic benefits. This device had promotion value.

PlC; MCGSS; Organic fertilizer; Control system; Automation

黑龍江大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510222037);佳木斯大學(xué)教育教學(xué)研究項(xiàng)目(2016JL1004);田間作業(yè)裝備創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(cxtd-2013-01);國(guó)家基金青年項(xiàng)目(61203052);黑龍江省教育廳科研項(xiàng)目(12521539)。

張艷麗(1974- )，女，黑龍江巴彥人，講師，博士，從事農(nóng)業(yè)電氣化研究。*通訊作者，副教授，碩士，從事農(nóng)業(yè)電氣化研究。

2016-07-01

S 22

A

0517-6611(2016)21-222-03