基于PLC控制的固液分離機設計與試驗

褚 斌, 齊自成， 韓夢龍， 李寒松， 孫立剛

(山東省農業(yè)機械科學研究院， 濟南 250100)

項目來源： 山東省科技發(fā)展計劃項目(2015GNC112002)； 十三五國家重點研發(fā)計劃(2016YFD0800604)

基于PLC控制的固液分離機設計與試驗

褚 斌, 齊自成， 韓夢龍， 李寒松， 孫立剛

(山東省農業(yè)機械科學研究院， 濟南 250100)

文章使用SolidWorks設計了一種螺旋擠壓式固液分離機，對進料系統(tǒng)、卸料系統(tǒng)、濾網、螺旋絞龍等進行創(chuàng)新設計，并加入了PLC控制器和傳感器，對整機的電控系統(tǒng)進行閉環(huán)控制。樣機制作完成后在養(yǎng)牛場進行了試驗驗證，各項指標均達到或超過現有固液分離機的水平。結果表明：該機具有進料效果好、不堵塞，PLC智能控制、操作簡便、可通過更換不同間隙的濾網從而用于不同的畜禽糞便、易損件更換方便、固液分離率高等優(yōu)點，適合各種畜禽養(yǎng)殖場的使用。

固液分離； PLC； 螺旋擠壓； 懸浮式濾網； solidworks

隨著現代人們生活水平的提高，以及飲食結構的調整，對肉、蛋、奶的需求成倍增加，因此養(yǎng)殖業(yè)得以快速發(fā)展，伴隨而來的是大量畜禽糞便的產生。目前養(yǎng)殖業(yè)清理畜禽糞便普遍采用水沖(泡)糞方式，消耗大量的水資源，導致大量的畜禽糞便污水排放[1]。養(yǎng)殖業(yè)產生的畜禽糞便已成為環(huán)境污染的重要來源[2]。對畜禽糞便進行無害化處理，利用分離出的糞便污水制備沼氣，固體廢棄物制作有機肥，實現資源化利用是解決畜禽糞便帶來的大氣、水資源、農田等污染問題的有效途徑。

固液分離裝備是對畜禽糞便無害化處理，實現資源化利用的關鍵設備，現有固液分離設備主要是針對水沖(泡)糞方式的畜禽糞便的固液分離，喂入易產生架橋阻塞、固體產出物含水率高、自動化程度低、效率低[3]。目前現有的固液分離機采用定直徑定螺距螺旋擠壓、出口采用杠桿加錘塊的調整結構，應用在水沖(泡)糞方式的畜禽糞便，固體產出物含水率在60%以上。較高的固體含水率高造成液體分離物制沼氣的效率降低，固體分離物的無害化處理難度增加。目前絕大多數現有的畜禽糞便固液分離裝備只適用于水沖(泡)糞處理方式，不適于畜禽糞便的直接固液分離[4]。隨著畜牧業(yè)生態(tài)化和福利化養(yǎng)殖需求的提升,畜禽干清糞便直接處理的方式具有節(jié)約水資源、便于進一步處理的優(yōu)點，將逐漸替代水泡糞、水沖糞的處理方式。

因此設計一種適于規(guī)?；B(yǎng)殖的多種糞便清理方式的固液分離機是客觀需要的，本機的主要創(chuàng)新點為：干清糞便攪拌機構、強制喂入機構、懸浮式條狀楔形濾網、懸臂式螺旋絞龍、固體產出物含水率在線監(jiān)測、伺服電機控制的擋料板壓力調整機構、整機的PLC聯動控制等,用于解決現有固液分離裝備適用范圍窄、喂入易產生架橋阻塞、篩網易堵且需定時沖洗、固體產出物含水率高且不可控、效率低等瓶頸問題，對實現規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場糞便日產、日清處理，減少糞污堆積對環(huán)境的污染，具有重要意義。

1 工作原理與整機結構

1.1 總體結構及工作過程

常用的固液分離方法:一是沉降(由固體重力決定)；二是機械分離,為現在應用最廣泛的技術；三是蒸發(fā)池，這種方法在干旱地區(qū)效果較好；四是絮凝分離,應用化學試劑使微小的懸浮固體迅速地聚集成較大的固體顆粒,進而沉淀分離的方法。這其中以機械分離的脫水效果最好，機械分離設備可分為篩分、離心分離和壓濾 3 種類型，依據不同的工作原理，壓濾分離機分為帶式壓濾和螺旋擠壓[1]。本機采用的機械原理即為螺旋擠壓，它具有結構簡單、操作方便、運行費用低、耗能低，維修管理費用低，更為經濟、環(huán)保的優(yōu)勢[5]。

1.2 總體結構及工作過程

SJFL40A固液分離機基于solidworks三維軟件設計，總體結構如圖1。

1.電控卸料裝置； 2.擠壓筒； 3.擠壓螺旋絞龍焊合； 4.強制進料裝置； 5.第一驅動系統(tǒng)； 6.進料螺旋絞龍焊合； 7.第二驅動系統(tǒng)； 8.支撐座組合； 9.出水口； 10.第三驅動系統(tǒng)圖1 SJFL40A固液分離機結構示意圖

1.3 工作過程

畜禽干清糞便投入到強制進料裝置的錐形料筒中，在強制進料絞龍的推動作用下進入擠壓筒，擠壓筒安裝有螺旋絞龍焊合和濾網焊合，畜禽糞便中的水份透過濾網從排水口流出，固體糞便從電控卸料裝置中卸出，用于后續(xù)的有機肥生產。其中電控卸料裝置、強制進料裝置由PLC進行控制，根據固體物含水率要求自動調整卸料壓力，達到含水率的在線檢測和智能控制。

2 需要解決的關鍵問題及設計參數

2.1 固液分離機設計所要解決的關鍵問題

1)擠壓螺旋結構及運動參數的研究(螺旋結構形式、 直徑、螺距、長徑比、轉速； 2) 不同種類畜禽糞便對篩網的適應性研究； 3) 驅動系統(tǒng)及工作部件使用壽命的研究； 4) 電控卸料裝置的研發(fā)(出料錐體結構參數、彈簧彈力計算、彈簧壓力調整機構、傳感器布置)； 5)PLC可編程控制器與傳感器、伺服電機控制。

2.2 設計參數

總功率: 7.5 kW；主軸轉速:46 r·min-1；處理能力:2 t·h-1；擠出干物料產量:0.6～1 t·h-1；擠出干物料含水率:47%～60%。

3 結構的創(chuàng)新設計

3.1 強制進料裝置的設計

強制進料裝置采用錐形料筒，糞便在放入錐形筒后，一方面，便于在重力作用下流入擠壓筒；另一方面，強制進料絞龍的葉片與錐形筒內壁成平行構造，螺旋線的布置方式使得物料的推進作用得到加強[6]，實現物料在重力和推力雙重作用下進料(見圖2)。

圖2 強制進料裝置三維圖

3.2 懸浮式濾網固定結構的設計

螺旋絞龍與濾網之間采用小間隙配合，9組橡膠托塊沿圓周方向均勻布置在擠壓筒內壁上，并實現對濾網焊合的托舉和限位作用，軟性橡膠托塊的支撐結構，可以保證設備在運行期間，濾網有一定的浮動空間，可在360°的范圍內進行徑向移動，達到濾網與螺旋絞龍之間的間隙最小且不會損壞濾網的目的(見圖3)。

3.3 對開式條狀楔形濾網的設計

條狀楔形篩網由彼此平行的不銹鋼條焊接組成[7](見圖4)。條狀楔形篩網生產時是平面的，然后使用工裝卷成圓柱形，外面焊上保持架，平行的不銹鋼條之間形成楔形的空間，內壁縫隙小，外壁縫隙大，既起到了良好的過濾效果，又實現了自身優(yōu)異的自清潔作用[8]。

圖3 懸浮式濾網固定結構三維圖

條狀楔形篩網的外壁上焊有保持架和導軌，整體強度提高，使用壽命相比傳統(tǒng)的圓筒篩大大延長[9]，也便于裝卸和日常保養(yǎng)。

條狀楔形篩網的楔形空間結構不易堵塞畜禽糞便，配合螺旋葉片的清掃功能，實現濾網的自清潔作用。

條狀楔形篩網的不銹鋼條，厚度大于傳統(tǒng)的薄板沖孔篩，因此在遇到糞便中的石子、砂礫、玻璃等硬度較高的異物時能夠起到很好的抗研磨作用[10]。

圖4 對開式條狀楔形濾網三維圖

條狀楔形濾網的不銹鋼條間隙可焊接成不同的間距，比如：間隙0.5 mm，適用于奶牛糞、豬糞；間隙0.75 mm，適用于雞糞、兔糞；間隙1 mm，適用于肉牛糞[11]。

3.4 懸臂式螺旋絞龍的設計

減速機通過安裝法蘭固定于擠壓筒上，螺旋絞龍的一端與減速機直連，另一端沒有采用傳統(tǒng)的軸承座支撐結構，采取懸空結構，因此螺旋絞龍形成獨特的懸臂結構，規(guī)避了傳統(tǒng)結構中，軸承座設置在出料口處，造成擋料，軸承座易受污染損壞率高的缺陷[12]。新型的懸臂式螺旋絞龍結構也便于電控卸料裝置的布置。是整機實現在線檢測、智能化控制的關鍵結構(見圖5)。

圖5 懸臂式螺旋絞龍三維圖

3.5 電控卸料裝置的設計

伺服電機通過行星減速機放大扭矩，并通過聯軸器與T型螺紋螺桿連接，通過PLC控制電機的正、反轉及轉動速度。T型螺紋螺桿的旋轉，使得彈簧壓板沿著導向柱移動，同時壓縮彈簧，隨著彈簧的壓縮，彈簧對錐形卸料擋板的壓力隨之增大，從而增加對物料的擠壓力，最終控制擠壓物料的含水率。在卸料板處安裝有水份和壓力傳感器，傳感器測得的數據傳入PLC，通過數據的轉化，最終與電機的運轉形成閉環(huán)控制(見圖6)。

圖6 電控卸料裝置三維圖

3.6 錐形卸料擋板的設計

不同于傳統(tǒng)的平板式擋料板，錐形卸料擋板在關閉時提供了更好的密閉性[13]，卸料時，物料沿錐面出料，緩解物料的堆積，避免堵料的發(fā)生(見圖7)。

圖7 錐形卸料擋板三維圖

3.7 基于PLC整機電路控制系統(tǒng)的設計

電控系統(tǒng)采用了：三菱FX2N-64MT-001可編程控制器，三菱GS2107-WTBD工業(yè)彩色觸控屏，D-75開關電源，FX2N-2AD轉換器。

驅動系統(tǒng)采用了：86全閉環(huán)高速伺服步進電機、兩級減速的行星減速器。

傳感器系統(tǒng)采用了：水分傳感器、壓力傳感器以及DYBSQ-001傳感器變送器。

由以上3個系統(tǒng)組成了全閉環(huán)控制的電控系統(tǒng)，實現整機一鍵啟停，全彩色液晶操控界面，設定目標含水率后可實現無人值守操作。

4 固液分離機的試驗

SJFL40A固液分離機試制成功后，于 2016年5月在寶和養(yǎng)牛場進行樣機試驗。

4.1 試驗條件及結果

試驗所采用的原料為肉牛糞，干清糞狀態(tài)，含水率：69.3%。

試驗過程通過調整錐形擋料板的開啟壓力，即擠壓力，來驗證不同擠壓力下對擠出物含水率的影響，主要試驗數據如表1所示。

表1 不同擠壓力下的試驗數據

4.2 試驗結果分析

經過試驗，SJFL40A固液分離機在處理牛場鮮牛糞時，在不加水的情況下可以直接實現固液分離，設備運轉正常。處理后的固體分離物含水量可調，產量穩(wěn)定，滿足設計要求。

5 結論

該機從設計之初就針對畜禽干清糞便的固液分離進行了大量市場調研和前期研究，干清糞便通過本機可以實現有效的固液分離，分離物的固體含水率范圍在45%～60%之間，滿足后續(xù)有機肥制備的要求。節(jié)約了大量水資源，保護環(huán)境不受污水的二次污染，符合節(jié)能減排的社會要求。并且分離出的廢水可用于制備沼氣，固體廢棄物可用于制備有機肥。

PLC可編程控制器和水份、壓力傳感器的加入，讓整機實現了固體分離物含水量的在線檢測和整機聯動控制，可以實現設定目標含水率后一鍵操作，操作簡便、智能、效率高。

可編程控制器通過采用彩色液晶觸控面板，整個操作過程形象直觀，只需簡單培訓即可上手操作。

此機同時配備虛擬按鍵和實體按鍵，互為備用，保障設備的安全運行。

[1] 楊柏松, 關正軍.畜禽糞便固液分離研究[J].農機化研究, 2010(2):223-229.

[2] 劉艷豐,瑪依拉·艾尼,唐淑珍,巴音巴特,王文奇. 畜禽糞便污染現狀及其治理[J].草食家畜,2010,04:47-49.

[3] 張海琨, 侯敏杰, 劉 鑫, 等. 糞便固液分離機的設計與試驗研究[J].農村牧區(qū)機械化, 2011(6):18-20.

[4] 王 宇. 畜禽糞便固液分離機技術參數的優(yōu)化設計與分析[J].農業(yè)裝備與車輛工程, 2014, 52(2):37-40.

[5] 林代炎, 翁伯琦. 固液分離機研制與應用效果[J].中國沼氣, 2007, 25(1):31-34.

[6] 朱德文, 陳永生, 杜 靜, 等. SHJ-400型水葫蘆固液分離機設計與性能試驗[J].農機化研究, 2011(4):79-84.

[7] Garcia H，Rico C，Garcia P A，et al．Flocculants effectin biomass retention in a UASB reactor treating dairy manure[J]．Bioresource Technology，2008，99: 6028-6036．

[8] HaraldAnlauf．Recent developments in centrifuge technology[J]．Separation and Purification Technology，2007，58: 242-246．

[9] A Kunz，R L R Steinmetz，M A Ramme，A Coldebella．Effect of storage time on swine manure solidseparationefficiencybyscreening[J]．Bioresource Technology，2009，100:1815-1818．

[10] Marcy Ford，Ron Fleming．Mechanical Solid- LiquidSeparation of Livestock Manure Literature Review[D]．Toronto: University of Guelph，2002．

[11] Zhang R H，Westerman P W．Solid-liquid separation ofanimal manure for odor controland and nutrient management[J]．American Society of Agricultural Engineers，1997，13(5) : 657-664．

[12] 關正軍，李文哲，楊柏松，等．牛糞螺旋壓榨固液分離工參數優(yōu)化[J]．農業(yè)工程學報，2010，26(12) : 276-279．

[13] 楊明珍，楊德武，聶 鑫，等．變徑螺旋壓榨理論研究[J]．過濾與分離，2004，14(3) : 12-14．

DesignandTestofSolid-liquidSeparatorBasedonthePLCControl

/CHUBin，QIZi-cheng，HANMeng-long，LIHan-song，SUNLi-gang

/(ShandongAcademyofAgriculturalMachinerySciences，Jinan250100，China)

A screw extruded solid-liquid separator was designed by using SolidWorks. Its feeding system, discharging system, the filter screen, the screw, etc, were innovatively designed, and the PLC controller and sensor were added for closed-loop control. The test verification of prototype was carried out in a cattle farm. The result showed that all the indicators reached or exceeded the level of present solid-liquid separators. The designed separator was in advantages of good feeding, no blockage, PLC intelligent control, easy operation, and could be used for different livestock manure or poultry manure by changing the filter with different mesh, easy replacement of wearing parts, high solid-liquid separation rate.

solid-liquid separation; PLC; spiral extrusion; suspended filter; Solidworks

2016-10-10

2016-12-29

褚 斌(1985- )，男，山東棗莊人，工程師，主要從事畜牧機械和農產品加工機械設計研發(fā)工作，E-mail:15624560968@163.com

齊自成，E-mail:qizicheng@sina.com

S216.4; S224.21

B

1000-1166(2017)05-0039-04