病死畜禽無害化處理機(jī)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)設(shè)計

聞霞 賴森財 任雯

摘要：? 針對當(dāng)前病死畜禽尸骸等有機(jī)廢棄物處理中存在的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化管理與控制水平低等問題，本文為基于高溫生物發(fā)酵處理方法的無害化處理機(jī)械裝備設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。采用錘擊功能的組合式破碎刀具快速粉碎牛、羊、豬等大型病死畜禽尸骸，通過搭建兩層分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和在線故障診斷等功能。以三菱FX3GE可編程控制器及智能儀表為核心設(shè)計了全自動數(shù)字化控制系統(tǒng)硬件方案，給出編程軟件組態(tài)配置方法，并根據(jù)工藝要求設(shè)計了無害化處理自動控制算法流程及數(shù)據(jù)采集通信算法，最后將該系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用于FCW系列機(jī)型。實(shí)踐應(yīng)用表明，該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，自動化和網(wǎng)絡(luò)信息化水平高，產(chǎn)出的有機(jī)肥原料環(huán)保無公害，具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：? 病死畜禽; 無害化處理; 高溫生物發(fā)酵; 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng); 可編程控制器; 組合式破碎刀具

中圖分類號： TP272; S851.2+3文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

作者簡介： ?聞霞（1980-），女，碩士，副教授，主要研究方向為機(jī)電一體化。

通信作者： ?任雯（1979-），男，博士，副教授，主要研究方向為智能控制、電路與系統(tǒng)設(shè)計。Email： auwren@foxmail.com

我國畜禽養(yǎng)殖總量位居世界第一，養(yǎng)殖場的畜禽死亡率居高不下。以豬為例，每年成年母豬、中豬及乳豬的死亡率分別為2%～3%，7%～8%及10%[12]，病死畜禽會引發(fā)動物疫病，甚至大規(guī)模的畜禽死亡[3]。及時處理、清潔環(huán)保及合理利用是對病死畜禽無害化處理的必然要求[46]，降低畜禽死亡率并環(huán)保無害化處理病死畜禽尸骸是當(dāng)前智慧綠色畜牧業(yè)的前沿?zé)狳c(diǎn)技術(shù)。丁偉等人[79]分別為畜禽舍設(shè)計了防疫消毒機(jī)器人控制系統(tǒng)、子母式智能化消毒系統(tǒng)和基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能畜禽舍環(huán)境控制系統(tǒng);李傳友等人[1012]介紹了當(dāng)前深埋、化尸窯、焚燒等傳統(tǒng)病死畜禽無害化處理技術(shù)的特點(diǎn)以及在水土、空氣污染等方面存在的挑戰(zhàn);陳金瑞等人[13]分析了病死豬處理的要求和性能指標(biāo)，給出了基于“機(jī)械處理+高溫滅菌+生物發(fā)酵”原理的病死豬無害化處理新方法的設(shè)備選型對策;翟振等人[14]分析了畜禽尸骸無害化處理物對油菜生長及重金屬富集特征的影響，驗證了增施倍量動物尸骸無害化處理物不僅有利于油菜植株的生產(chǎn)，而且對土壤及油菜均安全。許多研究人員基于機(jī)械式高溫滅菌生物發(fā)酵工藝的新型無害化處理裝備展開了初步研究。陳金瑞[15]提出了螺帶式結(jié)構(gòu)和定刀加動刀式結(jié)構(gòu)的處理機(jī)刀具機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案;張應(yīng)林等人[16]設(shè)計了一種適用于大型病死畜禽快速高效切割的組合式破碎刀具;岳桐等人[17]開發(fā)了病死畜禽無害化處理監(jiān)管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對浦東病死畜禽無害化處理全過程的信息化監(jiān)管和分析;胡崢[18]給出了病死禽畜無害化處理設(shè)備電氣控制的設(shè)計方案。基于此，針對傳統(tǒng)病死畜禽無害化處理機(jī)控制系統(tǒng)不具有遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化管理與控制且自動化水平低等存在的問題，本文基于組合式破碎刀具的機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用兩層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，設(shè)計了新型病死畜禽無害化處理機(jī)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。實(shí)踐應(yīng)用表明，該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，自動化和網(wǎng)絡(luò)信息化水平高，產(chǎn)出的有機(jī)肥原料環(huán)保無公害，具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化推廣前景。

1設(shè)計方案

1.1病死畜禽無害化處理工藝

本文采用的病死畜禽無害化處理工藝如圖1所示。該工藝使用機(jī)電一體化設(shè)備對病死畜禽尸骸等有機(jī)廢棄物進(jìn)行分切、絞碎、發(fā)酵、殺菌及干燥，并通過添加專用微生物菌，對有機(jī)廢棄物進(jìn)行發(fā)酵降解，最終轉(zhuǎn)化為無臭無害粉狀的環(huán)保有機(jī)肥料。

1.2結(jié)構(gòu)組成

病死畜禽無害化處理過程中，分切和絞碎環(huán)節(jié)非常重要。針對牛羊豬等大型病死畜禽，一般采用具有錘擊功能的組合式破碎刀具[16，19]，病死畜禽無害化處理機(jī)結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖2所示。該機(jī)構(gòu)主要包括密閉攪拌槽、斬碎單元、主軸電機(jī)、加熱裝置、熱氣管、鼓風(fēng)機(jī)、滑門和V型搗拌組件等，其中組合式斬碎單元包含主軸電機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)軸以及螺旋環(huán)繞其上的側(cè)刃刀、碎擊錘、橫雙刃刀，加熱裝置包括用于加熱鼓風(fēng)機(jī)吸入外部空氣的加熱管和攪拌槽側(cè)面包覆安裝的加熱組件兩部分。

1.3現(xiàn)場總線架構(gòu)

現(xiàn)場總線架構(gòu)如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)主要由基于傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）的以太網(wǎng)和RS-485串行總線組成，分別完成信息管理層和現(xiàn)場設(shè)備層中設(shè)備間的通信。

單臺病死畜禽無害化處理機(jī)以可編程控制器（programmable logic controller，PLC）[2021]為主控制器，PLC通過RS-485串行總線與觸摸屏和模擬量測量儀表和故障診斷模塊，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。無害化處理車間內(nèi)部多臺無害化處理機(jī)通過PLC內(nèi)置的以太網(wǎng)通信接口，基于TCP/IP協(xié)議與上層工程師站、管理員站以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通信。工程師站通過組態(tài)軟件搭建上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，包括主監(jiān)控窗口屬性設(shè)置、設(shè)備驅(qū)動、用戶動畫界面及實(shí)時數(shù)據(jù)庫的組態(tài)等;管理員站通過企業(yè)資源計劃管理軟件完成生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)報表和統(tǒng)計等功能;網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)企業(yè)局域網(wǎng)與Internet云端的連接，完成遠(yuǎn)程網(wǎng)頁瀏覽、控制算法維護(hù)和故障診斷功能。

2現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)計

根據(jù)無害化處理工藝要求，現(xiàn)場設(shè)備層主要包括PLC主控器、人機(jī)交互界面（觸摸屏）、模擬量采集智能儀表、主軸電機(jī)、加熱裝置、自動送料與出料系統(tǒng)、電機(jī)故障監(jiān)測與報警等功能模塊?？刂齐娐吩砣鐖D4所示。

2.1PLC主控制器

主控制器采用三菱新一代PLC，型號為FX3GE-40MR，內(nèi)置支持10BASE-T/100BASE-TX高速通信的以太網(wǎng)接口，無縫接入基于TCP/IP的以太網(wǎng)，與信息管理層交換數(shù)據(jù)。支持基于Web的數(shù)據(jù)監(jiān)測，即可從任意聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)Web瀏覽器讀取PLC信息，設(shè)置關(guān)鍵字保護(hù)，禁止未經(jīng)授權(quán)的設(shè)置訪問。PLC輸入信號名稱和對應(yīng)的輸入變量定義如表1所示。表1中，輸入信號主要包括設(shè)備啟?？刂?、密閉處理槽門蓋開關(guān)控制、料斗和料門開關(guān)控制和狀態(tài)監(jiān)測、主軸/振動篩/輸送帶電機(jī)、風(fēng)機(jī)、油泵、超溫等故障報警信號及電源保護(hù)檢測信號;輸出信號包括風(fēng)機(jī)、加熱管、主軸電機(jī)正/反轉(zhuǎn)、油泵電機(jī)/總閥、自動運(yùn)行/停機(jī)/故障指示燈和聲光報警信號。

2.2模擬量采集智能儀表

宇電智能儀表AI-704采用220 V交流供電，基于AIBUS協(xié)議，通過串口一上位FX3GA-40MR通信，串口一需要選配FX3G-485-BD通信模塊，波特率設(shè)置為9 600 bit/s。AI-704完成主軸電流、料溫和油溫三個模擬量的采集（詳見圖4），主軸電流通過交流變送器MIK-DJI-A變換后輸入AI-704，通過兩路K型熱電偶分別采集料溫和油溫。

2.3主軸電機(jī)

將豬馬牛等尸骸的有機(jī)廢棄物完整地投入攪拌槽內(nèi)，添加加速發(fā)酵的介質(zhì)，PLC控制主軸電機(jī)驅(qū)動組合式碎斬刀單元，在密閉攪拌槽內(nèi)按照控制邏輯正反轉(zhuǎn)交替旋轉(zhuǎn)攪拌，讓廢棄有機(jī)物與發(fā)酵介質(zhì)充分均勻混合。轉(zhuǎn)軸上的漸縮狀橫雙刃刀不僅能反復(fù)斬切有機(jī)廢棄物，還可將有機(jī)廢棄物中骨骼等堅硬不易斬切的部分推卷至槽壁處，夾持在兩壁刃之間，用碎斬刀末端的碎擊錘將其擊碎，通過側(cè)刃刀軸向進(jìn)一步切碎。

3軟件設(shè)計

3.1組態(tài)軟件配置

采用三菱7寸觸摸屏GS2107作為現(xiàn)場人機(jī)交互界面，通過RS-485總線與PLC通信，采用GT Designer3軟件編程實(shí)現(xiàn)監(jiān)控界面顯示、參數(shù)設(shè)置及手動調(diào)試等功能?？刂葡到y(tǒng)的溫度、恒溫時間、主軸電機(jī)正/反轉(zhuǎn)控制邏輯及各階段恒溫時間等參數(shù)可通過工業(yè)觸摸屏/工程師站的系統(tǒng)監(jiān)控界面/參數(shù)設(shè)置界面進(jìn)行交互式設(shè)置。系統(tǒng)試車時，可以通過手動調(diào)試界面對主軸電機(jī)、風(fēng)機(jī)、加熱裝置進(jìn)行調(diào)試。

3.2GX Works2軟件通信配置

首先進(jìn)行連接目標(biāo)頁面設(shè)置。在計算機(jī)側(cè)選擇“Ethernet Board”，雙擊PLC module選項將連接方式選擇為“通過集線器連接”，輸入IP地址，設(shè)置以太網(wǎng)端口，在“以太網(wǎng)端口設(shè)置”選項卡，填寫IP地址，并選擇通道2，協(xié)議選擇TCP，打開方式選擇MC協(xié)議。

3.3宇電儀表數(shù)據(jù)采集程序

宇電智能儀表AI-704采用AIBUS通信協(xié)議，接口電平符合RS-485標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)格式為1個起始位，8位數(shù)據(jù)，無校驗位，1或2個停止位，采用16進(jìn)制數(shù)據(jù)格式表示各種指令代碼及數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)讀指令表達(dá)式為地址代號+52H（82）+要讀的參數(shù)代號+0+0+校驗碼，采用RS2指令讀取AI-704儀表溫度值和電流值。PLC與AI-704通訊梯形圖程序如圖5所示。圖中D8420為設(shè)定通訊格式特殊功能寄存器，M8002為初始化脈沖，M8012為內(nèi)部時鐘，定時時間為100 ms，M8422為RS指令的發(fā)送請求軟元件，M8423為RS2指令接收結(jié)束標(biāo)志位，D0為發(fā)送數(shù)據(jù)的起始軟元件，D10為保存接收數(shù)據(jù)的起始軟元件。通過輪詢參數(shù)程序段，依次向AI-704發(fā)送電流、油溫及料溫測量參數(shù)讀指令，并將接收到的參數(shù)值依次放在以D20為起始軟元件的地址單元。

3.4自動控制算法程序設(shè)計

根據(jù)無害化處理工藝要求，將自動控制程序設(shè)計三個功能模塊，即高溫分切攪碎處理功能模塊，高溫殺菌發(fā)酵處理功能模塊和烘干降溫處理功能模塊。

3.4.1高溫分切攪碎處理功能模塊

本模塊通過主軸電機(jī)驅(qū)動組合式破碎刀具，在密閉處理倉體內(nèi)分切、絞割有機(jī)廢棄物，并采用一組均勻分布于U型處理槽壁內(nèi)的加熱裝置和熱氣管將倉內(nèi)溫度控制于60～80 ℃，實(shí)現(xiàn)專用益生菌大量繁殖發(fā)酵，為下一階段的高溫發(fā)酵降解和無毒殺菌打下基礎(chǔ)。有機(jī)物的臭味基本都是由厭氧菌進(jìn)行厭氧處理有機(jī)物而產(chǎn)生，專用益生菌中大部分種類為好氧菌，通過好氧菌的快速繁殖，占用生存空間和代謝物（有機(jī)酸）達(dá)到抑制厭氧菌的繁殖，從而從源頭上解決臭氣問題。本階段不對外界排出尾氣，持續(xù)時間為10～15 h，隨后進(jìn)入高溫殺菌和干燥排氣兩個階段。

3.4.2高溫殺菌發(fā)酵處理功能模塊

本模塊的溫度穩(wěn)定在100～130 ℃，持續(xù)時間為15～20 h，以保證在高溫下徹底消殺各種有害病菌，并需要配合通風(fēng)機(jī)排出大量水蒸氣。本階段主軸電機(jī)驅(qū)動組合式破碎刀具攪拌有機(jī)廢棄物碎渣，從而加速專用益生菌在高溫環(huán)境下對有機(jī)廢棄物高效降解，通過高溫殺菌使微生物的蛋白質(zhì)及酶發(fā)生凝固或變性死亡，殺死蟲及蟲卵等。

3.4.3烘干降溫處理功能模塊

本模塊關(guān)閉加熱器停止加熱，軸電機(jī)驅(qū)動組合式破碎刀具攪拌有機(jī)廢棄物粉末加速干燥和散熱過程。在溫度降至60 ℃后，主軸電機(jī)停止工作，風(fēng)機(jī)繼續(xù)通風(fēng)干燥，在降溫至50 ℃以后，按照設(shè)定的溫度停止工作，整個無害化處理控制流程結(jié)束，最終產(chǎn)品為無害粉狀有機(jī)肥原料。

根據(jù)上述三個控制功能模塊，自動控制流程如圖6所示。

4應(yīng)用案例

該系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用于福建智辰智能農(nóng)業(yè)裝備有限公司FCW系列機(jī)型，產(chǎn)出的有機(jī)肥為褐色粉末，無機(jī)械雜質(zhì)，無惡臭。樣品檢測報告顯示，有機(jī)肥中總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）、有機(jī)質(zhì)、水分、酸堿度、蛔蟲卵死亡率、糞大腸菌群數(shù)、Cd、Cr、Pb、As和Hg等質(zhì)量分?jǐn)?shù)均達(dá)到有機(jī)肥指標(biāo)和環(huán)保要求?？刂葡到y(tǒng)性能對比如表2所示。

5結(jié)束語

本文基于高溫生物發(fā)酵處理方法的無害化處理機(jī)械裝備設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。采用錘擊功能的組合式破碎刀具快速粉碎牛羊豬等大型病死畜禽尸骸，通過搭建兩層分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了無害化處理車間的網(wǎng)絡(luò)化管理、遠(yuǎn)程控制與故障診斷，打破了傳統(tǒng)無害化處理機(jī)控制系統(tǒng)的“信息孤島”，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一鍵式啟動從進(jìn)料到出料的全程數(shù)字化控制，提升了自動化水平。使用智能儀表作為從控制器采集三路模擬量參數(shù)，并采用隔離RS485模塊將主軸電流、物料溫度、循環(huán)油溫度上傳至PLC，提升了系統(tǒng)的集成度和可靠性。下一步的研究重點(diǎn)是建立無害化處理控制模型，采用人工智能控制策略實(shí)時動態(tài)優(yōu)化主軸電機(jī)最佳轉(zhuǎn)速、益生菌加入量發(fā)酵和加熱時間等控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能控制。

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Abstract：?? Aiming at the low level of remote network management and control in the current treatment of organic wastes such as sick and dead livestock and poultry carcasses， this paper designs a networked control system for harmless treatment machinery and equipment based on the high-temperature biological fermentation treatment method. The combined crushing tool with hammering function quickly crushes the carcasses of large-scale sick and dead animals such as cattle， sheep and pigs. By building a two-layer distributed network architecture to realize functions such as remote monitoring and online fault diagnosis， a full-automatic digital control system hardware scheme is designed with Mitsubishi FX3GE programmable controller and smart meters as the core， and a programming software configuration method is given. According to the technological requirements， the automatic control algorithm flow and data acquisition communication algorithm of harmless treatment are designed， and finally the system is industrialized and applied to FCW series models. Practical application shows that the control system has stable performance， high level of automation and network information， and the output of organic fertilizer raw materials is environmentally friendly and pollution-free， and has broad prospects for industrialization and application.

Key words： sick and dead livestock and poultry; harmless treatment process; high temperature biological fermentation; networked control system; programmable controllers; combined crushing tool