摘要： 針對當前病死畜禽尸骸等有機廢棄物處理中存在的遠程網(wǎng)絡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械裝備設計了網(wǎng)絡化控制系統(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)絡架構(gòu)，實現(xiàn)遠程監(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)化應用于FCW系列機型。實踐應用表明，該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，自動化和網(wǎng)絡信息化水平高，產(chǎn)出的有機肥原料環(huán)保無公害，具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化推廣應用前景。

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

　　作者： 聞霞

　　通信作者： 任雯

　　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前智慧綠色畜牧業(yè)的前沿熱點技術(shù)。丁偉等人[79]分別為畜禽舍設計了防疫消毒機器人控制系統(tǒng)、子母式智能化消毒系統(tǒng)和基于無線傳感網(wǎng)絡的智能畜禽舍環(huán)境控制系統(tǒng);李傳友等人[1012]介紹了當前深埋、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，給出了基于“機械處理+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)的處理機刀具機械結(jié)構(gòu)設計方案;張應林等人[16]設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備電氣控制的設計方案。基于此，針對傳統(tǒng)病死畜禽無害化處理機控制系統(tǒng)不具有遠程網(wǎng)絡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械結(jié)構(gòu)，采用兩層網(wǎng)絡架構(gòu)，設計了新型病死畜禽無害化處理機網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)。實踐應用表明，該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，自動化和網(wǎng)絡信息化水平高，產(chǎn)出的有機肥原料環(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。該工藝使用機電一體化設備對病死畜禽尸骸等有機廢棄物進行分切、絞碎、發(fā)酵、殺菌及干燥，并通過添加專用微生物菌，對有機廢棄物進行發(fā)酵降解，最終轉(zhuǎn)化為無臭無害粉狀的環(huán)保有機肥料。

　　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結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖2所示。該機構(gòu)主要包括密閉攪拌槽、斬碎單元、主軸電機、加熱裝置、熱氣管、鼓風機、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機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。控制系統(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)場設備層中設備間的通信。

　　單臺病死畜禽無害化處理機以可編程控制器(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)絡服務器通信。工程師站通過組態(tài)軟件搭建上位機監(jiān)控系統(tǒng)，包括主監(jiān)控窗口屬性設置、設備驅(qū)動、用戶動畫界面及實時數(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)絡服務器實現(xiàn)企業(yè)局域網(wǎng)與Internet云端的連接，完成遠程網(wǎng)頁瀏覽、控制算法維護和故障診斷功能。

　　2現(xiàn)場設備層設計

　　根據(jù)無害化處理工藝要求，現(xiàn)場設備層主要包括PLC主控器、人機交互界面(觸摸屏)、模擬量采集智能儀表、主軸電機、加熱裝置、自動送料與出料系統(tǒng)、電機故障監(jiān)測與報警等功能模塊。控制電路原理如圖4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)的終端設備通過標準Web瀏覽器讀取PLC信息，設置關(guān)鍵字保護，禁止未經(jīng)授權(quán)的設置訪問。PLC輸入信號名稱和對應的輸入變量定義如表1所示。表1中，輸入信號主要包括設備啟停控制、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、風機、油泵、超溫等故障報警信號及電源保護檢測信號;輸出信號包括風機、加熱管、主軸電機正/反轉(zhuǎn)、油泵電機/總閥、自動運行/停機/故障指示燈和聲光報警信號。

　　推薦閱讀：特色農(nóng)業(yè)發(fā)展的論文參考文獻