固態(tài)發(fā)酵飼料自動(dòng)發(fā)酵飼喂一體設(shè)備設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉莫塵 馬郡祥 韓守強(qiáng) 李 承 李玉道 李法德

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 泰安 271018； 2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018)

0 引言

微生物發(fā)酵飼料可以降解飼料中的抗?fàn)I養(yǎng)因子、調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)平衡、增強(qiáng)機(jī)體免疫功能和改善環(huán)境，作為功能性飼料，具有氣味香、適口性好、動(dòng)物喜食等優(yōu)點(diǎn)[1-6]。研究表明，使用發(fā)酵飼料能夠改善各生長階段豬只的健康狀況，提高生產(chǎn)性能和機(jī)體免疫力，并有效降低腹瀉指數(shù)，節(jié)約醫(yī)藥費(fèi)用[7-11]。

國內(nèi)普遍采用的益生菌發(fā)酵劑固態(tài)發(fā)酵飼料，是微生物在有少量游離水的固態(tài)濕培養(yǎng)基上， 在適當(dāng)溫度下發(fā)酵而成的飼料，固態(tài)發(fā)酵過程不需嚴(yán)格無菌，具有無廢水排出、 生產(chǎn)成本低和產(chǎn)出率高等優(yōu)點(diǎn)[12]。目前，比較典型的養(yǎng)殖戶隨產(chǎn)隨用的固態(tài)發(fā)酵飼料生產(chǎn)方式，主要有呼吸膜袋裝發(fā)酵和堆放式發(fā)酵池發(fā)酵[13]。這兩種方式均需要人工將飼料和菌液混合均勻后，再裝入發(fā)酵袋或者發(fā)酵池，人工操作繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大；而直接購買飼料生產(chǎn)廠家發(fā)酵完成的飼料，存在營養(yǎng)損失大、運(yùn)輸成本高的問題[14]。在飼喂環(huán)節(jié)中，市場(chǎng)上有針對(duì)液體發(fā)酵飼料的集約化飼喂系統(tǒng)[15]，尚無適用于固態(tài)發(fā)酵飼料的飼喂系統(tǒng)，只能人工飼喂，嚴(yán)重制約了固態(tài)發(fā)酵飼料的推廣和使用。

本文設(shè)計(jì)一種固態(tài)發(fā)酵飼料自動(dòng)發(fā)酵飼喂一體設(shè)備，在飼喂現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)從飼料的上料發(fā)酵到飼喂整個(gè)過程的自動(dòng)化。

1 設(shè)備整體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

本設(shè)備針對(duì)固態(tài)厭氧發(fā)酵的全價(jià)料，在單個(gè)飼喂車間內(nèi)使用，設(shè)計(jì)的基本要求是：實(shí)現(xiàn)飼料的定量攪拌上料；實(shí)現(xiàn)定時(shí)密閉發(fā)酵，發(fā)酵完成后對(duì)不同養(yǎng)殖對(duì)象定量飼喂；能保證飼喂的連續(xù)性，操作簡(jiǎn)單，所需人工操作少，適合中小養(yǎng)殖戶使用。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作流程

本設(shè)備分為主控臺(tái)、上料發(fā)酵系統(tǒng)和飼喂系統(tǒng)3部分，如圖1所示：主控臺(tái)用于上料發(fā)酵系統(tǒng)的控制和與飼喂系統(tǒng)的通訊，并具有人機(jī)交互功能；上料發(fā)酵系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)定量上料、定時(shí)發(fā)酵、自動(dòng)排料等功能；飼喂系統(tǒng)在發(fā)酵完成后對(duì)不同的食槽進(jìn)行定量布料。

圖1 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure sketch of automatic fermenting and feeding equipment1.導(dǎo)軌 2.發(fā)酵桶 3.螺旋提升機(jī) 4.上料料斗 5.水平螺旋輸送機(jī)

本設(shè)備的工作流程如下：人工將混合過接種菌液的全價(jià)料倒入上料料斗，在主控臺(tái)設(shè)置飼喂對(duì)象、上料體積、發(fā)酵時(shí)長等參數(shù)；水平螺旋輸送機(jī)內(nèi)將飼料和菌液混合均勻，由螺旋提升機(jī)送料至發(fā)酵桶，發(fā)酵完成后，發(fā)酵桶排料給飼喂車，飼喂系統(tǒng)根據(jù)主控臺(tái)指令，進(jìn)行不同食槽的定量布料。

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 上料發(fā)酵系統(tǒng)

2.1.1上料機(jī)構(gòu)

上料機(jī)構(gòu)由上料料斗、水平螺旋輸送機(jī)、螺旋提升機(jī)組成。

單次發(fā)酵飼料體積最大值為100 L，設(shè)計(jì)料斗體積163 L(圖2a)；料斗底部計(jì)量槽輪用于計(jì)量下料(圖2b)，其單個(gè)槽截面積s為726 mm2，槽輪長度l為0.16 m，共6個(gè)槽。

槽輪充填系數(shù)為1，轉(zhuǎn)動(dòng)一圈下料體積計(jì)算式為

V=6sl=0.7 L

(1)

步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，選擇步進(jìn)電機(jī)型號(hào)86BYG250H，保持力矩12 N·m，額定電壓24 V，減速器減速比i為5。設(shè)置步距角θ為1.8°，步進(jìn)電機(jī)頻率f為1 500 Hz，則槽輪每秒輸出體積V′計(jì)算公式為

(2)

水平螺旋輸送機(jī)、螺旋提升機(jī)均采用實(shí)體面型螺旋葉片輸送機(jī)，在輸送飼料的同時(shí)，起到充分均勻混合菌液和飼料的作用。螺旋輸送機(jī)輸送量計(jì)算公式[16]為

(3)

式中D——螺旋直徑，m

S——螺距，m

n1——螺旋轉(zhuǎn)速，r/min

ρ——物料密度，t/m3

φ——物料充填系數(shù)C——傾斜系數(shù)

水平輸送和螺旋提升的螺旋直徑均為0.25 m，螺距0.2 m，物料密度0.9 t/m3，物料充填系數(shù)0.38。兩個(gè)三相異步電機(jī)分別為兩個(gè)輸送機(jī)提供動(dòng)力：水平方向傾斜系數(shù)為1，運(yùn)行轉(zhuǎn)速100 r/min；提升方向傾斜系數(shù)為0.67，運(yùn)行轉(zhuǎn)速175 r/min。根據(jù)式(3)，計(jì)算得到水平輸送量為20 t/h，提升輸送量23.6 t/h。

螺旋輸送機(jī)運(yùn)行功率計(jì)算公式[17]為

(4)

式中P——物料運(yùn)行所需功率，kW

L——輸送長度，m

H——升運(yùn)高度，m

η——電機(jī)及減速機(jī)效率

ω——阻力系數(shù)

水平螺旋輸送機(jī)輸送長度1.5 m；螺旋提升機(jī)輸送長度2 m，升運(yùn)高度2.1 m；物料阻力系數(shù)2.2，電機(jī)及減速機(jī)效率0.8，由式(4)計(jì)算可得水平電機(jī)功率為0.23 kW，提升電機(jī)功率為0.55 kW。

考慮到啟動(dòng)功率以及現(xiàn)場(chǎng)其他損耗功率[18-19]，故選擇的輸送機(jī)應(yīng)有較大的功率儲(chǔ)備，水平方向電機(jī)型號(hào)Y80M1-4，功率0.55 kW，提升電機(jī)型號(hào)Y90S-4，功率1.1 kW。

2.1.2發(fā)酵系統(tǒng)

發(fā)酵系統(tǒng)由發(fā)酵桶、轉(zhuǎn)盤、料斗、電機(jī)等部分組成，如圖3所示。本設(shè)備設(shè)計(jì)要求：每日發(fā)酵飼料1 400 kg以上，單次發(fā)酵時(shí)間根據(jù)室溫條件的不同在6～12 h之間，完成14次飼喂。故設(shè)計(jì)7個(gè)發(fā)酵桶輪流發(fā)酵，每個(gè)體積100 L，能夠滿足一個(gè)飼喂車間連續(xù)飼喂的需求。

每個(gè)發(fā)酵桶有翻轉(zhuǎn)與開蓋兩個(gè)獨(dú)立動(dòng)作，均由兩套對(duì)應(yīng)的電磁閥和氣缸完成。

發(fā)酵桶由轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)需要自動(dòng)在上料位置和下料位置停止。位置傳感器選用電感式磁感應(yīng)接近開關(guān)，型號(hào)DM1204NE，檢測(cè)距離為4 mm，遲滯時(shí)間為0.1 s，工作電壓(直流)10～30 V。接近開關(guān)安裝在轉(zhuǎn)盤固定立柱上，對(duì)應(yīng)7個(gè)不同工位， 1個(gè)感應(yīng)鐵塊安裝在轉(zhuǎn)盤上，跟隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，感應(yīng)鐵塊轉(zhuǎn)到接近開關(guān)位置，接近開關(guān)動(dòng)作。

轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)由三相異步電機(jī)帶動(dòng)，選擇額定轉(zhuǎn)速n2為910 r/min，減速機(jī)減速比187。轉(zhuǎn)盤最大負(fù)載量W為1 800 kg，轉(zhuǎn)盤半徑R為1.7 m，啟動(dòng)時(shí)間t為1 s。計(jì)算可得負(fù)載轉(zhuǎn)矩T，計(jì)算公式[20]為

(5)

考慮啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)減速機(jī)效率，選擇電機(jī)額定功率為1.1 kW，型號(hào)為90L-6，額定電流為3.2 A。

2.2 飼喂系統(tǒng)

飼喂系統(tǒng)由導(dǎo)軌、飼喂車、位置傳感器3部分組成，如圖4所示。

圖4 飼喂系統(tǒng)示意圖Fig.4 Sketch of feeding system1.料斗 2.下料步進(jìn)電機(jī) 3.排料臂 4.直流電機(jī) 5.位置傳感器

飼喂車由料斗、排料臂、電機(jī)、控制系統(tǒng)組成。料斗設(shè)計(jì)為圓柱圓錐形，體積100 L，底部下料計(jì)量槽輪設(shè)計(jì)與上料系統(tǒng)相同，每秒輸出體積為0.35 L。

飼料由槽輪排至排料臂(圖5)，排料臂是長0.9 m、寬0.1 m的 “U”型螺旋輸送機(jī)。向左側(cè)料斗排料時(shí)，排料臂向左側(cè)伸出，輸送機(jī)螺旋葉片正向轉(zhuǎn)動(dòng)；向右側(cè)料斗排料時(shí)，排料臂向右側(cè)伸出，輸送機(jī)螺旋葉片反向轉(zhuǎn)動(dòng)。排料臂的左右移動(dòng)由圖5中左右步進(jìn)電機(jī)及減速機(jī)經(jīng)齒輪鏈條傳動(dòng)，帶動(dòng)絲杠左右移動(dòng)；螺旋葉片的正反轉(zhuǎn)動(dòng)由圖5中正反旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)及減速機(jī)經(jīng)齒輪鏈條驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)均選擇86BYG250H型，工作電壓48 V，保持力矩12 N·m，減速比10。

圖5 排料臂原理圖Fig.5 Schematic of discharge arm1.螺旋葉片 2.左右移動(dòng)步進(jìn)電機(jī) 3.正反旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī) 4、8.減速機(jī) 5.絲杠 6、7.傳動(dòng)齒輪及鏈條

飼喂車由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)在導(dǎo)軌上運(yùn)行，食槽對(duì)稱分布在導(dǎo)軌兩側(cè)，飼喂車排料完成后返回上料原點(diǎn)。飼喂車滿載質(zhì)量m為240 kg，飼喂車所需功率計(jì)算公式為

P1=mg(μ1+μ2)v=241 W

(6)

式中g(shù)——重力加速度，m/s2

v——運(yùn)行速度，m/s

μ1——車輪與鋼軌的摩擦因數(shù)

μ2——軸承摩擦因數(shù)

考慮啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩及功率裕量，選擇電機(jī)功率為500 W。車輪直徑0.08 m，設(shè)計(jì)速度為0.5 m/s，故選擇電機(jī)型號(hào)為MY1020，額定轉(zhuǎn)速n3為2 800 r/min，減速比24，飼喂車運(yùn)行速度計(jì)算公式為

(7)

式中d——車輪直徑，m

位置傳感器安裝在飼喂車底部，選用型號(hào)為DM1204NE的電感式磁感應(yīng)接近開關(guān)，工作電壓(直流)10～30 V，感應(yīng)鐵塊放置在食槽的位置。

飼喂車上的步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、傳感器、控制裝置均由48 V蓄電池供電。步進(jìn)電機(jī)的實(shí)測(cè)平均電流為2 A，直流電機(jī)的平均工作電流為10 A，其他器件總工作電流0.5 A。步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)間隔運(yùn)行，每次飼喂行走時(shí)間400 s，排料時(shí)間800 s，每次飼喂消耗電量6 200 A·s，折合1.72 A·h。選擇100 A·h的蓄電池，飼喂車充電一次可以完成58次飼喂，按照每天14次飼喂，可以工作4 d。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)總體方案

本設(shè)備控制系統(tǒng)以PLC(可編程邏輯控制器)和PIC單片機(jī)為控制核心，PLC控制上料、發(fā)酵桶動(dòng)作、發(fā)酵時(shí)間等，PIC單片機(jī)控制飼喂車行進(jìn)與排料，結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。PLC通過觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互操作，與PIC單片機(jī)通信完成飼料發(fā)酵過程和飼喂過程的銜接。系統(tǒng)的操作具有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種運(yùn)行模式。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Block diagram of control system

3.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)由PLC、液晶觸摸屏、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、穩(wěn)壓電源以及通信模塊等基本部分組成。PLC選用三菱公司的FX1N-40MT-D，具有24個(gè)輸入點(diǎn)，16個(gè)輸出點(diǎn)，附加8個(gè)輸出點(diǎn)的擴(kuò)展模塊(型號(hào)FX2N-8EYT)[21]。由于需要輸出脈沖信號(hào)以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制器，故選擇晶體管型輸出的PLC。PLC控制對(duì)象有：水平螺旋輸送和螺旋提升步進(jìn)電機(jī)的控制器、發(fā)酵桶旋轉(zhuǎn)電機(jī)、發(fā)酵桶翻轉(zhuǎn)、發(fā)酵桶開蓋、飼喂系統(tǒng)。輸入輸出點(diǎn)設(shè)置如表1所示。

表1 PLC輸入輸出點(diǎn)設(shè)置Tab.1 PLC I/O configuration

PLC控制系統(tǒng)流程圖如圖7所示。用戶需要設(shè)置上料發(fā)酵參數(shù)，發(fā)酵飼喂過程系統(tǒng)自動(dòng)完成。

圖7 PLC控制系統(tǒng)流程圖Fig.7 PLC control flow chart

3.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面組態(tài)程序根據(jù)發(fā)酵系統(tǒng)的動(dòng)作流程設(shè)計(jì)，選用深圳顯控SA-7A型觸摸屏，使用SamDraw 4.0.1組態(tài)軟件進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。

圖8 人機(jī)交互界面組態(tài)圖Fig.8 Diagrams of man-machine interface

系統(tǒng)沒有進(jìn)行發(fā)酵或是已經(jīng)發(fā)酵結(jié)束進(jìn)行布料時(shí)，界面顯示待機(jī)界面(圖8a)；當(dāng)接受外界信息時(shí)，界面跳轉(zhuǎn)到飼喂對(duì)象選擇界面(圖8b)。點(diǎn)擊每種飼喂對(duì)象進(jìn)入其參數(shù)設(shè)定及顯示界面(圖8c)，此界面輸入發(fā)酵時(shí)間和上料體積，參數(shù)保存于PLC數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)，設(shè)定后可以作為下次使用的默認(rèn)參數(shù)值。點(diǎn)擊確定后PLC控制各個(gè)電機(jī)進(jìn)行上料，進(jìn)入正在上料界面(圖8d)，此時(shí)不允許用戶操作。上料結(jié)束后，界面自動(dòng)跳轉(zhuǎn)，進(jìn)入發(fā)酵界面，顯示剩余發(fā)酵時(shí)間，此時(shí)正在發(fā)酵的桶(圖8e中“母豬1”)上料按鈕設(shè)定為禁止使用。發(fā)酵完成后，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)進(jìn)入布料界面，此界面設(shè)置警報(bào)指示燈，當(dāng)傳感器檢測(cè)到飼喂車不在發(fā)酵桶下方時(shí)，進(jìn)行警報(bào)(圖8f)。布料結(jié)束之后，自動(dòng)發(fā)酵控制系統(tǒng)返回首界面等待下次發(fā)酵運(yùn)行。

3.4 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

飼喂車控制系統(tǒng)主控單元選擇PIC16F873A單片機(jī)，開發(fā)環(huán)境為MPLAB IDE v8.89。飼喂車控制系統(tǒng)軟件主程序流程圖如圖9所示。

圖9 PIC系統(tǒng)主程序流程圖Fig.9 Flow chart of PIC main program

主程序描述為：首先各個(gè)端口初始化，接收PLC信息，進(jìn)行飼喂對(duì)象的選擇，針對(duì)不同飼喂對(duì)象，根據(jù)位置傳感器的信號(hào)輸入判斷不同飼喂對(duì)象的食槽位置，左右移動(dòng)排料臂進(jìn)行排料操作。每個(gè)食槽布料量由專家系統(tǒng)給出，通過料斗下料槽輪步進(jìn)電機(jī)步數(shù)來計(jì)量下料量。飼喂結(jié)束之后，布料飼喂車返回到初始位置，等待下次飼喂通知。手動(dòng)模式下，可以通過手動(dòng)遙控器來控制小車左右移動(dòng)排料的動(dòng)作。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件與方法

為了驗(yàn)證樣機(jī)的性能和可靠性，分別于2017年1月和7月在山東省泰安市寧陽縣鄉(xiāng)飲鄉(xiāng)巴夫農(nóng)莊黑豬養(yǎng)殖基地進(jìn)行了為期各31 d的試驗(yàn)。試驗(yàn)期間使用山東寶來利來生物工程股份有限公司生產(chǎn)的固本康803型微生物發(fā)酵劑發(fā)酵全價(jià)料(含玉米59%、膨化豆粕8%、蛋白粉10%、魚粉4%、乳清粉8%、磷酸氫鈣1.2%、玉米油2%、石粉0.8%、微量元素等7%)，發(fā)酵菌液和全價(jià)料混合后容重為0.98 kg/m3。飼喂種類有保育豬、小豬、母豬3種，飼喂次數(shù)保育豬每天5次、其他每天3次，發(fā)酵時(shí)間1月為10～12 h，7月為6～7 h。樣機(jī)整體試驗(yàn)如圖10所示。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在1月和7月的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，分別隨機(jī)選取保育豬、小豬、母豬的數(shù)據(jù)各2組，主要作業(yè)性能指標(biāo)如表2所示。發(fā)酵桶上料體積小于20 L時(shí)，實(shí)際上料體積與設(shè)定值差值較大，在10%左右，而上料體積較大時(shí)，誤差小于5%；飼喂車速度在滿載時(shí)，在0.4～0.65 m/s，定位誤差不大于20 mm(平均值11.75 mm)，食槽排料體積誤差不大于6%，能夠準(zhǔn)確地將飼料投入食槽。

圖10 樣機(jī)試驗(yàn)Fig.10 Test of prototype

表2 現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Field experiment performance results

試驗(yàn)結(jié)果表明，飼料發(fā)酵結(jié)果符合飼喂要求，能夠保證3種不同飼喂對(duì)象的連續(xù)飼喂，設(shè)備可連續(xù)作業(yè)超過30 d。發(fā)酵時(shí)間控制、飼喂槽定位及定量左右布料，均符合設(shè)計(jì)要求。上料體積較小時(shí)誤差比較大的原因，是未充分考慮輸送機(jī)在輸送時(shí)啟動(dòng)和結(jié)束時(shí)的誤差。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)固態(tài)發(fā)酵飼料特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)發(fā)酵飼喂一體設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了固態(tài)發(fā)酵飼料的生產(chǎn)和飼喂無縫對(duì)接，自動(dòng)化程度高，減小了勞動(dòng)強(qiáng)度，為發(fā)酵飼料在養(yǎng)殖中的推廣提供了技術(shù)基礎(chǔ)和相應(yīng)設(shè)備。

(2)針對(duì)養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的需求，設(shè)計(jì)了螺旋輸送上料、多桶輪流發(fā)酵的發(fā)酵設(shè)備，上料體積誤差小。

(3)設(shè)計(jì)自動(dòng)飼喂系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵后自動(dòng)下料，并根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)飼喂對(duì)象的定點(diǎn)定量飼喂，飼喂槽左右布料控制精準(zhǔn)，飼喂時(shí)定位誤差較小(小于20 mm)。