病死畜禽無害化處理機嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計

聞 霞，賴森財,任 雯

(1.三明學院機電工程學院，福建 三明 365004；2.裝備智能控制福建省高校重點實驗室，福建 三明 365004)

0 引言

我國正在大力推進生態(tài)文明建設(shè)，建設(shè)美麗中國。病死畜禽無害化處理是建設(shè)美麗中國的重要環(huán)節(jié)。雖然我國畜禽養(yǎng)殖總量位居世界第一，但養(yǎng)殖場的畜禽死亡率居高不下，一般在5%～10%之間。以豬為例，每年成年母豬死亡率為2%～3%，中豬死亡率為7%～8%，乳豬為10%[1-2]。全國每天要處理10萬頭病死豬，加上其他養(yǎng)殖動物死亡，病死畜禽總量是驚人的。病死畜禽危害巨大[3-4]：傳播動物疫病，甚至引起大規(guī)模的畜禽死亡；若丟棄在自然環(huán)境中，極易污染空氣、水源等；若被不法分子加工、販賣，人食用后可能導致人感染人畜共患病或發(fā)生食物中毒事件[5]。“及時處理、清潔環(huán)保、合理利用”是對病死畜禽無害化處理的必然要求[6-8]。

針對傳統(tǒng)病死畜禽無害化處理難題[9]，本文為一種有機廢棄物(以病死的家禽、家畜為主)無害化處理的新型設(shè)備，設(shè)計了基于文本一體機的嵌入式控制系統(tǒng)。

1 設(shè)計方案

1.1 病死畜禽無害化處理工藝

本文設(shè)計的病死畜禽無害化處理工藝如圖1所示。采用機電一體化設(shè)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、干燥，處理過程中通過添加專用微生物菌，對有機廢棄物進行發(fā)酵降解，最終將其轉(zhuǎn)化為無臭、無害、粉狀的環(huán)保有機肥料。

圖1 病死畜禽無害化處理工藝示意圖 Fig.1 Harmless treatment process of sick and dead livestock and poultry

1.2 結(jié)構(gòu)組成

病死畜禽無害化處理過程中，分切、絞碎過程是非常重要的環(huán)節(jié)[10]。針對大型病死畜禽(如牛、羊、豬等)，一般采用具有錘擊功能的組合式破碎刀具[11]；針對雞、鴨、兔等小型病死畜禽的有機廢棄物處理，采用結(jié)構(gòu)簡單、緊湊的螺旋形破碎刀具[12]。本文以螺旋型破碎刀具為例，描述無害化處理機結(jié)構(gòu)。

本文開發(fā)的病死畜禽無害化處理機機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。切碎機構(gòu)由主軸電機驅(qū)動的傳動軸以及分布于攪拌槽內(nèi)的外螺旋刀條、直刀條和內(nèi)螺旋刀條組成；碎擊推擠功能由支桿及外螺旋刀條、內(nèi)螺旋刀條、直刀條兼顧實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、性價比高；出料口實現(xiàn)有機肥料出倉[13]。

圖2 機械結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.2 Schematic diagram of machanical structure

1.3 現(xiàn)場總線架構(gòu)

現(xiàn)場總線架構(gòu)如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場總線架構(gòu) Fig.3 Fieldbus architecture

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)(信息管理層)和RS-485串行總線(現(xiàn)場設(shè)備層)完成各設(shè)備、芯片間的通信。

單臺病死畜禽無害化處理機以文本一體機為核心控制單元。文本一體機內(nèi)主控制器通過RS-485串行總線與協(xié)處理器(用于采集處理槽內(nèi)溫度、主軸電流、故障參數(shù)信息)、文本屏實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。無害化處理車間內(nèi)部署的多臺無害化處理機通過文本一體機內(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、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(enterprise resource planning,ERP)管理軟件完成生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)報表和統(tǒng)計等功能。服務(wù)器實現(xiàn)企業(yè)局域網(wǎng)與Internet云端的連接，具備遠程網(wǎng)頁瀏覽、控制算法維護和故障診斷功能。

2 現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)計

本文開發(fā)的文本一體機控制系統(tǒng)采用兩片宏晶科技出品的STC15F60S2嵌入式芯片，分別作為主控制器和協(xié)處理器。控制電路原理如圖4所示。STC15F60S2內(nèi)部集成16 KB的大容量EEPROM存儲器保存系統(tǒng)參數(shù)，可確保斷電數(shù)據(jù)不丟失。控制系統(tǒng)采用24 V直流供電，內(nèi)部集成高效共模濾波電感和自恢復保險絲。系統(tǒng)輸入輸出全部采用光電隔離和啟用內(nèi)部看門狗，具有嚴格的高頻濾除特性，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，無死機現(xiàn)象。

圖4 控制電路原理圖 Fig.4 Schematic diagram of control circuit

2.1 主控制器

主控制器共有3路開關(guān)量輸入、1路RS-485串口總線和8路輸出。端子功能定義如表1所示。

表1 端子功能定義表 Tab.1 Terminal function definition table

8路輸出中：4路為繼電器開關(guān)輸出，開關(guān)觸點電流10 A(直流為5 A)，內(nèi)置消弧和觸點保護電路；4路為共地40 V、1 A(峰值電流3 A)場效應開關(guān)管輸出，內(nèi)置續(xù)流二極管。同時，主控制器通過以太網(wǎng)接口芯片(支持10BASE-T/100BASE-TX高速通信)無縫接入TCP/IP以太網(wǎng)，與信息管理層交互數(shù)據(jù)。主控制器支持基于Web的數(shù)據(jù)監(jiān)測，可以從任意聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備通過標準Web瀏覽器讀取文本一體屏信息，并設(shè)置關(guān)鍵字保護，禁止未經(jīng)授權(quán)的訪問。

2.2 協(xié)控制器

協(xié)控制器主要負責模擬量參數(shù)的采集，包括主軸電流、無害化處理物溫度以及主軸電機過載、風機過載、超溫故障、油泵故障等故障報警信號。為了提高可靠性，主控制器與協(xié)控制器之間采用隔離RS-485通信模塊通信。

2.3 文本屏

全新自主設(shè)計的文本屏[14]采用192×64帶字庫藍屏顯示。一屏可顯示12×4個漢字或24×4個字符，也可顯示圖形數(shù)字符號等；有20個薄膜輕觸開關(guān)，可在線設(shè)置參數(shù)或者運行控制，方便快捷。該系統(tǒng)支持掉電檢測功能，一旦外部停電，可迅速將當前工作參數(shù)保存于EEPROM，等下次上電時恢復當前工作狀態(tài)。

2.4 主軸電機

將豬、馬、牛、羊尸骸等有機廢棄物完整地投入攪拌槽內(nèi)，添加加速發(fā)酵的介質(zhì)后，主控制器控制主軸電機驅(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可以反復斬切有機廢棄物，還能將有機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，讓碎斬刀端末的碎擊錘將其擊碎，并通過側(cè)刃刀軸向進一步切碎。

3 軟件設(shè)計

根據(jù)上述三個控制功能模塊，自動控制流程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 (state transform diagram，STD)如圖5所示。

圖5 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 Fig.5 State transform diagram

根據(jù)無害化處理工藝要求，將自動控制程序設(shè)計為以下三個功能模塊。

①高溫分切攪碎處理功能模塊。本模塊通過主軸電機驅(qū)動螺旋型破碎刀具在密閉處理倉體內(nèi)分切、絞割有機廢棄物成碎渣，并通過一組均勻分布于U型處理槽壁內(nèi)的加熱裝置和熱氣管，將倉內(nèi)溫度根據(jù)工藝要求穩(wěn)定在60～80 ℃，實現(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、無毒殺菌打下基礎(chǔ)。有機物的臭味基本都是由厭氧菌進行厭氧處理有機物而產(chǎn)生的。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(有機酸)達到抑制厭氧菌的繁殖，從而從源頭上解決臭氣的產(chǎn)生。本階段不對外界排出尾氣，持續(xù)時間為10～15 h，隨后進入下面的高溫殺菌和干燥排氣階段。

②高溫殺菌發(fā)酵處理功能模塊。本模塊的溫度需持續(xù)二十幾個小時穩(wěn)定在100～130 ℃，以保證在高溫下徹底消殺各種有害病菌，并需要通風機配合排出大量水蒸氣。本階段主軸電機驅(qū)動螺旋型破碎刀具攪拌有機廢棄物碎渣，以加速專用益生菌在高溫環(huán)境下對有機廢棄物的高效降解，通過高溫殺菌使得微生物的蛋白質(zhì)及酶發(fā)生凝固或變性死亡，并殺死蟲及蟲卵等。

③烘干降溫處理功能模塊。本模塊關(guān)閉加熱器停止加熱，軸電機驅(qū)動螺旋型破碎刀通過具攪拌有機廢棄物粉末加速干燥和散熱過程。在溫度降至60 ℃以后，主軸電機停止工作，風機繼續(xù)通風干燥；在溫度降溫至50 ℃以后，按照設(shè)定溫度停止工作。整個無害化處理控制流程結(jié)束，最終產(chǎn)品為無害粉狀有機肥原料。

4 應用案例

本文設(shè)計的病死畜禽無害化處理機控制系統(tǒng)，已產(chǎn)業(yè)化應用于福建智辰智能農(nóng)業(yè)裝備有限公司FCW系列機型，產(chǎn)出的有機肥為褐色粉末，無機械雜質(zhì)、無惡臭。樣品檢測報告顯示，有機肥中總養(yǎng)分(N+P2O5+K2O)、有機質(zhì)、水分、酸堿度、蛔蟲卵死亡率、糞大腸菌群數(shù)、Cd、Cr、Pb、As、Hg等含量均達到有機肥指標要求和環(huán)保要求。

控制系統(tǒng)性能對比如表2所示。

表2 控制系統(tǒng)性能對比 Tab.2 Control system performance comparison

5 結(jié)論

本文設(shè)計的病死畜禽無害化處理機采用基于TCP/IP以太網(wǎng)的信息管理層，實現(xiàn)無害化處理車間的網(wǎng)絡(luò)化控制與管理；基于RS-485總線，實現(xiàn)文本一體機內(nèi)部主、從處理器，以及文本屏之間的數(shù)據(jù)通信。病死畜禽無害化處理機采用FX3GE-40MR為控制核心，實現(xiàn)了對病死廢棄動物進行分切、絞碎、發(fā)酵、殺菌、干燥等復雜處理工藝的全自動網(wǎng)絡(luò)化控制。該設(shè)計通過添加專用微生物菌，將動物尸體轉(zhuǎn)化為環(huán)保無害的有機肥料，實現(xiàn)有機廢棄物的循環(huán)利用。該設(shè)計可減少有機廢棄物對環(huán)境造成的污染，具有廣闊的工程應用前景。