秸稈與糖渣全自動裹包生產線控制系統設計*

于文龍，丁立利，呂鳳玉，魏才弟

(甘肅省機械科學研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

隨著我國人民日益增長的食物多樣性需求，養殖業現代化、規模化的生產模式成為迫切需要。雖然我國秸稈資源豐富，但由于秸稈機械化加工水平低、利用成本高等多種原因，造成秸稈資源嚴重浪費[1-2]。據預測2022年我國秸稈飼料化需求達2.2億噸左右，國內小型養殖戶處理秸稈主要用鍘草揉絲機、圓盤粉碎機，產品價格低于1萬元、最大產量達12 t/h。對于中大型養殖戶來說，主要依賴進口國外中大型草牧業機械，技術被國外壟斷，德國克拉斯JAGUAR800系列青貯飼料收獲機、美國凱斯紐荷蘭FR9000系統青貯收獲機占據當前國內大部分市場，售價200萬元以上，平均產量達100 t/h。青飼料或秸稈收獲后，采用打捆裹包方式打成方草捆或圓草捆，進行貯藏發酵。前兩年，國外大中型打捆裹包機械主要有挪威奧庫(Orkel)、芬蘭安格尼克(Agronic)、丹麥海斯蘭(Hisarlar)、日本世達爾(Star)等主流產品，生產效率高、操作簡單、智能化程度高，產品售價200萬左右。目前筆者所在公司生產的9YCL-1.0與9YCL-1.15 圓草捆打捆包膜一體機，同等產品參數性能與主流進口設備基本一致，價格僅為國外產品價格的45%～52%。國內現有飼料加工設備從農作物田間收獲到物料包貯發酵，各生產設備獨立運行，需要大量人力操作，設備僅在收獲季節使用，閑置率高[3-5]。為充分利用秸稈與糖渣等農業生產廢棄物，降低機械化加工成本，筆者提出秸稈與糖渣全自動裹包生產線設計方案，產線全程自動化控制，可完成秸稈切碎、攪拌、打包等功能，產線末端處理設備為科脈機械9YCL-1.0圓草捆打捆包膜一體機。該產線單條年產青貯飼料18萬噸，干草5萬噸，顆粒飼料7萬噸，年總處理量30萬噸。

1 生產線工作原理及結構設計

為實現秸稈與糖渣包貯生產，將秸稈、糖渣、蛋白粉、其他配料按照合適配方比例添加，飼料生產全程自動化控制，實現用戶遠程操作，產線結構組成如圖1所示[5]。生產線由1個秸稈倉、1個番茄皮倉、2臺一級輸送機、1個混料倉、1臺二級皮帶機、1個緩沖倉、1臺三級皮帶機、1臺打捆裹包機組成。生產線前端為2個料倉，秸稈倉容積30 m3，采用減法稱量法，變頻調速，雙螺旋輸送，帶副葉片(齒)；番茄皮倉容積20 m3，采用減法稱量法，變頻調速，鉤式鏈板刮板輸送結構。2料倉物料經由一級輸送機送入混料倉，料倉雙螺旋攪拌容積40 m3，一級輸送機采用鉤式鏈板刮板輸送結構，長12 m、寬1 m、揚角≤30°、提升高度≥5.2m。混料倉將物料混合均勻，飼料充分攪拌后，經由皮帶機輸送至緩沖倉。緩沖倉容積20 m3，變頻調速，鉤式鏈板刮板輸送結構。二三級輸送機采用皮帶輸送機，長度8 m、寬1 m、揚角≤30°、提升高度≥3.5 m、變頻調速。

圖1 飼料生產線結構組成圖

2 控制系統

電控系統需自動控制的設備有：2個秸稈倉攪拌螺旋驅動電機、1個番茄皮倉輸送鏈板驅動電機、2臺一級輸送機驅動電機、1個混料倉攪拌螺旋驅動電機、1臺二級皮帶機驅動電機、1個緩沖倉輸送鏈板驅動電機、1臺三級皮帶機驅動電機、1臺打捆裹包驅動電機。為實現黃貯裹包自動化生產，在秸稈倉、番茄皮倉、混料倉、緩沖倉分別設計安裝稱重系統，精確控制飼料各成分重量級比例，進行分析達到全日糧最佳配比要求。為實現上述設備的遠程控制，方便用戶隨時隨地查看管理設備，采用GPRS/ WIFI方式接入物聯網網關，無線網關采集稱重系統數據，再以無線方式將數據傳輸到用戶移動設備端，同時通過MQTT協議上傳到云平臺，實現對設備運行狀態和數據的監控，以無線方式上傳給無線智能網關，智能網關再以無線方式將數據傳輸到用戶移動設備端，電控系統結構組成如圖2所示。

圖2 自動裹包產線電控系統結構圖

2.1 稱重系統

為實現青貯包各飼料比例準確，在秸稈倉、番茄皮倉、混料倉、飼料緩沖倉中都加裝稱重系統，系統主要由稱重模塊、轉換模塊和稱重控制器三部分組成[6-8]。

2.1.1 稱重模塊

計算依據：①秸稈倉長6 m，容積30 m3，物料最大堆積密度約0.7×103kg/m3，料倉自重約3.5 t，考慮安全過載選用量程10 t稱重傳感器6只；②番茄皮倉長5 m，容積20 m3，物料最大堆積密度約0.7×103kg/m3，料倉自重約3 t，考慮安全過載選用量程8 t稱重傳感器6只；③混料倉容積40 m3，物料最大堆積密度約0.7×103kg/m3，料倉自重約4.5 t，考慮安全過載選用量程10 t稱重傳感器6只；④緩沖倉容積20 m3，物料最大堆積密度約0.7×103kg/m3，料倉自重約3 t，考慮安全過載選用量程8 t稱重傳感器6只。稱重模塊結構簡圖如圖3所示，考慮到料倉有水分滲漏，以及室外雨雪等侵蝕，彈性體材質用不銹鋼。由于稱重傳感器輸入信號為mv級模擬信號，對電子噪聲較敏感，因此經圖4所示的轉換調理電路變換放大，傳輸應采用屏蔽電纜，遠離交流電源。

圖3 稱重模塊結構簡圖

圖4 轉換模塊電路簡圖

2.1.2 稱重控制器

稱重控制器采用高精度24bitsA/D轉換器，模擬量信號輸出經過16bitsD/A轉換器，可選RS232或RS485通信方式，通過內部跳線來選擇，7位LED數碼管顯示，鋁合金外殼，便于嵌入控制柜。產線料倉采用減重稱量方式，稱重模塊安裝在料倉中，物料從料倉通過給料機構向料倉外面排出物料，接料倉容器重量增加，料倉物料重量減少，稱重系統結構形式如圖5所示。

圖5 稱重系統應用結構示意圖

2.2 控制策略

控制系統采用西門子S7-1500PLC擴展I/O模塊，通過Ethernet與KTP900型HMI通信，系統架構如圖6所示。

圖6 產線控制系統架構圖

用WinCC組態軟件實現產線運行狀態監控、參數設置、數據采集和傳輸、數據保存、預置報警、故障顯示等功能[9-10]。產線電氣系統上電初始化后，秸稈倉、糖渣倉稱重傳感器采集物料重量信號，秸稈倉攪拌螺旋、糖渣倉輸送鏈板、2臺一級輸送機驅動電機啟動，直到秸稈倉、糖渣倉減少的重量達到參數設置要求，秸稈倉攪拌螺旋、糖渣倉輸送鏈板、2臺一級輸送機驅動電機停止；混料倉稱重傳感器采集物料重量信號、攪拌螺旋驅動電機啟動并開始計時，攪拌時間的設置與飼料配比、秸稈切碎長度、攪拌螺旋旋轉速度等有關，攪拌時間達到設置要求后，攪拌倉攪拌螺旋停止動作，混合好的物料經由二級、三級輸送皮帶送入打捆裹包設備，打包設備正常2 min生產1個重500 kg的圓柱形捆包。如果裹包設備纏繞網或拉伸膜用完需更換時，設備暫停工作，多余的物料就在緩沖倉中堆積；如果設備出現故障后，緩沖倉堆積的物料達到料倉承載重量上限，停止緩沖倉前端所有設備動作，產線主要工作流程如圖7所示。

圖7 產線主控流程圖

3 應用與總結

2020年在新疆昌吉呼圖壁縣某農業合作社推廣了2臺筆者公司生產的9YCL-1.0圓草捆打捆包膜一體機，生產現場從上料到草捆加工轉運，共需12名生產人員參與。秸稈與糖渣全自動裹包生產線控制系統設計完成后，將于今年10月用于棉桿與甜菜絲、番茄皮、蘋果渣的裹包生產，解決了傳統人工秸稈處理費時費力的缺點和分段機械處理生產效率低、浪費工時等問題。產線生產率為30 t/h，生產人員只需2名，1名上料，1名轉運圓草捆。試驗表明該生產線處理棉桿生產效率是之前人工或半機械化作業的4～5倍，作業成本極大減少，1條產線可替代 10～15 人。產線自動化程度高、操作簡單、秸稈切碎在半封閉的混料倉完成，現場粉塵極大減少，改善了現場環境。采用變頻調速，產線各環節生產設備根據料量大小自動調節運行速度，實現了節能降耗。同時，按照科學配比產出的黃貯飼料適口性好、味道香醇、牛羊喜食。此系統也適用于玉米秸桿、麥草、稻草等的裹包貯存，為秸稈飼料化處理提供了相關參考。