栽培基質車間生產加工裝備及監控系統的設計

安亞群　許東來　崔愛軍等

摘要 [目的]解決農林廢棄物數量龐大治理困難的問題，實現農業廢棄物無害化處理的全程自動化監控，實現資源高效化利用。[方法]設計FPJ-A型翻拋機械裝備，并對物料的翻拋作業過程、基質發酵過程、工藝參數監測過程以及根據采集的工藝參數值實現實時響應的控制過程的各組態功能軟件進行設計。[結果]FPJ-A型翻拋機綜合了滾筒式與鏈板式翻拋機的優勢，并且在翻拋機的傳動系統、防護系統以及換槽作業方面作出了較大的改進，使其性能大幅度提高；同時設計了能實現智能控制物料的發酵工藝參數，并能自動定位堆體、自動調整翻拋的速度、深度、位置的控制系統。[結論]實現了基質發酵過程中各動態工藝參數的精確控制，物料分布均勻的工藝目標；保障了產品質量實現了基質車間連續生產的全程自動監控。所設計的人機界面友好，便于操作。

關鍵詞 翻拋機；栽培基質；無線控制；系統

中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）13-339-03

Design of a Shop Production Equipment and Monitoring System of Cultivation Medium

AN Yaqun， XU Donglai， CUI Aijun et al

（College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology， Beijing University of Technology， Beijing 100124）

Abstract [Objective] To solve a large number of agricultural and forestry waste and management diffculties， realize automatic monitoring of harmless treatment， and resource highefficient utilization. [Method] FPJ-A compost turner equipment was designed， the turning process， matrix fermentation process， technical parameters monitoring process， and functional software for realizing realtime response control process according to collected technical parameters were designed. [Result] FPJ-A compost turner combined the advantages of drum type and chain plate turning machine， and made improvement of transmission system， protection system， which can significantly improve its performance. The fermentation technical parameters for intelligent control of material， and control system of automatic positioning， automatic adjustment of pile turning speed， depth， location were designed. [Conclusion] This system realizes the technology target of the dynamic technical parameters controlled accurately and equally distributed during the fermentation， and achieves the automatic monitoring of the production plant for substrate continuous production， and guarantees highquality product. The designed manmachine interface is friendly， easy to operate.

Key words Compost turner； Cultivation medium； Wireless control system

農林廢棄物是農業和林業生產與加工過程中的副產品，數量巨大，可再生、可生物降解、對環境友好，是重要的生物質資源，主要有樹皮、果殼、鋸末、秸稈、蔗渣等[1]。目前我國正面臨農林固體廢棄物數量龐大治理困難的難題，過去焚燒一直是人們處理農林廢棄物的主要方式，這種處理方式污染環境，同時還造成了資源的嚴重浪費。而利用農作物秸稈及其他廢棄物生產有機肥或者無土栽培基質等發酵物料，是農林廢棄物無害化處理與資源高效化利用的重要途徑[2]。

物料發酵過程需要實時監測溫度、水分等工藝參數，在此過程控制方面，我國大都是工人依靠平時積累的經驗，人工控制翻拋、通風等操作工藝，故誤差大，不能實時監控。基質的參數直接影響到產品質量的好壞，所以基質發酵過程的參數控制非常重要[3]。而在農林廢棄物生產處理方面美國、德國等發達國家投入大，發展快，生產工藝和技術裝備均已比較成熟，正向大型化、智能化方向發展[4-5]。

為實現綜合考慮翻拋作業過程、基質發酵過程、工藝參數監測過程以及根據采集的工藝參數值進行實時控制過程，設計了FPJ—A型翻拋機及其監控系統，該系統可實現工藝參數實時監測，并通過PLC控制翻拋機動作，極大地提高了產品品質。

1 總體設計方案

利用無線傳感器網絡技術實現對發酵槽中栽培基質水分、溫度、含氧量的實時監測，通過遠程控制模塊，輔助繼電器實現整車控制（翻拋車的前行、后退、翻拋、升降）。通過加工機械和監測裝置對基質的均勻化攪拌、翻拋、噴霧、干風通風、供氧等工藝及監測措施，調節基質的溫度、水分含量和通風供氧量，使各動態工藝參數分布均勻，保障產品的品位及質量。

針對系統功能需求，將系統分為以下幾個模塊：槽式翻拋裝置設計、翻拋機傳動系統設計、基質信息采集與監測模塊、控制系統模塊（圖1）。

2 FPJ—A型翻拋機設計方案及結構特點

2.1 翻拋機設計方案

翻拋機是整個栽培基質發酵過程中的核心設備，主要用于物料的打散、翻拋、轉移、輸送，目的是使物料與空氣充分接觸，提高物料分解率。其直接決定了生產過程的機械化水平。

目前國內外的翻拋機從發酵方式來分主要有槽式、條垛式和反應器式3種。槽式發酵系統的溫度、濕度過程自動化控制效果較好，適應我國的國情，是發展的主要趨勢[6]。從翻拋裝置來分主要有滾筒式、鏈板式、螺旋攪拌式，滾筒式與鏈板式應用最為廣泛。

滾筒式翻拋機的優勢在于對物料的攫取能力、破碎能力強，有利于物料之間的橫向攪拌混合，結構簡單，維護方便。鏈板式翻拋機的長處在于物料能在空氣中停留較長時間，可與空氣充分接觸，有利于物料的充分發酵[7]。螺旋攪拌裝置行程大，會造成較大的車身震動[8]。FPJ—A型翻拋機設計方案正是在綜合滾筒式與鏈板式優點的基礎上提出的。

2.2 FPJ—A型翻拋機主要技術參數和栽培基質參數

2.3 FPJ—A型翻拋機結構特點

2.3.1 工作原理與結構。FPJ—A型翻拋機在鏈板前方通過支架連接翻拋滾筒，鏈板與滾筒通過液壓缸實現升降。翻拋作業時，物料在被鏈板翻動之前先經過滾筒的橫向攪拌，這樣可以達到更好的翻拋、攪拌效果。解決了鏈板式翻拋機翻拋效果好，但無法實現物料之間的橫向攪拌混合；滾筒式翻拋機橫向攪拌混合效果好，但攪拌深度淺的問題。

2.3.2 傳動系統。在農用機械中，翻拋裝置大都采用鏈傳動的方式，傳動效率低，傳動裝置龐大復雜，行走系統一般由電機驅動。該設計的動力傳動由變頻電機帶動液壓泵轉動，液壓油進而被帶動進入各個液壓馬達以及液壓缸，4個行走輪的動力、翻拋滾筒以及鏈輪的轉動均由液壓馬達帶動，液壓缸實現滾筒升降。液壓傳動效率高，傳動較平穩，可實現無極調速，也可以為整機設計提供方便。

2.3.3 換槽作業。目前大都采用移行車或者鋪設軌道的辦法換槽，增加生產成本的同時并沒有帶來便利，該設計在每對軌道行走輪的前方都裝有可伸縮的地面行走輪，這樣可避免借助輔助設備換槽帶來的種種麻煩，利用自動更換車輪的方式來實現翻拋機在地面上的行走。翻拋作業時，地面行走輪收縮，軌道輪發揮作用，需要換槽時，地面行走輪伸出，可在地面任意行走。

2.3.4 防護系統。在鏈板前端底部裝有2個對稱的支撐轉向輪，鏈板兩側對稱裝有兩對導向輪，導向輪的彈性與旋轉可以防止鏈板在工作過程中與槽壁的擠壓、摩擦。

2.3.5 自動化程度。采用半自動化設計，鏈板前端底部裝有2個對稱的支撐轉向輪，工作時駕駛人員通過方向盤控制整車轉向，操作靈活，運轉方便。

3 栽培基質信息采集與監控系統設計

實際操作時，翻拋機在發酵槽上不斷移動、翻拋，要求現場不能有過多的電纜、導線暴露在外，因此采用無線傳感器網絡數據傳輸，利用溫度傳感器、水分傳感器對基質進行信息采集，可精確反應基質發酵過程中的參數變化，通過上位機監測平臺顯示實時數據變化，PLC輔助繼電器控制翻拋機的各種動作，調節肥料的溫度、水分含量和通風供氧量。此種傳輸方式經濟、高效，抗干擾性強。

3.1 監控系統基本組成

下位機由溫度水分采集模塊、主控模塊、無線通訊模塊、顯示模塊、電源模塊等部分組成；上位機包括無線模塊、串口通訊模塊、溫度水分顯示模塊以及數據存儲模塊等組成。選用組態軟件實現上位機功能，人機界面友好，方便操作[9]。

硬件系統包括：土壤水分傳感器、土壤溫度傳感器、氧分析儀、RS485集線器、Zigbee發送模塊、Zigbee接收模塊。

3.2 數據采集與監控系統

由于系統監測范圍小，監測站點多，因此選擇適合于多個傳感器之間通信的ZigBee協議，可靠而且經濟[10]。在系統設計中選擇眾多傳感器節點密集部署于監控區域，通過溫度傳感器、水分傳感器采集溫度、水分信號，用氧分析儀測量基質的含氧量，來實現全程監控。整個系統覆蓋300個監測點，共5個發酵槽，每個發酵槽有50個溫度監測節點，10個水分監測節點。由數據采集模塊處理現場傳感器數據，處理后的數據通過串口傳送給Zigbee發送模塊，Zigbee發送模塊通過Zigbee網絡上傳給Zigbee接收模塊，接收模塊通過以太網上傳到上位機。系統結構如圖3所示。

控制系統主要核心模塊選用高可靠性的PLC模塊，系統的噴霧、鼓風、翻拋功能均采用變頻器進行速度控制，噴霧、鼓風等輔助設備均安裝于翻拋機上，滾筒的旋轉，鏈板升降，鏈輪以及行走輪的旋轉均由PLC輸出信號控制。PLC控制過程如圖4所示。

每個發酵槽均有5個斷面，每個斷面內都裝有溫度傳感器與水分傳感器，將橫向的5個斷面中的傳感器都連接到一起再連接采集器、集線器以及Zigbee構成一個總斷面，每個這樣的總斷面連接一個控制柜，控制柜接線圖如圖5所示。

3.3 組態軟件的開發

設計要求通過組態軟件可以獲得栽培基質發酵過程中的主要工藝參數數值，并根據數值得到實時變化曲線，同時上位機根據接收到的數據自動控制通風裝置、噴霧裝置以及翻拋機的前進、后退、翻拋、升降等動作。

由圖6可以看出，計算機界面上有各個組態功能鍵。點擊監測界面按鍵，進入實時監控的界面（圖7）。

由圖7可知，發酵槽內的物料總共有3種用途，即用于培育花卉或者果樹的基質或者直接施與土壤用作肥料。開啟車間控制系統之前，首先選擇物料的種類，1～5號發酵槽中分別放有不同種類的物料，點擊啟動后，系統進入發酵過程，待發酵結束后，對翻拋機可選擇暫停或者復位動作，點擊進料或出料按鈕可控制運輸機的進料、出料動作。此畫面可以顯示監測到的溫度數據以及水分數據，點擊每個斷面均可生成一張數據報表，并生成曲線，每一時刻數據都不同，溫度高于50 ℃數據會呈紅色顯示，并會產生報警。數據報表如圖8所示，報警界面如圖9所示。

4 結束語

FPJA型翻拋機綜合了滾筒式與鏈板式2種翻拋機的優勢，并且在翻拋機的傳動系統、防護系統以及換槽作業方面作出了較大的改進，解決了傳統翻拋作業的攪拌均勻性和粉碎性差、生產效率低、勞動強度大、作業成本高等諸多問題。并且將翻拋機與堆肥智能發酵系統相結合，研制了一種能實現智能控制物料的發酵工藝參數、并能自動定位堆體、自動調整翻拋的速度、深度、位置等功能的加工機械裝備系統，在我國的農業生產方面具有較大的意義。