新型有機肥轉化裝置控制系統的設計與實現

張艷麗， 牛國玲， 劉志忠， 陶 然

(佳木斯大學機械工程學院，黑龍江佳木斯 154007)

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新型有機肥轉化裝置控制系統的設計與實現

張艷麗， 牛國玲*， 劉志忠， 陶 然

(佳木斯大學機械工程學院，黑龍江佳木斯 154007)

針對目前有機肥轉化裝置的衛生性和自動化程度，提出一種基于MCGS通用監控系統與PLC控制技術相結合的有機肥轉化裝置控制系統的設計，該系統由PLC實現控制功能，由MCGS組態軟件實現實時監控、數據查詢及參數設定等功能。實踐證明，該設計實現了設備的實時監控，可操作性強，自動化程度高，對我國城市生活垃圾的減量化和資源化利用的研究有著積極意義，且該裝置有一定經濟效益，具有推廣價值。

PLC；MCGS；有機肥；控制系統；自動化

隨著城鎮化水平的不斷發展，居民生活水平也在不斷提高，生活垃圾也越來越多，如何處理這些垃圾成為一個亟待解決的問題[1]。常見的生活垃圾處理方法有堆肥、焚燒和填埋等[2-3]，但是這些方式不僅占地面積大而且也會對生態環境造成很大的危害。也有在居民家中處理生活垃圾的方法，一般采用廚余垃圾發酵桶，其完全依賴人工手動操作，過程繁瑣，自動化程度低，發酵周期長，過度依靠人力，有異味產生，極不衛生且發酵成功率低。華中科技大學武昌分校生物與化學系的張小菊等[4]研發了一種利用微生物厭氧發酵處理餐廚垃圾產生沼氣的方法；北京工業大學循環經濟研究院的徐鵬等[5]對餐廚垃圾在能源生產中的應用與發展進行了研究，總結了利用餐廚垃圾生產甲烷、氫氣、燃料酒精、生物柴油、生物炭等的研究進展。針對目前有機肥轉化裝置的衛生性和自動化程度，筆者提出一種基于MCGS通用監控系統與PLC控制技術相結合的有機肥轉化裝置控制系統的設計，以期為我國城市生活垃圾的減量化和資源化利用的研究提供參考。

1　有機肥轉化裝置的功能改進

廚余垃圾發酵桶是市場上現有的有機肥轉化裝置，其硬件部分包括桶體、濾網和桶蓋。桶體用來承裝需要發酵的廚余垃圾，作為容器；濾網用來分隔廚余堆肥雜質和堆肥液；桶蓋用來密封，防止桶內發酵產生的異味散出。廚余垃圾發酵桶處理過程如下：① 材料備好后，對其進行人工碎塊或剝碎處理；②在廚余發酵桶底部鋪上吸油紙或舊報紙；③在吸油紙或舊報紙上先均勻地鋪一層發酵菌糠，而后放入適量處理好的廚余垃圾，在其上面再鋪放一層發酵菌糠，循環此操作步驟，直至發酵桶裝滿；④將蓋子蓋緊進行密封發酵，在停止填料的第7天，可以收取桶底的有機肥液，應1～2 d收取1次；⑤第10～15 天后，桶內順利長出白色或偏紅色的菌絲，發酵成功；⑥第15～20天后，可將桶內發酵物全部倒出作為基底肥埋入土中或封存裝袋留作備用。分析該過程后，發現廚余垃圾發酵桶可以很好地將廚余垃圾發酵為固態有機肥和液態有機肥，但處理過程中缺少滅菌步驟，廚余垃圾自身攜帶的病菌會增加發酵的失敗率，若桶蓋的密封不理想將會直接導致發酵失敗，浪費時間和資源。為此，筆者對廚余垃圾發酵桶的功能進行革新設計，改進后的加工過程如圖1所示。該設計在廚余垃圾發酵桶原有的功能基礎上，對其進行完善，加入了滅菌、投菌、控溫、采集有機肥液、出固態有機肥和排發酵廢氣等功能。

2　控制系統的設計

2.1PLC主程序設計在DVP-32EH系列的PLC編程軟件WPLSoft 2.41內進行程序編寫及仿真。利用溫度傳感器采集裝置內部溫度信息上傳至上位機，通過上位機中相關寄存器的設置也可以對溫度上下限、合格溫度及各類定時進行設定。對加工過程進行分析后繪制出流程圖，如圖2所示。

2.2MCGS上位機遠程系統軟件設計MCGS遠程監控系統主要由監控和操作控制2個部分組成。監控部分包括轉化裝置的運行狀態、裝置內部溫度及發酵完全提示等。操作控制部分包括粉碎、出料、出液、參數設定及復位。粉碎是用來啟動轉化裝置粉碎機構的按鍵，對入料斗內的發酵材料進行粉碎處理，并將其送至發酵箱；在發酵計時結束時，PLC會發出警報信號，此時單擊出料和出液按鍵是用來啟動轉化裝置中的出料機構和出液機構的，啟動出料機構或出液機構會將發酵箱內的固態有機肥或液態有機肥取出；參數設定是對該系統內需要設定的粉碎時間、滅菌時間、冷卻時間、發酵時間、合格溫度及溫度上下限的設定；復位是在轉化裝置完成一次加工后，對控制系統進行復位操作，開始下一輪加工。上位機監控系統實時檢測并同步裝置的運行狀態及系統運行時的數據參數，當運行數據超出正常運行范圍，自動發出動作信號給PLC，顯示報警數據，實現轉化裝置的可視化、智能化控制。MCGS操作簡便、功能強大，具有很高的可靠性和實用性。MCGS上位機中有機肥轉化裝置監控系統的主界面如圖3所示。

圖1　加工過程Fig. 1 The machining process

圖2　主程序流程Fig. 2　The flow chart of main program

在MCGS的運行策略中創建循環策略，在腳本程序中編寫的轉化裝置的控制程序如下：

IF 內部溫度 > 40 THEN

溫度過高 = 1

ELSE

溫度合格 = 1

ENDIF

IF M110 = 1 THEN

IF 內部溫度 < 合格溫度 THEN

M73 = 1

ELSE

M73 = 0

ENDIF

ENDIF

該程序是對冷卻過程和控溫過程中檢測到內部溫度的判斷，根據不同判斷結果發出不同的動作信號，實現裝置內部溫度的自動控制。

圖3　監控系統的主界面Fig. 3　The main interface of monitoring system

2.3模擬量設備通道的連接模擬量設備通道的連接就是將PLC中的通道參數與MCGS組態軟件中數據變量進行連接，從而將設備中的數據送入實時數據庫中的指定數據對象或將數據對象的值送入設備指定的通道輸出，當通道連接完成后再進行系統調試[6]。該系統的設備編輯窗口如圖4所示。

圖4　設備編輯窗口Fig. 4　The equipment editor window

3　轉化裝置的三維仿真及系統測試

3.1轉化裝置的三維仿真根據有機肥轉化裝置的功能分析，參考相關文獻，對該裝置進行三維仿真設計，采用的三維軟件是Pro/e，仿真結果如圖5所示。其中包含入料斗、粉碎機械、滅菌箱、滅菌器、投菌口、發酵箱、濾網、集液箱、排氣管、機架、電機支架、電機及螺旋推進器。

預期工作過程：從入料斗上開口投入材料，由下口進入粉碎機械進行粉碎，粉碎后的小塊材料落入滅菌箱，待所有材料處理完成，開啟滅菌器對材料滅菌，滅菌后冷卻，檢測內部溫度合格后，在投菌口投放適量菌糠，由電機帶動螺旋推進器將滅菌箱內的材料與菌糠送至發酵箱，開始發酵過程，在該過程中對內部溫度實時監測，溫度過低時，開啟加熱裝置，溫度達到一定值時，停止升溫，將溫度始終保持在一個適宜發酵菌的范圍內，發酵結束后，由電機帶動螺旋推進器將發酵箱內的固態肥取出，打開電磁閥放出集液箱內的液態肥，完成一次加工。

圖5　有機肥轉化裝置Pro/e圖Fig. 5　The Pro/e diagram of conversion device of organic fertilizer

3.2系統調試有機肥轉化裝置控制系統包括電氣部分(圖6)和程序部分，電氣部分包含空氣開關、24 V直流穩壓電源、DVP-32EH系列PLC、昆侖通態觸摸屏、溫度傳感器、中間繼電器及若干導線；程序部分包括PLC的梯形圖程序和MCGS組態軟件程序。

圖6　電氣部分Fig. 6　Electrical component

調試步驟如下：第1步，接通電源，打開急停開關；第2步，檢查PLC和觸摸屏的得電情況；第3步，在觸摸屏上點擊“進入”，從開機界面跳轉至主界面，在主界面內點擊“參數設定”跳轉至參數設定界面，對參數進行設定，滅菌定時、冷卻定時、合格溫度、發酵定時分別輸入10、2、37、15，點擊“保存數據”后，點擊“返回上一層”。參數設定界面如圖7所示；第4步，點擊粉碎，彈出粉碎定時窗口，設定數值后，點擊確認，彈出投菌量選擇窗口，確認后，窗口自動關閉，此時對應流程圖，查看PLC的I/O指示燈和主界面內各工序對應的指示燈點亮的順序；第5步，在發酵定時即時結束后，在主界面內會顯示“出料”、“出液”和“復位”，點擊“出料”和“出液”會進行出料和出液動作，相應指示燈會亮起，點擊“復位”后，觸摸屏會跳至開機界面；第6步，關閉空氣開關，停止供電；最后，切斷電源，系統調試完成。在有機肥轉化裝置運行試驗過程中，遇到了許多需要注意的問題，在解決問題中也完善了設計上的不足之處，運行試驗結果表明，有機肥轉化裝置控制系統設計方案具有可行性。

圖7　參數設定界面Fig.7　Interface of parameter setting

4　結論

生活垃圾處理已經成為現代社會面臨的重大挑戰，作為一種可再生能源，如何將其資源化、合理化利用已成為社會熱點話題。目前，現有的生活垃圾處理設備功能簡單，操作過程繁瑣，依賴大量人力，且不衛生，而該研究設計的新型有機肥轉化裝置的控制系統提高了現有設備的衛生性和自動化程度，其應用了PLC和MCGS組態軟件相結合的高級技術，對現有設備進行革新改進，加入了新的功能，可操作性強，操作簡單，且運行穩定。該系統設計成功，對我國城市生活垃圾的減量化和資源化利用的研究有著積極意義，具有一定經濟效益，可大面積推廣。

[1] 李鳳美.生活垃圾產生的沼氣發電之經濟分析[J].中國集體經濟，2016(7)：9-10.

[2] 李化山,于光輝,李詩剛,等.餐廚垃圾與園林植物廢棄物混合堆肥工藝研究[J].安徽農業科學,2014,42(28):9745-9748.

[3] 錢棟.城市生活垃圾焚燒處理及其污染控制研究[J].安徽農業科學,2015,43(9):261-263.

[4] 張小菊,李橫江,楊娟,等.餐廚垃圾厭氧發酵產沼氣的初步探究[J].湖北師范學院學報，2015,35(1)：96-99.

[5] 徐鵬,穆獻中.餐廚垃圾在能源生產中的應用與發展[J].重慶大學學報，2016,36(5)：12-16.

[6] 王云剛,陳文燕.基于MCGS和PLC的水位自動控制系統設計[J].測控技術，2014，33(1):96-98.

Design and Realization of Control System of New Organic Fertilizer Conversion Device

ZHANG Yan-li, NIU Guo-ling*, LIU Zhi-zhong et al

(Mechanical Engineering Institute of Jiamusi University, Jiamusi, Heilongjiang 154007)

In order to improve the health and automation of the organic fertilizer conversion device, we proposed a control system of organic fertilizer conversion device, including control function by PLC, data monitoring and querying by MCGS. Experiments and applications showed that the design realized the real-time monitoring of equipment, and had strong maneuverability and high automation. It reduced the living garbage in cities. Use of urban living garbage research had positive significance, and had certain economic benefits. This device had promotion value.

PlC; MCGSS; Organic fertilizer; Control system; Automation

黑龍江大學生創新創業訓練計劃項目(201510222037);佳木斯大學教育教學研究項目(2016JL1004);田間作業裝備創新團隊(cxtd-2013-01);國家基金青年項目(61203052);黑龍江省教育廳科研項目(12521539)。

張艷麗(1974- )，女，黑龍江巴彥人，講師，博士，從事農業電氣化研究。*通訊作者，副教授，碩士，從事農業電氣化研究。

2016-07-01

S 22

A

0517-6611(2016)21-222-03