病死畜禽無害化處理機嵌入式控制系統設計

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文明建設，建設美麗中國。病死畜禽無害化處理是建設美麗中國的重要環節。雖然我國畜禽養殖總量位居世界第一，但養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，甚至引起大規模的畜禽死亡；若丟棄在自然環境中，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生食物中毒事件[5]?！凹皶r處理、清潔環保、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備，設計了基于文本一體機的嵌入式控制系統。

1 設計方案

1.1 病死畜禽無害化處理工藝

本文設計的病死畜禽無害化處理工藝如圖1所示。采用機電一體化設備對病死畜禽尸骸等有機廢棄物進行分切、絞碎、發酵、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酵降解，最終將其轉化為無臭、無害、粉狀的環保有機肥料。

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 結構組成

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節[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，采用結構簡單、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構。

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

圖2 機械結構示意圖 Fig.2 Schematic diagram of machanical structure

1.3 現場總線架構

現場總線架構如圖3所示。

圖3 現場總線架構 Fig.3 Fieldbus architecture

控制系統主要由基于傳輸控制協議/網際協議(transmission control protocol/Internet protocol,TCP/IP)的以太網(信息管理層)和RS-485串行總線(現場設備層)完成各設備、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。文本一體機內主控制器通過RS-485串行總線與協處理器(用于采集處理槽內溫度、主軸電流、故障參數信息)、文本屏實現數據通信。無害化處理車間內部署的多臺無害化處理機通過文本一體機內置的以太網通信接口，基于TCP/IP協議與上層工程師站、管理員站以及網絡服務器通信。工程師站通過組態軟件搭建上位機監控系統，包括主監控窗口屬性設置、設備驅動、用戶動畫界面、實時數據庫的組態等。管理員站通過企業資源計劃(enterprise resource planning,ERP)管理軟件完成生產管理、數據報表和統計等功能。服務器實現企業局域網與Internet云端的連接，具備遠程網頁瀏覽、控制算法維護和故障診斷功能。

2 現場設備層設計

本文開發的文本一體機控制系統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處理器?？刂齐娐吩砣鐖D4所示。STC15F60S2內部集成16 KB的大容量EEPROM存儲器保存系統參數，可確保斷電數據不丟失?？刂葡到y采用24 V直流供電，內部集成高效共模濾波電感和自恢復保險絲。系統輸入輸出全部采用光電隔離和啟用內部看門狗，具有嚴格的高頻濾除特性，使系統工作穩定、可靠，無死機現象。

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路為繼電器開關輸出，開關觸點電流10 A(直流為5 A)，內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)場效應開關管輸出，內置續流二極管。同時，主控制器通過以太網接口芯片(支持10BASE-T/100BASE-TX高速通信)無縫接入TCP/IP以太網，與信息管理層交互數據。主控制器支持基于Web的數據監測，可以從任意聯網的終端設備通過標準Web瀏覽器讀取文本一體屏信息，并設置關鍵字保護，禁止未經授權的訪問。

2.2 協控制器

協控制器主要負責模擬量參數的采集，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，也可顯示圖形數字符號等；有20個薄膜輕觸開關，可在線設置參數或者運行控制，方便快捷。該系統支持掉電檢測功能，一旦外部停電，可迅速將當前工作參數保存于EEPROM，等下次上電時恢復當前工作狀態。

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，添加加速發酵的介質后，主控制器控制主軸電機驅動組合式碎斬刀單元，在密閉攪拌槽內按照控制邏輯正反轉交替旋轉攪拌，讓廢棄有機物與發酵介質充分、均勻混合。轉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，并通過側刃刀軸向進一步切碎。

3 軟件設計

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

圖5 狀態轉換圖 Fig.5 State transform diagram

根據無害化處理工藝要求，將自動控制程序設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動螺旋型破碎刀具在密閉處理倉體內分切、絞割有機廢棄物成碎渣，并通過一組均勻分布于U型處理槽壁內的加熱裝置和熱氣管，將倉內溫度根據工藝要求穩定在60～80 ℃，實現專用益生菌大量繁殖發酵，為下一階段的高溫發酵降解、無毒殺菌打下基礎。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生。本階段不對外界排出尾氣，持續時間為10～15 h，隨后進入下面的高溫殺菌和干燥排氣階段。

②高溫殺菌發酵處理功能模塊。本模塊的溫度需持續二十幾個小時穩定在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及酶發生凝固或變性死亡，并殺死蟲及蟲卵等。

③烘干降溫處理功能模塊。本模塊關閉加熱器停止加熱，軸電機驅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，風機繼續通風干燥；在溫度降溫至50 ℃以后，按照設定溫度停止工作。整個無害化處理控制流程結束，最終產品為無害粉狀有機肥原料。

4 應用案例

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

控制系統性能對比如表2所示。

表2 控制系統性能對比 Tab.2 Control system performance comparison

5 結論

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