病死畜禽無害化處理機網絡化控制系統設計

聞霞 賴森財 任雯

摘要：? 針對當前病死畜禽尸骸等有機廢棄物處理中存在的遠程網絡化管理與控制水平低等問題，本文為基于高溫生物發酵處理方法的無害化處理機械裝備設計了網絡化控制系統。采用錘擊功能的組合式破碎刀具快速粉碎牛、羊、豬等大型病死畜禽尸骸，通過搭建兩層分布式網絡架構，實現遠程監控和在線故障診斷等功能。以三菱FX3GE可編程控制器及智能儀表為核心設計了全自動數字化控制系統硬件方案，給出編程軟件組態配置方法，并根據工藝要求設計了無害化處理自動控制算法流程及數據采集通信算法，最后將該系統產業化應用于FCW系列機型。實踐應用表明，該控制系統性能穩定，自動化和網絡信息化水平高，產出的有機肥原料環保無公害，具有廣闊的產業化推廣應用前景。

關鍵詞：? 病死畜禽; 無害化處理; 高溫生物發酵; 網絡化控制系統; 可編程控制器; 組合式破碎刀具

中圖分類號： TP272; S851.2+3文獻標識碼： A

作者簡介： ?聞霞（1980-），女，碩士，副教授，主要研究方向為機電一體化。

通信作者： ?任雯（1979-），男，博士，副教授，主要研究方向為智能控制、電路與系統設計。Email： auwren@foxmail.com

我國畜禽養殖總量位居世界第一，養殖場的畜禽死亡率居高不下。以豬為例，每年成年母豬、中豬及乳豬的死亡率分別為2%～3%，7%～8%及10%[12]，病死畜禽會引發動物疫病，甚至大規模的畜禽死亡[3]。及時處理、清潔環保及合理利用是對病死畜禽無害化處理的必然要求[46]，降低畜禽死亡率并環保無害化處理病死畜禽尸骸是當前智慧綠色畜牧業的前沿熱點技術。丁偉等人[79]分別為畜禽舍設計了防疫消毒機器人控制系統、子母式智能化消毒系統和基于無線傳感網絡的智能畜禽舍環境控制系統;李傳友等人[1012]介紹了當前深埋、化尸窯、焚燒等傳統病死畜禽無害化處理技術的特點以及在水土、空氣污染等方面存在的挑戰;陳金瑞等人[13]分析了病死豬處理的要求和性能指標，給出了基于“機械處理+高溫滅菌+生物發酵”原理的病死豬無害化處理新方法的設備選型對策;翟振等人[14]分析了畜禽尸骸無害化處理物對油菜生長及重金屬富集特征的影響，驗證了增施倍量動物尸骸無害化處理物不僅有利于油菜植株的生產，而且對土壤及油菜均安全。許多研究人員基于機械式高溫滅菌生物發酵工藝的新型無害化處理裝備展開了初步研究。陳金瑞[15]提出了螺帶式結構和定刀加動刀式結構的處理機刀具機械結構設計方案;張應林等人[16]設計了一種適用于大型病死畜禽快速高效切割的組合式破碎刀具;岳桐等人[17]開發了病死畜禽無害化處理監管系統，實現了對浦東病死畜禽無害化處理全過程的信息化監管和分析;胡崢[18]給出了病死禽畜無害化處理設備電氣控制的設計方案。基于此，針對傳統病死畜禽無害化處理機控制系統不具有遠程網絡化管理與控制且自動化水平低等存在的問題，本文基于組合式破碎刀具的機械結構，采用兩層網絡架構，設計了新型病死畜禽無害化處理機網絡化控制系統。實踐應用表明，該控制系統性能穩定，自動化和網絡信息化水平高，產出的有機肥原料環保無公害，具有廣闊的產業化推廣前景。

1設計方案

1.1病死畜禽無害化處理工藝

本文采用的病死畜禽無害化處理工藝如圖1所示。該工藝使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、殺菌及干燥，并通過添加專用微生物菌，對有機廢棄物進行發酵降解，最終轉化為無臭無害粉狀的環保有機肥料。

1.2結構組成

病死畜禽無害化處理過程中，分切和絞碎環節非常重要。針對牛羊豬等大型病死畜禽，一般采用具有錘擊功能的組合式破碎刀具[16，19]，病死畜禽無害化處理機結構組成示意圖如圖2所示。該機構主要包括密閉攪拌槽、斬碎單元、主軸電機、加熱裝置、熱氣管、鼓風機、滑門和V型搗拌組件等，其中組合式斬碎單元包含主軸電機驅動的轉軸以及螺旋環繞其上的側刃刀、碎擊錘、橫雙刃刀，加熱裝置包括用于加熱鼓風機吸入外部空氣的加熱管和攪拌槽側面包覆安裝的加熱組件兩部分。

1.3現場總線架構

現場總線架構如圖3所示。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）的以太網和RS-485串行總線組成，分別完成信息管理層和現場設備層中設備間的通信。

單臺病死畜禽無害化處理機以可編程控制器（programmable logic controller，PLC）[2021]為主控制器，PLC通過RS-485串行總線與觸摸屏和模擬量測量儀表和故障診斷模塊，從而實現數據通信。無害化處理車間內部多臺無害化處理機通過PLC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、用戶動畫界面及實時數據庫的組態等;管理員站通過企業資源計劃管理軟件完成生產管理、數據報表和統計等功能;網絡服務器實現企業局域網與Internet云端的連接，完成遠程網頁瀏覽、控制算法維護和故障診斷功能。

2現場設備層設計

根據無害化處理工藝要求，現場設備層主要包括PLC主控器、人機交互界面（觸摸屏）、模擬量采集智能儀表、主軸電機、加熱裝置、自動送料與出料系統、電機故障監測與報警等功能模塊。控制電路原理如圖4所示。

2.1PLC主控制器

主控制器采用三菱新一代PLC，型號為FX3GE-40MR，內置支持10BASE-T/100BASE-TX高速通信的以太網接口，無縫接入基于TCP/IP的以太網，與信息管理層交換數據。支持基于Web的數據監測，即可從任意聯網的終端設備通過標準Web瀏覽器讀取PLC信息，設置關鍵字保護，禁止未經授權的設置訪問。PLC輸入信號名稱和對應的輸入變量定義如表1所示。表1中，輸入信號主要包括設備啟停控制、密閉處理槽門蓋開關控制、料斗和料門開關控制和狀態監測、主軸/振動篩/輸送帶電機、風機、油泵、超溫等故障報警信號及電源保護檢測信號;輸出信號包括風機、加熱管、主軸電機正/反轉、油泵電機/總閥、自動運行/停機/故障指示燈和聲光報警信號。

2.2模擬量采集智能儀表

宇電智能儀表AI-704采用220 V交流供電，基于AIBUS協議，通過串口一上位FX3GA-40MR通信，串口一需要選配FX3G-485-BD通信模塊，波特率設置為9 600 bit/s。AI-704完成主軸電流、料溫和油溫三個模擬量的采集（詳見圖4），主軸電流通過交流變送器MIK-DJI-A變換后輸入AI-704，通過兩路K型熱電偶分別采集料溫和油溫。

2.3主軸電機

將豬馬牛等尸骸的有機廢棄物完整地投入攪拌槽內，添加加速發酵的介質，PLC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能反復斬切有機廢棄物，還可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，用碎斬刀末端的碎擊錘將其擊碎，通過側刃刀軸向進一步切碎。

3軟件設計

3.1組態軟件配置

采用三菱7寸觸摸屏GS2107作為現場人機交互界面，通過RS-485總線與PLC通信，采用GT Designer3軟件編程實現監控界面顯示、參數設置及手動調試等功能。控制系統的溫度、恒溫時間、主軸電機正/反轉控制邏輯及各階段恒溫時間等參數可通過工業觸摸屏/工程師站的系統監控界面/參數設置界面進行交互式設置。系統試車時，可以通過手動調試界面對主軸電機、風機、加熱裝置進行調試。

3.2GX Works2軟件通信配置

首先進行連接目標頁面設置。在計算機側選擇“Ethernet Board”，雙擊PLC module選項將連接方式選擇為“通過集線器連接”，輸入IP地址，設置以太網端口，在“以太網端口設置”選項卡，填寫IP地址，并選擇通道2，協議選擇TCP，打開方式選擇MC協議。

3.3宇電儀表數據采集程序

宇電智能儀表AI-704采用AIBUS通信協議，接口電平符合RS-485標準，數據格式為1個起始位，8位數據，無校驗位，1或2個停止位，采用16進制數據格式表示各種指令代碼及數據，標準讀指令表達式為地址代號+52H（82）+要讀的參數代號+0+0+校驗碼，采用RS2指令讀取AI-704儀表溫度值和電流值。PLC與AI-704通訊梯形圖程序如圖5所示。圖中D8420為設定通訊格式特殊功能寄存器，M8002為初始化脈沖，M8012為內部時鐘，定時時間為100 ms，M8422為RS指令的發送請求軟元件，M8423為RS2指令接收結束標志位，D0為發送數據的起始軟元件，D10為保存接收數據的起始軟元件。通過輪詢參數程序段，依次向AI-704發送電流、油溫及料溫測量參數讀指令，并將接收到的參數值依次放在以D20為起始軟元件的地址單元。

3.4自動控制算法程序設計

根據無害化處理工藝要求，將自動控制程序設計三個功能模塊，即高溫分切攪碎處理功能模塊，高溫殺菌發酵處理功能模塊和烘干降溫處理功能模塊。

3.4.1高溫分切攪碎處理功能模塊

本模塊通過主軸電機驅動組合式破碎刀具，在密閉處理倉體內分切、絞割有機廢棄物，并采用一組均勻分布于U型處理槽壁內的加熱裝置和熱氣管將倉內溫度控制于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和無毒殺菌打下基礎。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，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問題。本階段不對外界排出尾氣，持續時間為10～15 h，隨后進入高溫殺菌和干燥排氣兩個階段。

3.4.2高溫殺菌發酵處理功能模塊

本模塊的溫度穩定在100～130 ℃，持續時間為15～20 h，以保證在高溫下徹底消殺各種有害病菌，并需要配合通風機排出大量水蒸氣。本階段主軸電機驅動組合式破碎刀具攪拌有機廢棄物碎渣，從而加速專用益生菌在高溫環境下對有機廢棄物高效降解，通過高溫殺菌使微生物的蛋白質及酶發生凝固或變性死亡，殺死蟲及蟲卵等。

3.4.3烘干降溫處理功能模塊

本模塊關閉加熱器停止加熱，軸電機驅動組合式破碎刀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 ℃后，主軸電機停止工作，風機繼續通風干燥，在降溫至50 ℃以后，按照設定的溫度停止工作，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。

根據上述三個控制功能模塊，自動控制流程如圖6所示。

4應用案例

該系統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和Hg等質量分數均達到有機肥指標和環保要求。控制系統性能對比如表2所示。

5結束語

本文基于高溫生物發酵處理方法的無害化處理機械裝備設計了網絡化控制系統。采用錘擊功能的組合式破碎刀具快速粉碎牛羊豬等大型病死畜禽尸骸，通過搭建兩層分布式網絡架構，實現了無害化處理車間的網絡化管理、遠程控制與故障診斷，打破了傳統無害化處理機控制系統的“信息孤島”，該系統實現了一鍵式啟動從進料到出料的全程數字化控制，提升了自動化水平。使用智能儀表作為從控制器采集三路模擬量參數，并采用隔離RS485模塊將主軸電流、物料溫度、循環油溫度上傳至PLC，提升了系統的集成度和可靠性。下一步的研究重點是建立無害化處理控制模型，采用人工智能控制策略實時動態優化主軸電機最佳轉速、益生菌加入量發酵和加熱時間等控制參數，實現智能控制。

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Abstract：?? Aiming at the low level of remote network management and control in the current treatment of organic wastes such as sick and dead livestock and poultry carcasses， this paper designs a networked control system for harmless treatment machinery and equipment based on the high-temperature biological fermentation treatment method. The combined crushing tool with hammering function quickly crushes the carcasses of large-scale sick and dead animals such as cattle， sheep and pigs. By building a two-layer distributed network architecture to realize functions such as remote monitoring and online fault diagnosis， a full-automatic digital control system hardware scheme is designed with Mitsubishi FX3GE programmable controller and smart meters as the core， and a programming software configuration method is given. According to the technological requirements， the automatic control algorithm flow and data acquisition communication algorithm of harmless treatment are designed， and finally the system is industrialized and applied to FCW series models. Practical application shows that the control system has stable performance， high level of automation and network information， and the output of organic fertilizer raw materials is environmentally friendly and pollution-free， and has broad prospects for industrialization and application.

Key words： sick and dead livestock and poultry; harmless treatment process; high temperature biological fermentation; networked control system; programmable controllers; combined crushing tool