秸稈與糖渣全自動裹包生產線控制系統(tǒng)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(yǎng)殖業(yè)現(xiàn)代化、規(guī)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(jù)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(yǎng)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(yǎng)殖戶來說，主要依賴進口國外中大型草牧業(yè)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(tǒng)青貯收獲機占據(jù)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(fā)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(shù)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(xiàn)有飼料加工設備從農作物田間收獲到物料包貯發(fā)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(jié)使用，閑置率高[3-5]。為充分利用秸稈與糖渣等農業(yè)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)

電控系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)，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(xiàn)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(lián)網網關，無線網關采集稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)，再以無線方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩粢苿釉O備端，同時通過MQTT協(xié)議上傳到云平臺，實現(xiàn)對設備運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)的監(jiān)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(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩粢苿釉O備端，電控系統(tǒng)結構組成如圖2所示。

圖2 自動裹包產線電控系統(tǒng)結構圖

2.1 稱重系統(tǒng)

為實現(xiàn)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(tǒng)，系統(tǒng)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(jù)：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(shù)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(tǒng)結構形式如圖5所示。

圖5 稱重系統(tǒng)應用結構示意圖

2.2 控制策略

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

圖6 產線控制系統(tǒng)架構圖

用WinCC組態(tài)軟件實現(xiàn)產線運行狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集和傳輸、數(shù)據(jù)保存、預置報警、故障顯示等功能[9-10]。產線電氣系統(tǒng)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(shù)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(xiàn)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(yè)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(yè)的4～5倍，作業(yè)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(xiàn)場粉塵極大減少，改善了現(xiàn)場環(huán)境。采用變頻調速，產線各環(huán)節(jié)生產設備根據(jù)料量大小自動調節(jié)運行速度，實現(xiàn)了節(jié)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(tǒng)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。