病死畜禽无害化处理机网络化控制系统设计

　　摘要： 针对当前病死畜禽尸骸等有机废弃物处理中存在的远程网络化管理与控制水平低等问题，本文为基于高温生物发酵处理方法的无害化处理机械装备设计了网络化控制系统。采用锤击功能的组合式破碎刀具快速粉碎牛、羊、猪等大型病死畜禽尸骸，通过搭建两层分布式网络架构，实现远程监控和在线故障诊断等功能。以三菱FX3GE可编程控制器及智能仪表为核心设计了全自动数字化控制系统硬件方案，给出编程软件组态配置方法，并根据工艺要求设计了无害化处理自动控制算法流程及数据采集通信算法，最后将该系统产业化应用于FCW系列机型。实践应用表明，该控制系统性能稳定，自动化和网络信息化水平高，产出的有机肥原料环保无公害，具有广阔的产业化推广应用前景。

　　关键词： 病死畜禽; 无害化处理; 高温生物发酵; 网络化控制系统; 可编程控制器; 组合式破碎刀具

　　作者： 闻霞

　　通信作者： 任雯

　　我国畜禽养殖总量位居世界第一，养殖场的畜禽死亡率居高不下。以猪为例，每年成年母猪、中猪及乳猪的死亡率分别为2%～3%，7%～8%及10%[12]，病死畜禽会引发动物疫病，甚至大规模的畜禽死亡[3]。及时处理、清洁环保及合理利用是对病死畜禽无害化处理的必然要求[46]，降低畜禽死亡率并環保无害化处理病死畜禽尸骸是当前智慧绿色畜牧业的前沿热点技术。丁伟等人[79]分别为畜禽舍设计了防疫消毒机器人控制系统、子母式智能化消毒系统和基于无线传感网络的智能畜禽舍环境控制系统;李传友等人[1012]介绍了当前深埋、化尸窑、焚烧等传统病死畜禽无害化处理技术的特点以及在水土、空气污染等方面存在的挑战;陈金瑞等人[13]分析了病死猪处理的要求和性能指标，给出了基于“机械处理+高温灭菌+生物发酵”原理的病死猪无害化处理新方法的设备选型对策;翟振等人[14]分析了畜禽尸骸无害化处理物对油菜生长及重金属富集特征的影响，验证了增施倍量动物尸骸无害化处理物不仅有利于油菜植株的生产，而且对土壤及油菜均安全。许多研究人员基于机械式高温灭菌生物发酵工艺的新型无害化处理装备展开了初步研究。陈金瑞[15]提出了螺带式结构和定刀加动刀式结构的处理机刀具机械结构设计方案;张应林等人[16]设计了一种适用于大型病死畜禽快速高效切割的组合式破碎刀具;岳桐等人[17]开发了病死畜禽无害化处理监管系统，实现了对浦东病死畜禽无害化处理全过程的信息化监管和分析;胡峥[18]给出了病死禽畜无害化处理设备电气控制的设计方案。基于此，针对传统病死畜禽无害化处理机控制系统不具有远程网络化管理与控制且自动化水平低等存在的问题，本文基于组合式破碎刀具的机械结构，采用两层网络架构，设计了新型病死畜禽无害化处理机网络化控制系统。实践应用表明，该控制系统性能稳定，自动化和网络信息化水平高，产出的有机肥原料环保无公害，具有广阔的产业化推广前景。

　　1设计方案

　　1.1病死畜禽无害化处理工艺

　　本文采用的病死畜禽无害化处理工艺如图1所示。该工艺使用机电一体化设备对病死畜禽尸骸等有机废弃物进行分切、绞碎、发酵、杀菌及干燥，并通过添加专用微生物菌，对有机废弃物进行发酵降解，最终转化为无臭无害粉状的环保有机肥料。

　　1.2结构组成

　　病死畜禽无害化处理过程中，分切和绞碎环节非常重要。针对牛羊猪等大型病死畜禽，一般采用具有锤击功能的组合式破碎刀具[16，19]，病死畜禽无害化处理机结构组成示意图如图2所示。该机构主要包括密闭搅拌槽、斩碎单元、主轴电机、加热装置、热气管、鼓风机、滑门和V型捣拌组件等，其中组合式斩碎单元包含主轴电机驱动的转轴以及螺旋环绕其上的侧刃刀、碎击锤、横双刃刀，加热装置包括用于加热鼓风机吸入外部空气的加热管和搅拌槽侧面包覆安装的加热组件两部分。

　　1.3现场总线架构

　　现场总线架构如图3所示。控制系统主要由基于传输控制协议/网际协议(transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP)的以太网和RS-485串行总线组成，分别完成信息管理层和现场设备层中设备间的通信。

　　单台病死畜禽无害化处理机以可编程控制器(programmable logic controller，PLC)[2021]为主控制器，PLC通过RS-485串行总线与触摸屏和模拟量测量仪表和故障诊断模块，从而实现数据通信。无害化处理车间内部多台无害化处理机通过PLC内置的以太网通信接口，基于TCP/IP协议与上层工程师站、管理员站以及网络服务器通信。工程师站通过组态软件搭建上位机监控系统，包括主监控窗口属性设置、设备驱动、用户动画界面及实时数据库的组态等;管理员站通过企业资源计划管理软件完成生产管理、数据报表和统计等功能;网络服务器实现企业局域网与Internet云端的连接，完成远程网页浏览、控制算法维护和故障诊断功能。

　　2现场设备层设计

　　根据无害化处理工艺要求，现场设备层主要包括PLC主控器、人机交互界面(触摸屏)、模拟量采集智能仪表、主轴电机、加热装置、自动送料与出料系统、电机故障监测与报警等功能模块。控制电路原理如图4所示。

　　2.1PLC主控制器

　　主控制器采用三菱新一代PLC，型号为FX3GE-40MR，内置支持10BASE-T/100BASE-TX高速通信的以太网接口，无缝接入基于TCP/IP的以太网，与信息管理层交换数据。支持基于Web的数据监测，即可从任意联网的终端设备通过标准Web浏览器读取PLC信息，设置关键字保护，禁止未经授权的设置访问。PLC输入信号名称和对应的输入变量定义如表1所示。表1中，输入信号主要包括设备启停控制、密闭处理槽门盖开关控制、料斗和料门开关控制和状态监测、主轴/振动筛/输送带电机、风机、油泵、超温等故障报警信号及电源保护检测信号;输出信号包括风机、加热管、主轴电机正/反转、油泵电机/总阀、自动运行/停机/故障指示灯和声光报警信号。

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文章名称： 病死畜禽无害化处理机网络化控制系统设计

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