安亞群　許東來(lái)　崔愛(ài)軍等

摘要 [目的]解決農(nóng)林廢棄物數(shù)量龐大治理困難的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物無(wú)害化處理的全程自動(dòng)化監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)資源高效化利用。[方法]設(shè)計(jì)FPJ-A型翻拋機(jī)械裝備，并對(duì)物料的翻拋?zhàn)鳂I(yè)過(guò)程、基質(zhì)發(fā)酵過(guò)程、工藝參數(shù)監(jiān)測(cè)過(guò)程以及根據(jù)采集的工藝參數(shù)值實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)響應(yīng)的控制過(guò)程的各組態(tài)功能軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。[結(jié)果]FPJ-A型翻拋機(jī)綜合了滾筒式與鏈板式翻拋機(jī)的優(yōu)勢(shì)，并且在翻拋機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)以及換槽作業(yè)方面作出了較大的改進(jìn)，使其性能大幅度提高；同時(shí)設(shè)計(jì)了能實(shí)現(xiàn)智能控制物料的發(fā)酵工藝參數(shù)，并能自動(dòng)定位堆體、自動(dòng)調(diào)整翻拋的速度、深度、位置的控制系統(tǒng)。[結(jié)論]實(shí)現(xiàn)了基質(zhì)發(fā)酵過(guò)程中各動(dòng)態(tài)工藝參數(shù)的精確控制，物料分布均勻的工藝目標(biāo)；保障了產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)現(xiàn)了基質(zhì)車間連續(xù)生產(chǎn)的全程自動(dòng)監(jiān)控。所設(shè)計(jì)的人機(jī)界面友好，便于操作。

關(guān)鍵詞 翻拋機(jī)；栽培基質(zhì)；無(wú)線控制；系統(tǒng)

中圖分類號(hào) S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）13-339-03

Design of a Shop Production Equipment and Monitoring System of Cultivation Medium

AN Yaqun， XU Donglai， CUI Aijun et al

（College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology， Beijing University of Technology， Beijing 100124）

Abstract [Objective] To solve a large number of agricultural and forestry waste and management diffculties， realize automatic monitoring of harmless treatment， and resource highefficient utilization. [Method] FPJ-A compost turner equipment was designed， the turning process， matrix fermentation process， technical parameters monitoring process， and functional software for realizing realtime response control process according to collected technical parameters were designed. [Result] FPJ-A compost turner combined the advantages of drum type and chain plate turning machine， and made improvement of transmission system， protection system， which can significantly improve its performance. The fermentation technical parameters for intelligent control of material， and control system of automatic positioning， automatic adjustment of pile turning speed， depth， location were designed. [Conclusion] This system realizes the technology target of the dynamic technical parameters controlled accurately and equally distributed during the fermentation， and achieves the automatic monitoring of the production plant for substrate continuous production， and guarantees highquality product. The designed manmachine interface is friendly， easy to operate.

Key words Compost turner； Cultivation medium； Wireless control system

農(nóng)林廢棄物是農(nóng)業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)與加工過(guò)程中的副產(chǎn)品，數(shù)量巨大，可再生、可生物降解、對(duì)環(huán)境友好，是重要的生物質(zhì)資源，主要有樹(shù)皮、果殼、鋸末、秸稈、蔗渣等[1]。目前我國(guó)正面臨農(nóng)林固體廢棄物數(shù)量龐大治理困難的難題，過(guò)去焚燒一直是人們處理農(nóng)林廢棄物的主要方式，這種處理方式污染環(huán)境，同時(shí)還造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。而利用農(nóng)作物秸稈及其他廢棄物生產(chǎn)有機(jī)肥或者無(wú)土栽培基質(zhì)等發(fā)酵物料，是農(nóng)林廢棄物無(wú)害化處理與資源高效化利用的重要途徑[2]。

物料發(fā)酵過(guò)程需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、水分等工藝參數(shù)，在此過(guò)程控制方面，我國(guó)大都是工人依靠平時(shí)積累的經(jīng)驗(yàn)，人工控制翻拋、通風(fēng)等操作工藝，故誤差大，不能實(shí)時(shí)監(jiān)控?；|(zhì)的參數(shù)直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，所以基質(zhì)發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)控制非常重要[3]。而在農(nóng)林廢棄物生產(chǎn)處理方面美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家投入大，發(fā)展快，生產(chǎn)工藝和技術(shù)裝備均已比較成熟，正向大型化、智能化方向發(fā)展[4-5]。

為實(shí)現(xiàn)綜合考慮翻拋?zhàn)鳂I(yè)過(guò)程、基質(zhì)發(fā)酵過(guò)程、工藝參數(shù)監(jiān)測(cè)過(guò)程以及根據(jù)采集的工藝參數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)控制過(guò)程，設(shè)計(jì)了FPJ—A型翻拋機(jī)及其監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)PLC控制翻拋機(jī)動(dòng)作，極大地提高了產(chǎn)品品質(zhì)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵槽中栽培基質(zhì)水分、溫度、含氧量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)遠(yuǎn)程控制模塊，輔助繼電器實(shí)現(xiàn)整車控制（翻拋車的前行、后退、翻拋、升降）。通過(guò)加工機(jī)械和監(jiān)測(cè)裝置對(duì)基質(zhì)的均勻化攪拌、翻拋、噴霧、干風(fēng)通風(fēng)、供氧等工藝及監(jiān)測(cè)措施，調(diào)節(jié)基質(zhì)的溫度、水分含量和通風(fēng)供氧量，使各動(dòng)態(tài)工藝參數(shù)分布均勻，保障產(chǎn)品的品位及質(zhì)量。

針對(duì)系統(tǒng)功能需求，將系統(tǒng)分為以下幾個(gè)模塊：槽式翻拋裝置設(shè)計(jì)、翻拋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基質(zhì)信息采集與監(jiān)測(cè)模塊、控制系統(tǒng)模塊（圖1）。

2 FPJ—A型翻拋機(jī)設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 翻拋機(jī)設(shè)計(jì)方案

翻拋機(jī)是整個(gè)栽培基質(zhì)發(fā)酵過(guò)程中的核心設(shè)備，主要用于物料的打散、翻拋、轉(zhuǎn)移、輸送，目的是使物料與空氣充分接觸，提高物料分解率。其直接決定了生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化水平。

目前國(guó)內(nèi)外的翻拋機(jī)從發(fā)酵方式來(lái)分主要有槽式、條垛式和反應(yīng)器式3種。槽式發(fā)酵系統(tǒng)的溫度、濕度過(guò)程自動(dòng)化控制效果較好，適應(yīng)我國(guó)的國(guó)情，是發(fā)展的主要趨勢(shì)[6]。從翻拋裝置來(lái)分主要有滾筒式、鏈板式、螺旋攪拌式，滾筒式與鏈板式應(yīng)用最為廣泛。

滾筒式翻拋機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)物料的攫取能力、破碎能力強(qiáng)，有利于物料之間的橫向攪拌混合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。鏈板式翻拋機(jī)的長(zhǎng)處在于物料能在空氣中停留較長(zhǎng)時(shí)間，可與空氣充分接觸，有利于物料的充分發(fā)酵[7]。螺旋攪拌裝置行程大，會(huì)造成較大的車身震動(dòng)[8]。FPJ—A型翻拋機(jī)設(shè)計(jì)方案正是在綜合滾筒式與鏈板式優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出的。

2.2 FPJ—A型翻拋機(jī)主要技術(shù)參數(shù)和栽培基質(zhì)參數(shù)

2.3 FPJ—A型翻拋機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.3.1 工作原理與結(jié)構(gòu)。FPJ—A型翻拋機(jī)在鏈板前方通過(guò)支架連接翻拋滾筒，鏈板與滾筒通過(guò)液壓缸實(shí)現(xiàn)升降。翻拋?zhàn)鳂I(yè)時(shí)，物料在被鏈板翻動(dòng)之前先經(jīng)過(guò)滾筒的橫向攪拌，這樣可以達(dá)到更好的翻拋、攪拌效果。解決了鏈板式翻拋機(jī)翻拋效果好，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)物料之間的橫向攪拌混合；滾筒式翻拋機(jī)橫向攪拌混合效果好，但攪拌深度淺的問(wèn)題。

2.3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)。在農(nóng)用機(jī)械中，翻拋裝置大都采用鏈傳動(dòng)的方式，傳動(dòng)效率低，傳動(dòng)裝置龐大復(fù)雜，行走系統(tǒng)一般由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該設(shè)計(jì)的動(dòng)力傳動(dòng)由變頻電機(jī)帶動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓油進(jìn)而被帶動(dòng)進(jìn)入各個(gè)液壓馬達(dá)以及液壓缸，4個(gè)行走輪的動(dòng)力、翻拋滾筒以及鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)均由液壓馬達(dá)帶動(dòng)，液壓缸實(shí)現(xiàn)滾筒升降。液壓傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)較平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，也可以為整機(jī)設(shè)計(jì)提供方便。

2.3.3 換槽作業(yè)。目前大都采用移行車或者鋪設(shè)軌道的辦法換槽，增加生產(chǎn)成本的同時(shí)并沒(méi)有帶來(lái)便利，該設(shè)計(jì)在每對(duì)軌道行走輪的前方都裝有可伸縮的地面行走輪，這樣可避免借助輔助設(shè)備換槽帶來(lái)的種種麻煩，利用自動(dòng)更換車輪的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)翻拋機(jī)在地面上的行走。翻拋?zhàn)鳂I(yè)時(shí)，地面行走輪收縮，軌道輪發(fā)揮作用，需要換槽時(shí)，地面行走輪伸出，可在地面任意行走。

2.3.4 防護(hù)系統(tǒng)。在鏈板前端底部裝有2個(gè)對(duì)稱的支撐轉(zhuǎn)向輪，鏈板兩側(cè)對(duì)稱裝有兩對(duì)導(dǎo)向輪，導(dǎo)向輪的彈性與旋轉(zhuǎn)可以防止鏈板在工作過(guò)程中與槽壁的擠壓、摩擦。

2.3.5 自動(dòng)化程度。采用半自動(dòng)化設(shè)計(jì)，鏈板前端底部裝有2個(gè)對(duì)稱的支撐轉(zhuǎn)向輪，工作時(shí)駕駛?cè)藛T通過(guò)方向盤控制整車轉(zhuǎn)向，操作靈活，運(yùn)轉(zhuǎn)方便。

3 栽培基質(zhì)信息采集與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)際操作時(shí)，翻拋機(jī)在發(fā)酵槽上不斷移動(dòng)、翻拋，要求現(xiàn)場(chǎng)不能有過(guò)多的電纜、導(dǎo)線暴露在外，因此采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，利用溫度傳感器、水分傳感器對(duì)基質(zhì)進(jìn)行信息采集，可精確反應(yīng)基質(zhì)發(fā)酵過(guò)程中的參數(shù)變化，通過(guò)上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化，PLC輔助繼電器控制翻拋機(jī)的各種動(dòng)作，調(diào)節(jié)肥料的溫度、水分含量和通風(fēng)供氧量。此種傳輸方式經(jīng)濟(jì)、高效，抗干擾性強(qiáng)。

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)基本組成

下位機(jī)由溫度水分采集模塊、主控模塊、無(wú)線通訊模塊、顯示模塊、電源模塊等部分組成；上位機(jī)包括無(wú)線模塊、串口通訊模塊、溫度水分顯示模塊以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等組成。選用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)功能，人機(jī)界面友好，方便操作[9]。

硬件系統(tǒng)包括：土壤水分傳感器、土壤溫度傳感器、氧分析儀、RS485集線器、Zigbee發(fā)送模塊、Zigbee接收模塊。

3.2 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)

由于系統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍小，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)多，因此選擇適合于多個(gè)傳感器之間通信的ZigBee協(xié)議，可靠而且經(jīng)濟(jì)[10]。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇眾多傳感器節(jié)點(diǎn)密集部署于監(jiān)控區(qū)域，通過(guò)溫度傳感器、水分傳感器采集溫度、水分信號(hào)，用氧分析儀測(cè)量基質(zhì)的含氧量，來(lái)實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)控。整個(gè)系統(tǒng)覆蓋300個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共5個(gè)發(fā)酵槽，每個(gè)發(fā)酵槽有50個(gè)溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，10個(gè)水分監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。由數(shù)據(jù)采集模塊處理現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)，處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送給Zigbee發(fā)送模塊，Zigbee發(fā)送模塊通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)上傳給Zigbee接收模塊，接收模塊通過(guò)以太網(wǎng)上傳到上位機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

控制系統(tǒng)主要核心模塊選用高可靠性的PLC模塊，系統(tǒng)的噴霧、鼓風(fēng)、翻拋功能均采用變頻器進(jìn)行速度控制，噴霧、鼓風(fēng)等輔助設(shè)備均安裝于翻拋機(jī)上，滾筒的旋轉(zhuǎn)，鏈板升降，鏈輪以及行走輪的旋轉(zhuǎn)均由PLC輸出信號(hào)控制。PLC控制過(guò)程如圖4所示。

每個(gè)發(fā)酵槽均有5個(gè)斷面，每個(gè)斷面內(nèi)都裝有溫度傳感器與水分傳感器，將橫向的5個(gè)斷面中的傳感器都連接到一起再連接采集器、集線器以及Zigbee構(gòu)成一個(gè)總斷面，每個(gè)這樣的總斷面連接一個(gè)控制柜，控制柜接線圖如圖5所示。

3.3 組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)

設(shè)計(jì)要求通過(guò)組態(tài)軟件可以獲得栽培基質(zhì)發(fā)酵過(guò)程中的主要工藝參數(shù)數(shù)值，并根據(jù)數(shù)值得到實(shí)時(shí)變化曲線，同時(shí)上位機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)自動(dòng)控制通風(fēng)裝置、噴霧裝置以及翻拋機(jī)的前進(jìn)、后退、翻拋、升降等動(dòng)作。

由圖6可以看出，計(jì)算機(jī)界面上有各個(gè)組態(tài)功能鍵。點(diǎn)擊監(jiān)測(cè)界面按鍵，進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控的界面（圖7）。

由圖7可知，發(fā)酵槽內(nèi)的物料總共有3種用途，即用于培育花卉或者果樹(shù)的基質(zhì)或者直接施與土壤用作肥料。開(kāi)啟車間控制系統(tǒng)之前，首先選擇物料的種類，1～5號(hào)發(fā)酵槽中分別放有不同種類的物料，點(diǎn)擊啟動(dòng)后，系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)酵過(guò)程，待發(fā)酵結(jié)束后，對(duì)翻拋機(jī)可選擇暫?；蛘邚?fù)位動(dòng)作，點(diǎn)擊進(jìn)料或出料按鈕可控制運(yùn)輸機(jī)的進(jìn)料、出料動(dòng)作。此畫(huà)面可以顯示監(jiān)測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)以及水分?jǐn)?shù)據(jù)，點(diǎn)擊每個(gè)斷面均可生成一張數(shù)據(jù)報(bào)表，并生成曲線，每一時(shí)刻數(shù)據(jù)都不同，溫度高于50 ℃數(shù)據(jù)會(huì)呈紅色顯示，并會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。數(shù)據(jù)報(bào)表如圖8所示，報(bào)警界面如圖9所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

FPJA型翻拋機(jī)綜合了滾筒式與鏈板式2種翻拋機(jī)的優(yōu)勢(shì)，并且在翻拋機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)以及換槽作業(yè)方面作出了較大的改進(jìn)，解決了傳統(tǒng)翻拋?zhàn)鳂I(yè)的攪拌均勻性和粉碎性差、生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)成本高等諸多問(wèn)題。并且將翻拋機(jī)與堆肥智能發(fā)酵系統(tǒng)相結(jié)合，研制了一種能實(shí)現(xiàn)智能控制物料的發(fā)酵工藝參數(shù)、并能自動(dòng)定位堆體、自動(dòng)調(diào)整翻拋的速度、深度、位置等功能的加工機(jī)械裝備系統(tǒng)，在我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面具有較大的意義。