基于PLC控制的固液分离机设计与试验

褚 斌, 齐自成， 韩梦龙， 李寒松， 孙立刚

(山东省农业机械科学研究院， 济南 250100)

项目来源： 山东省科技发展计划项目(2015GNC112002)； 十三五国家重点研发计划(2016YFD0800604)

基于PLC控制的固液分离机设计与试验

褚 斌, 齐自成， 韩梦龙， 李寒松， 孙立刚

(山东省农业机械科学研究院， 济南 250100)

文章使用SolidWorks设计了一种螺旋挤压式固液分离机，对进料系统、卸料系统、滤网、螺旋绞龙等进行创新设计，并加入了PLC控制器和传感器，对整机的电控系统进行闭环控制。样机制作完成后在养牛场进行了试验验证，各项指标均达到或超过现有固液分离机的水平。结果表明：该机具有进料效果好、不堵塞，PLC智能控制、操作简便、可通过更换不同间隙的滤网从而用于不同的畜禽粪便、易损件更换方便、固液分离率高等优点，适合各种畜禽养殖场的使用。

固液分离； PLC； 螺旋挤压； 悬浮式滤网； solidworks

随着现代人们生活水平的提高，以及饮食结构的调整，对肉、蛋、奶的需求成倍增加，因此养殖业得以快速发展，伴随而来的是大量畜禽粪便的产生。目前养殖业清理畜禽粪便普遍采用水冲(泡)粪方式，消耗大量的水资源，导致大量的畜禽粪便污水排放[1]。养殖业产生的畜禽粪便已成为环境污染的重要来源[2]。对畜禽粪便进行无害化处理，利用分离出的粪便污水制备沼气，固体废弃物制作有机肥，实现资源化利用是解决畜禽粪便带来的大气、水资源、农田等污染问题的有效途径。

固液分离装备是对畜禽粪便无害化处理，实现资源化利用的关键设备，现有固液分离设备主要是针对水冲(泡)粪方式的畜禽粪便的固液分离，喂入易产生架桥阻塞、固体产出物含水率高、自动化程度低、效率低[3]。目前现有的固液分离机采用定直径定螺距螺旋挤压、出口采用杠杆加锤块的调整结构，应用在水冲(泡)粪方式的畜禽粪便，固体产出物含水率在60%以上。较高的固体含水率高造成液体分离物制沼气的效率降低，固体分离物的无害化处理难度增加。目前绝大多数现有的畜禽粪便固液分离装备只适用于水冲(泡)粪处理方式，不适于畜禽粪便的直接固液分离[4]。随着畜牧业生态化和福利化养殖需求的提升,畜禽干清粪便直接处理的方式具有节约水资源、便于进一步处理的优点，将逐渐替代水泡粪、水冲粪的处理方式。

因此设计一种适于规模化养殖的多种粪便清理方式的固液分离机是客观需要的，本机的主要创新点为：干清粪便搅拌机构、强制喂入机构、悬浮式条状楔形滤网、悬臂式螺旋绞龙、固体产出物含水率在线监测、伺服电机控制的挡料板压力调整机构、整机的PLC联动控制等,用于解决现有固液分离装备适用范围窄、喂入易产生架桥阻塞、筛网易堵且需定时冲洗、固体产出物含水率高且不可控、效率低等瓶颈问题，对实现规模化畜禽养殖场粪便日产、日清处理，减少粪污堆积对环境的污染，具有重要意义。

1 工作原理与整机结构

1.1 总体结构及工作过程

常用的固液分离方法:一是沉降(由固体重力决定)；二是机械分离,为现在应用最广泛的技术；三是蒸发池，这种方法在干旱地区效果较好；四是絮凝分离,应用化学试剂使微小的悬浮固体迅速地聚集成较大的固体颗粒,进而沉淀分离的方法。这其中以机械分离的脱水效果最好，机械分离设备可分为筛分、离心分离和压滤 3 种类型，依据不同的工作原理，压滤分离机分为带式压滤和螺旋挤压[1]。本机采用的机械原理即为螺旋挤压，它具有结构简单、操作方便、运行费用低、耗能低，维修管理费用低，更为经济、环保的优势[5]。

1.2 总体结构及工作过程

SJFL40A固液分离机基于solidworks三维软件设计，总体结构如图1。

1.电控卸料装置； 2.挤压筒； 3.挤压螺旋绞龙焊合； 4.强制进料装置； 5.第一驱动系统； 6.进料螺旋绞龙焊合； 7.第二驱动系统； 8.支撑座组合； 9.出水口； 10.第三驱动系统图1 SJFL40A固液分离机结构示意图

1.3 工作过程

畜禽干清粪便投入到强制进料装置的锥形料筒中，在强制进料绞龙的推动作用下进入挤压筒，挤压筒安装有螺旋绞龙焊合和滤网焊合，畜禽粪便中的水份透过滤网从排水口流出，固体粪便从电控卸料装置中卸出，用于后续的有机肥生产。其中电控卸料装置、强制进料装置由PLC进行控制，根据固体物含水率要求自动调整卸料压力，达到含水率的在线检测和智能控制。

2 需要解决的关键问题及设计参数

2.1 固液分离机设计所要解决的关键问题

1)挤压螺旋结构及运动参数的研究(螺旋结构形式、 直径、螺距、长径比、转速； 2) 不同种类畜禽粪便对筛网的适应性研究； 3) 驱动系统及工作部件使用寿命的研究； 4) 电控卸料装置的研发(出料锥体结构参数、弹簧弹力计算、弹簧压力调整机构、传感器布置)； 5)PLC可编程控制器与传感器、伺服电机控制。

2.2 设计参数

总功率: 7.5 kW；主轴转速:46 r·min-1；处理能力:2 t·h-1；挤出干物料产量:0.6～1 t·h-1；挤出干物料含水率:47%～60%。

3 结构的创新设计

3.1 强制进料装置的设计

强制进料装置采用锥形料筒，粪便在放入锥形筒后，一方面，便于在重力作用下流入挤压筒；另一方面，强制进料绞龙的叶片与锥形筒内壁成平行构造，螺旋线的布置方式使得物料的推进作用得到加强[6]，实现物料在重力和推力双重作用下进料(见图2)。

图2 强制进料装置三维图

3.2 悬浮式滤网固定结构的设计

螺旋绞龙与滤网之间采用小间隙配合，9组橡胶托块沿圆周方向均匀布置在挤压筒内壁上，并实现对滤网焊合的托举和限位作用，软性橡胶托块的支撑结构，可以保证设备在运行期间，滤网有一定的浮动空间，可在360°的范围内进行径向移动，达到滤网与螺旋绞龙之间的间隙最小且不会损坏滤网的目的(见图3)。

3.3 对开式条状楔形滤网的设计

条状楔形筛网由彼此平行的不锈钢条焊接组成[7](见图4)。条状楔形筛网生产时是平面的，然后使用工装卷成圆柱形，外面焊上保持架，平行的不锈钢条之间形成楔形的空间，内壁缝隙小，外壁缝隙大，既起到了良好的过滤效果，又实现了自身优异的自清洁作用[8]。

图3 悬浮式滤网固定结构三维图

条状楔形筛网的外壁上焊有保持架和导轨，整体强度提高，使用寿命相比传统的圆筒筛大大延长[9]，也便于装卸和日常保养。

条状楔形筛网的楔形空间结构不易堵塞畜禽粪便，配合螺旋叶片的清扫功能，实现滤网的自清洁作用。

条状楔形筛网的不锈钢条，厚度大于传统的薄板冲孔筛，因此在遇到粪便中的石子、砂砾、玻璃等硬度较高的异物时能够起到很好的抗研磨作用[10]。

图4 对开式条状楔形滤网三维图

条状楔形滤网的不锈钢条间隙可焊接成不同的间距，比如：间隙0.5 mm，适用于奶牛粪、猪粪；间隙0.75 mm，适用于鸡粪、兔粪；间隙1 mm，适用于肉牛粪[11]。

3.4 悬臂式螺旋绞龙的设计

减速机通过安装法兰固定于挤压筒上，螺旋绞龙的一端与减速机直连，另一端没有采用传统的轴承座支撑结构，采取悬空结构，因此螺旋绞龙形成独特的悬臂结构，规避了传统结构中，轴承座设置在出料口处，造成挡料，轴承座易受污染损坏率高的缺陷[12]。新型的悬臂式螺旋绞龙结构也便于电控卸料装置的布置。是整机实现在线检测、智能化控制的关键结构(见图5)。

图5 悬臂式螺旋绞龙三维图

3.5 电控卸料装置的设计

伺服电机通过行星减速机放大扭矩，并通过联轴器与T型螺纹螺杆连接，通过PLC控制电机的正、反转及转动速度。T型螺纹螺杆的旋转，使得弹簧压板沿着导向柱移动，同时压缩弹簧，随着弹簧的压缩，弹簧对锥形卸料挡板的压力随之增大，从而增加对物料的挤压力，最终控制挤压物料的含水率。在卸料板处安装有水份和压力传感器，传感器测得的数据传入PLC，通过数据的转化，最终与电机的运转形成闭环控制(见图6)。

图6 电控卸料装置三维图

3.6 锥形卸料挡板的设计

不同于传统的平板式挡料板，锥形卸料挡板在关闭时提供了更好的密闭性[13]，卸料时，物料沿锥面出料，缓解物料的堆积，避免堵料的发生(见图7)。

图7 锥形卸料挡板三维图

3.7 基于PLC整机电路控制系统的设计

电控系统采用了：三菱FX2N-64MT-001可编程控制器，三菱GS2107-WTBD工业彩色触控屏，D-75开关电源，FX2N-2AD转换器。

驱动系统采用了：86全闭环高速伺服步进电机、两级减速的行星减速器。

传感器系统采用了：水分传感器、压力传感器以及DYBSQ-001传感器变送器。

由以上3个系统组成了全闭环控制的电控系统，实现整机一键启停，全彩色液晶操控界面，设定目标含水率后可实现无人值守操作。

4 固液分离机的试验

SJFL40A固液分离机试制成功后，于 2016年5月在宝和养牛场进行样机试验。

4.1 试验条件及结果

试验所采用的原料为肉牛粪，干清粪状态，含水率：69.3%。

试验过程通过调整锥形挡料板的开启压力，即挤压力，来验证不同挤压力下对挤出物含水率的影响，主要试验数据如表1所示。

表1 不同挤压力下的试验数据

4.2 试验结果分析

经过试验，SJFL40A固液分离机在处理牛场鲜牛粪时，在不加水的情况下可以直接实现固液分离，设备运转正常。处理后的固体分离物含水量可调，产量稳定，满足设计要求。

5 结论

该机从设计之初就针对畜禽干清粪便的固液分离进行了大量市场调研和前期研究，干清粪便通过本机可以实现有效的固液分离，分离物的固体含水率范围在45%～60%之间，满足后续有机肥制备的要求。节约了大量水资源，保护环境不受污水的二次污染，符合节能减排的社会要求。并且分离出的废水可用于制备沼气，固体废弃物可用于制备有机肥。

PLC可编程控制器和水份、压力传感器的加入，让整机实现了固体分离物含水量的在线检测和整机联动控制，可以实现设定目标含水率后一键操作，操作简便、智能、效率高。

可编程控制器通过采用彩色液晶触控面板，整个操作过程形象直观，只需简单培训即可上手操作。

此机同时配备虚拟按键和实体按键，互为备用，保障设备的安全运行。

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DesignandTestofSolid-liquidSeparatorBasedonthePLCControl

/CHUBin，QIZi-cheng，HANMeng-long，LIHan-song，SUNLi-gang

/(ShandongAcademyofAgriculturalMachinerySciences，Jinan250100，China)

A screw extruded solid-liquid separator was designed by using SolidWorks. Its feeding system, discharging system, the filter screen, the screw, etc, were innovatively designed, and the PLC controller and sensor were added for closed-loop control. The test verification of prototype was carried out in a cattle farm. The result showed that all the indicators reached or exceeded the level of present solid-liquid separators. The designed separator was in advantages of good feeding, no blockage, PLC intelligent control, easy operation, and could be used for different livestock manure or poultry manure by changing the filter with different mesh, easy replacement of wearing parts, high solid-liquid separation rate.

solid-liquid separation; PLC; spiral extrusion; suspended filter; Solidworks

2016-10-10

2016-12-29

褚 斌(1985- )，男，山东枣庄人，工程师，主要从事畜牧机械和农产品加工机械设计研发工作，E-mail:15624560968@163.com

齐自成，E-mail:qizicheng@sina.com

S216.4; S224.21

B

1000-1166(2017)05-0039-04