病死畜禽无害化处理机嵌入式控制系统设计

闻 霞，赖森财,任 雯

(1.三明学院机电工程学院，福建 三明 365004；2.装备智能控制福建省高校重点实验室，福建 三明 365004)

0 引言

我国正在大力推进生态文明建设，建设美丽中国。病死畜禽无害化处理是建设美丽中国的重要环节。虽然我国畜禽养殖总量位居世界第一，但养殖场的畜禽死亡率居高不下，一般在5%～10%之间。以猪为例，每年成年母猪死亡率为2%～3%，中猪死亡率为7%～8%，乳猪为10%[1-2]。全国每天要处理10万头病死猪，加上其他养殖动物死亡，病死畜禽总量是惊人的。病死畜禽危害巨大[3-4]：传播动物疫病，甚至引起大规模的畜禽死亡；若丢弃在自然环境中，极易污染空气、水源等；若被不法分子加工、贩卖，人食用后可能导致人感染人畜共患病或发生食物中毒事件[5]。“及时处理、清洁环保、合理利用”是对病死畜禽无害化处理的必然要求[6-8]。

针对传统病死畜禽无害化处理难题[9]，本文为一种有机废弃物(以病死的家禽、家畜为主)无害化处理的新型设备，设计了基于文本一体机的嵌入式控制系统。

1 设计方案

1.1 病死畜禽无害化处理工艺

本文设计的病死畜禽无害化处理工艺如图1所示。采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、干燥，处理过程中通过添加专用微生物菌，对有机废弃物进行发酵降解，最终将其转化为无臭、无害、粉状的环保有机肥料。

图1 病死畜禽无害化处理工艺示意图 Fig.1 Harmless treatment process of sick and dead livestock and poultry

1.2 结构组成

病死畜禽无害化处理过程中，分切、绞碎过程是非常重要的环节[10]。针对大型病死畜禽(如牛、羊、猪等)，一般采用具有锤击功能的组合式破碎刀具[11]；针对鸡、鸭、兔等小型病死畜禽的有机废弃物处理，采用结构简单、紧凑的螺旋形破碎刀具[12]。本文以螺旋型破碎刀具为例，描述无害化处理机结构。

本文开发的病死畜禽无害化处理机机械结构如图2所示。切碎机构由主轴电机驱动的传动轴以及分布于搅拌槽内的外螺旋刀条、直刀条和内螺旋刀条组成；碎击推挤功能由支杆及外螺旋刀条、内螺旋刀条、直刀条兼顾实现，结构简单紧凑、性价比高；出料口实现有机肥料出仓[13]。

图2 机械结构示意图 Fig.2 Schematic diagram of machanical structure

1.3 现场总线架构

现场总线架构如图3所示。

图3 现场总线架构 Fig.3 Fieldbus architecture

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(信息管理层)和RS-485串行总线(现场设备层)完成各设备、芯片间的通信。

单台病死畜禽无害化处理机以文本一体机为核心控制单元。文本一体机内主控制器通过RS-485串行总线与协处理器(用于采集处理槽内温度、主轴电流、故障参数信息)、文本屏实现数据通信。无害化处理车间内部署的多台无害化处理机通过文本一体机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、实时数据库的组态等。管理员站通过企业资源计划(enterprise resource planning,ERP)管理软件完成生产管理、数据报表和统计等功能。服务器实现企业局域网与Internet云端的连接，具备远程网页浏览、控制算法维护和故障诊断功能。

2 现场设备层设计

本文开发的文本一体机控制系统采用两片宏晶科技出品的STC15F60S2嵌入式芯片，分别作为主控制器和协处理器。控制电路原理如图4所示。STC15F60S2内部集成16 KB的大容量EEPROM存储器保存系统参数，可确保断电数据不丢失。控制系统采用24 V直流供电，内部集成高效共模滤波电感和自恢复保险丝。系统输入输出全部采用光电隔离和启用内部看门狗，具有严格的高频滤除特性，使系统工作稳定、可靠，无死机现象。

图4 控制电路原理图 Fig.4 Schematic diagram of control circuit

2.1 主控制器

主控制器共有3路开关量输入、1路RS-485串口总线和8路输出。端子功能定义如表1所示。

表1 端子功能定义表 Tab.1 Terminal function definition table

8路输出中：4路为继电器开关输出，开关触点电流10 A(直流为5 A)，内置消弧和触点保护电路；4路为共地40 V、1 A(峰值电流3 A)场效应开关管输出，内置续流二极管。同时，主控制器通过以太网接口芯片(支持10BASE-T/100BASE-TX高速通信)无缝接入TCP/IP以太网，与信息管理层交互数据。主控制器支持基于Web的数据监测，可以从任意联网的终端设备通过标准Web浏览器读取文本一体屏信息，并设置关键字保护，禁止未经授权的访问。

2.2 协控制器

协控制器主要负责模拟量参数的采集，包括主轴电流、无害化处理物温度以及主轴电机过载、风机过载、超温故障、油泵故障等故障报警信号。为了提高可靠性，主控制器与协控制器之间采用隔离RS-485通信模块通信。

2.3 文本屏

全新自主设计的文本屏[14]采用192×64带字库蓝屏显示。一屏可显示12×4个汉字或24×4个字符，也可显示图形数字符号等；有20个薄膜轻触开关，可在线设置参数或者运行控制，方便快捷。该系统支持掉电检测功能，一旦外部停电，可迅速将当前工作参数保存于EEPROM，等下次上电时恢复当前工作状态。

2.4 主轴电机

将猪、马、牛、羊尸骸等有机废弃物完整地投入搅拌槽内，添加加速发酵的介质后，主控制器控制主轴电机驱动组合式碎斩刀单元，在密闭搅拌槽内按照控制逻辑正反转交替旋转搅拌，让废弃有机物与发酵介质充分、均匀混合。转轴上的渐缩状横双刃刀不仅可以反复斩切有机废弃物，还能将有机废弃物中骨骼等坚硬不易斩切的部分推卷至槽壁处，夹持在两壁刃之间，让碎斩刀端末的碎击锤将其击碎，并通过侧刃刀轴向进一步切碎。

3 软件设计

根据上述三个控制功能模块，自动控制流程的状态转换图 (state transform diagram，STD)如图5所示。

图5 状态转换图 Fig.5 State transform diagram

根据无害化处理工艺要求，将自动控制程序设计为以下三个功能模块。

①高温分切搅碎处理功能模块。本模块通过主轴电机驱动螺旋型破碎刀具在密闭处理仓体内分切、绞割有机废弃物成碎渣，并通过一组均匀分布于U型处理槽壁内的加热装置和热气管，将仓内温度根据工艺要求稳定在60～80 ℃，实现专用益生菌大量繁殖发酵，为下一阶段的高温发酵降解、无毒杀菌打下基础。有机物的臭味基本都是由厌氧菌进行厌氧处理有机物而产生的。专用益生菌中大部分种类为好氧菌，通过好氧菌的快速繁殖，占用生存空间和代谢物(有机酸)达到抑制厌氧菌的繁殖，从而从源头上解决臭气的产生。本阶段不对外界排出尾气，持续时间为10～15 h，随后进入下面的高温杀菌和干燥排气阶段。

②高温杀菌发酵处理功能模块。本模块的温度需持续二十几个小时稳定在100～130 ℃，以保证在高温下彻底消杀各种有害病菌，并需要通风机配合排出大量水蒸气。本阶段主轴电机驱动螺旋型破碎刀具搅拌有机废弃物碎渣，以加速专用益生菌在高温环境下对有机废弃物的高效降解，通过高温杀菌使得微生物的蛋白质及酶发生凝固或变性死亡，并杀死虫及虫卵等。

③烘干降温处理功能模块。本模块关闭加热器停止加热，轴电机驱动螺旋型破碎刀通过具搅拌有机废弃物粉末加速干燥和散热过程。在温度降至60 ℃以后，主轴电机停止工作，风机继续通风干燥；在温度降温至50 ℃以后，按照设定温度停止工作。整个无害化处理控制流程结束，最终产品为无害粉状有机肥原料。

4 应用案例

本文设计的病死畜禽无害化处理机控制系统，已产业化应用于福建智辰智能农业装备有限公司FCW系列机型，产出的有机肥为褐色粉末，无机械杂质、无恶臭。样品检测报告显示，有机肥中总养分(N+P2O5+K2O)、有机质、水分、酸碱度、蛔虫卵死亡率、粪大肠菌群数、Cd、Cr、Pb、As、Hg等含量均达到有机肥指标要求和环保要求。

控制系统性能对比如表2所示。

表2 控制系统性能对比 Tab.2 Control system performance comparison

5 结论

本文设计的病死畜禽无害化处理机采用基于TCP/IP以太网的信息管理层，实现无害化处理车间的网络化控制与管理；基于RS-485总线，实现文本一体机内部主、从处理器，以及文本屏之间的数据通信。病死畜禽无害化处理机采用FX3GE-40MR为控制核心，实现了对病死废弃动物进行分切、绞碎、发酵、杀菌、干燥等复杂处理工艺的全自动网络化控制。该设计通过添加专用微生物菌，将动物尸体转化为环保无害的有机肥料，实现有机废弃物的循环利用。该设计可减少有机废弃物对环境造成的污染，具有广阔的工程应用前景。