病死畜禽无害化处理机网络化控制系统设计

闻霞 赖森财 任雯

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

中图分类号： TP272; S851.2+3文献标识码： A

作者简介：  闻霞（1980-），女，硕士，副教授，主要研究方向为机电一体化。

通信作者：  任雯（1979-），男，博士，副教授，主要研究方向为智能控制、电路与系统设计。Email： auwren@foxmail.com

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。

2.2模拟量采集智能仪表

宇电智能仪表AI-704采用220 V交流供电，基于AIBUS协议，通过串口一上位FX3GA-40MR通信，串口一需要选配FX3G-485-BD通信模块，波特率设置为9 600 bit/s。AI-704完成主轴电流、料温和油温三个模拟量的采集（详见图4），主轴电流通过交流变送器MIK-DJI-A变换后输入AI-704，通过两路K型热电偶分别采集料温和油温。

2.3主轴电机

将猪马牛等尸骸的有机废弃物完整地投入搅拌槽内，添加加速发酵的介质，PLC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能反复斩切有机废弃物，还可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，用碎斩刀末端的碎击锤将其击碎，通过侧刃刀轴向进一步切碎。

3软件设计

3.1组态软件配置

采用三菱7寸触摸屏GS2107作为现场人机交互界面，通过RS-485总线与PLC通信，采用GT Designer3软件编程实现监控界面显示、参数设置及手动调试等功能。控制系统的温度、恒温时间、主轴电机正/反转控制逻辑及各阶段恒温时间等参数可通过工业触摸屏/工程师站的系统监控界面/参数设置界面进行交互式设置。系统试车时，可以通过手动调试界面对主轴电机、风机、加热装置进行调试。

3.2GX Works2软件通信配置

首先进行连接目标页面设置。在计算机侧选择“Ethernet Board”，双击PLC module选项将连接方式选择为“通过集线器连接”，输入IP地址，设置以太网端口，在“以太网端口设置”选项卡，填写IP地址，并选择通道2，协议选择TCP，打开方式选择MC协议。

3.3宇电仪表数据采集程序

宇电智能仪表AI-704采用AIBUS通信协议，接口电平符合RS-485标准，数据格式为1个起始位，8位数据，无校验位，1或2个停止位，采用16进制数据格式表示各种指令代码及数据，标准读指令表达式为地址代号+52H（82）+要读的参数代号+0+0+校验码，采用RS2指令读取AI-704仪表温度值和电流值。PLC与AI-704通讯梯形图程序如图5所示。图中D8420为设定通讯格式特殊功能寄存器，M8002为初始化脉冲，M8012为内部时钟，定时时间为100 ms，M8422为RS指令的发送请求软元件，M8423为RS2指令接收结束标志位，D0为发送数据的起始软元件，D10为保存接收数据的起始软元件。通过轮询参数程序段，依次向AI-704发送电流、油温及料温测量参数读指令，并将接收到的参数值依次放在以D20为起始软元件的地址单元。

3.4自动控制算法程序设计

根据无害化处理工艺要求，将自动控制程序设计三个功能模块，即高温分切搅碎处理功能模块，高温杀菌发酵处理功能模块和烘干降温处理功能模块。

3.4.1高温分切搅碎处理功能模块

本模块通过主轴电机驱动组合式破碎刀具，在密闭处理仓体内分切、绞割有机废弃物，并采用一组均匀分布于U型处理槽壁内的加热装置和热气管将仓内温度控制于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和无毒杀菌打下基础。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，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问题。本阶段不对外界排出尾气，持续时间为10～15 h，随后进入高温杀菌和干燥排气两个阶段。

3.4.2高温杀菌发酵处理功能模块

本模块的温度稳定在100～130 ℃，持续时间为15～20 h，以保证在高温下彻底消杀各种有害病菌，并需要配合通风机排出大量水蒸气。本阶段主轴电机驱动组合式破碎刀具搅拌有机废弃物碎渣，从而加速专用益生菌在高温环境下对有机废弃物高效降解，通过高温杀菌使微生物的蛋白质及酶发生凝固或变性死亡，杀死虫及虫卵等。

3.4.3烘干降温处理功能模块

本模块关闭加热器停止加热，轴电机驱动组合式破碎刀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 ℃后，主轴电机停止工作，风机继续通风干燥，在降温至50 ℃以后，按照设定的温度停止工作，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。

根据上述三个控制功能模块，自动控制流程如图6所示。

4应用案例

该系统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和Hg等质量分数均达到有机肥指标和环保要求。控制系统性能对比如表2所示。

5结束语

本文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，实现了无害化处理车间的网络化管理、远程控制与故障诊断，打破了传统无害化处理机控制系统的“信息孤岛”，该系统实现了一键式启动从进料到出料的全程數字化控制，提升了自动化水平。使用智能仪表作为从控制器采集三路模拟量参数，并采用隔离RS485模块将主轴电流、物料温度、循环油温度上传至PLC，提升了系统的集成度和可靠性。下一步的研究重点是建立无害化处理控制模型，采用人工智能控制策略实时动态优化主轴电机最佳转速、益生菌加入量发酵和加热时间等控制参数，实现智能控制。

参考文献：

[1]刘晓璐， 张金花， 余腾， 等. 规模化猪场生产母猪的死亡原因调查与分析[J]. 中国兽医学报， 2019， 39（6）： 1198-1201， 1232.

[2]温志斌. 规模化猪场母猪死亡原因调查和分析[J]. 国外畜牧学（猪与禽）， 2018， 38（10）： 43-47.

[3]贾国强. 无害化处理中心为何反成污染源？[J]. 中国经济周刊， 2018（49）： 30-33.

[4]李光源. 沙县病死畜禽无害化处理现状及对策[J]. 福建畜牧兽医， 2013， 35（4）： 33-34.

[5]曾中華， 养殖场有机废弃物处理机处理病害生猪的生物安全评估[J]. 中国动物检疫， 2015， 32（6）： 18-22.

[6]吴林海， 许国艳， Hu W Y. 生猪养殖户病死猪处理影响因素及其行为选择——基于仿真实验的方法[J]. 南京农业大学学报： 社会科学版， 2019， 15（2）： 90-101， 127.

[7]丁伟， 张文爱， 冯青春， 等. 畜禽舍防疫消毒机器人控制系统设计[J]. 中国农机化学报， 2019， 40（10）： 175-181.

[8]侯学恒， 裴雅静， 晏亭， 等. 养殖场子母式人员通道智能消毒管理系统设计[J]. 湖北农业科学， 2017， 56（23）： 4604-4607.

[9]陈熔， 丁凯. 基于无线传感网络的智能畜禽舍环境控制系统设计[J].江苏农业科学， 2017， 45（13）： 185-188.

[10]李传友， 何润兵， 熊波. 养殖业畜禽病死尸体处理现状及解决措施-以北京市为例[J]. 中国畜牧杂志， 2014， 50（10）： 77-80.

[11]刘良， 吴霞， 杨振鸿. 病死猪无害化处理技术探究[J]. 猪业科学， 2019， 36（11）： 46-49.

[12]史晓杰. 病死猪无害化处理方法及其技术要点[J]. 现代畜牧科技， 2019， 12： 143-144.

[13]陈金瑞. 死猪无害化处理方式及设备选型[J]. 福建农机， 2016（3）： 24-27.

[14]翟振， 熊波， 张莉， 等. 动物尸体无害化处理物对油菜生长及重金属富集特征的影响[J]. 农业环境科学学报， 2016， 35（5）： 985-991.

[15]陈金瑞. 养殖场生物废弃物无害化处理机刀具设计[J]. 福建农机， 2017（3）： 5-7.

[16]张应林， 连升. 一种有机废弃物处理机的组合式破碎刀具： 中国， 201420230990. 3[P]. 2014-09-10.

[17]岳桐. 浦东新区病死畜禽无害化处理监管系统[D]. 大连： 大连理工大学， 2015.

[18]胡峥. 病死禽畜无害化处理设备电气控制的设计与实现[D]. 湘潭： 湖南科技大学， 2017.

[19]林柏鸿， 张秀华. 高速发酵有机废弃物处理机：  中国， CN201120037905. 8[P]. 2011. 02. 14.

[20]刘小川， 樊瑜瑾， 蔡培良， 等. S7-200 PLC在ZJ17梗签分离控制系统中的应用[J]. 中国农机化学报， 2019， 40（7）： 109-113.

[21]李杰， 陈慧丽. 基于语音识别和PLC的温室智能灌溉控制系统设计[J]. 中国农机化学报， 2019， 40（9）： 66-71.

Abstract：   Aiming at the low level of remote network management and control in the current treatment of organic wastes such as sick and dead livestock and poultry carcasses， this paper designs a networked control system for harmless treatment machinery and equipment based on the high-temperature biological fermentation treatment method. The combined crushing tool with hammering function quickly crushes the carcasses of large-scale sick and dead animals such as cattle， sheep and pigs. By building a two-layer distributed network architecture to realize functions such as remote monitoring and online fault diagnosis， a full-automatic digital control system hardware scheme is designed with Mitsubishi FX3GE programmable controller and smart meters as the core， and a programming software configuration method is given. According to the technological requirements， the automatic control algorithm flow and data acquisition communication algorithm of harmless treatment are designed， and finally the system is industrialized and applied to FCW series models. Practical application shows that the control system has stable performance， high level of automation and network information， and the output of organic fertilizer raw materials is environmentally friendly and pollution-free， and has broad prospects for industrialization and application.

Key words： sick and dead livestock and poultry; harmless treatment process; high temperature biological fermentation; networked control system; programmable controllers; combined crushing tool