于文龍，丁立利，呂鳳玉，魏才弟

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

隨著我國人民日益增長的食物多樣性需求，養(yǎng)殖業(yè)現(xiàn)代化、規(guī)?；纳a(chǎn)模式成為迫切需要。雖然我國秸稈資源豐富，但由于秸稈機(jī)械化加工水平低、利用成本高等多種原因，造成秸稈資源嚴(yán)重浪費(fèi)[1-2]。據(jù)預(yù)測2022年我國秸稈飼料化需求達(dá)2.2億噸左右，國內(nèi)小型養(yǎng)殖戶處理秸稈主要用鍘草揉絲機(jī)、圓盤粉碎機(jī)，產(chǎn)品價格低于1萬元、最大產(chǎn)量達(dá)12 t/h。對于中大型養(yǎng)殖戶來說，主要依賴進(jìn)口國外中大型草牧業(yè)機(jī)械，技術(shù)被國外壟斷，德國克拉斯JAGUAR800系列青貯飼料收獲機(jī)、美國凱斯紐荷蘭FR9000系統(tǒng)青貯收獲機(jī)占據(jù)當(dāng)前國內(nèi)大部分市場，售價200萬元以上，平均產(chǎn)量達(dá)100 t/h。青飼料或秸稈收獲后，采用打捆裹包方式打成方草捆或圓草捆，進(jìn)行貯藏發(fā)酵。前兩年，國外大中型打捆裹包機(jī)械主要有挪威奧庫(Orkel)、芬蘭安格尼克(Agronic)、丹麥海斯蘭(Hisarlar)、日本世達(dá)爾(Star)等主流產(chǎn)品，生產(chǎn)效率高、操作簡單、智能化程度高，產(chǎn)品售價200萬左右。目前筆者所在公司生產(chǎn)的9YCL-1.0與9YCL-1.15 圓草捆打捆包膜一體機(jī)，同等產(chǎn)品參數(shù)性能與主流進(jìn)口設(shè)備基本一致，價格僅為國外產(chǎn)品價格的45%～52%。國內(nèi)現(xiàn)有飼料加工設(shè)備從農(nóng)作物田間收獲到物料包貯發(fā)酵，各生產(chǎn)設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行，需要大量人力操作，設(shè)備僅在收獲季節(jié)使用，閑置率高[3-5]。為充分利用秸稈與糖渣等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物，降低機(jī)械化加工成本，筆者提出秸稈與糖渣全自動裹包生產(chǎn)線設(shè)計方案，產(chǎn)線全程自動化控制，可完成秸稈切碎、攪拌、打包等功能，產(chǎn)線末端處理設(shè)備為科脈機(jī)械9YCL-1.0圓草捆打捆包膜一體機(jī)。該產(chǎn)線單條年產(chǎn)青貯飼料18萬噸，干草5萬噸，顆粒飼料7萬噸，年總處理量30萬噸。

1 生產(chǎn)線工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)秸稈與糖渣包貯生產(chǎn)，將秸稈、糖渣、蛋白粉、其他配料按照合適配方比例添加，飼料生產(chǎn)全程自動化控制，實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程操作，產(chǎn)線結(jié)構(gòu)組成如圖1所示[5]。生產(chǎn)線由1個秸稈倉、1個番茄皮倉、2臺一級輸送機(jī)、1個混料倉、1臺二級皮帶機(jī)、1個緩沖倉、1臺三級皮帶機(jī)、1臺打捆裹包機(jī)組成。生產(chǎn)線前端為2個料倉，秸稈倉容積30 m3，采用減法稱量法，變頻調(diào)速，雙螺旋輸送，帶副葉片(齒)；番茄皮倉容積20 m3，采用減法稱量法，變頻調(diào)速，鉤式鏈板刮板輸送結(jié)構(gòu)。2料倉物料經(jīng)由一級輸送機(jī)送入混料倉，料倉雙螺旋攪拌容積40 m3，一級輸送機(jī)采用鉤式鏈板刮板輸送結(jié)構(gòu)，長12 m、寬1 m、揚(yáng)角≤30°、提升高度≥5.2m?；炝蟼}將物料混合均勻，飼料充分?jǐn)嚢韬?，?jīng)由皮帶機(jī)輸送至緩沖倉。緩沖倉容積20 m3，變頻調(diào)速，鉤式鏈板刮板輸送結(jié)構(gòu)。二三級輸送機(jī)采用皮帶輸送機(jī)，長度8 m、寬1 m、揚(yáng)角≤30°、提升高度≥3.5 m、變頻調(diào)速。

圖1 飼料生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)組成圖

2 控制系統(tǒng)

電控系統(tǒng)需自動控制的設(shè)備有：2個秸稈倉攪拌螺旋驅(qū)動電機(jī)、1個番茄皮倉輸送鏈板驅(qū)動電機(jī)、2臺一級輸送機(jī)驅(qū)動電機(jī)、1個混料倉攪拌螺旋驅(qū)動電機(jī)、1臺二級皮帶機(jī)驅(qū)動電機(jī)、1個緩沖倉輸送鏈板驅(qū)動電機(jī)、1臺三級皮帶機(jī)驅(qū)動電機(jī)、1臺打捆裹包驅(qū)動電機(jī)。為實(shí)現(xiàn)黃貯裹包自動化生產(chǎn)，在秸稈倉、番茄皮倉、混料倉、緩沖倉分別設(shè)計安裝稱重系統(tǒng)，精確控制飼料各成分重量級比例，進(jìn)行分析達(dá)到全日糧最佳配比要求。為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，方便用戶隨時隨地查看管理設(shè)備，采用GPRS/ WIFI方式接入物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)采集稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)，再以無線方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩粢苿釉O(shè)備端，同時通過MQTT協(xié)議上傳到云平臺，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)的監(jiān)控，以無線方式上傳給無線智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)再以無線方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩粢苿釉O(shè)備端，電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 自動裹包產(chǎn)線電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 稱重系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)青貯包各飼料比例準(zhǔn)確，在秸稈倉、番茄皮倉、混料倉、飼料緩沖倉中都加裝稱重系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由稱重模塊、轉(zhuǎn)換模塊和稱重控制器三部分組成[6-8]。

2.1.1 稱重模塊

計算依據(jù)：①秸稈倉長6 m，容積30 m3，物料最大堆積密度約0.7×103kg/m3，料倉自重約3.5 t，考慮安全過載選用量程10 t稱重傳感器6只；②番茄皮倉長5 m，容積20 m3，物料最大堆積密度約0.7×103kg/m3，料倉自重約3 t，考慮安全過載選用量程8 t稱重傳感器6只；③混料倉容積40 m3，物料最大堆積密度約0.7×103kg/m3，料倉自重約4.5 t，考慮安全過載選用量程10 t稱重傳感器6只；④緩沖倉容積20 m3，物料最大堆積密度約0.7×103kg/m3，料倉自重約3 t，考慮安全過載選用量程8 t稱重傳感器6只。稱重模塊結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示，考慮到料倉有水分滲漏，以及室外雨雪等侵蝕，彈性體材質(zhì)用不銹鋼。由于稱重傳感器輸入信號為mv級模擬信號，對電子噪聲較敏感，因此經(jīng)圖4所示的轉(zhuǎn)換調(diào)理電路變換放大，傳輸應(yīng)采用屏蔽電纜，遠(yuǎn)離交流電源。

圖3 稱重模塊結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 轉(zhuǎn)換模塊電路簡圖

2.1.2 稱重控制器

稱重控制器采用高精度24bitsA/D轉(zhuǎn)換器，模擬量信號輸出經(jīng)過16bitsD/A轉(zhuǎn)換器，可選RS232或RS485通信方式，通過內(nèi)部跳線來選擇，7位LED數(shù)碼管顯示，鋁合金外殼，便于嵌入控制柜。產(chǎn)線料倉采用減重稱量方式，稱重模塊安裝在料倉中，物料從料倉通過給料機(jī)構(gòu)向料倉外面排出物料，接料倉容器重量增加，料倉物料重量減少，稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

圖5 稱重系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 控制策略

控制系統(tǒng)采用西門子S7-1500PLC擴(kuò)展I/O模塊，通過Ethernet與KTP900型HMI通信，系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 產(chǎn)線控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

用WinCC組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集和傳輸、數(shù)據(jù)保存、預(yù)置報警、故障顯示等功能[9-10]。產(chǎn)線電氣系統(tǒng)上電初始化后，秸稈倉、糖渣倉稱重傳感器采集物料重量信號，秸稈倉攪拌螺旋、糖渣倉輸送鏈板、2臺一級輸送機(jī)驅(qū)動電機(jī)啟動，直到秸稈倉、糖渣倉減少的重量達(dá)到參數(shù)設(shè)置要求，秸稈倉攪拌螺旋、糖渣倉輸送鏈板、2臺一級輸送機(jī)驅(qū)動電機(jī)停止；混料倉稱重傳感器采集物料重量信號、攪拌螺旋驅(qū)動電機(jī)啟動并開始計時，攪拌時間的設(shè)置與飼料配比、秸稈切碎長度、攪拌螺旋旋轉(zhuǎn)速度等有關(guān)，攪拌時間達(dá)到設(shè)置要求后，攪拌倉攪拌螺旋停止動作，混合好的物料經(jīng)由二級、三級輸送皮帶送入打捆裹包設(shè)備，打包設(shè)備正常2 min生產(chǎn)1個重500 kg的圓柱形捆包。如果裹包設(shè)備纏繞網(wǎng)或拉伸膜用完需更換時，設(shè)備暫停工作，多余的物料就在緩沖倉中堆積；如果設(shè)備出現(xiàn)故障后，緩沖倉堆積的物料達(dá)到料倉承載重量上限，停止緩沖倉前端所有設(shè)備動作，產(chǎn)線主要工作流程如圖7所示。

圖7 產(chǎn)線主控流程圖

3 應(yīng)用與總結(jié)

2020年在新疆昌吉呼圖壁縣某農(nóng)業(yè)合作社推廣了2臺筆者公司生產(chǎn)的9YCL-1.0圓草捆打捆包膜一體機(jī)，生產(chǎn)現(xiàn)場從上料到草捆加工轉(zhuǎn)運(yùn)，共需12名生產(chǎn)人員參與。秸稈與糖渣全自動裹包生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計完成后，將于今年10月用于棉桿與甜菜絲、番茄皮、蘋果渣的裹包生產(chǎn)，解決了傳統(tǒng)人工秸稈處理費(fèi)時費(fèi)力的缺點(diǎn)和分段機(jī)械處理生產(chǎn)效率低、浪費(fèi)工時等問題。產(chǎn)線生產(chǎn)率為30 t/h，生產(chǎn)人員只需2名，1名上料，1名轉(zhuǎn)運(yùn)圓草捆。試驗(yàn)表明該生產(chǎn)線處理棉桿生產(chǎn)效率是之前人工或半機(jī)械化作業(yè)的4～5倍，作業(yè)成本極大減少，1條產(chǎn)線可替代 10～15 人。產(chǎn)線自動化程度高、操作簡單、秸稈切碎在半封閉的混料倉完成，現(xiàn)場粉塵極大減少，改善了現(xiàn)場環(huán)境。采用變頻調(diào)速，產(chǎn)線各環(huán)節(jié)生產(chǎn)設(shè)備根據(jù)料量大小自動調(diào)節(jié)運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。同時，按照科學(xué)配比產(chǎn)出的黃貯飼料適口性好、味道香醇、牛羊喜食。此系統(tǒng)也適用于玉米秸桿、麥草、稻草等的裹包貯存，為秸稈飼料化處理提供了相關(guān)參考。