摘  要： 為了解決污泥存儲(chǔ)輸送困難和自動(dòng)化程度低的問(wèn)題，同時(shí)從友好人機(jī)交互考慮，提出利用單片機(jī)控制滑架送料裝置，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)破拱的目的；同時(shí)利用串口，使觸摸屏實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)信息。料倉(cāng)工作時(shí)，單片機(jī)能及時(shí)判斷污泥是否起拱并處理，并在觸摸屏上顯示料倉(cāng)內(nèi)物料的高度，為方便用戶(hù)使用還提供了自動(dòng)與手動(dòng)處理模式，污泥存儲(chǔ)輸送處理系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)化處理，使料倉(cāng)整體耗能減少且工作穩(wěn)定，確保污泥能在不起拱的情況下被穩(wěn)定輸送。
關(guān)鍵詞： 污泥處理；人機(jī)界面；破拱裝置；控制系統(tǒng)

    隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市污水污泥急劇增加。2012年底，廣東省各地級(jí)以上市城鎮(zhèn)生活污水處理廠(chǎng)污泥無(wú)害化處理處置率達(dá)到80％以上；到2015年，全省要達(dá)到100％?？梢?jiàn)污泥處置的壓力將會(huì)不斷加重，如何合理存儲(chǔ)輸送污泥成為一個(gè)需要迫切解決的問(wèn)題[1-2]。
    污泥是污水處理后的產(chǎn)物，是一種由有機(jī)殘片、細(xì)菌菌體、膠體等組成的非均質(zhì)體。污泥的主要特性是含水率高（可高達(dá)99%以上），有機(jī)物含量高，容易腐化發(fā)臭，并且顆粒較細(xì)，比重較小，呈膠狀液態(tài)。它是介于液體和固體之間的濃稠物，可以用泵運(yùn)輸，但它極易在大量輸送時(shí)產(chǎn)生“起拱”現(xiàn)象?，F(xiàn)今的物料輸送系統(tǒng)，由于料倉(cāng)是封閉的，工作人員無(wú)法準(zhǔn)確判斷污泥是否起拱，只能一直開(kāi)啟破拱裝置與攪拌裝置，無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定節(jié)能輸送的目的。本文采用的基于人機(jī)界面（HMI）的污泥存儲(chǔ)輸送處理系統(tǒng)采用專(zhuān)門(mén)檢測(cè)起拱傳感器和實(shí)現(xiàn)破拱的物料輸送裝置，使大范圍的起拱現(xiàn)象得到解決，并且采用觸摸屏通信，使工作人員能及時(shí)了解料倉(cāng)的內(nèi)部情況[3]。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    如圖1所示，總體系統(tǒng)包括料倉(cāng)體處理、傳感器檢測(cè)、觸摸屏顯示和單片機(jī)控制幾部分。料倉(cāng)體處理部分包含對(duì)污泥的機(jī)械處理部分，主要是驅(qū)動(dòng)滑架送料裝置的液壓油泵和驅(qū)動(dòng)螺旋輸送機(jī)的變頻電機(jī)等；傳感器檢測(cè)部分選擇超聲波傳感器作為料位檢測(cè)傳感器和出料口檢測(cè)傳感器，并選擇霍爾傳感器作為破拱裝置的極限檢測(cè)傳感器；觸摸屏顯示部分主要為實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與系統(tǒng)的信息交互；單片機(jī)控制部分負(fù)責(zé)所有傳感器的檢測(cè)處理以及與觸摸屏的串口通信，并根據(jù)用戶(hù)的要求控制料倉(cāng)體處理污泥。

2 硬件框架
2.1 料倉(cāng)體處理部分的設(shè)計(jì)
    硬件設(shè)計(jì)包含料倉(cāng)體、滑架送料裝置和螺旋輸送機(jī)等。料倉(cāng)體為圓柱形平底，可提高料倉(cāng)的強(qiáng)度及降低料倉(cāng)高度，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。根據(jù)當(dāng)前污泥料倉(cāng)存在的問(wèn)題及污泥特點(diǎn)對(duì)料倉(cāng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化部分主要如下：(1)滑架由原先的滑動(dòng)摩擦改為滾動(dòng)摩擦。原先裝置的滑架為直接設(shè)置在料倉(cāng)的導(dǎo)軌上，優(yōu)化后的滑架送料裝置包括滑架、導(dǎo)軌、液壓動(dòng)力組件、滾輪、滾輪罩、填料套及密封件，在滑架下方設(shè)置滾輪，使滑架由原先的滑動(dòng)變?yōu)闈L動(dòng)，大大減小滑架所受到的摩擦力及驅(qū)動(dòng)滑架的液壓。同時(shí)在滾輪四周設(shè)置有密封罩，滾輪罩滑動(dòng)時(shí)會(huì)將導(dǎo)軌上的污泥清掃干凈，使得滾輪滾過(guò)的導(dǎo)軌為干凈光滑的導(dǎo)軌，減小滾輪的摩擦力。在滾輪上采用動(dòng)密封，可有效防止污泥及粉塵進(jìn)入滾動(dòng)副中，提高滑架工作可靠性；(2)螺旋輸送由單螺旋改為雙螺旋輸送，雙螺旋葉片之間互相擠壓剪切，可有效解決單螺旋輸送時(shí)污泥等高粘度物料粘結(jié)在螺旋葉片上的問(wèn)題[4]。

2.2 傳感器的選擇
2.2.1 超聲波傳感器
    本系統(tǒng)采用超聲波模塊HC-SR04作為物料高度傳感器以及出料口傳感器。系統(tǒng)設(shè)置超聲波傳感器的工作頻率為38 kHz，以此獲得較好的指向性?？紤]到環(huán)境溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)傳播速度予以校正，以提高測(cè)量精度。
    圖3為超聲波接收電路圖，超聲傳感器的發(fā)射部分由單片機(jī)與硬件同時(shí)完成，38 kHz發(fā)射波形可由NE555產(chǎn)生，然后由單片機(jī)調(diào)制成脈沖串(持續(xù)0.3 ms，間隔1 s)[5]。

2.2.2 霍爾傳感器
    本系統(tǒng)采用霍爾傳感器作為滑架送料裝置左右極限的檢測(cè)，為了實(shí)現(xiàn)滑架送料裝置的自動(dòng)化控制，需要傳感器確定滑架來(lái)回的極限位置，同時(shí)由于料倉(cāng)內(nèi)環(huán)境惡劣，需要傳感器保證一定的防腐蝕能力。綜合上述考慮，采用工業(yè)無(wú)壓型霍爾傳感器1pcs來(lái)增強(qiáng)檢測(cè)的范圍和可靠性，圖4所示為霍爾傳感器的安裝位置。
2.2.3 繼電器模塊
    在整個(gè)系統(tǒng)控制中，當(dāng)破拱時(shí)，需要啟動(dòng)滑架送料裝置，即需要控制外部液壓油泵隨之動(dòng)作。在本系統(tǒng)中，通過(guò)繼電器來(lái)控制油泵的前向出油與反向出油。由單片機(jī)和繼電器控制油泵的前向進(jìn)油和反向退油，從而實(shí)現(xiàn)控制滑架送料裝置的前進(jìn)和后退。               
3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    整體控制系統(tǒng)以單片機(jī)STM8S208CB控制器作為核心，主要是對(duì)觸摸屏軟件和控制器軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。觸摸屏軟件設(shè)計(jì)以動(dòng)畫(huà)效果制作和與單片機(jī)之間的通信為主?？刂破鬈浖脑O(shè)計(jì)主要以自動(dòng)模式的設(shè)計(jì)和手動(dòng)模式的設(shè)計(jì)為主。兩者之間通過(guò)RS232串口進(jìn)行通信，規(guī)定兩者間的通信協(xié)議，即可使兩者實(shí)現(xiàn)有效的通信。
3.1 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)
    人機(jī)交互（Human Machine Interface）采用迪文觸摸屏DMG80600K080_01W。通過(guò)控制迪文觸摸屏串口命令，使圖片來(lái)回切換以實(shí)現(xiàn)頁(yè)面動(dòng)畫(huà)效果。當(dāng)按下不同的按鍵時(shí)，迪文觸摸屏通過(guò)串口發(fā)送一段軟件設(shè)定的命令給控制器。同時(shí)它也隨時(shí)接收來(lái)自控制器的命令，并將其經(jīng)過(guò)軟件處理后，快速顯示在觸摸屏上。自定義命令的格式及含義如表1所示。

3.1.1 動(dòng)畫(huà)效果的實(shí)現(xiàn)
    為了實(shí)現(xiàn)較好的人機(jī)交互，當(dāng)物料高度發(fā)生變化時(shí)，在觸摸屏上，料倉(cāng)內(nèi)部以顏色的變化提示用戶(hù)污泥的高度變化。首先，以原始的界面復(fù)制6張一樣的界面，并將物料的高度六等分。將第一張界面命名為0%，而第二張界面命名為20%，并從底部開(kāi)始，將料倉(cāng)高度的20%以深顏色涂黑，以此類(lèi)推，分別命名為40%、60%、80%和100%，料倉(cāng)高度顏色的涂黑程度也以此類(lèi)推。當(dāng)檢測(cè)到物料高度為0時(shí)，顯示0%的界面，檢測(cè)到物料高度為0～20%時(shí)，顯示20%界面，以此類(lèi)推。當(dāng)污泥高度發(fā)生變化時(shí)，界面快速變化，通過(guò)人眼的視覺(jué)效應(yīng)，使人眼產(chǎn)生動(dòng)畫(huà)的效果[6]。
3.1.2 觸摸屏界面設(shè)計(jì)
    為了滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，觸摸屏上界面分為開(kāi)始界面和工作界面。開(kāi)始界面為介紹系統(tǒng)信息部分，上面包括料倉(cāng)3D圖形以及系統(tǒng)名稱(chēng)，同時(shí)包括有一個(gè)進(jìn)入工作界面的按鈕。
    工作界面如圖5所示，內(nèi)含4個(gè)按鈕(分別為自動(dòng)模式按鈕、手動(dòng)模式按鈕、油泵前進(jìn)按鈕和油泵后退按鈕)以及一個(gè)對(duì)話(huà)框和一個(gè)返回開(kāi)始界面按鈕。按下不同的按鈕，觸摸屏都會(huì)通過(guò)串口發(fā)送相應(yīng)的命令串給單片機(jī)，由單片機(jī)返回的命令串決定觸摸屏不同的顯示效果。在對(duì)話(huà)框中則會(huì)顯示一些系統(tǒng)運(yùn)行的信息提示，如當(dāng)下的模式、物料的高度等。

3.2 控制器軟件設(shè)計(jì)
    控制器采用STM8S208CB作為系統(tǒng)的核心，控制器不僅負(fù)責(zé)外部傳感器的數(shù)據(jù)檢測(cè)以及數(shù)據(jù)的綜合處理，還負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳遞給觸摸屏，以實(shí)現(xiàn)觸摸屏頁(yè)面信息的實(shí)時(shí)更新，同時(shí)隨時(shí)接收觸摸屏的命令。在軟件中還加入了看門(mén)狗，當(dāng)出現(xiàn)單片機(jī)死機(jī)時(shí)，復(fù)位單片機(jī)，并且關(guān)閉所有的外部可控設(shè)備，降低出現(xiàn)故障的可能性。
3.2.1 污泥自動(dòng)模式
    當(dāng)按下自動(dòng)按鈕進(jìn)入自動(dòng)處理污泥模式時(shí)，在對(duì)話(huà)框中顯示現(xiàn)在正處于自動(dòng)模式。此時(shí)開(kāi)啟螺旋輸送機(jī)，不停地將污泥攪拌后，輸送出去。計(jì)算出料口傳感器到料倉(cāng)輸出口之間的距離，通過(guò)軟件設(shè)置，當(dāng)該距離在系統(tǒng)設(shè)定距離范圍之內(nèi)時(shí)，判定為污泥正在被輸送，即料倉(cāng)內(nèi)部沒(méi)有出現(xiàn)起拱現(xiàn)象。料位傳感器在選擇自動(dòng)模式后，就會(huì)不停地測(cè)量物料的高度，同時(shí)將物料的高度實(shí)時(shí)顯示在對(duì)話(huà)框中，并根據(jù)測(cè)量的料高顯示動(dòng)畫(huà)效果。
    當(dāng)污泥正處于起拱狀態(tài)時(shí)，滑架送料裝置開(kāi)始工作，即油泵驅(qū)動(dòng)的刮板開(kāi)始前后動(dòng)作。當(dāng)滑架送料裝置剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，默認(rèn)先使刮板前進(jìn)，同時(shí)使油泵前進(jìn)按鈕呈現(xiàn)凹進(jìn)效果，油泵后退按鈕呈現(xiàn)突起效果，當(dāng)其到達(dá)前進(jìn)極限，使油泵前進(jìn)按鈕突起，油泵后退按鈕凹進(jìn)，直到后退到達(dá)后退極限時(shí)，對(duì)應(yīng)的按鈕效果再反轉(zhuǎn)。一旦出料口超聲波傳感器檢測(cè)到有物料從輸送口送出時(shí)，則關(guān)閉滑架送料裝置，并使油泵前進(jìn)按鈕和油泵后退按鈕都突起，以節(jié)約電能。
3.2.2 軟件流程圖
    系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

4 試驗(yàn)效果
    在電源輸入端安裝三相電能表，分別在1個(gè)月內(nèi)抽取7天進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，由提升機(jī)不斷地對(duì)料倉(cāng)進(jìn)行污泥加料，在出料口使用固定的容器存儲(chǔ)料倉(cāng)處理后的污泥，以便計(jì)算處理的污泥體積，在測(cè)量完成后，計(jì)算出當(dāng)天的電能消耗與每小時(shí)消耗功率。由表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的污泥存儲(chǔ)料倉(cāng)的每小時(shí)消耗功率為3.33 kW，而同等規(guī)格污泥料倉(cāng)處理相同體積污泥，由于需要不停地破拱與攪拌，每小時(shí)消耗的功率為4.5 kW～5.5 kW，由上可知本系統(tǒng)的污泥存儲(chǔ)輸送料倉(cāng)具有節(jié)能的效果。

    通過(guò)對(duì)污泥料倉(cāng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使污泥能得到有效的存儲(chǔ)和輸送。由于對(duì)污泥起拱的自動(dòng)化判斷，使污泥在儲(chǔ)存輸送時(shí)的效率大大提高，相應(yīng)地使消耗的能源大大減少。由于觸摸屏的使用，使系統(tǒng)與用戶(hù)之間的人機(jī)交互友好性得以提高。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，污泥的處理壓力正在慢慢加大，相信通過(guò)不懈的努力，會(huì)使社會(huì)變得更加清潔與舒適。
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