CN111112292B - 一种智能发酵控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能发酵控制系统及方法，系统包括发酵仓、智能控制器、平台、物料部、加热部和气控部，发酵仓与智能控制器、物料部、加热部和气控部分别连接，根据智能控制器发送的命令，智能控制器根据发酵仓反馈的信息对其进行搅拌控制；物料部包括进料装置和出料装置，通过进料装置向发酵仓投入物料，发酵完成后通过出料装置输出物料；加热部包括低温快速加热装置和高温辅助加热装置，对发酵仓进行低温快速加热和高温辅助加热；气控部对发酵仓内的气体进行补充和释放。本发明根据物料的重量设置菌种好氧度、温度和湿度，智能控制搅拌方式和时间；双加热装置分阶段加热，降低热能耗；实时采集反馈发酵情况，调整工作方式。

Description

一种智能发酵控制系统及方法
技术领域
本发明属于智慧环保领域，涉及一种智能发酵控制系统及方法。
背景技术
“地沟油”、“泔水猪”等食品安全与卫生隐患倒逼餐厨垃圾合理处置餐厨垃圾，由于自身特点、会造成食品安全、环境污染和影响城市多个方面的危害。我国随着城镇化进程的加快，餐余垃圾产生量也在快速增加，大量的餐厨垃圾处理亟待解决。
在传统餐厨垃圾处理技术中填埋法具有简单投资小的特点但填埋处理资源化水平极低，并以污水量大、污水处理困难、堆体稳定性差及资源浪费为重大代价。这决定了餐厨垃圾直接填埋的可行性较低,因此填埋非餐厨垃圾处理的主流技术。并且，因为餐厨垃圾水分含量高会增加焚烧燃料的消耗，并且导致焚烧炉内燃烧不完全,促进二嘌英的生成,因此餐厨垃圾不适合用焚烧工艺处理。此外，饲料化处理曾被认为是生物降解资源化处置的良好方式，因餐厨垃圾中含有丰富的淀粉、纤维素、蛋白质、脂类及无机盐，可将其脱水后制成蛋白饲料。
目前市面上关于生物降解设备，技术手段、处置方法，各种各样，但是缺乏有效的监控和智能控制，同时普遍存在用电能耗过高的问题。现有技术方案普遍参见图1，中控主要向下发送执行指令，如设置好加热的温度、加热时间、搅拌时间，后台数据通过手动录入，进行数据存储和展示。有比较进步的技术方案加入传感装置采集氧气浓度、湿度等数据，通过无线或有限模块传输给中控。存在如下不足：
(1)中控获取数据有限，无法去为搅拌系统内易腐垃圾的发酵提供足够的信息参考；
(2)各个子系统交互协作少，子系统与中控之间没有反馈控制机制，即使传感器发现参数不利于搅拌系统内菌种生存环境不利，也难以让中控根据参数变化而向相关子系统发出控制指令，优化菌种生存环境；
(3)通常加热、发酵时间都是中控提前设置好，搅拌系统无法判定发酵程度，有时可能导致处理认可完成的物料继续被搅拌和发酵，导致用电量居高不下，不能很好的做到节能环保。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种实现有效降低能耗，同时有方便运维人员简易操作和后期维护，从而提升餐厨垃圾后端处理效果、降低能耗和降低维护成本的智能发酵控制系统及方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种智能发酵控制系统，包括发酵仓、智能控制器、平台、物料部、加热部和气控部，其中，
所述发酵仓与智能控制器、物料部、加热部和气控部分别连接，根据智能控制器发送的命令，智能控制器根据发酵仓反馈的信息对其进行搅拌控制；
所述智能控制器将发酵仓传来的信息处理后上传至平台，平台再向应用终端发送消息；
所述物料部包括进料装置和出料装置，通过进料装置向发酵仓投入物料，发酵完成后通过出料装置输出物料；
所述加热部包括低温快速加热装置和高温辅助加热装置，对发酵仓进行低温快速加热和高温辅助加热；
所述气控部对发酵仓内的气体进行补充和释放。
优选地，所述发酵仓包括搅拌部和传感装置，搅拌部根据智能控制器发送的指令进行正转、反转或停止；传感装置对发酵仓内的参数进行采集和上传至智能控制器。
优选地，所述传感装置包括温度传感器、湿度传感器、PH值采集器和CO2传感器。
优选地，所述温度传感器包括金属管传感器、热电偶传感器和辐射测温仪，对发酵仓内物料和气体的温度进行感测。
优选地，所述湿度传感器包括湿敏电阻或湿敏电容。
优选地，所述PH值采集器采用电导电极。
优选地，所述CO2传感器采用固体电解质传感器。
基于上述目的，本发明还提供了一种与上述智能发酵控制系统对应的方法，包括以下步骤：
S10，通过进料装置向发酵仓投入待处理的易腐垃圾物料；
S20，智能控制加热分析；
S30，发酵仓内搅拌物料，检测发酵仓内参数，反馈给智能控制器；
S40，判断发酵完成后，通过出料装置输出，智能控制器向平台发送消息；
其中，检测发酵仓内参数包括物料温度、气体温度、湿度、PH值和CO2浓度；
判断发酵完成包括检测发酵仓内湿度达到预设条件或CO2浓度不再增加。
优选地，所述智能控制加热分析为，进料装置中的压力传感器采集重量数据上传至智能控制器，根据重量计算搅拌及加热参数，向加热部发出加热指令。
优选地，所述向加热部发出加热指令为，开启低温快速加热装置，高温辅助加热装置为待命状态，加热到低温快速加热装置的设定值时，如尚未满足菌种最活跃温度值，智能控制器控制高温辅助加热装置进行加热。
与现有技术相比，本发明至少有以下有益效果：
1.支持多种菌种的生存环境：通过多传感器获取大量数据，并实时反馈数据，进行智能分析，以提供菌种最优的生存环境，从而提升易腐垃圾被生物分解的速度；
2.提升分解效率：搅拌部、传感装置和智能控制器相互协作，快速响应菌种活跃环境要求，充分进行生物发酵处理；
3.节能环保：智能控制器通过传感装置实时监控易腐垃圾处理完成程度，发酵完成后相关装置停止或待机工作，以实现自动控制最低耗能的目标。
附图说明
图1为现有技术中发酵控制系统的结构框图；
图2为本发明实施例的智能发酵控制系统的结构框图；
图3为本发明具体实施例的智能发酵控制系统的结构框图；
图4为本发明实施例的智能发酵控制方法的步骤流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
系统实施例1
参见图2，所示为本发明一实施例的智能发酵控制系统包括发酵仓10、智能控制器20、平台30、物料部40、加热部50和气控部60，其中，发酵仓10与智能控制器20、物料部40、加热部50和气控部60分别连接，根据智能控制器20发送的命令，智能控制器20根据发酵仓10反馈的信息对其进行搅拌控制；智能控制器20将发酵仓10传来的信息处理后上传至平台30，平台30再向应用终端发送消息；物料部40包括进料装置41和出料装置42，通过进料装置41向发酵仓10投入物料，发酵完成后通过出料装置42输出物料；加热部50包括低温快速加热装置51和高温辅助加热装置52，对发酵仓10进行低温快速加热和高温辅助加热；气控部60对发酵仓10内的气体进行补充和释放。
通过上述设置，通过智能计算，可以满足不同的菌种最优的活跃度，从而实现高效分解处理的效果；通过传感采集，可以对投入不同的物料进行智能分析完成程度，避免现有技术中无效垃圾(已发酵被分解完成的垃圾)的带载工作，有效降低能耗。
系统实施例2
参见图2，发酵仓10包括搅拌部11和传感装置12，搅拌部11根据智能控制器20发送的指令进行正转、反转或停止；传感装置12对发酵仓10内的参数进行采集和上传至智能控制器20。
进料装置41中包括压力传感器，可以为悬臂梁传感器，采集到重量数据后上传至智能控制器20，同时搅拌部11开始通知搅拌轴工作，不同重量的物料搅拌的正转、暂停和反转时间不同，故根据进料装置41的压力传感器采集的重量数据来更好地、节能地进行搅拌。
传感装置12包括温度传感器、湿度传感器、PH值采集器和CO2传感器。
温度传感器包括金属管传感器、热电偶传感器和辐射测温仪，对发酵仓10内物料和气体的温度进行感测。
湿度传感器包括湿敏电阻或湿敏电容。
PH值采集器采用电导电极，检测发酵仓10内物料的PH值(通常初始料的PH值在7～9)，低于6.5时启动进气装置61，有助于物料的发酵。
当发酵仓10内氧气含量从最开始减少到一定程度，如14％，智能控制器20通知进气装置61，向发酵仓10内加入空气，同时通过排气装置62向外排除发酵仓10内气体，保持气压平衡。
CO2传感器采用固体电解质传感器，采用固体电解质电池原理，由下列固体电池构成：空气，Au|NASICON||碳酸盐|Au，空气，CO2；当传感器置于CO2气氛中时，将发生以下电极反应：负极：2Li++CO2+1/2O2+2e-＝Li2CO3；
正极：2Na++1/2O2+2e-＝Na2O；
总电极反应：Li2CO3+2Na+＝Na2O+2Li++CO2
CO2传感器敏感电极与参考电极间的电势差(EMF)符合能斯特方程：
EMF＝Ec-(R x T)/(2F)ln(P(CO2))
上式中：P(CO2)—CO2分压；Ec—常量；R—气体常量；T—绝对温度(K)；F—法拉第常量；加热电压由外电路提供，当其表面温度足够高时，CO2传感器相当于一个电池，其两端会输出一电压信号，其值与能斯特方程符合得较好。测量时放大器的阻抗须在100—1000GΩ之间，其电流控制在1pA以下。
当易腐垃圾在仓内发酵到一定时间后，CO2变化率几乎不变，另外判定发酵完成还有物料湿度和空气湿度，分别为物料湿度30％，仓内空气湿度50％)，表明易腐垃圾分解完成。
运维人员在智能控制器20显示屏内设置好的菌种参数(发酵最活跃温度、物料湿度、含氧量、CO2含量等)，计算后，智能控制器20开启低温快速加热装置51，高温辅助加热装置52进行待命状态。通常在入料时，因进料装置41的投料口打开，外界空气迅速进入发酵仓10内，发酵仓10内气体成份与外界比较接近，同时发酵仓10内物料温度随料的投入和空气的进入短时间内会降低。物料倒入完全后，智能控制器20通过智能计算，会通知低温快速加热装置51进行加热，若加热到低温快速加热装置51的设定值，如38℃，还未满足菌种最活跃温度值，智能控制器20即通知高温辅助加热装置52进行加热，此时低温快速加热系统停止)；若加热满足要求，则高温辅助加热系统，不启动。
方法实施例1
参见图4，本发明的智能发酵控制方法包括以下步骤：
S10，通过进料装置向发酵仓投入待处理的易腐垃圾物料；
S20，智能控制加热分析；
S30，发酵仓内搅拌物料，检测发酵仓内参数，反馈给智能控制器；
S40，判断发酵完成后，通过出料装置输出，智能控制器向平台发送消息；
其中，检测发酵仓内参数包括物料温度、气体温度、湿度、PH值和CO2浓度；
判断发酵完成包括检测发酵仓内湿度达到预设条件或CO2变化率几乎不变。
方法实施例2
S20，智能控制加热分析为，进料装置中的压力传感器采集重量数据上传至智能控制器，根据重量计算搅拌及加热参数，向加热部发出加热指令，开启低温快速加热装置，高温辅助加热装置为待命状态，加热到低温快速加热装置的设定值时，如尚未满足菌种最活跃温度值，智能控制器控制高温辅助加热装置进行加热。
S30，发酵仓内搅拌物料，检测发酵仓内参数，反馈给智能控制器；搅拌部会根据事先设置好的参数(该菌种需要的参数，如好氧度、温度、湿度)，搅拌部进行初值设定10分钟的正转、初值设定5分钟的停止、初值设定5分钟的反转，智能控制器根据通过计算一个T周期(如5分钟)内与T-1周期，发酵仓内CO2增长率快慢，增加或减少搅拌轴的正转时间；根据T周期内发酵仓内空气温度与T-1周期内与仓内物料温度相差超过t度(如3℃)，来确定是否增加搅拌轴停止时间间隔；反转时间可以为正转时间的1/2，目的是打松物料，让氧气更好的与菌种接触，有利于好氧菌种的发酵。
S40中，当易腐垃圾在发酵仓内发酵到一定时间后，CO2含量不再增加如18％，另外判定发酵完成还有物料湿度和空气湿度，分别为物料湿度30％，仓内空气湿度50％，表明易腐垃圾分解完成，此时，系统进行排水工作。
当系统通过发酵仓与外界进行气体交互，随着系统的运行，智能控制器检测到发酵仓内空气湿度传感器的值达到预定指标要求(如50％)，表明易腐垃圾处理后含水量的满足，可以出料。此时向智能控制器反馈，指令依次上传至平台。此时系统一方面进入低功耗(待机)模式，减少耗电；同时平台会通过微信小程序，向运维人员推送报警信息，提醒出料。
在出料阶段，发酵完成的产物被输出发酵仓，出料装置也设置压力传感器，向智能控制器发送出料的产出物重量，智能控制器向平台上传。
还可以进行产出物跟踪，清运车可配置GPS或北斗模块，可以跟进产出物的去向。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种智能发酵控制系统，其特征在于，包括发酵仓、智能控制器、平台、物料部、加热部和气控部，其中，
所述发酵仓与智能控制器、物料部、加热部和气控部分别连接，根据智能控制器发送的命令，智能控制器根据发酵仓反馈的信息对其进行搅拌控制；
所述智能控制器将发酵仓传来的信息处理后上传至平台，平台再向应用终端发送消息；
所述物料部包括进料装置和出料装置，通过进料装置向发酵仓投入物料，发酵完成后通过出料装置输出物料；
所述加热部包括低温快速加热装置和高温辅助加热装置，对发酵仓进行低温快速加热和高温辅助加热，物料倒入完全后，智能控制器通过智能计算，会通知低温快速加热装置进行加热，若加热到低温快速加热装置的设定值，还未满足菌种最活跃温度值，智能控制器即通知高温辅助加热装置进行加热，此时低温快速加热装置停止；若加热满足要求，则高温辅助加热装置不启动；
所述气控部对发酵仓内的气体进行补充和释放，
所述发酵仓包括搅拌部和传感装置，搅拌部根据智能控制器发送的指令进行正转、反转或停止；传感装置对发酵仓内的参数进行采集和上传至智能控制器，所述传感装置包括温度传感器、湿度传感器、PH值采集器；
所述传感装置还包括CO2传感器，所述CO2传感器采用固体电解质传感器，
采用固体电解质电池原理，由下列固体电池构成：空气，Au|NASICON||碳酸盐|Au，空气，CO2；当传感器置于 CO2 气氛中时，将发生以下电极反应：负极：2Li + + CO2 + 1/2O2 +2e - = Li2CO3；
正极：2Na+ + 1/2O2 + 2e- = Na2O；
总电极反应：Li2CO3 + 2Na+ = Na2O + 2Li+ + CO2；
CO2传感器敏感电极与参考电极间的电势差EMF符合能斯特方程：
EMF = Ec - (R x T) / (2F) ln (P(CO2 ))
上式中：P(CO2 )—CO2 分压；Ec—常量；R—气体常量；T—绝对温度（K）；F—法拉第常量；加热电压由外电路提供，当其表面温度足够高时，CO2传感器相当于一个电池，其两端会输出一电压信号，其值与能斯特方程符合得较好，测量时放大器的阻抗须在 100—1000GΩ之间，其电流控制在 1pA 以下；
发酵仓内搅拌物料，检测发酵仓内参数，反馈给智能控制器；搅拌部会根据事先设置好的参数，搅拌部进行初值设定10分钟的正转、初值设定5分钟的停止、初值设定5分钟的反转，智能控制器根据通过计算一个T周期内与T-1周期，发酵仓内CO2增长率快慢，增加或减少搅拌轴的正转时间；根据T周期内发酵仓内空气温度与T-1周期内与仓内物料温度相差超过t度，来确定是否增加搅拌轴停止时间间隔；反转时间为正转时间的1/2，目的是打松物料，让氧气更好的与菌种接触，有利于好氧菌种的发酵；
当物料在发酵仓内发酵到一定时间后，CO2含量不再增加，另外判定发酵完成还有物料湿度和空气湿度，分别为物料湿度30%，仓内空气湿度50%，表明物料分解完成，此时，系统进行排水工作。
2.根据权利要求1所述的智能发酵控制系统，其特征在于，所述温度传感器包括金属管传感器、热电偶传感器和辐射测温仪，对发酵仓内物料和气体的温度进行感测。
3.根据权利要求1所述的智能发酵控制系统，其特征在于，所述湿度传感器包括湿敏电阻或湿敏电容。
4.根据权利要求1所述的智能发酵控制系统，其特征在于，所述PH值采集器采用电导电极。
5.一种采用权利要求1-4之一所述的智能发酵控制系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10，通过进料装置向发酵仓投入待处理的物料；
S20，智能控制加热分析；
S30，发酵仓内搅拌物料，检测发酵仓内参数，反馈给智能控制器；
S40，判断发酵完成后，通过出料装置输出，智能控制器向平台发送消息；
其中，检测发酵仓内参数包括物料温度、气体温度、湿度、PH值和CO2浓度；
判断发酵完成包括检测发酵仓内湿度达到预设条件或CO2浓度不再增加。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述智能控制加热分析为，进料装置中的压力传感器采集重量数据上传至智能控制器，根据重量计算搅拌及加热参数，向加热部发出加热指令。
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