CN117049902B - 有机废弃物仿生发酵箱及发酵过程精准监测调控方法 - Google Patents

有机废弃物仿生发酵箱及发酵过程精准监测调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种有机废弃物仿生发酵箱及发酵过程精准监测调控方法,发酵箱包括机箱以及安装机箱中的仿生翻抛模块、曝气溶氧模块、堆体恒温模块、数据感知模块、主控模块。本发明基于数据感知模块对堆肥过程实时监测,基于主控模块进行监测数据实时分析与综合控制,利用仿生翻抛模块、曝气溶氧模块、堆体恒温模块对发酵过程参数进行精准调控;其中,主控模块结合基于改进的长短期记忆人工神经网络模型和pid控制系统,可根据有机废弃物种类,设置不同堆肥控制策略和数据采集精度,满足不同堆肥试验要求,提高试验精度,大大减少了试验人员工作量,节省了实验成本。

Description

有机废弃物仿生发酵箱及发酵过程精准监测调控方法
技术领域
本发明属于实验用机械设计技术领域,尤其涉及一种有机废弃物仿生发酵箱及发酵过程精准监测调控方法。
背景技术
巨大数量的城市有机废弃物因为其容易腐烂等特性,如果不能及时得到无害化和减量化处理,将对人们的身体健康和环境社会的发展造成重大威胁。为了解决有机废弃物对环境造成的威胁,需要对高温发酵制肥技术展开研究。
目前的有机废弃物微生物发酵设备,虽然可以实现发酵、数据存储、数据监测以及基本过程干预等功能,但是装置都较为简易,且调控逻辑简单,无法通过对实时采集的数据进行分析和预测,从而在无人值守的时候下发因环境条件变化而改变的操作指令,发酵过程难以精准调控,同时发酵过程数据采集工作需要消耗大量的人力成本和时间成本;由于其无法实现对发酵过程的关键参数的预测,因此在发酵过中的温湿度调控等,还是依靠经验和人工,导致实验进度缓慢,而且,发酵过程人为因素干扰还会导致试验误差较大,平行实验或者重复实验误差较大,无法稳定肥料质量。另外,合适的搅拌装置可以显著提高堆肥效率,减少搅拌过程中的能源消耗,但是目前大多数的发酵设备都是采用刚性搅拌机构或者翻抛机构,因此在使用过程之中极易因为物料尺寸或者形态的变化发生卡死、电机频繁启动等现象,严重影响实验进度和发酵过程的可控性。
发明内容
针对现有技术中存在不足,本发明提供了一种有机废弃物仿生发酵箱及发酵过程精准监测调控方法,采用以蝼蛄爪趾为仿生原型的仿生扭簧发酵堆体弹性翻抛转置和基于改进的长短期记忆人工神经网络模型与pid控制系统结合的精准调控技术,实现了在不同有机废弃物微生物发酵试验的要求下,可根据有机废弃物种类,设置不同堆肥控制策略和数据采集精度,满足不同堆肥试验要求,提高试验精度,大大减少试验人员工作量节省实验成本。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种有机废弃物仿生发酵箱,包括机箱以及安装在机箱中的仿生翻抛模块、曝气溶氧模块、堆体恒温模、数据感知模块、主控模块,主控模块用于实现数据接收与分析以及综合管控,堆体恒温模块用于测量及调节加热机箱中的U型堆肥仓内的温度,数据感知模块用于采集U型堆肥仓内的氧气浓度数据和温度数据;
仿生翻抛模块包括电机,电机的电机轴上安装小链轮,小链轮通过链条和中空搅拌轴一端的大链轮连接,中空搅拌轴贯穿U型堆肥仓且两端均通过轴承安装在U型堆肥仓仓体上;中空搅拌轴上沿中轴线等距设有多个轴线水平的通孔,通孔之间等距设有多个轴线竖直的螺纹通孔,中空搅拌轴上还安装有仿生扭簧,仿生扭簧通过仿生扭簧定位螺栓组轴向限位在相应通孔中,仿生扭簧设有用于搅拌U型堆肥仓内的有机废弃物的仿生搅拌爪趾;
U型堆肥仓仓体上开设有废气排气孔,中空搅拌轴内部沿轴向开设有搅拌轴通气孔,螺纹通孔两端均安装有曝气石,搅拌轴通气孔与螺纹通孔连通,曝气溶氧模块与搅拌轴通气孔连通,将U型堆肥仓)中的废气排出。
进一步地,所述机箱包括由盖板、底板以及四块箱板拼装组成的机架,底板四周均设置有定位柱安装孔,底板上靠近后侧位置安装有电机风机安装台,箱板上部安装有箱板锁,箱板下端安装有与定位柱安装孔配合的定位柱,箱板通过定位柱以及箱板锁实现安装和拆卸;
盖板上开设有进料口、触摸屏安装孔,进料口处通过合页安装有进料门,进料门上安装有进料门锁扣,进料门锁扣与安装在盖板上的进料门锁座配合;进料门上开设圆形通孔且安装有观察窗安装法兰,观察窗法兰和进料门上端面之间的夹层中安装有观察窗玻璃,观察窗玻璃中心处安装观察窗除雾手柄。
进一步地,所述U型堆肥仓安装在进料口下端,U型堆肥仓上端开口,U型堆肥仓前侧通过合页与出料门下端铰接,出料门上端安装出料门锁扣,出料门锁扣与U型堆肥仓外侧壁上的出料门锁座配合。
进一步地,所述曝气溶氧模块包括固结在电机风机安装台上的风机,且风机出风口轴线和电机风机安装台长边平行,风机出风口和导气管下端密封套合,导气管)上端和导气端盖下端密封套合,导气端盖上端与中空搅拌轴一端的轴承通过螺栓链接密封压紧扣合,导气管与搅拌轴通气孔连通。
进一步地,所述电机安装在电机安装座上,电机安装座固结在电机风机安装台上,电机轴的轴线和电机风机安装台长边以及中空搅拌轴轴线均平行,且中空搅拌轴的轴线和U型堆肥仓的圆弧部分的中轴线重合;仿生扭簧定位螺栓组和通孔之间采用胶水密封。
进一步地,所述堆体恒温模块包括粘贴在U型堆肥仓外侧的电加热板,电加热板的温度采集和反馈通过粘贴在U型堆肥仓后侧的电加热板附属的加热板测温线完成,加热板测温线连接至主控模块。
进一步地,所述数据感知模块包括安装在U型堆肥仓外壁的带有数据采集线的氧浓度传感器、温度传感器,且氧浓度传感器带有敏感原件的一端、温度传感器带有敏感原件的一端均伸入至U型堆肥仓内,数据采集线连接至主控模块。
进一步地,所述主控模块包括电控柜,电控柜内置的电气原件包括弱电供电电源组、电机控制器、风机控制板、微型计算机、接线端子组、电加热板控制器、电源总开关、电路保护器、接线端子组和逻辑控制器;主控模块还包括强电通电显示灯、急停开关、主控模块旋钮开关、主控模块通电显示灯、上位机触摸屏。
利用上述有机废弃物仿生发酵箱的发酵过程精准监测调控方法,包括如下过程:
步骤1:将有机废弃物粉碎并与其他堆肥调理剂和发酵菌剂混合,将混合完成的有机废弃物由进料口送入U型堆肥仓内,此时出料门为锁紧状态,随后锁紧进料门,密封U型堆肥仓;
步骤2:主控模块通电,通过主控模块的上位机触摸屏设定监测采样时间,数据感知模块对U型堆肥仓内的氧气浓度和有机废弃物发酵堆体的温度进行实时监测,氧气浓度和温度数据传输到主控模块的微型计算机以及上位机触摸屏内,上位机触摸屏实现对历史数据的记录和保存;
步骤3:微型计算机按照预先训练过的基于改进的长短期记忆人工神经网络的温度、氧浓度规划算法,通过神经网络的学习来制定精确的控制模型,精确预测出未来n时的U型堆肥仓内适合发酵微生物分解有机废弃物的氧气浓度和温度,并将其与当前时刻监测到的氧气浓度和温度数据进行差值比较,制定出对电机、风机、堆体恒温模的控制策略,据此下发控制指令到逻辑控制器内;与此同时,上位机触摸屏上实时显示历史预测数值曲线及历史采集数据曲线,供相关人员查阅;
步骤4:逻辑控制器612内设置有预先完成的比例、积分、微分系数参数设定的pid电机调控程序、pid风机调控程序和pid电加热板调控程序,三组程序分别通过将相应的控制信号下发到主控模块的电机控制器、风机控制板和电加热板控制器内,实现对电机转速、风机转速和堆体恒温模内加热部件输出功率的提前调整,使U型堆肥仓内的氧气浓度和温度稳定达到预测的氧气浓度和预设温度值,以实现对发酵过程的精准节能调控。
本发明具有如下有益效果:
本发明所提供的有机废弃物仿生发酵箱采用了以蝼蛄爪趾为仿生原型的仿生扭簧发酵堆体弹性翻抛转置,将改进的长短期记忆人工神经网络模型与pid控制系统结合,对发酵所需的氧气浓度、温度进行快速的预测及调整,在pid控制系统的配合下,能够使发酵过程中需要调控的各个执行机构在不同发酵过程调控需求下对发酵过程进行精准调控,自动化程度高,节省了人力物力,能够保证获得最佳发酵效果。
本发明所提供的有机废弃物仿生发酵箱适用于试验条件下、不同原料和发酵时间要求下的发酵过程数据采集、监测和调控,不仅能够用于有机废弃物发酵过程的数据采集、监测和调控,同时还能用于食品行业的发酵过程调控,例如茶叶发酵、干菜发酵和药材发酵等的作业,应用范围广,具有较好的推广价值。
附图说明
图1为有机废弃物仿生发酵箱左后方向轴侧图;
图2为有机废弃物仿生发酵箱左后方向轴侧剖视图;
图3为有机废弃物仿生发酵箱右前方向轴测图;
图4为有机废弃物仿生发酵箱右前方向轴测剖视图一;
图5为有机废弃物仿生发酵箱右前方向轴测剖视图二;
图6为有机废弃物仿生发酵箱前视剖面图;
图7为有机废弃物仿生发酵箱右视剖面图;
图8为有机废弃物仿生发酵箱主控模块示意图;
图9为有机废弃物仿生发酵箱盖板、底板结构及安装相对位置示意图。
图10为有机废弃物仿生发酵箱中空搅拌轴示意图。
图中:
1-机箱部分;101-机架;102-前侧箱板;103-出料口;104-前侧箱板锁;105-进料门锁座;106-进料口;107-右侧箱板锁;108-右侧箱板;109-出料门锁扣;110-进料门开合合页;111-进料门;112-进料门锁扣;113-左侧箱板锁;114-左侧箱板;115-后侧箱板锁;116-后侧箱板;117-出料门;118-出料门开合合页;119-观察窗安装法兰;120-观察窗除雾手柄;121-观察窗玻璃;122-除雾橡胶刷锁紧螺母;123-除雾橡胶刷;124-盖板;125-底板;126-定位柱;127-定位柱安装孔;128-电机风机安装台;129-U型堆肥仓;130-触摸屏安装孔;
2-仿生翻抛模块;201-大链轮;202-中空搅拌轴;203-链条;204-小链轮;205-电机轴;206-电机安装座;207-电机;208-仿生扭簧定位螺栓组;209-搅拌轴安装轴承;210-仿生扭簧;212-扭簧安装孔;213-仿生搅拌爪趾;214-通孔;215-螺纹通孔;
3-曝气溶氧模块;301-导气端盖;302-导气管;303-风机出风口;304-风机;305-搅拌轴通气孔;306-曝气石;307-曝气石限位螺母;308-废气排气孔;
4-堆体恒温模块;401-加热板测温线;402-电加热板;
5-数据感知模块;501-氧浓度传感器;502-氧浓度传感器数据采集线;503-温度传感器数据采集线;504-温度传感器;
6-主控模块;601-电控柜;602-接线端子组;603-风机控制板;604-弱电供电电源组;605-电路保护器;606-电源总开关;607-强电通电显示灯;608-急停开关;609-主控模块旋钮开关;610-主控模块通电显示灯;611-上位机触摸屏;612-逻辑控制器(plc);613-电机控制器;614-微型计算机(树莓派);615-电加热板控制器。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明,但本发明的保护范围并不限于此。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“安装”、“连接”、“固定”等应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体的连接,可以是直接相连,也可以是通过中间媒介间接相连,还可以是两个元件内部的连通;术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等的使用是为了便于区分各名称相同的部件,因此不能理解为对本发明的限制;术语“前”、“后”、“左”、“右”的使用均是基于附图所示的描述,不是特指具体的方位,因此不能理解为对本发明的限制;对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明所述有机废弃物仿生发酵箱,包括机箱1以及安装机箱1中的仿生翻抛模块2、曝气溶氧模块3、堆体恒温模块4、数据感知模块5、主控模块6。
如图1、2、3、4、7、9所示,机箱1包括机架101、前侧箱板102、出料口103、前侧箱板锁104、进料门锁座105、进料口106、右侧箱板锁107、右侧箱板108、出料门锁扣109、进料门开合合页110、进料门111、进料门锁扣112、左侧箱板锁113、左侧箱板114、后侧箱板锁115、后侧箱板116、出料门117、出料门开合合页118、观察窗安装法兰119、观察窗除雾手柄120、观察窗玻璃121、除雾橡胶刷锁紧螺母122、除雾橡胶刷123、盖板124、底板125、定位柱126、定位柱安装孔127、电机风机安装台128、U型堆肥仓129和触摸屏安装孔130。
参照图1、2、3,机架101四周分别安装前侧箱板102、后侧箱板116、左侧箱板114、右侧箱板108,机架101顶部和底部分别安装盖板124和底板125;底板125每条边上均设置有两个定位柱安装孔127,电机风机安装台128固结在底板125上且靠近后侧。前侧箱板102上端安装两个前侧箱板锁104,下端安装两个定位柱126,定位柱126和对应的定位柱安装孔127过渡配合安装,配合前侧箱板锁104可以实现前侧箱板102的安装和拆卸;后侧箱板116、左侧箱板114、右侧箱板108的结构与前侧箱板102相同,安装和拆卸原理也相同;其中,所述前侧箱板锁104采用的是常规的锁扣结构,只要能够通过转动实现盖板124与前侧箱板102之间卡合与松开动作的即可,本实施例不再赘述其具体结构。
参照图1、9,盖板124通过螺栓连接方式扣装在机架101上,其顶部前端开有进料口106,其顶部后端开有触摸屏安装孔130,进料口106的一侧长边安装两个进料门开合合页110。参照图1、4,进料门111的外形尺寸和盖板124上的进料口106外形尺寸一致,且以其中心点位置开有圆形通孔,进料门111的一长边与进料门开合合页110的另一端固结,通过进料门开合合页110实现盖板124和进料门111的绞接,使得进料门111可以绕进料门开合合页110中轴进行转动,最终实现通过进料门111控制对进料口106的封闭和开放;进料门111的另一长边两端分别安装一个进料门锁扣112,在进料门111对进料口106封闭时,旋转进料门锁扣112使之分别与安装在盖板124上的对应的进料门锁座105扣紧或解扣,实现对进料门111的锁紧或解锁操作。参照图2、4,观察窗安装法兰119通过螺栓安装在进料门111的圆形通孔上,观察窗法兰119和进料门111上端面之间的夹层中,安装有观察窗玻璃121,且观察窗玻璃121和观察窗法兰119同轴套装完成;观察窗玻璃121中心开圆通孔,其安装有观察窗除雾手柄120,观察窗除雾手柄120的一端露在观察玻璃121朝外的一侧,另一端露在观察玻璃121朝内的一侧,露在观察窗玻璃121朝内一侧的观察窗除雾手柄120一端套装有除雾橡胶刷123,除雾橡胶刷123通过锁紧螺母锁紧。
参照图3、7、9,U型堆肥仓129通过螺栓安装在进料口106下端,U型堆肥仓129上端开口,且开口尺寸和进料口106的外形尺寸一致;U型堆肥仓129的前侧通过出料门开合合页118与出料门117的下端铰接安装,出料门117的上端安装出料门锁扣109,出料门锁扣109与安装在U型堆肥仓129外侧壁上的出料门锁座相配合,通过出料门锁扣109执行锁紧和解扣操作,可以实现U型堆肥仓129与出料门117之间的密封和解封;出料门117打开时有机废弃物物料可以从出料门117流出,实现出料。
如图2、4、6、10所示,仿生翻抛模块2包括大链轮201、中空搅拌轴202、链条203、小链轮204、电机轴205、电机安装座206、电机207、仿生扭簧定位螺栓组208、搅拌轴安装轴承209、仿生扭簧210、扭簧安装孔212、仿生搅拌爪趾213、通孔214、螺纹通孔215。
参照图2、9,电机207安装在电机安装座206上,电机安装座206固结在电机风机安装台128的左边,电机207的电机轴20的轴线和电机风机安装台128的长边平行,电机轴205上通过键套装小链轮204,小链轮204通过链条203和套装在中空搅拌轴202左端的大链轮201连接,形成动力传输组;中空搅拌轴202的轴线和电机207的轴线平行,中空搅拌轴202贯穿U型堆肥仓129,且中空搅拌轴202的轴线和U型堆肥仓129的圆弧部分的中轴线重合。参照图2、10,中空搅拌轴202上沿中轴线从左往右等距设有4个轴线水平的通孔214,同时,在4个轴线水平的通孔214之间等距设有3个轴线竖直的螺纹通孔215。参照图4、6、10,除大链轮201外,中空搅拌轴202从左往右还依次套装有和U型堆肥仓129左端外壁通过螺栓固结的搅拌轴安装轴承209、分别通过仿生扭簧定位螺栓组208轴向限位在四个通孔214中的四个仿生扭簧210、和U型堆肥仓129右端外壁通过螺栓固结的搅拌轴安装轴承209;其中,仿生扭簧定位螺栓组208和对应的通孔214套装后采用胶水进行密封;仿生扭簧210设有扭簧安装孔212用于和中空搅拌轴202套合,仿生扭簧210设有仿生搅拌爪趾213,用于搅拌物料,协助曝气溶氧模块3完成堆肥物料溶氧工作。
如图4、5、6、7、10所示,曝气溶氧模块3包括导气端盖301、导气管302、风机出风口303、风机304、搅拌轴通气孔305、曝气石306、曝气石限位螺母307和废气排气孔308。
参照图6、9、10,风机304固结在电机风机安装台128的右边,且风机304的风机出风口303的轴线和电机风机安装台128的长边平行;风机出风口303和导气管302的下端密封套合,导气管302的上端和导气端盖301的下端密封套合;导气端盖301由中等硬度的橡胶类材质制作而成,其上端与U型堆肥仓129右端外壁固结的搅拌轴安装轴承209通过螺栓链接密封压紧扣合,从而使得风机304排出的空气能够依次从下到上通过风机出风口303、导气管302、导气端盖301到达搅拌轴通气孔305;搅拌轴通气孔305和螺纹通孔215连通,螺纹通孔215的两端分别通过与两个曝气石306上的外螺纹配合安装,曝气石306因为其致密但是错综互通的特性,可以有效完成曝气工作,同时也能防止堆肥物料进入中空搅拌轴202的搅拌轴通气孔305内发生堵塞;在堆肥过程中产生的废气由废气排气孔308排出U型堆肥仓129。
如图5、7所示,堆体恒温模块4包括加热板测温线401、电加热板402,电加热板402分布在U型堆肥仓129的外侧便于粘贴之处,电加热板402的温度采集和反馈通过粘贴在U型堆肥仓129后侧的电加热板402附属的加热板测温线401完成。
如图5、7所示,数据感知模块5包括氧浓度传感器501、氧浓度传感器数据采集线502、温度传感器数据采集线503、温度传感器504。氧浓度传感器501安装在U型堆肥仓129前侧面板的上端,氧浓度传感器501带有敏感原件的一端伸入U型堆肥仓129的内侧,用于监测U型堆肥仓129内的氧气浓度,氧浓度传感器501带有氧浓度传感器数据采集线502,通过氧浓度传感器数据采集线502完成U型堆肥仓129内的氧气浓度数据的采集。温度传感器504安装在U型堆肥仓129后侧面板的下端,温度传感器504带有敏感原件的一端伸在U型堆肥仓129的内侧,用于监测U型堆肥仓129内堆肥物料堆肥过程中的温度变化,温度传感器504带有温度传感器数据采集线503,通过温度传感器数据采集线503完成U型堆肥仓129内的堆肥物料堆肥过程中的温度变化数据的采集。
如图8所示,主控模块6包括电控柜601、接线端子组602、风机控制板603、弱电供电电源组604、电路保护器605、电源总开关606、强电通电显示灯607、急停开关608、主控模块旋钮开关609、主控模块通电显示灯610、上位机触摸屏611、逻辑控制器(即plc)612、电机控制器613、微型计算机(即树莓派)614、电加热板控制器615。
参照图8、9,电控柜601一面敞开且放置在底板125的后侧,电控柜601内置的电气原件共罗列三排。其中,中间一排从左到右依次是弱电供电电源组604、电机控制器613、风机控制板603和微型计算机614。弱电供电电源组604实现对电控柜601内所有弱点电气原件的供电;电机控制器613实现对电机207的启停控制指令的接收、转换及下发;风机控制板603实现对风机304的启停控制指令的接收、转换及下发;微型计算机614一方面实现接收并处理氧浓度传感器501和温度传感器504通过相应数据采集线传来的电压信号,另一方面向逻辑控制器612传输控制风机304、电机207和电加热板402启停的控制逻辑电信号。
最下面一排从左到右依次是接线端子组602和电加热板控制器615;接线端子组602用于实现不同元器件之间的线路的串接;电加热板控制器615用于实现对电加热板402的启停控制指令的接收、转换及下发。
最上面一排从左到右依次是电源总开关606、电路保护器605、接线端子组602和逻辑控制器612;通过电源总开关606的开合可实现对外接标准电源的断开和接通;电路保护器605用于当电路过载时断开接通电源,实现对整个主控系统的保护;接线端子组602用于实现不同元器件之间的线路的串接;逻辑控制器612一方面用于接收微型计算机614传输的控制风机304、电机207和电加热板402启停的电信号,另一方面用于向风机控制板603、电机控制器613和电加热板控制器615分别传输风机304、电机207和电加热板402的启停控制指令电信号,从而实现对实验室用有机废弃物仿生堆肥箱的堆肥过程精准调控。
如图8所示,逻辑控制器612对电机207、风机304、电加热板402的开启和关闭实现精准节能调控,就是对有机废弃物发酵箱试验过程进行精准调控,其中,对风机304调控时,可依次将空气通过风机出口303、导气管302、导气端盖301、搅拌轴通气孔305和曝气石306传递至有机废弃物发酵堆体,实现对有机废弃物发酵堆体的氧气浓度的把控;结合对电机207的转速的调控,可依次将转动力矩通过电机轴205、小链轮204、链条203、大链轮201链接和中空搅拌轴202传递至仿生扭簧210,从而实现对有机废弃物发酵堆体的适当翻抛,提高氧气在有机废弃物发酵堆体中的溶解量,从而快速使U型堆肥仓129内的氧气浓度达到适合发酵微生物分解有机废弃物的氧气浓度;对电加热板402的调控可快速使有机废弃物发酵堆体的温度达到适合发酵微生物生存和扩殖的环境温度。
利用上述有机废弃物仿生发酵箱进行发酵过程监测调控的方法,包括如下过程:
步骤1:物料准备;将有机废弃物粉碎成特定尺寸并与其他堆肥调理剂和发酵菌剂混合,完成水分调节和碳氮比调制等预处理操作;然后将混合完成的有机废弃物由进料口106送入U型堆肥仓129内,保证有机废弃物的填充量约为U型堆肥仓129容积的70%-75%,此时出料门117为锁紧状态,随后锁紧进料门111,实现U型堆肥仓129的密封。
步骤2:数据监测和采集;接通电源,将主控模块旋钮开关609调制接通档位,主控模块实现通电,随后,氧浓度传感器501和温度传感器504开始对U型堆肥仓129内的氧气浓度和有机废弃物发酵堆体的温度进行实时监测,监测采样时间可以根据试验需求通过上位机触摸屏611设定,监测到的氧气浓度和温度数据通过数据采集线传输到微型计算机614以及上位机触摸屏611内,上位机触摸屏611用于实现对历史数据的记录和保存。
步骤3:数据预测;微型计算机614按照预先训练过的基于改进的长短期记忆人工神经网络的温度、氧浓度规划算法,通过神经网络的学习来制定精确的控制模型,精确预测出未来n时的U型堆肥仓129内适合发酵微生物分解有机废弃物的氧气浓度和温度,并将其与当前时刻的U型堆肥仓129内的氧气浓度和有机废弃物发酵堆体的温度数据进行差值比较,从而制定出对电机207、风机304、电加热板402的控制策略,据此下发控制指令到逻辑控制器612内;与此同时,上位机触摸屏611上实时显示历史预测数值曲线及历史采集数据曲线,方便相关人员查阅。
步骤4:精准调控;逻辑控制器612内设置有预先完成的比例、积分、微分系数参数设定的pid电机207调控程序、pid风机304调控程序和pid电加热板402调控程序,三组程序分别通过将相应的控制信号下发到电机控制器613、风机控制板603和电加热板控制器615内,通过实现对电机转速、风机转速和加热板输出功率的提前调整,从而使U型堆肥仓129内的氧气浓度和发酵堆体的温度稳定达到预测的氧气浓度和预设温度,以实现对电机207、风机304、电加热板402的开启和关闭的精准节能调控。
所述实施例为本发明的优选的实施方式,但本发明并不限于上述实施方式,在不背离本发明的实质内容的情况下,本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种有机废弃物仿生发酵箱,其特征在于,包括机箱(1)以及安装在机箱(1)中的仿生翻抛模块(2)、曝气溶氧模块(3)、堆体恒温模(4)、数据感知模块(5)、主控模块(6),主控模块(6)用于实现数据接收与分析以及综合管控;堆体恒温模块(4)、数据感知模块(5)均安装在机箱(1)内的U型堆肥仓(129)上,分别用于测量及调节U型堆肥仓(129)内温度、采集U型堆肥仓(129)内氧气浓度数据和温度数据;仿生翻抛模块(2)安装在U型堆肥仓(129)内,用于搅拌有机废弃物;曝气溶氧模块(3)与仿生翻抛模块(2)连通,用于将U型堆肥仓(129)中的废气通过仓体上开设的废气排气孔(308)排出;
所述机箱(1)包括由盖板(124)、底板(125)以及四块箱板拼装组成的机架(101),底板(125)四周均设置有定位柱安装孔(127),底板(125)上靠近后侧位置安装有电机风机安装台(128),箱板上部安装有箱板锁,箱板下端安装有与定位柱安装孔(127)配合的定位柱(126),箱板通过定位柱(126)以及箱板锁实现安装和拆卸;盖板(124)上开设有进料口(106)、触摸屏安装孔(130),进料口(106)处通过合页安装有进料门(111),进料门(111)上安装有进料门锁扣(112),进料门锁扣(112)与安装在盖板(124)上的进料门锁座(105)配合;进料门(111)上开设圆形通孔且安装有观察窗安装法兰(119),观察窗法兰(119)和进料门(111)上端面之间的夹层中安装有观察窗玻璃(121),观察窗玻璃(121)中心处安装观察窗除雾手柄(120);
所述U型堆肥仓(129)安装在进料口(106)下端,U型堆肥仓(129)上端开口,U型堆肥仓(129)前侧通过合页与出料门(117)下端铰接,出料门(117)上端安装出料门锁扣(109),出料门锁扣(109)与U型堆肥仓(129)外侧壁上的出料门锁座配合;
所述仿生翻抛模块(2)包括电机(207),电机(207)的电机轴(20)上安装小链轮(204),小链轮(204)通过链条(203)和中空搅拌轴(202)一端的大链轮(201)连接,中空搅拌轴(202)贯穿U型堆肥仓(129)且两端均通过轴承安装在U型堆肥仓(129)仓体上;中空搅拌轴(202)上沿中轴线等距设有多个轴线水平的通孔(214),通孔(214)之间等距设有多个轴线竖直的螺纹通孔(215),中空搅拌轴(202)上还安装有仿生扭簧(210),仿生扭簧(210)通过仿生扭簧定位螺栓组(208)轴向限位在相应通孔(214)中,仿生扭簧(210)设有用于搅拌U型堆肥仓(129)内的有机废弃物的仿生搅拌爪趾(213);中空搅拌轴(202)内部沿轴向开设有搅拌轴通气孔(305),螺纹通孔(215)两端均安装有曝气石(306),搅拌轴通气孔(305)与螺纹通孔(215)连通,曝气溶氧模块(3)与搅拌轴通气孔(305)连通,将U型堆肥仓(129)中的废气排出;
所述曝气溶氧模块(3)包括固结在电机风机安装台(128)上的风机(304),且风机出风口(303)轴线和电机风机安装台(128)长边平行,风机出风口(303)和导气管(302)下端密封套合,导气管(302)上端和导气端盖(301)下端密封套合,导气端盖(301)上端与中空搅拌轴(202)一端的轴承通过螺栓链接密封压紧扣合,导气管(302)与搅拌轴通气孔(305)连通;
所述堆体恒温模块(4)包括粘贴在U型堆肥仓(129)外侧的电加热板(402),电加热板(402)的温度采集和反馈通过粘贴在U型堆肥仓(129)后侧的电加热板(402)附属的加热板测温线(401)完成,加热板测温线(401)连接至主控模块(6);
所述数据感知模块(5)包括安装在U型堆肥仓(129)外壁的带有数据采集线的氧浓度传感器(501)、温度传感器(504),且氧浓度传感器(501)带有敏感原件的一端、温度传感器(504)带有敏感原件的一端均伸入至U型堆肥仓(129)内,数据采集线连接至主控模块(6);
所述主控模块(6)包括电控柜(601),电控柜(601)内置的电气原件包括弱电供电电源组(604)、电机控制器(613)、风机控制板(603)、微型计算机(614)、接线端子组(602)、电加热板控制器(615)、电源总开关(606)、电路保护器(605)、接线端子组(602)和逻辑控制器(612);主控模块(6)还包括强电通电显示灯(607)、急停开关(608)、主控模块旋钮开关(609)、主控模块通电显示灯(610)、上位机触摸屏(611)。
2.根据权利要求1所述的有机废弃物仿生发酵箱,其特征在于,所述电机(207)安装在电机安装座(206)上,电机安装座(206)固结在电机风机安装台(128)上,电机轴(20)的轴线和电机风机安装台(128)长边以及中空搅拌轴(202)轴线均平行,且中空搅拌轴(202)的轴线和U型堆肥仓(129)的圆弧部分的中轴线重合;仿生扭簧定位螺栓组(208)和通孔(214)之间采用胶水密封。
3.利用权利要求1所述有机废弃物仿生发酵箱的发酵过程精准监测调控方法,其特征在于,包括如下过程:
步骤1:将有机废弃物粉碎并与其他堆肥调理剂和发酵菌剂混合,将混合完成的有机废弃物由进料口(106)送入U型堆肥仓(129)内,此时出料门(117)为锁紧状态,随后锁紧进料门(111),密封U型堆肥仓(129);
步骤2:主控模块(6)通电,通过主控模块(6)的上位机触摸屏(611)设定监测采样时间,数据感知模块(5)对U型堆肥仓(129)内的氧气浓度和有机废弃物发酵堆体的温度进行实时监测,氧气浓度和温度数据传输到主控模块(6)的微型计算机(614)以及上位机触摸屏(611)内,上位机触摸屏(611)实现对历史数据的记录和保存;
步骤3:微型计算机(614)按照预先训练过的基于改进的长短期记忆人工神经网络的温度、氧浓度规划算法,通过神经网络的学习来制定精确的控制模型,精确预测出未来n时的U型堆肥仓(129)内适合发酵微生物分解有机废弃物的氧气浓度和温度,并将其与当前时刻监测到的氧气浓度和温度数据进行差值比较,制定出对电机(207)、风机(304)、堆体恒温模(4)的控制策略,据此下发预测数值到逻辑控制器(612)内;与此同时,上位机触摸屏(611)上实时显示历史预测数值曲线及历史采集数据曲线,供相关人员查阅;
步骤4:逻辑控制器(612)内设置有预先完成的比例、积分、微分系数参数设定的pid电机调控程序、pid风机调控程序和pid电加热板调控程序,三组程序分别通过将相应的预测数值下发到主控模块(6)中电机控制器(613)、风机控制板(603)和电加热板控制器(615)对应的设定值二进制输入处,实现对电机(207)转速、风机(304)转速和堆体恒温模(4)内加热部件输出功率的提前调整,使U型堆肥仓(129)内的氧气浓度和温度稳定达到预测的氧气浓度和预设温度值,以实现对发酵过程的精准节能调控。
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