摘 要： 為了解決污泥存儲輸送困難和自動化程度低的問題，同時從友好人機交互考慮，提出利用單片機控制滑架送料裝置，以實現自動破拱的目的；同時利用串口，使觸摸屏實時更新系統信息。料倉工作時，單片機能及時判斷污泥是否起拱并處理，并在觸摸屏上顯示料倉內物料的高度，為方便用戶使用還提供了自動與手動處理模式，污泥存儲輸送處理系統通過自動化處理，使料倉整體耗能減少且工作穩定，確保污泥能在不起拱的情況下被穩定輸送。
關鍵詞： 污泥處理；人機界面；破拱裝置；控制系統
隨著我國城市化進程的加快，城市污水污泥急劇增加。2012年底，廣東省各地級以上市城鎮生活污水處理廠污泥無害化處理處置率達到80％以上；到2015年，全省要達到100％。可見污泥處置的壓力將會不斷加重，如何合理存儲輸送污泥成為一個需要迫切解決的問題[1-2]。
污泥是污水處理后的產物，是一種由有機殘片、細菌菌體、膠體等組成的非均質體。污泥的主要特性是含水率高（可高達99%以上），有機物含量高，容易腐化發臭，并且顆粒較細，比重較小，呈膠狀液態。它是介于液體和固體之間的濃稠物，可以用泵運輸，但它極易在大量輸送時產生“起拱”現象。現今的物料輸送系統，由于料倉是封閉的，工作人員無法準確判斷污泥是否起拱，只能一直開啟破拱裝置與攪拌裝置，無法實現穩定節能輸送的目的。本文采用的基于人機界面（HMI）的污泥存儲輸送處理系統采用專門檢測起拱傳感器和實現破拱的物料輸送裝置，使大范圍的起拱現象得到解決，并且采用觸摸屏通信，使工作人員能及時了解料倉的內部情況[3]。
1 系統總體設計
如圖1所示，總體系統包括料倉體處理、傳感器檢測、觸摸屏顯示和單片機控制幾部分。料倉體處理部分包含對污泥的機械處理部分，主要是驅動滑架送料裝置的液壓油泵和驅動螺旋輸送機的變頻電機等；傳感器檢測部分選擇超聲波傳感器作為料位檢測傳感器和出料口檢測傳感器，并選擇霍爾傳感器作為破拱裝置的極限檢測傳感器；觸摸屏顯示部分主要為實現用戶與系統的信息交互；單片機控制部分負責所有傳感器的檢測處理以及與觸摸屏的串口通信，并根據用戶的要求控制料倉體處理污泥。
2 硬件框架
2.1 料倉體處理部分的設計
硬件設計包含料倉體、滑架送料裝置和螺旋輸送機等。料倉體為圓柱形平底，可提高料倉的強度及降低料倉高度，結構示意圖如圖2所示。根據當前污泥料倉存在的問題及污泥特點對料倉進行優化設計，優化部分主要如下：(1)滑架由原先的滑動摩擦改為滾動摩擦。原先裝置的滑架為直接設置在料倉的導軌上，優化后的滑架送料裝置包括滑架、導軌、液壓動力組件、滾輪、滾輪罩、填料套及密封件，在滑架下方設置滾輪，使滑架由原先的滑動變為滾動，大大減小滑架所受到的摩擦力及驅動滑架的液壓。同時在滾輪四周設置有密封罩，滾輪罩滑動時會將導軌上的污泥清掃干凈，使得滾輪滾過的導軌為干凈光滑的導軌，減小滾輪的摩擦力。在滾輪上采用動密封，可有效防止污泥及粉塵進入滾動副中，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污泥等高粘度物料粘結在螺旋葉片上的問題[4]。
2.2 傳感器的選擇
2.2.1 超聲波傳感器
本系統采用超聲波模塊HC-SR04作為物料高度傳感器以及出料口傳感器。系統設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。考慮到環境溫度對超聲波傳播速度的影響，通過溫度補償的方法對傳播速度予以校正，以提高測量精度。
圖3為超聲波接收電路圖，超聲傳感器的發射部分由單片機與硬件同時完成，38 kHz發射波形可由NE555產生，然后由單片機調制成脈沖串(持續0.3 ms，間隔1 s)[5]。
2.2.2 霍爾傳感器
本系統采用霍爾傳感器作為滑架送料裝置左右極限的檢測，為了實現滑架送料裝置的自動化控制，需要傳感器確定滑架來回的極限位置，同時由于料倉內環境惡劣，需要傳感器保證一定的防腐蝕能力。綜合上述考慮，采用工業無壓型霍爾傳感器1pcs來增強檢測的范圍和可靠性，圖4所示為霍爾傳感器的安裝位置。
2.2.3 繼電器模塊
在整個系統控制中，當破拱時，需要啟動滑架送料裝置，即需要控制外部液壓油泵隨之動作。在本系統中，通過繼電器來控制油泵的前向出油與反向出油。由單片機和繼電器控制油泵的前向進油和反向退油，從而實現控制滑架送料裝置的前進和后退。
3 控制系統設計
整體控制系統以單片機STM8S208CB控制器作為核心，主要是對觸摸屏軟件和控制器軟件進行設計。觸摸屏軟件設計以動畫效果制作和與單片機之間的通信為主。控制器軟件的設計主要以自動模式的設計和手動模式的設計為主。兩者之間通過RS232串口進行通信，規定兩者間的通信協議，即可使兩者實現有效的通信。
3.1 觸摸屏軟件設計
人機交互（Human Machine Interface）采用迪文觸摸屏DMG80600K080_01W。通過控制迪文觸摸屏串口命令，使圖片來回切換以實現頁面動畫效果。當按下不同的按鍵時，迪文觸摸屏通過串口發送一段軟件設定的命令給控制器。同時它也隨時接收來自控制器的命令，并將其經過軟件處理后，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 動畫效果的實現
為了實現較好的人機交互，當物料高度發生變化時，在觸摸屏上，料倉內部以顏色的變化提示用戶污泥的高度變化。首先，以原始的界面復制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%，并從底部開始，將料倉高度的20%以深顏色涂黑，以此類推，分別命名為40%、60%、80%和100%，料倉高度顏色的涂黑程度也以此類推。當檢測到物料高度為0時，顯示0%的界面，檢測到物料高度為0～20%時，顯示20%界面，以此類推。當污泥高度發生變化時，界面快速變化，通過人眼的視覺效應，使人眼產生動畫的效果[6]。
3.1.2 觸摸屏界面設計
為了滿足系統設計的要求，觸摸屏上界面分為開始界面和工作界面。開始界面為介紹系統信息部分，上面包括料倉3D圖形以及系統名稱，同時包括有一個進入工作界面的按鈕。
工作界面如圖5所示，內含4個按鈕(分別為自動模式按鈕、手動模式按鈕、油泵前進按鈕和油泵后退按鈕)以及一個對話框和一個返回開始界面按鈕。按下不同的按鈕，觸摸屏都會通過串口發送相應的命令串給單片機，由單片機返回的命令串決定觸摸屏不同的顯示效果。在對話框中則會顯示一些系統運行的信息提示，如當下的模式、物料的高度等。
3.2 控制器軟件設計
控制器采用STM8S208CB作為系統的核心，控制器不僅負責外部傳感器的數據檢測以及數據的綜合處理，還負責將數據傳遞給觸摸屏，以實現觸摸屏頁面信息的實時更新，同時隨時接收觸摸屏的命令。在軟件中還加入了看門狗，當出現單片機死機時，復位單片機，并且關閉所有的外部可控設備，降低出現故障的可能性。
3.2.1 污泥自動模式
當按下自動按鈕進入自動處理污泥模式時，在對話框中顯示現在正處于自動模式。此時開啟螺旋輸送機，不停地將污泥攪拌后，輸送出去。計算出料口傳感器到料倉輸出口之間的距離，通過軟件設置，當該距離在系統設定距離范圍之內時，判定為污泥正在被輸送，即料倉內部沒有出現起拱現象。料位傳感器在選擇自動模式后，就會不停地測量物料的高度，同時將物料的高度實時顯示在對話框中，并根據測量的料高顯示動畫效果。
當污泥正處于起拱狀態時，滑架送料裝置開始工作，即油泵驅動的刮板開始前后動作。當滑架送料裝置剛開始運行時，默認先使刮板前進，同時使油泵前進按鈕呈現凹進效果，油泵后退按鈕呈現突起效果，當其到達前進極限，使油泵前進按鈕突起，油泵后退按鈕凹進，直到后退到達后退極限時，對應的按鈕效果再反轉。一旦出料口超聲波傳感器檢測到有物料從輸送口送出時，則關閉滑架送料裝置，并使油泵前進按鈕和油泵后退按鈕都突起，以節約電能。
3.2.2 軟件流程圖
系統軟件流程圖如圖6所示。
4 試驗效果
在電源輸入端安裝三相電能表，分別在1個月內抽取7天進行實驗。在進行實驗時，由提升機不斷地對料倉進行污泥加料，在出料口使用固定的容器存儲料倉處理后的污泥，以便計算處理的污泥體積，在測量完成后，計算出當天的電能消耗與每小時消耗功率。由表2實驗數據可知，本系統設計的污泥存儲料倉的每小時消耗功率為3.33 kW，而同等規格污泥料倉處理相同體積污泥，由于需要不停地破拱與攪拌，每小時消耗的功率為4.5 kW～5.5 kW，由上可知本系統的污泥存儲輸送料倉具有節能的效果。
通過對污泥料倉的優化設計，使污泥能得到有效的存儲和輸送。由于對污泥起拱的自動化判斷，使污泥在儲存輸送時的效率大大提高，相應地使消耗的能源大大減少。由于觸摸屏的使用，使系統與用戶之間的人機交互友好性得以提高。隨著社會的快速發展，污泥的處理壓力正在慢慢加大，相信通過不懈的努力，會使社會變得更加清潔與舒適。
參考文獻
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