飼料廠中央控制系統(tǒng)的研究與虛擬系統(tǒng)的構(gòu)建

裴朝東

飼料廠中央控制室在飼料生產(chǎn)流程中處于核心控制地位，在生產(chǎn)過(guò)程擔(dān)負(fù)著對(duì)各主要設(shè)備運(yùn)行的監(jiān)控任務(wù)，是確保各系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證飼料品質(zhì)、提高飼料生產(chǎn)安全性的重要途徑之一。通過(guò)構(gòu)建并應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，分析生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的控制薄弱環(huán)節(jié)，同時(shí)提高從業(yè)人員的職業(yè)能力和職業(yè)素質(zhì)，是有效執(zhí)行飼料產(chǎn)品品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、保證飼料生產(chǎn)安全的重要途徑。

1 基于Labview的ZK21H配料生產(chǎn)線虛擬自控系統(tǒng)的構(gòu)建

基于Labview的ZK21H配料生產(chǎn)線自控系統(tǒng)虛擬模型，主要根據(jù)ZK21H配料生產(chǎn)線自控系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)，在Labview虛擬模型工作界面上，生成ZK21H配料生產(chǎn)線自控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工藝流程控制設(shè)計(jì)、配料配方管理設(shè)計(jì)等三個(gè)部分，其中配料配方管理設(shè)計(jì)可以應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行，本文不作深入論述。

1.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ZK21H飼料廠中央控制室虛擬系統(tǒng)中電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是利用Labview軟件，對(duì)飼料廠中央控制室、飼料廠生產(chǎn)過(guò)程控制中的強(qiáng)電、弱電控制、傳感器信號(hào)控制等過(guò)程進(jìn)行控制設(shè)計(jì)。

1.1.1 配電控制虛擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ZK21H配料生產(chǎn)線自控系統(tǒng)中的配電控制，主要包括對(duì)MCC1-MCC4四個(gè)MCC柜（Main Control Console）的控制。四個(gè)MCC柜的功能及組成分別是：

①M(fèi)CC1用來(lái)控制原料混合前各工段各設(shè)備的供電及配電管理，同時(shí)對(duì)MCC3柜進(jìn)行供電；②MCC2用來(lái)控制原料配料、混合等工段各設(shè)備的供電；③MCC3用來(lái)控制粉碎系統(tǒng)包括粉碎機(jī)及與之相配套的喂料器等；④MCC4用來(lái)控制制粒系統(tǒng)、冷卻吸風(fēng)系統(tǒng)等。其控制設(shè)備分別為混合機(jī)喂料器、調(diào)質(zhì)器、制粒機(jī)、冷卻吸風(fēng)系統(tǒng)（風(fēng)機(jī)、沙克龍等）。

圖1、圖2所示為飼料廠中央控制室的MCC3柜,該控制柜的功能主要用來(lái)控制兩組粉碎機(jī)的正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制。圖中每組粉碎機(jī)分別由一個(gè)斷路器、四個(gè)交流接觸器及相應(yīng)的開關(guān)控制系統(tǒng)組成。其中粉碎系統(tǒng)的工作過(guò)程為：

圖1 粉碎機(jī)控制配件

①將粉碎機(jī)轉(zhuǎn)向選擇按鈕12、13置于正轉(zhuǎn)狀態(tài)；②按下MCC3柜上的1號(hào)粉碎機(jī)的啟動(dòng)按鈕4，狀態(tài)指示燈亮；③按下1號(hào)粉碎機(jī)喂料器電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)按鈕8，按鈕指示燈亮，喂料器工作,粉碎機(jī)閘門開關(guān)打開；④通過(guò)調(diào)面板上的調(diào)速器14、15，讓粉碎機(jī)喂料器電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在600 r/min左右（經(jīng)調(diào)速器變速，螺旋喂料器此時(shí)轉(zhuǎn)速在40～50 r/min左右），此時(shí)粉碎機(jī)工作電流約在100 A左右(該電流要視不同粉碎對(duì)象而有所改變)，讓粉碎機(jī)有最大工作功率；⑤按下粉碎機(jī)停止按鈕5、7，粉碎機(jī)停止工作，相應(yīng)工作指示燈亮。

圖2 MCC3柜配置

根據(jù)以上粉碎系統(tǒng)工作控制過(guò)程，利用Labview軟件進(jìn)行如下的虛擬控制過(guò)程設(shè)計(jì)。

ZK21H飼料廠自動(dòng)生產(chǎn)線自控系統(tǒng)中的粉碎子系統(tǒng)及虛擬系統(tǒng)后臺(tái)控制程序見(jiàn)圖3、圖4。圖3所示為系統(tǒng)處于1號(hào)粉碎機(jī)正常工作狀態(tài)下（其中粉碎機(jī)電流約為100 A，粉碎機(jī)喂料器電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約為600 r/min左右）。為了讓虛擬系統(tǒng)更加接近真實(shí)場(chǎng)景,系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí),采用了隨機(jī)函數(shù)的方式,讓指針在一定幅度內(nèi)擺動(dòng),真實(shí)模擬了粉碎機(jī)在工作時(shí)電流的微小變化過(guò)程。

圖3 1號(hào)粉碎機(jī)處于正常工作狀態(tài)中

圖4 MCC3柜粉碎機(jī)啟?？刂七^(guò)程

對(duì)該系統(tǒng)的啟動(dòng)控制設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用labview軟件進(jìn)行面板設(shè)計(jì)及后臺(tái)控制設(shè)計(jì)。MCC3柜控制柜的虛擬實(shí)驗(yàn)室控制面板見(jiàn)圖5。

1.1.2 弱電控制及傳感器虛擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ZK21H自控系統(tǒng)的弱電及信號(hào)控制，主要包括對(duì)料位器、電子秤等傳感器使用的控制。

在飼料廠自動(dòng)控制系統(tǒng)中，為了保證生產(chǎn)的連續(xù)性和主要設(shè)備負(fù)荷持續(xù)穩(wěn)定，一般都設(shè)有原料倉(cāng)、待粉碎倉(cāng)、待制粒倉(cāng)、成品打包倉(cāng)等用于存放原料、半成品和成品。在飼料廠控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)傳感器一般包括料位器、行程開關(guān)、防堵開關(guān)、測(cè)速開關(guān)、跑偏開關(guān)、稱重傳感器等。下面以料位器控制的虛擬設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖5 MCC3虛擬控制柜

在飼料廠中控室中，為了清楚地了解各倉(cāng)中物料的存放量情況，每個(gè)料倉(cāng)均設(shè)置有上、下兩個(gè)料位器，并通過(guò)導(dǎo)線將料倉(cāng)中的料位器工作狀態(tài)通過(guò)中控室中控面板上的指示燈顯示出來(lái)。

下面以ZK21H系統(tǒng)中的原料提升、初清、上料至F1、F2、F3等三個(gè)待粉碎倉(cāng)的工作過(guò)程為例，進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)。

圖6 ZK21H系統(tǒng)的原料上料、初清工段流程

圖6為ZK21H系統(tǒng)的原料上料、初清工段。在對(duì)原料進(jìn)行粉碎前，需要將玉米等原料提升至待粉碎倉(cāng)F1～F3三個(gè)倉(cāng)中，根據(jù)不同的工序要求，通過(guò)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)FP1分配器，可將原料放置在分配倉(cāng)F1～F3中，工作過(guò)程如下：

打開脈沖吸塵器（101）→將分配器FP1轉(zhuǎn)至F1倉(cāng)→打開初清篩（104）→打開提升機(jī)（103）→打開輸送機(jī)（102）→將原料提升至F1料倉(cāng)中。F1料倉(cāng)中原料加至滿時(shí)，上料位器燈亮，可將FP1分配器轉(zhuǎn)至F2、F3料倉(cāng)中，分別給F2、F3倉(cāng)上料（其過(guò)程與F1倉(cāng)上料過(guò)程相同），也可將FP1分配器開關(guān)轉(zhuǎn)至“關(guān)”的位置，停止上料。此上料工段的虛擬設(shè)計(jì)程序如圖7所示。

圖7 上料工段的虛擬程序設(shè)計(jì)

F1～F3倉(cāng)下料虛擬控制過(guò)程程序設(shè)計(jì)見(jiàn)圖8。

圖8 下料位器虛擬控制過(guò)程

1.2 工藝流程控制設(shè)計(jì)

利用Labview控制系統(tǒng)進(jìn)行ZK21H配料生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)的工藝流程虛擬設(shè)計(jì)控制，是飼料廠中央控制室虛擬實(shí)驗(yàn)室的核心，也是應(yīng)用Labview軟件進(jìn)行工藝流程控制設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

從圖1中可以看出，飼料廠工藝流程控制，主要包括原料輸送、配料、混合、打包等過(guò)程環(huán)節(jié)，對(duì)以上過(guò)程的控制設(shè)計(jì)，主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，一是按工藝流程圖，按比例與圖樣要求，設(shè)計(jì)出控制面板；二是按控制過(guò)程要求，設(shè)計(jì)出所要求的工藝順序。

在飼料廠自動(dòng)控制過(guò)程中，最重要的是混合配料工段的控制，混合配料工段關(guān)系著整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性。下面以自動(dòng)控制過(guò)程中的混合配料工序?yàn)榛A(chǔ)，進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)。

本次配方，以“桂樂(lè)胖111Z”配方為依據(jù)進(jìn)行自動(dòng)控制虛擬控制設(shè)計(jì)，其配方見(jiàn)表1。

表1 桂樂(lè)胖111Z配方

ZK21H配料生產(chǎn)線自控系統(tǒng)具有雙秤同時(shí)配料、動(dòng)態(tài)控制精度、配料周期與混合周期相互關(guān)聯(lián)等特點(diǎn)。其對(duì)混合配料過(guò)程的監(jiān)控，可同時(shí)由計(jì)算機(jī)和中控面板進(jìn)行。

系統(tǒng)采用雙秤同時(shí)下料的方式。配料結(jié)束后，各種原料經(jīng)輸送攪龍輸送到混合機(jī)中進(jìn)行混合?；旌蠙C(jī)的混合周期為240 s。

根據(jù)ZK21H配料生產(chǎn)線自控系統(tǒng)的控制特點(diǎn)，結(jié)合labview軟件的特點(diǎn)，本文分別設(shè)計(jì)了計(jì)算監(jiān)控系統(tǒng)與虛擬模擬中控室操作面板（中控面板）兩部分，作為飼料廠中央控制室虛擬實(shí)驗(yàn)室的核心內(nèi)容。

1.2.1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控虛擬子系統(tǒng)

圖9為虛擬實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)監(jiān)控畫面，中控室操作工利用該畫面，可以直觀地看到當(dāng)前配方信息、各原料稱重、配料過(guò)程及誤差情況。圖10為該監(jiān)控系統(tǒng)的后臺(tái)控制程序。本項(xiàng)目在進(jìn)行該部分內(nèi)容的虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，按照表1所示的“桂樂(lè)胖111Z”配方所反映的原料配比情況，按比例設(shè)定各倉(cāng)的下料時(shí)間，并根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際要求，設(shè)定各秤的配料（下料）順序?yàn)椋?/p>

圖9 虛擬實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)監(jiān)控畫面

大秤：3號(hào)倉(cāng)（高蛋白豆粕）→5號(hào)倉(cāng)（玉米）→2號(hào)倉(cāng)（回機(jī)料）；小秤：13號(hào)倉(cāng)（統(tǒng)糠）→15號(hào)倉(cāng)（磷酸氫鈣）→16號(hào)倉(cāng)（沸石粉）→18號(hào)倉(cāng)（石粉）。

圖10 虛擬監(jiān)控畫面后臺(tái)程序

1.2.2 混合配料虛擬子系統(tǒng)

虛擬系統(tǒng)中的中控室操作及控制面板，嚴(yán)格按照Z(yǔ)K21H中控室要求進(jìn)行設(shè)置，各工段、工序及各設(shè)備代碼、位置均按ZK21H配料生產(chǎn)線自控系統(tǒng)的中控室操作面板設(shè)定。

為了保證配料精度，配料系統(tǒng)的控制過(guò)程，主要包括雙秤同時(shí)下料、大小秤逐倉(cāng)順序下料?；旌舷到y(tǒng)的控制過(guò)程如下：

混合過(guò)程受調(diào)質(zhì)器喂料攪龍（223）、調(diào)質(zhì)器（224）、混合機(jī)（227）、半成品提升機(jī)（228）、分配器（FP5）等的相互控制，分別完成原料混合、半成品輸送、半成品提升到Z1料倉(cāng)等功能。其后臺(tái)控制程序見(jiàn)圖11。

2 測(cè)試結(jié)果與誤差分析

2.1 測(cè)試結(jié)果

以ZK21H為原型的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，如按以下生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

圖11 中控室后臺(tái)控制程序（混合配料工段）

①生產(chǎn)配方號(hào)為：桂樂(lè)胖111z號(hào)（批次混合量為2 t）；②單組混合機(jī)生產(chǎn)；③配料周期為240 s、混合周期為240 s；④其他各項(xiàng)參數(shù)與ZK21H系統(tǒng)相同。

則各系統(tǒng)的運(yùn)行測(cè)試結(jié)果如下：

①粉碎機(jī)及調(diào)速器控制系統(tǒng)虛擬運(yùn)行結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)操作要求，第一組粉碎機(jī)所使用的喂料器電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至600 r/min左右，此時(shí)，粉碎機(jī)工作電流在100 A左右，中控面板上111（喂料器工作狀態(tài)指示燈）、112（粉碎機(jī)工作狀態(tài)指示燈）打開，顯示為系統(tǒng)運(yùn)行正常(見(jiàn)圖12)。

圖12 粉碎機(jī)工作狀態(tài)

②原料提升系統(tǒng)的運(yùn)行測(cè)試

系統(tǒng)根據(jù)飼料生產(chǎn)工藝流程，在原料提升、半成品提升、成品提升等系統(tǒng)中，都應(yīng)用了提升機(jī)，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，嚴(yán)格按照系統(tǒng)原型要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖13。

圖13可見(jiàn)，在開啟111、112所示的第一組粉碎機(jī)系統(tǒng)工作后，圖中原料提升機(jī)（103）、（117）、初清篩（104）、分配器（FP1）、原料倉(cāng)（F1）、半成品提升機(jī)（228）等開始工作，工作狀態(tài)指示燈運(yùn)行正常。

圖13 提升機(jī)工作狀態(tài)

③混合配料系統(tǒng)工作狀態(tài)

如圖13所示，根據(jù)桂樂(lè)胖111z生產(chǎn)配方，圖中混合配料系統(tǒng)工作正常，配料倉(cāng)正在按原定設(shè)定下料順序下料，圖中所示為第5倉(cāng)（玉米）正在下料，大小兩個(gè)配料秤（221、222）正在進(jìn)行配料，其中小秤（222）已完成下料，混合機(jī)喂料攪龍（223）、調(diào)質(zhì)器（224）、混合機(jī)（227）工作正常。

④制粒系統(tǒng)、冷卻吸風(fēng)系統(tǒng)工作狀態(tài)

圖14 制粒系統(tǒng)、冷卻吸風(fēng)系統(tǒng)工作狀態(tài)

如圖14所示為制粒系統(tǒng)、冷卻吸風(fēng)系統(tǒng)工作狀態(tài)圖，如圖所示，喂料攪龍（309）、調(diào)質(zhì)器（310）、制粒機(jī)（311）工作狀態(tài)正常；沙克龍關(guān)風(fēng)器（302）、風(fēng)機(jī)（301）、冷卻塔（316）等工作狀態(tài)正常，冷卻塔處于自動(dòng)控制工作狀態(tài)。

⑤計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)流程工作狀態(tài)

如圖15所示的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)流程圖工作狀態(tài)，嚴(yán)格按照遼大飼料集團(tuán)所采用的桂樂(lè)胖111Z配方進(jìn)行控制，混合周期為240 s，配料順序嚴(yán)格按照原設(shè)定程序，圖中所示為大秤3號(hào)倉(cāng)（高蛋白豆粕）正在下料、小秤則顯示為15號(hào)倉(cāng)（磷酸氫鈣）正在下料。圖示為各系統(tǒng)工作正常。

圖15 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)流程

2.2 誤差分析

在飼料廠實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，系統(tǒng)操作過(guò)程中其誤差的來(lái)源主要包括以下幾個(gè)方面：

①由配料倉(cāng)倉(cāng)門開關(guān)門時(shí)所引起的下料誤差，該誤差主要是由于配料倉(cāng)開關(guān)門不及時(shí)、開關(guān)門帶料、開關(guān)門不嚴(yán)所導(dǎo)致的漏料、帶料等引起；②由配料秤本身靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精度引起的誤差。③由空中料柱的長(zhǎng)度引起的誤差；④由物料本身的物理特性引起的誤差；⑤由環(huán)境因素引起的誤差。

在實(shí)際操作中，這些誤差可以根據(jù)不同的誤差類型和形成原因，通過(guò)采取不同的方式消除，例如，通過(guò)采用變頻電機(jī)、星－三角形降壓?jiǎn)?dòng)等方式減少下料過(guò)程中物料對(duì)電子秤的沖擊；減少空中料柱對(duì)電子秤精度的影響等。

本項(xiàng)目在進(jìn)行虛擬運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的模擬誤差主要在以下幾個(gè)方面：

①在如圖15所示的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)流程圖中，在每一批次物料進(jìn)行配料混合后，其7種原料的配料誤差均表現(xiàn)為負(fù)數(shù)，主要原因在進(jìn)行系統(tǒng)循環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，是以時(shí)間對(duì)原料的下料過(guò)程進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，以配料周期為基準(zhǔn)對(duì)各種原料的稱量過(guò)程進(jìn)行定比例設(shè)定（而在真實(shí)環(huán)境中，是以電子配料秤對(duì)原料的稱重重量為依據(jù)的），設(shè)定的循環(huán)計(jì)算時(shí)間均為小于240 s。

誤差的消除與利用：對(duì)于以上誤差的消除方法，要達(dá)到模擬真實(shí)生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種原料在配料過(guò)程中的正負(fù)隨機(jī)誤差，可將各種原料的下料時(shí)間設(shè)定為小于等于該種原料的時(shí)間上限即可。另一方面，也可以利用這種方法，虛擬出由電子秤自身原因所引起的全部正負(fù)誤差情況。

②監(jiān)控電流表所顯示的誤差情況。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中所設(shè)定的相關(guān)電流表所指示的電流值會(huì)有所變動(dòng)（具體表現(xiàn)為指針會(huì)在一定幅度內(nèi)來(lái)回?cái)[動(dòng)），這種誤差情況是系統(tǒng)在設(shè)定時(shí)特別設(shè)計(jì)的，是為了顯示電機(jī)在一定動(dòng)態(tài)負(fù)荷的運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)設(shè)定后臺(tái)的隨機(jī)函數(shù)倍數(shù)大小和幅度來(lái)改變其擺動(dòng)的幅度大小。同時(shí)，也可以根據(jù)要求利用該誤差情況來(lái)設(shè)定電機(jī)的工作故障情況。

③料位器的顯示誤差。

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)料倉(cāng)內(nèi)上下料過(guò)程中，主要通過(guò)時(shí)間比例來(lái)設(shè)定物料的上下料過(guò)程，設(shè)定料倉(cāng)是否為“冒倉(cāng)”、是否為“空倉(cāng)”待料情況。系統(tǒng)在設(shè)定上下料時(shí)間時(shí)，為了減少運(yùn)行時(shí)間，各種料倉(cāng)統(tǒng)一設(shè)定為5～8 s上下料時(shí)間，而沒(méi)有根據(jù)物料輸送設(shè)備的功率大小、運(yùn)行速度等因素。這種誤差的消除，可以通過(guò)計(jì)算不同料倉(cāng)所要求的原料輸送設(shè)備所使用的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算，從而得出更精確的上下料時(shí)間；也可以將上下料料位器的設(shè)定，改為用labview的液體罐體進(jìn)行設(shè)計(jì)。

④系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)有部分指示燈有不停的閃爍情況出現(xiàn)，這是系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)為了達(dá)到真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)效果而設(shè)計(jì)的，其閃爍的頻率是可以通過(guò)改變后臺(tái)設(shè)計(jì)所使用的隨機(jī)函數(shù)大小倍數(shù)而改變，可以通過(guò)設(shè)定其是否閃爍而進(jìn)行的相關(guān)故障設(shè)定的一種設(shè)計(jì)。

測(cè)試結(jié)果表明，飼料廠中央控制虛擬系統(tǒng)是符合真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境與生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求的，其誤差的產(chǎn)生與真實(shí)生產(chǎn)控制過(guò)程中的誤差是相一致的，且誤差是可以消除的。同時(shí)，利用這些誤差，可以模擬出真實(shí)生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的故障，有利于對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)一步分析和研究。

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