富硒家禽飼料生產(chǎn)工藝自動(dòng)化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

■孫 蓓王 芳張志立

（1.北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林省吉林市 132021；2.遼寧省農(nóng)牧業(yè)機(jī)械研究所有限公司，遼寧沈陽 110036；3.上海置信電氣股份有限公司，上海 210000）

硒是人體所必需的微量元素，能夠提高人體的免疫能力，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗癌活性，如果人體缺硒就會(huì)造成多種疾病，其中最典型的疾病就是克山病、癌癥、眼疾、甲狀腺肥大、囊腫和高血壓，因此人的身體健康與否和硒有著直接或間接的關(guān)系，那么如何獲得硒就成為擺在人們面前的一個(gè)重要的問題，因?yàn)槭澄镏泻械奈厥艿乩碛绊懞艽?，土壤硒成分造成了各地區(qū)硒含量的極大差異，像湖南、青海、山東、四川就屬于富硒地區(qū)，但是也存在區(qū)域性，有的地區(qū)雖然含硒但是伴有鉛汞等有害物質(zhì)，不適合人體，那么如何才能讓人獲得硒元素呢？就要從富硒地區(qū)大力發(fā)展種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)，讓人們不僅從植物中獲取硒元素，同時(shí)也可以從動(dòng)物身上獲取，那么又如何讓動(dòng)物身上獲取硒元素呢？那么就是本文中提到的富硒家禽飼料的生產(chǎn)，因?yàn)楦晃仪蒿暳掀焚|(zhì)和質(zhì)量備受社會(huì)關(guān)注，生產(chǎn)實(shí)踐也證明，只有科學(xué)合理的飼料原料搭配才能得到營(yíng)養(yǎng)均衡、口感性更良好的飼料，才能讓家禽骨骼更好，產(chǎn)出的富硒蛋類更能滿足人體所需，肉質(zhì)口感更加光滑、潤(rùn)口。本文主要以富硒家禽飼料的生產(chǎn)工藝為例，講述整個(gè)生產(chǎn)過程中自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 富硒家禽飼料生產(chǎn)工藝流程

1.1 富硒家禽飼料生產(chǎn)過程

家禽飼料按性狀分為粉料、顆粒料、破碎料、塊狀料，根據(jù)家禽的生理特征，我們選用的家禽性狀為顆粒料，那么這種顆粒飼料是怎么生產(chǎn)出來的？從投料到成品經(jīng)過怎樣的生產(chǎn)環(huán)節(jié)？

富硒家禽生產(chǎn)過程總共包括五大系統(tǒng)：原料接收初清系統(tǒng)、粉碎系統(tǒng)、配料混合系統(tǒng)、制粒冷卻系統(tǒng)、分級(jí)打包系統(tǒng)。其中預(yù)混料和濃縮料不經(jīng)過制粒冷卻系統(tǒng)。詳細(xì)工藝流程如圖1所示，生產(chǎn)工藝觸摸屏如圖2所示。

圖1 富硒家禽飼料生產(chǎn)工藝

圖2 富硒家禽飼料生產(chǎn)工藝模擬屏

1.1.1 原料接收初清系統(tǒng)

原料通過人工投料口投料、筒倉(cāng)進(jìn)料等方式通過刮板機(jī)輸送和提升機(jī)提升，經(jīng)過初清篩的篩選和磁筒的磁選，需要粉碎料原料（如玉米）通過分配器進(jìn)入待粉碎倉(cāng)，不需要粉碎的粉料（如面粉）通過分配器進(jìn)入配料倉(cāng)中。

1.1.2 粉碎系統(tǒng)

粉碎是用機(jī)械的方法克服固體物料的內(nèi)聚力，從而使之破碎的一種操作方法。飼料廠普遍采用錘片式粉碎機(jī)進(jìn)行原料粉碎。

1.1.3 配料混合系統(tǒng)

各物料通過不同的處理（粉碎、膨化）進(jìn)入到相應(yīng)的配料倉(cāng)中，進(jìn)入配料混合系統(tǒng)。

1.1.4 制粒冷卻系統(tǒng)

混合好的物料，不需要制粒的粉料進(jìn)入到成品倉(cāng)中，直接打包入庫(kù)；需要制粒的顆粒料進(jìn)入待制粒倉(cāng)中，進(jìn)入到制粒冷卻系統(tǒng)中。制粒可分為冷制粒和熱制粒，區(qū)別在于是否使用蒸汽調(diào)質(zhì)。

1.1.5 分級(jí)打包系統(tǒng)

冷卻后或者破碎后的成品，通過提升機(jī)進(jìn)入到平面回轉(zhuǎn)分級(jí)篩中，完成三級(jí)分級(jí)，中間合格的成品進(jìn)入到成品倉(cāng)中，粉狀物重新進(jìn)入調(diào)制器進(jìn)行制粒，最上層的鍋巴料則通過溜管放出。但如果是破碎料，最上層的過粗的料則重新進(jìn)入破碎機(jī)進(jìn)行破碎[1]。

1.2 飼料廠的加工設(shè)備

1.2.1 加工車間

加工車間要具備配料秤、粉碎機(jī)、攪拌機(jī)、制粒機(jī)等設(shè)備，其中粉碎機(jī)有多種樣式，如果以粉碎谷物飼料為主，一般選擇錘片式粉碎機(jī)，我們現(xiàn)在使用的都是徑向進(jìn)料方式的錘片式粉碎機(jī)，物料從頂部經(jīng)過磁選器和導(dǎo)向板進(jìn)入粉碎室內(nèi)，通過錘片不斷的撞擊加速，在粉碎室內(nèi)形成一個(gè)環(huán)流層不斷摩擦，在離心力和負(fù)壓系統(tǒng)的作用下，通過篩片。錘片數(shù)目和厚度、物料特性（如水分）、轉(zhuǎn)子速度、錘片和篩網(wǎng)間距、負(fù)壓風(fēng)量、篩片包角等都會(huì)影響粉碎的效率。二次粉碎的時(shí)候采用輥式粉碎機(jī)。

1.2.2 檢驗(yàn)室

廠區(qū)必須具備相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備，主要有干燥裝置、高溫裝置、脂肪抽脂裝置、分析天平等，還有配備具有專業(yè)資格的分析化驗(yàn)員。

1.3 飼料原料

富硒家禽飼料主要的原材料有玉米、豌豆、菜籽粕、芝麻粕、骨粉、蠶蛹等外加一些輔料如各種維生素、飼料酵母、及其他微量元素添加劑等。

1.4 富硒家禽飼料的要求

富硒家禽飼料是為了讓家禽產(chǎn)出優(yōu)秀的蛋源并且保證其家禽本身要優(yōu)于散養(yǎng)家禽等，因此對(duì)其食用的飼料要求也十分嚴(yán)格，各種飼料的原料必須新鮮，品相組織形態(tài)都要符合要求，而且成品飼料的硒含量必須達(dá)到0.04～0.3 mg/kg的標(biāo)準(zhǔn)，純綠色無污染無公害。

2 生產(chǎn)工藝自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

我國(guó)飼料生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)有的自動(dòng)系統(tǒng)大多從小型企業(yè)的控制系統(tǒng)過渡而來，功能主要以半自動(dòng)控制為主，控制精度不高，控制設(shè)備也不齊全，對(duì)飼料生產(chǎn)過程的各種原材料的分析和生產(chǎn)工藝過程的監(jiān)控功能較弱，沒有比較完整的綜合性的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，使飼料生產(chǎn)企業(yè)的各種減排規(guī)劃缺少量化指標(biāo)，不符合科學(xué)發(fā)展觀的要求。

那么一款完善的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就顯得迫在眉睫，這種系統(tǒng)不僅可以幫助飼料生產(chǎn)企業(yè)搞好生產(chǎn)，同時(shí)也可以合理計(jì)劃使用設(shè)備，降低各種能源消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。

本文設(shè)計(jì)的富硒家禽飼料生產(chǎn)工藝自動(dòng)化控制系統(tǒng)集自動(dòng)化儀表、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)通訊等各項(xiàng)專業(yè)技術(shù)為一體，將水、電、燃?xì)?、煤（焦炭）、熱，油等各種能源、各種所需原材料數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集到上位機(jī)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了由計(jì)算機(jī)集中動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示，計(jì)量計(jì)費(fèi)報(bào)表，打印等功能，并且網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任何一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)通過授權(quán)后都可以查詢整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝過程情況和原材料、能源消耗情況，最大限度地提高飼料生產(chǎn)過程自動(dòng)化設(shè)備的利用率，從而達(dá)到全面自動(dòng)化的目的，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[3]。系統(tǒng)根據(jù)各種原料使用數(shù)據(jù)，依據(jù)不同的系統(tǒng)模型，給出優(yōu)化改進(jìn)建議，產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)督報(bào)告，原料的使用預(yù)測(cè)報(bào)告等，為生產(chǎn)過程提供量化依據(jù)。富硒家禽飼料自動(dòng)化管理系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 能源計(jì)量管理系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

2.2 飼料生產(chǎn)自動(dòng)化管理系統(tǒng)的功能

2.2.1 數(shù)據(jù)的采集功能

采用四種通信方式將現(xiàn)場(chǎng)RTU設(shè)備，485總線設(shè)備，OPC服務(wù)器，ZigBee和GPRS的無線傳感器及網(wǎng)關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)服務(wù)器中，解決自組網(wǎng)和斷網(wǎng)故障自恢復(fù)問題。利用PLC通信接口，將PLC采集的數(shù)據(jù)通過總線、工業(yè)以太網(wǎng)等上傳到服務(wù)器。通過DCS通信接口將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過以太網(wǎng)上傳到服務(wù)器。對(duì)于使用RS485總線的設(shè)備可以利用PLC，DCS或者網(wǎng)關(guān)，服務(wù)器等接收數(shù)據(jù)。對(duì)于OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)直接通過協(xié)議就可以得到。利用ZigBee協(xié)議將小范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集后，通過有線網(wǎng)或者GPRS將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器中。

2.2.2 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及安全

通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，web發(fā)布數(shù)據(jù)庫(kù)等將數(shù)據(jù)分類處理保存。包括數(shù)據(jù)安全策略，網(wǎng)絡(luò)安全策略，用戶系統(tǒng)安全策略等。主要采用將不同等的數(shù)據(jù)分類保管，設(shè)置訪問權(quán)限，登陸權(quán)限等限制用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問和使用。用戶可以使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器登陸，查看信息，并且有系統(tǒng)的操作記錄，便于事故追憶。網(wǎng)絡(luò)采用硬件網(wǎng)關(guān)、硬件防火墻、硬件網(wǎng)閘、關(guān)鍵設(shè)備冗余配置、定期查殺病毒等技術(shù)保證網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行穩(wěn)定。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理及發(fā)布

包括原料分析，原料監(jiān)控，原料數(shù)據(jù)計(jì)算及平衡數(shù)據(jù)分析，各種原料數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析報(bào)表，維護(hù)數(shù)據(jù)報(bào)表，與MIS、ERP、GIS系統(tǒng)信息交換，原料使用需求分析及預(yù)測(cè)，系統(tǒng)安全維護(hù)，計(jì)量設(shè)備運(yùn)行紀(jì)錄及維護(hù)信息，基于WEB數(shù)據(jù)查詢，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行等技術(shù)。

采用可視化編程技術(shù)，用三維界面顯示系統(tǒng)的工藝流程，通過定制、自制表格等將不同類別的數(shù)據(jù)信息匯總顯示，通過DDE交換等實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了運(yùn)行記錄，為操作過程和事故追憶提供依據(jù)。

2.2.4 能源消耗數(shù)據(jù)分析、預(yù)測(cè)及優(yōu)化

能源消耗分析及優(yōu)化的建模和實(shí)現(xiàn)，能源消費(fèi)行為的分析及預(yù)測(cè)的建模和實(shí)現(xiàn)，能源優(yōu)化分析的建模和實(shí)現(xiàn)。

建立系統(tǒng)關(guān)系模型，利用數(shù)據(jù)庫(kù)，采用選擇時(shí)間序列法、回歸分析法、多層回歸法等傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法，以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等新興的預(yù)測(cè)方法，完成對(duì)能源消耗、管理、消費(fèi)等行為的分析、量化管理。為節(jié)能改造提供量化和科學(xué)依據(jù)，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[4]。

3 飼料生產(chǎn)自動(dòng)化管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

富硒家禽飼料生產(chǎn)自動(dòng)化管理系統(tǒng)首先以注重實(shí)用和成效為原則，開發(fā)管理軟件時(shí)應(yīng)緊密結(jié)合實(shí)際需求，具有良好的擴(kuò)展性、可靠性、兼容性、安全性和應(yīng)用性。

3.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分組成，下位機(jī)采用德國(guó)西門子公司的PLC—S7-300，并配有以太網(wǎng)通訊接口，主要完成對(duì)各個(gè)信號(hào)的采集，上位機(jī)采用工控機(jī)作為系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，而且要裝有OPC服務(wù)器軟件SIMATIC.NET，用以把PLC采集上來的數(shù)據(jù)送到OPC服務(wù)器中，能源管理系統(tǒng)作為OPC客戶端從服務(wù)器中讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)上、下位機(jī)采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，所采用的組態(tài)軟件要完成數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析等功能。

3.2 組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)要求

良好的組態(tài)軟件可以使富硒家禽飼料生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)充分發(fā)揮其功能；監(jiān)測(cè)軟件在設(shè)計(jì)時(shí)除了滿足分析與監(jiān)測(cè)的功能外，還要具有操作簡(jiǎn)單方便、運(yùn)行可靠、實(shí)時(shí)性高等特點(diǎn)。整體軟件分為監(jiān)測(cè)部分和網(wǎng)絡(luò)部分，監(jiān)測(cè)部分的功能是完成數(shù)據(jù)分析、處理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并向各部分提供必要的信息等。基于KINGVIEW軟件平臺(tái)開發(fā)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，軟件結(jié)構(gòu)所示，主要由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、靜態(tài)分析模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)部分組成，分別運(yùn)行在數(shù)據(jù)采集站和監(jiān)測(cè)分析站上[5]。

作為整個(gè)系統(tǒng)的管理監(jiān)控核心，直接接收現(xiàn)場(chǎng)收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提供了如下功能。

監(jiān)控系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整理、發(fā)布功能，包括數(shù)據(jù)顯示畫面、實(shí)時(shí)（歷史）趨勢(shì)圖、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警記錄、報(bào)表處理、檢測(cè)點(diǎn)位置分布圖等功能。富硒家禽飼料生產(chǎn)過程組態(tài)界面如圖4所示，數(shù)據(jù)顯示畫面如圖5所示。

圖4 能源計(jì)量管理系統(tǒng)組態(tài)界面

圖5 能源計(jì)量管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)曲線組態(tài)界面

日志系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全防護(hù)功能，包括：系統(tǒng)日志和操作日志，可以分別記錄系統(tǒng)的運(yùn)行情況和用戶的使用操作情況。

通信及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、自組網(wǎng)功能，包括有線網(wǎng)通信協(xié)議，無線網(wǎng)協(xié)議，協(xié)議轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)等，可以將種類型號(hào)不同的檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集到系統(tǒng)中。整個(gè)廠區(qū)通訊效果圖如圖6所示。

圖6 廠區(qū)控制系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、防護(hù)、查詢、發(fā)布功能，包括：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理及發(fā)布、數(shù)據(jù)計(jì)算及平衡、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理、報(bào)警信息處理和數(shù)據(jù)服務(wù)請(qǐng)求處理、信息交換接口等，設(shè)備數(shù)據(jù)采集的雙向數(shù)據(jù)通信等功能，支持DDE技術(shù)，COIVYDCOM動(dòng)態(tài)圖形技術(shù)、可視化過程技術(shù)、OPC技術(shù)、ODBC、ActiveX控件，zigbee協(xié)議接入等。還包括系統(tǒng)的安全管理和用戶管理功能。

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的處理、管理優(yōu)化等功能，包括：能源消費(fèi)需求分析及預(yù)測(cè)、能源平衡分析，能源使用質(zhì)量的分析報(bào)告，能源使用優(yōu)化分析報(bào)告，管理優(yōu)化分析等。

能源消耗統(tǒng)計(jì)：系統(tǒng)還提供了對(duì)寵物飼料加工生產(chǎn)過程中能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析功能，向用戶提供客觀、可靠的能耗情況分析數(shù)據(jù)。對(duì)于能源消耗的分析，系統(tǒng)提供了兩大方面的統(tǒng)計(jì)信息——圖形信息（包括能源消耗柱狀圖、能源消耗餅狀圖和能源消耗趨勢(shì)圖），如圖7所示。

4 結(jié)論

富硒家禽飼料生產(chǎn)工藝自動(dòng)化管理系統(tǒng)屬于工廠生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，本文所建立的自動(dòng)化管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)富硒家禽飼料生產(chǎn)工藝過程的統(tǒng)一監(jiān)控，飼料原料數(shù)據(jù)的處理與分析，并且可以根據(jù)需要權(quán)限到車間級(jí)、工段級(jí)、設(shè)備級(jí)，應(yīng)用快捷，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)完善，精確，對(duì)企業(yè)的管理更加具有針對(duì)性。

圖7 能源計(jì)量管理系統(tǒng)能源消耗統(tǒng)計(jì)分析