寵物飼料生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

■孫 蓓白 巖王 芳

(1.北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林省吉林市132021；2.北華大學(xué)工程訓(xùn)練中心，吉林省吉林市132021；3.遼寧省農(nóng)牧業(yè)機(jī)械研究所有限公司，遼寧沈陽110036）

在美國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，飼料工業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)完整的工業(yè)控制體系，已成為與電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)等工業(yè)并駕齊驅(qū)的重要產(chǎn)業(yè)，據(jù)統(tǒng)計(jì)世界配合飼料產(chǎn)量高達(dá)7億噸，產(chǎn)值700億美元，其中美國(guó)占1.2億噸、西歐占1.3億噸、前蘇聯(lián)占1億噸，中國(guó)約1億噸，自80年代以來，發(fā)達(dá)國(guó)家的飼料產(chǎn)量基本是穩(wěn)步上升的，并且工業(yè)歷史超過100年，而我國(guó)發(fā)展30年[1]。

飼料生產(chǎn)是我國(guó)新興的產(chǎn)業(yè)，近年來，我國(guó)的飼料行業(yè)在國(guó)家的幫助下取得了階段性的成果并迅速發(fā)展，已經(jīng)脫離了人工模式形成了比較完善的、智能的生產(chǎn)體系，成為了我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)，目前我國(guó)的自動(dòng)飼料加工設(shè)備已經(jīng)以它獨(dú)特的生產(chǎn)方式、自動(dòng)的控制規(guī)模在行業(yè)領(lǐng)域中已凸顯成效。

對(duì)于飼料生產(chǎn)線的要求必須是具備先進(jìn)的加工工藝、加工設(shè)備以及穩(wěn)定可靠的自動(dòng)控制系統(tǒng)，一個(gè)好的控制系統(tǒng)可以直觀的顯示飼料生產(chǎn)線上所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并且操控便捷，設(shè)備故障及定位能實(shí)時(shí)顯示，并且可以部分自動(dòng)診斷和修復(fù)功能，技術(shù)要求先進(jìn)前沿且具有系統(tǒng)穩(wěn)定工作等優(yōu)點(diǎn)，為降低系統(tǒng)故障率，和提高生產(chǎn)過程和自動(dòng)化程度提供了有力的保障[2]。

1 寵物飼料工藝流程

隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)組態(tài)技術(shù)、通信技術(shù)的迅速發(fā)展，同時(shí)由于工業(yè)企業(yè)對(duì)飼料生產(chǎn)過程的可靠性要求以及對(duì)惡劣環(huán)境下生產(chǎn)過程控制的需求，穩(wěn)定的、智能的控制系統(tǒng)將是工廠在生產(chǎn)過程中用來提高企業(yè)生產(chǎn)效率和改善工作環(huán)境的一個(gè)必要需求。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)控制過程中，采用分散式的控制系統(tǒng)可以更有效地提高系統(tǒng)的可靠性和改善工作人員的工作環(huán)境及勞動(dòng)強(qiáng)度，更好的提高飼料的生產(chǎn)效率。

寵物飼料加工工藝有原料接收、原料清洗、粉碎、配料、混合、制粒、冷卻、液體添加等工序。整套工藝涉及的設(shè)備是集粉碎機(jī)、雙軸槳葉攪拌機(jī)、冷卻器、振動(dòng)篩、料倉(cāng)、斗式提升機(jī)、破碎機(jī)為一體的成套機(jī)組，適用于大型養(yǎng)殖場(chǎng)、中型飼料廠的生產(chǎn)，可根據(jù)客戶廠房的面積定做安裝[3]。

1.1 原料處理段

主要完成對(duì)原料進(jìn)行計(jì)量后進(jìn)入卸料倉(cāng)，經(jīng)過清理雜質(zhì)和塵土后進(jìn)行粉碎處理。之后按照飼料的配方進(jìn)行稱重、混合，并且進(jìn)行多次粉碎提高寵物飼料的混合均勻性。

1.2 配料混合、二次粉碎、配料段

主要是將粉碎的原料和一些微量元素混合并攪拌均與成飼料的半成品，再將第一次粉碎出倉(cāng)出來的混合料進(jìn)行二次粉碎工段進(jìn)行更精細(xì)的粉碎，達(dá)到較好的飼料質(zhì)量。

1.3 制粒、膨化段

主要將成品的粉料經(jīng)過制粒機(jī)制成顆粒狀成品飼料，并進(jìn)入膨化機(jī)，加入蒸汽進(jìn)行調(diào)制處理。其中制粒階段是寵物飼料加工流程中非常重要的環(huán)節(jié)，一般采用專業(yè)設(shè)備。最后包裝、輸送、經(jīng)銷。

整個(gè)寵物飼料制作工藝流程如圖1所示，流程模型如圖2所示，基本配料原料如表1所示。

圖1 寵物飼料制作工藝流程

圖2 寵物飼料生產(chǎn)工藝模型

表1 寵物飼料原料

2 控制系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

寵物飼料生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)控制站、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、人機(jī)接口單元（操作員站OPS、工程師站ENS）、機(jī)柜、電源等組成，系統(tǒng)具備開發(fā)的體系結(jié)構(gòu)，可以提供多層開放數(shù)據(jù)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)分散控制、集中操作、分級(jí)管理等功能。該生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

由圖3可見，寵物飼料生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)采用德國(guó)西門子的S7-300型號(hào)PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制站，功能是用來接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，諸如傳感器、變送器的信號(hào)，并且通過一定的控制策略計(jì)算出控制量，再送回現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中去?，F(xiàn)場(chǎng)的控制站是標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)柜式結(jié)構(gòu)由電源、PROFIBUS-DP總線、I/O模塊、通信模塊等組成，采用遠(yuǎn)程I/O可將大量的位置偏遠(yuǎn)的信號(hào)線，通過PROFIBUS總線傳到控制室[4]。

上位機(jī)采用研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，下位機(jī)采用智能數(shù)字模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和PLC。通過現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP技術(shù),運(yùn)用一條通信電纜將參與生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)上的所有設(shè)備進(jìn)行連接，用數(shù)字信號(hào)可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制、監(jiān)測(cè)，還可完成遠(yuǎn)程設(shè)置，方便用戶。PROFIBUS-DP系統(tǒng)工作過程如圖4所示。

2.2 飼料加工控制過程

計(jì)算機(jī)要根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)工藝把相應(yīng)的配方和生產(chǎn)參數(shù)傳遞到下位機(jī)S7-300PLC，生產(chǎn)開始后，由下位機(jī)根據(jù)配方的參數(shù)和各種配料的下料順序控制變頻器啟動(dòng)配料絞龍工作，稱重信號(hào)是由稱重傳感器送到PLC進(jìn)行檢測(cè)的。

稱重完成后，配料秤斗門打開，當(dāng)混合機(jī)內(nèi)有料時(shí)，秤斗門要等著混合機(jī)放料關(guān)門后才能打開，并啟動(dòng)定時(shí)器，時(shí)間到后，檢測(cè)秤斗上的余料，如果當(dāng)余料大于限制值時(shí)，系統(tǒng)開始報(bào)警，低于限制值秤斗門關(guān)閉。如果沒有達(dá)到預(yù)定生產(chǎn)批次，配料繼續(xù)，同時(shí)發(fā)出添加預(yù)混料和輔助料信號(hào)，得到應(yīng)答復(fù)位后，混合機(jī)開門計(jì)時(shí)，時(shí)間到后門自動(dòng)關(guān)閉，開始新循環(huán)。

圖4 PROFIBUS-DP系統(tǒng)工作過程

在程序設(shè)計(jì)時(shí)，將整個(gè)程序分為幾個(gè)功能模塊，讓PLC在整個(gè)主程序的運(yùn)行過程中分別調(diào)用各部分的子程序來完成相應(yīng)的功能。子程序包括喂料模塊子程序、稱門模塊子程序、混合機(jī)門模塊子程序。

3MATLAB仿真效果

有時(shí)，在寵物飼料生產(chǎn)加工過程中，由于工藝參數(shù)、配料性質(zhì)等多因素的變化，使得配料系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型存在一些非線性，為了改善落差，通常采用模糊自適應(yīng)補(bǔ)償控制方法來提高精度，保證誤差在最小的范圍內(nèi)。

配料控制器接收到來自主機(jī)的控制數(shù)據(jù)作為給定值，與實(shí)際檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，PLC通過轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)程序進(jìn)行編程，并運(yùn)用模糊PID控制算法，計(jì)算出4～20 MA的電流信號(hào)來控制變頻器，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使配料的數(shù)值達(dá)到給定值。圖5為運(yùn)用MAT?LAB軟件所建立的數(shù)學(xué)仿真模型在一個(gè)階躍信號(hào)作用下兩種PID曲線的對(duì)比響應(yīng)曲線[3]。

通過比較可知，綠色線部分為模糊PID控制曲線，藍(lán)色線部分為常規(guī)PID控制曲線，兩種曲線相比較，模糊曲線比常規(guī)的調(diào)節(jié)速度響應(yīng)更快，所需要的時(shí)間更短，穩(wěn)態(tài)誤差也更小，能很好的提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和配料精度。

4 控制系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)

4.1 組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)要求

良好的組態(tài)軟件可以使寵物飼料生產(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?；贙INGVIEW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[4]。

圖5 響應(yīng)曲線

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：

①實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。監(jiān)控畫面可按不同工段，不同配料，不同車間分類。在各個(gè)畫面之間連續(xù)切換，操作人員即可在數(shù)分鐘內(nèi)對(duì)每個(gè)車間生產(chǎn)情況充分了解。

②查看歷史數(shù)據(jù)曲線，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線。通過歷史趨勢(shì)曲線用戶可以觀察到任意時(shí)間段的配料使用情況，并可根據(jù)歷史趨勢(shì)分析歷史數(shù)據(jù)，合理安排生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。同時(shí)通過觀察當(dāng)前能源介質(zhì)產(chǎn)耗情況，為設(shè)備故障診斷，調(diào)試提供很好的依據(jù)。

③事故報(bào)警。由于對(duì)整個(gè)寵物飼料生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控，數(shù)據(jù)采集量大，系統(tǒng)非常復(fù)雜，各種故障發(fā)生率非常高，因此可靠的報(bào)警管理系統(tǒng)是能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和迅速排除故障，使系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性的有力保障[5]。

4.2 組態(tài)界面設(shè)計(jì)效果

4.2.1 組態(tài)界面顯示如圖6所示，配料工段組態(tài)界面如圖7所示。

4.2.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控曲線

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控曲線如圖8所示。

4.2.3 報(bào)表、報(bào)警模塊

數(shù)據(jù)報(bào)表監(jiān)控界面如圖9所示，數(shù)據(jù)報(bào)警界面如圖10所示。

圖6 寵物飼料工藝監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)界面

圖7 配料工段監(jiān)控組態(tài)界面

圖8 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控曲線

圖9 數(shù)據(jù)報(bào)表界面

圖10 數(shù)據(jù)報(bào)警界面

4.2.4 程序代碼

部分代碼如圖11所示。

圖11 監(jiān)控軟件部分語言代碼

4.2.5 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)見圖12）。

圖12 能源消耗圖形顯示

5 結(jié)論

對(duì)于寵物飼料加工這樣的自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)，一般的設(shè)備會(huì)存在能耗高的弊病，那么如何解決和提高飼料生產(chǎn)過程的效率就顯得迫在眉睫，由于我國(guó)大部分的飼料生產(chǎn)加工工藝還處于手工和半自動(dòng)的應(yīng)用模式，本文通過對(duì)能源節(jié)能、生產(chǎn)過程精密檢測(cè)、集中自動(dòng)控制信息管理等多方面因素來提高寵物飼料的生產(chǎn)質(zhì)量，通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和測(cè)試結(jié)果顯示分析，本文設(shè)計(jì)的寵物飼料加工控制系統(tǒng)提高了系統(tǒng)抗干擾能力與配料精度。同時(shí)人機(jī)界面友好、直觀，報(bào)表系統(tǒng)可隨時(shí)查詢配料歷史記錄，監(jiān)督配料過程，追蹤產(chǎn)品質(zhì)量的情況，從使用成本和維護(hù)性來看，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)獨(dú)立，軟件開發(fā)費(fèi)用低，具有良好的設(shè)備替換性。