飼料自動(dòng)配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

倪 瑞，潘松峰，張萬達(dá)

（青島大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，青島266071）

傳統(tǒng)的飼料配料過程，主要由人工完成，根據(jù)市場(chǎng)對(duì)飼料的需求，選擇合適的配方，通過電子秤反饋的重量數(shù)值手動(dòng)操作各種配料的添加和停止，在整個(gè)生產(chǎn)工藝中存在較多不可控的人為因素和非人為因素，無法保證配料過程的準(zhǔn)確性、安全性、連續(xù)性[1]。 此外，飼料在密閉的加工環(huán)境中，味道極大，生產(chǎn)線上的加工人員長時(shí)間吸入后，容易出現(xiàn)頭暈、惡心等情況。 因此，提升配料生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平，是現(xiàn)代飼料加工行業(yè)未來發(fā)展的主要方向[2]。故在此設(shè)計(jì)了可以實(shí)時(shí)監(jiān)控配料過程、設(shè)置生產(chǎn)配方的飼料自動(dòng)配料控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

飼料生產(chǎn)線包含5 個(gè)原料罐（A～E）、2 個(gè)稱重釜、1 個(gè)攪拌釜。安裝的1 號(hào)稱重儀表和2 號(hào)稱重儀表負(fù)責(zé)對(duì)2 臺(tái)稱重釜中的原料進(jìn)行稱量。 在飼料配料過程中，原料在進(jìn)料電機(jī)的作用下，泵入到稱重釜中；在稱重釜中對(duì)原料進(jìn)行稱量，若重量合格，則打開稱重釜出料閥門，將原料泵入到攪拌釜中，等待所有物料全部稱量完畢，攪拌電機(jī)開始工作，攪拌結(jié)束后進(jìn)行卸料，即完成一次完整的飼料稱重過程。

飼料自動(dòng)配料控制系統(tǒng)由歐姆龍CP1H 系列PLC、觸摸屏、IND560 稱重儀表等構(gòu)成，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 PLC 作為配料系統(tǒng)的控制核心，通過串行通信單元實(shí)現(xiàn)PLC 與稱重儀表和觸摸屏的RS-232C 通信，實(shí)時(shí)接收配料數(shù)據(jù)，進(jìn)而完成對(duì)進(jìn)料電機(jī)、進(jìn)料閥門、攪拌電機(jī)、出料閥門的控制。

圖1 飼料自動(dòng)配料控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of feed automatic batching control system

1.2 硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 CP1H 系列PLC

為滿足飼料自動(dòng)配料系統(tǒng)的控制需求，采用了歐姆龍公司CP1H-X40DR-A 型整體式PLC。 為實(shí)現(xiàn)配料系統(tǒng)中PLC 與2 臺(tái)稱重儀表和1 臺(tái)觸摸屏的RS-232C 通信， 所以選擇了2 塊RS-232C 選項(xiàng)板CP1W-CIF01 來實(shí)現(xiàn)PLC 與稱重儀表之間的通信；選擇了具有RS-232C 接口的串行通信擴(kuò)展單元CJ1W-SCU22 來實(shí)現(xiàn)PLC 與觸摸屏之間的通信。

1.2.2 TPC7062TX 觸摸屏

該系統(tǒng)選用昆侖通態(tài)科技有限公司的TPC7062TX 型觸摸屏，并使用其內(nèi)置的MCGS 組態(tài)軟件對(duì)監(jiān)控界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。 該觸摸屏的COM1 端口為RS-232C 串口，可以實(shí)現(xiàn)與PLC 之間的RS-232C通信[3]。

1.2.3 IND560 智能稱重儀表

梅特勒-托利多研發(fā)的IND560 智能稱重儀表，廣泛用于各類稱重領(lǐng)域，其精度高，可靠性強(qiáng)[4]。IND560 稱重儀表的面板按鍵，可修改稱重過程中涉及的重量單位和量程，并可以對(duì)儀表的通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 此外，IND560 稱重儀表還可以將稱重?cái)?shù)據(jù)通過RS-232C 通信，連續(xù)不斷地發(fā)送至PLC，以便PLC 根據(jù)原料的實(shí)時(shí)重量對(duì)配料過程進(jìn)行控制。

2 PLC 程序設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

為滿足實(shí)際配料過程中的要求，飼料配料系統(tǒng)包括2 種工作模式，分為手動(dòng)和自動(dòng)2 種控制模式。

在手動(dòng)模式下，配料系統(tǒng)需要現(xiàn)場(chǎng)操作人員根據(jù)觸摸屏中的飼料配方，手動(dòng)點(diǎn)擊進(jìn)料的啟動(dòng)和停止按鈕來完成配料任務(wù)。 手動(dòng)模式的PLC 流程如圖2 所示。

圖2 手動(dòng)模式PLC 流程Fig.2 Manual mode PLC flow chart

在自動(dòng)模式下，僅需現(xiàn)場(chǎng)操作人員在觸摸屏中設(shè)置好飼料配方，并點(diǎn)擊“自動(dòng)啟動(dòng)”按鈕，飼料控制系統(tǒng)即可根據(jù)配方按照從A～E 的順序，依次進(jìn)行稱重配料過程。 當(dāng)原料重量與配方中設(shè)定的“提前量”相等時(shí)，停止泵料，待管道中的余料全部進(jìn)入到稱重釜中時(shí)， 將此時(shí)的原料重量與配方中設(shè)定的“設(shè)定值”進(jìn)行比較。 如果二者的差值在配方設(shè)定的“允許誤差”范圍內(nèi)，則說明稱重合格，方可開始下一種原料的配料過程。 自動(dòng)模式的PLC 流程如圖3所示。

圖3 自動(dòng)模式PLC 流程Fig.3 Automatic mode PLC flow chart

2.2 報(bào)警程序設(shè)計(jì)

在編程軟件CX-P 中編寫報(bào)警程序， 當(dāng)觸發(fā)報(bào)警程序時(shí)，報(bào)警指示燈常亮，觸摸屏報(bào)警畫面提示故障信息，只有解決故障問題后，配料系統(tǒng)才可以正常運(yùn)行[5]。

報(bào)警程序共涉及3 種情形。 以原料A 為例介紹如下：

情形1其他原料（B～E）的料選擇開關(guān)沒有關(guān)閉，就將原料A 的料選擇開關(guān)旋轉(zhuǎn)至啟動(dòng)狀態(tài)。 原料A 處于報(bào)警情形1 的PLC 程序如圖4a 所示。 內(nèi)存地址1.01 對(duì)應(yīng)原料A 的料選擇旋鈕， 內(nèi)存地址1.02～1.05 對(duì)應(yīng)原料B～E 的料選擇旋鈕。

情形2給原料配料時(shí)， 未將原料A 的料選擇開關(guān)旋轉(zhuǎn)至啟動(dòng)狀態(tài)， 就按下了原料A 的啟動(dòng)按鈕。 原料A 處于報(bào)警情形2 的PLC 程序如圖4b 所示。 圖中地址0.01 為原料A 的啟動(dòng)按鈕，地址1.01為原料A 的料選擇旋鈕。

情形3操作人員給原料A 配料時(shí)， 將原料A的料選擇開關(guān)旋轉(zhuǎn)至開啟狀態(tài)后，錯(cuò)誤地按下其他原料的啟動(dòng)按鈕。原料A 處于報(bào)警情形3 的PLC 程序如圖4c 所示。 圖中地址1.01 為原料A 的料選擇旋鈕，地址0.02～0.05 為原料B～E 的啟動(dòng)按鈕。

3 種報(bào)警情形均發(fā)生在手動(dòng)模式，因人員操作失誤引起。 當(dāng)3 種報(bào)警情形中的任意一種被觸發(fā)后，報(bào)警指示燈101.00 得電常亮，觸摸屏畫面提示相應(yīng)的報(bào)警信息。 觸發(fā)報(bào)警時(shí)的PLC 程序如圖5 所示。

圖4 三種情況報(bào)警的PLC 程序Fig.4 PLC program for alarm in three cases

圖5 觸發(fā)報(bào)警指示燈工作的PLC 程序Fig.5 PLC program for triggering alarm indicator

2.3 PLC 處理稱重?cái)?shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)

PLC 從IND560 儀表中讀取到的數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制的ASCII 碼， 不能直接作為稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。因此，需要在編程軟件CX-P 中設(shè)計(jì)處理IND560儀表數(shù)據(jù)的程序，將處理后的數(shù)據(jù)作為IND560儀表的實(shí)際稱重?cái)?shù)值，保存在指定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器區(qū)中，供觸摸屏讀取并顯示在觸摸屏的監(jiān)視畫面中。

PLC 處理IND560 儀表數(shù)據(jù)梯形圖如圖6 所示。

該程序包含：

步聚1使用MOVD 指令進(jìn)行移位操作，將重量數(shù)據(jù)的個(gè)位、十位、百位、千位數(shù)字依次傳到PLC的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器區(qū)D301 的第0，1，2，3 位中，D301 中得到了一組BCD 碼數(shù)據(jù)。

步聚2使用邏輯與指令A(yù)NDW 將D301 中每一位數(shù)字提取出來， 并存放在D200，D210，D220，D230； 驗(yàn)證每位數(shù)字是否為0～9 之間的自然數(shù)；校驗(yàn)合格后將D301 中的數(shù)據(jù)作為IND560 儀表的稱重?cái)?shù)據(jù)。 最后通過MOV 指令將處理后的稱重?cái)?shù)據(jù)保存到D300 中，供后續(xù)使用。

圖6 處理稱重?cái)?shù)據(jù)的PLC 程序Fig.6 PLC program for processing weighing data

3 觸摸屏組態(tài)畫面設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)視畫面

在觸摸屏監(jiān)視畫面中，可以顯示飼料的物料名、秤號(hào)、設(shè)定值、提前量、允許誤差、實(shí)際值、料到位狀態(tài)、進(jìn)料狀態(tài)，以及2 臺(tái)稱重釜的出料閥門和攪拌電機(jī)的工作狀態(tài)。 觸摸屏監(jiān)視畫面如圖7 所示。

圖7 觸摸屏監(jiān)視畫面Fig.7 Touch screen monitoring interface

3.2 配方畫面

在觸摸屏配方畫面中， 可以對(duì)飼料的設(shè)定值、提前量、允許誤差進(jìn)行設(shè)置，點(diǎn)擊“保存配方”按鈕即可完成配方設(shè)置。 觸摸屏配方畫面如圖8 所示。

3.3 報(bào)警畫面

圖8 觸摸屏配方畫面Fig.8 Touch screen formula interface

當(dāng)配料系統(tǒng)的PLC 報(bào)警程序被觸發(fā)時(shí)，觸摸屏?xí)棾鰣?bào)警畫面。 報(bào)警信息以表格的形式，將報(bào)警產(chǎn)生的日期、時(shí)間、報(bào)警原因等顯示在觸摸屏報(bào)警畫面中。 觸摸屏報(bào)警畫面如圖9 所示。

圖9 觸摸屏報(bào)警畫面Fig.9 Touch screen alarm interface

4 結(jié)語

經(jīng)過對(duì)飼料自動(dòng)配料控制系統(tǒng)的硬件及軟件環(huán)節(jié)的調(diào)試， 實(shí)現(xiàn)了飼料配料過程的自動(dòng)化運(yùn)行，且可以在觸摸屏實(shí)現(xiàn)了配料監(jiān)控、配方設(shè)置、報(bào)警提示等功能。 此外， 該系統(tǒng)也可用于其他行業(yè)中的配料過程， 具有很好的移植性和廣泛的應(yīng)用性。