PLC技術(shù)在飼料生產(chǎn)自動化中的應(yīng)用分析

廖雄燕

（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530008）

飼料業(yè)是農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖種植業(yè)、畜牧業(yè)、農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)等多個產(chǎn)業(yè)的聯(lián)結(jié)樞紐，非常重要（劉艷榮，2012）。飼料行業(yè)以前采用手工，無法精確控制生產(chǎn)流程，生產(chǎn)模式效率低下，產(chǎn)品質(zhì)量無保證，嚴重制約了行業(yè)生產(chǎn)，如何改進傳統(tǒng)生產(chǎn)模式提高效率，是當(dāng)前亟待解決的問題（苑廣闊，2019）。

在國外，美國在19世紀就成立了奶牛飼料加工公司，1960年以后，美國飼料年產(chǎn)量增長了兩倍多，達到了1億噸以上。而我國是從改革開放以后才開始發(fā)展飼料加工業(yè)，雖然落后70多年，但是經(jīng)過了40多年黃金發(fā)展期，取得了巨大成果。一是年總產(chǎn)量達到了將近2億噸，二是飼料加工公司開始了集團化發(fā)展，大型集團企業(yè)占比60%以上。在生產(chǎn)自動化方面，國外起步較早，可編程控制器與IT技術(shù)的全面結(jié)合導(dǎo)致其功能及質(zhì)量發(fā)生質(zhì)變，成為了工業(yè)控制的樞紐 （陳曉玲等，2019）。21世紀以來，研制成功大型機、各類專用控制器。部分歐美國家已實現(xiàn)了飼料的進料、加工、出料的全流程自動控制（汪鋒等，2010）。國內(nèi)的研究和工業(yè)發(fā)展同步，在飼料加工生產(chǎn)自動化轉(zhuǎn)型過程中，吸收、創(chuàng)新了我國的可編程控制器行業(yè)。目前，國內(nèi)的代表系統(tǒng)有上海東屋CF系列、杭電D系列、蘇電YZ系列等多款可編程控制器，無錫華光、上海鄉(xiāng)島等合資公司的產(chǎn)品也為我國吸收技術(shù)提供了便利的平臺（孫惠霞，2018）。

根據(jù)目前國內(nèi)飼料生產(chǎn)廠家對于產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量的要求，本文以PLC控制技術(shù)為基礎(chǔ)，開展了生產(chǎn)線自動化的課題研究。

1 PLC的組成及原理

可編程控制器的控制能力從開始發(fā)展到現(xiàn)在，逐步地由簡到繁，現(xiàn)在的PLC主要包括四大部分。一是核心CPU，運行邏輯運算、算術(shù)運算等指令；二是輸入輸出部件；三是輸出接口，受控元件的連接電路；四是電源部件，設(shè)備的能源來源（周青鋒，2008）。

PLC軟件包括系統(tǒng)自帶的基礎(chǔ)程序和用戶自行編寫的應(yīng)用程序（鐘聞宇等，2014）。廠商將系統(tǒng)診斷、基礎(chǔ)運算等基礎(chǔ)程序內(nèi)置到存儲器。用戶使用編程語言自行編寫（黃中玉等，2010）。PLC編程語言有字符和圖形兩種，為技術(shù)人員提供了方便（郭湘君等，2012）。

2 飼料生產(chǎn)自動化系統(tǒng)設(shè)計

2.1 自動化生產(chǎn)線簡介 本文以改造A飼料公司生產(chǎn)線為背景，進行系統(tǒng)研究和實踐，實現(xiàn)了以PLC為核心，以計算機、變頻器、傳感器等為元件的自動化系統(tǒng)。本文的控制系統(tǒng)結(jié)合了計算機存儲優(yōu)勢和PLC控制優(yōu)勢，利用上下位機進行分布控制穩(wěn)定性很高，有效避免了計算機集中控制帶來的不穩(wěn)定因素（王衡等，2019）。上位機采用人機觸摸屏，通過簡單的計算機操作就能完成配方參數(shù)、配料時間、設(shè)備運行等操作，對生產(chǎn)進行實時監(jiān)測控制，實時模擬設(shè)備運行狀態(tài)，由工控機在后臺進行實時存儲產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)、配方參數(shù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù) （車璐等，2018）。下位機選用 Siemens公司的S7系列，其簡單的維護性使得基層單位在使用中更加得心應(yīng)手。

為了避免系統(tǒng)在停電等特殊情況下造成生產(chǎn)損失，在設(shè)計時配備了手動和自動兩種方式?？刂屏鞒倘鐖D1所示。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.2.1 控制系統(tǒng) 飼料生產(chǎn)線由多個環(huán)節(jié)組成，包括進料、粉碎、配料、出料等系統(tǒng)?？刂乒δ芤笕缦拢海?）通過計算機實現(xiàn)配料、負荷和相關(guān)工藝參數(shù)的自動設(shè)定，全面控制生產(chǎn)工況，按工段實現(xiàn)開機、聯(lián)鎖和解鎖等控制功能（趙柳達，2019）。（2）根據(jù)用戶需求，隨時切換展示生產(chǎn)狀況，例如粉碎系統(tǒng)中的粉碎電流、配料系統(tǒng)中的取料時間等關(guān)鍵參數(shù)，以及氣門的實時位置、樣倉的料位等，都要通過數(shù)值和模擬形態(tài)進行反映。（3）為保護生產(chǎn)線的安全，設(shè)置報警功能，在傳感器收集到報警信號時，顯示屏第一時間彈出報警信息，包括報警的生產(chǎn)工段、具體設(shè)備及異常參數(shù)等，同時還會出現(xiàn)紅色預(yù)警等顯著顏色變化。

2.2.2 控制方式 自動控制中樞在中控室，實現(xiàn)生產(chǎn)線各設(shè)備的聯(lián)鎖、互鎖、自鎖等功能，例如提升機和運輸機為聯(lián)鎖控制要求，喂料機為自動控制，具體在觸摸屏上顯示為聯(lián)動、自動等按鈕，每個觸摸屏上都有緊急停車的按鈕，還能控制提升機電流等關(guān)鍵參數(shù)。手動控制通過控制箱來實現(xiàn)生產(chǎn)線各種工藝操作，例如喂料器為手動控制（羅清堯等，2018）。

2.3 控制系統(tǒng)子系統(tǒng)設(shè)計 控制系統(tǒng)在多數(shù)情況下是多輸入多輸出系統(tǒng)，如果能夠用精準數(shù)學(xué)模型表達控制要求，就能夠設(shè)計出準確的控制系統(tǒng)（何武林，2019）。不過，飼料生產(chǎn)線的動態(tài)特性難以求出，難以求出數(shù)學(xué)模型，因此只能以實際試驗來分析各個工段設(shè)備的特性。

2.3.1 投料系統(tǒng) 粕料開機投料流程：由進料倉進入清理篩，在通過提升機進入除塵器進行處理，當(dāng)進料倉料位高于設(shè)定值時發(fā)出報警信號。粉料開機投料流程：由配料倉絞龍，然后進入清理篩、提升機、除塵器，當(dāng)進料倉料位高于設(shè)定值時發(fā)出報警信號。

2.3.2 粉碎機自動控制子系統(tǒng) 開機流程：由配料倉絞龍，然后進入提升機、螺旋式輸送機，在進入除塵器、粉碎主機，經(jīng)過粉碎后進入喂料器，當(dāng)配料倉料位高于設(shè)定值時發(fā)出報警信號。

粉碎機處于自動控制狀態(tài)下，上位機設(shè)定載荷后，由系統(tǒng)自行調(diào)整喂料的參數(shù)。處于手動控制狀態(tài)下，通過電位器進行控制。粉碎機可以雙向運行。

PLC通過粉碎機電流值來判定吸料的狀態(tài)，包括待料、爬坡和PID三種控制狀態(tài)。然后調(diào)整進料速度，糾正實際速度和設(shè)定速度的偏移值，確保負荷重時高效運行，負荷輕時節(jié)能運行?？刂圃砣鐖D2所示。

2.3.3 配料系統(tǒng) 配料控制模塊包括配料模塊、小料模塊和液體模塊，作為控制系統(tǒng)的核心部分，主要用于完成生產(chǎn)、管理以及其他的特殊功能（甘玲等，2019）。

配料控制中，首先上位機根據(jù)生產(chǎn)工藝流程，發(fā)出配方、工藝參數(shù)的指令，下位機PLC接受指令后，啟動配料生產(chǎn)，同時檢測配料的稱重信號。稱重之后，打開秤斗門進行放料，放完之后檢測余料。當(dāng)檢測結(jié)果低于限制值則關(guān)閉門，超過限制值則啟動報警。在配料工作沒有達到配方參數(shù)之前，繼續(xù)配料，直到結(jié)束。生產(chǎn)過程由PLC控制設(shè)備，工控機監(jiān)控PLC的運行整體流程,實時存儲生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

采用的稱重傳感器是配料工藝中的關(guān)鍵元件，原理是：在重力作用下，彈性體發(fā)生形變，電阻值發(fā)生變化，測量后轉(zhuǎn)化為電信號。配料控制原理如圖3所示。

3 硬件和軟件設(shè)計

控制的核心是A/D轉(zhuǎn)換，因為在靈活性和可靠性上，對于連續(xù)變量，需要采用模數(shù)進行采集，而計算機只能采集數(shù)量，因此需要專用設(shè)備進行轉(zhuǎn)換。對于智能設(shè)備來說，有內(nèi)置的監(jiān)控單元可以采集相關(guān)模擬量，非對于智能設(shè)備，必須增加專用數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)換為所需的電量信號。本文首先采集壓力、速度等物理量，轉(zhuǎn)換為模電信號、數(shù)字量，由計算機來分析計算，處理結(jié)果再轉(zhuǎn)換為模擬電信號輸出到執(zhí)行設(shè)備，進行實時監(jiān)控。

3.1 硬件設(shè)計 硬件設(shè)計分為頂層設(shè)計和底層設(shè)計。底層設(shè)計中在現(xiàn)場用PLC進行信號測量和采集，計算出相關(guān)控制參數(shù)。頂層設(shè)計以觸摸屏作為控制手段，進行監(jiān)測。如圖4所示。

3.1.1 PLC 本文選擇西門子S7S7-300作為下位機，具有快速數(shù)據(jù)處理能力和高速計算能力。

3.1.2 人機觸摸屏 本文選擇MT500系列與現(xiàn)場PLC開展通訊，除了普通的觸摸屏功能外，還具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、配方設(shè)置、在線模擬、窗口移動和切換的功能。

3.1.3 變頻器 為了匹配西門子PLC來有效控制喂料器的速度，本文選擇西門子Microlaster420變頻器。該變頻器無故障工作時間大于50萬小時，具有恒定轉(zhuǎn)矩、內(nèi)置PI、遠程控制等功能。

3.1.4 PID PID控制器是目前最成熟的控制器，根據(jù)比例、積分和微分3種規(guī)律，可以構(gòu)成P、PI、PID三種，流程如圖5所示。

PID調(diào)節(jié)器控制數(shù)學(xué)模型可表示為：

經(jīng)過拉普拉斯變化，用傳遞函數(shù)表示為：

式中：Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)。

在引入計算機模擬算法后，對算法進行了改進，數(shù)學(xué)表達式為：

經(jīng)過Z變換為：

式中：Kp為比例系數(shù)；Ki積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)。

控制器反饋示意圖如圖6所示。

為進一步解釋PID控制系統(tǒng)，下面分別解釋其運行規(guī)律。

（1）比例規(guī)律，用于控制當(dāng)前量。當(dāng)輸出和誤差成比例時，將誤差數(shù)值乘以常數(shù)P，加上設(shè)定值，即可完成比例控制。

（2）積分規(guī)律，用于控制過去量。將誤差合計后乘以常數(shù)I，加上設(shè)定值，即完成積分控制。

（3）微分規(guī)律，用于控制將來量，將誤差進行一階求導(dǎo)，乘以常數(shù)D，加上設(shè)定值，即完成微分控制。

本文選用的S7-300系列自帶PID模塊，可以直接進行調(diào)用。由于生產(chǎn)線中涉及到電機運轉(zhuǎn)、喂料頻率等多個變量，使得確定PlD參數(shù)難度極大，為解決這一問題，在使用Fuzzy調(diào)試辦法的基礎(chǔ)上，進行多次實驗，手動修正參數(shù)。

除了上述硬件設(shè)備，還設(shè)計了數(shù)據(jù)采集器、測速儀、信號轉(zhuǎn)換器等設(shè)備。

3.2 軟件設(shè)計 控制系統(tǒng)包括系統(tǒng)自帶軟件和應(yīng)用軟件兩類。自帶軟件的核心是操作系統(tǒng)，由生產(chǎn)廠家編制。應(yīng)用軟件是工程師根據(jù)生產(chǎn)線需求編寫的程序，用于指揮生產(chǎn)設(shè)備滿足各類的工藝要求。

系統(tǒng)自帶軟件又分為組態(tài)軟件和定制軟件兩部分。組態(tài)軟件控制著傳感器、數(shù)據(jù)采集等多個重要裝置，定制軟件滿足客戶的各類需求。某一種產(chǎn)品無法囊括全部用戶的要求,用戶需求多樣化的特點使得“組態(tài)”和“定制”缺一不可。

組態(tài)軟件最初是單一管理，逐步向大數(shù)據(jù)處理發(fā)展。早期的硬件系統(tǒng)非常依賴組態(tài)軟件，隨著技術(shù)的發(fā)展，部分軟件已經(jīng)實現(xiàn)了與硬件的分離。對于組態(tài)軟件，越來越多的用戶重視其實時數(shù)據(jù)監(jiān)測的作用，高性能計算機使得實施數(shù)據(jù)傳輸更加快捷，能夠讓用戶根據(jù)實際數(shù)據(jù)實時分析，為指揮、決策提供了一手的重要資料。

上位機軟件設(shè)計時，首先根據(jù)規(guī)劃的電器流程圖，計算數(shù)字量和模擬量的輸入輸出點，計算好后定義變量和地址,再連接下位機的變量。然后以工藝流程圖為指導(dǎo)確定監(jiān)控重點，實時觀測到配方數(shù)據(jù)、生產(chǎn)報表、設(shè)備運行等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

下位機S7-300包含多種檔次的CPU模塊，可以提供指令執(zhí)行、MPI和CP通訊、PID控制等功能。硬件組態(tài)設(shè)置參數(shù)后，用LAD編程語言對各個工段生產(chǎn)流程進行編程，匯總后統(tǒng)一調(diào)整即可。

4 總結(jié)

本文根據(jù)目前飼料生產(chǎn)線的性能參數(shù)、控制特點，研究了生產(chǎn)線自動化控制的現(xiàn)狀，從設(shè)計方案、硬件軟件設(shè)計等方面進行了研究，設(shè)計了符合現(xiàn)代生產(chǎn)要求的配料生產(chǎn)控制系統(tǒng)。

但是目前的設(shè)計還存在一定程度不足，例如PLC的電壓干擾容限不高，存在數(shù)據(jù)處理混亂、程序處置失真、信號測控失誤等問題，還有待進一步完善，才能滿足智能化的生產(chǎn)要求。