小規(guī)模散養(yǎng)智能飼喂器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

劉 歡，歐陽峰，李 敏

（1.湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421002；2.衡陽鐳目科技有限責(zé)任公司，湖南 衡陽 417603）

隨著我國城市經(jīng)濟(jì)的繁榮，農(nóng)村青壯年勞動力大規(guī)模轉(zhuǎn)移到城鎮(zhèn)，留守老人、殘障人員等老弱病殘群體留在了農(nóng)村。這一特殊群體主要特征為：身體狀況差、體能不足，很難勝任高強(qiáng)度的生產(chǎn)勞動，但他們有著強(qiáng)烈的產(chǎn)業(yè)脫貧致富愿望。對他們而言，生態(tài)喂養(yǎng)生豬因投入相對較少、無需過多外出勞作、市場行情好等優(yōu)勢而成為首選。小規(guī)模散養(yǎng)智能飼喂器能較好地助力這一特殊群體實(shí)現(xiàn)脫貧致富愿望，該飼喂器經(jīng)濟(jì)實(shí)用、操控簡單，只要在觸摸屏上操作，就能實(shí)現(xiàn)將飼料自動傳送到飼喂槽的目的。

1 系統(tǒng)功能與控制要求

1.1 系統(tǒng)功能

為了減輕用戶的勞動強(qiáng)度，小規(guī)模散養(yǎng)智能飼喂器具有放料、送料、投料等控制功能。系統(tǒng)啟動，飼喂小車回原點(diǎn)，設(shè)置放料參數(shù)，用戶在觸摸屏上觸摸 “低速”按鈕，放料電機(jī)低速運(yùn)行，帶動放料機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動放料。若用戶想加快放料速度，可觸摸 “高速”按鈕，放料速度加快。當(dāng)達(dá)到設(shè)定放料質(zhì)量或觸摸 “停止放料”按鈕，系統(tǒng)停止放料。之后進(jìn)入送料狀態(tài)，送料的飼喂小車由伺服電機(jī)控制，依次到達(dá)槽位1、槽位2、槽位3 送料。若車內(nèi)無存料，飼喂小車自動返回原點(diǎn)加料，然后運(yùn)行至相關(guān)槽位繼續(xù)投料。投料由變頻電機(jī)控制，投料速度根據(jù)各槽位需料量與實(shí)際料量的差值來決定，并由投料電機(jī)的運(yùn)行頻率控制。

1.2 控制要求

1）設(shè)備上電，飼喂小車回原點(diǎn)，在操作面板上設(shè)定放料參數(shù)，觸摸 “低速”按鈕，自動放料；若想加快放料速度，觸摸 “高速”按鈕，放料速度加快。

2）放料量達(dá)到設(shè)定值或按下 “停止放料”按鈕，放料結(jié)束。設(shè)定槽位1 需料量參數(shù)，飼喂小車向槽位1 運(yùn)行，到達(dá)槽位1 后飼喂小車停止，飼喂小車內(nèi)部的電機(jī)通過投料機(jī)構(gòu)向槽位1 投料，投料速度由槽位1 需料量的設(shè)定值與實(shí)際值之差決定，并由變頻器控制其速度。當(dāng)槽位1 投料完成 （實(shí)際料量達(dá)到設(shè)置的需料量參數(shù)）后，再設(shè)置槽位2 需料量參數(shù)，飼喂小車向槽位2 運(yùn)行，到達(dá)槽位2 開始投料。當(dāng)槽位2 投料完成后，再設(shè)置槽位3 的需料量參數(shù)，然后向槽位3 投料。當(dāng)所有槽位都投料完成后，系統(tǒng)停止運(yùn)行。

2 系統(tǒng)硬件配置

2.1 系統(tǒng)主要設(shè)備

在小規(guī)模散養(yǎng)智能飼喂器控制系統(tǒng)中，采用昆侖通態(tài)監(jiān)視與控制通用系統(tǒng) （Monitor and Control Generated System，MCGS） TPC7062Ti 型觸摸屏作為人機(jī)界面。為了靈活控制放料速度，放料機(jī)構(gòu)由雙速電機(jī)控制，采用YD112M－4/2 型雙速電機(jī)。送料的飼喂小車由伺服電機(jī)控制，采用ECMAC20604RS 型伺服電機(jī)和ASDA－B2 型伺服驅(qū)動器。投料機(jī)構(gòu)由變頻器和三相異步電動機(jī)共同控制，采用 FR－E740 型變頻器和 Y－112M－4 型三相異步電動機(jī)。

2.2 PLC 選型及I/O 端口地址分配

根據(jù)該控制系統(tǒng)的功能要求，結(jié)合性能價(jià)格比并考慮PLC 的主流機(jī)型[1]，選用三菱FX3U－32MT型PLC。PLC 的輸入/輸出 （I/O）端口地址分配見表 1 和表 2。

表1 PLC 的輸入端口地址分配

表2 PLC 的輸出端口地址分配

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括PLC 程序設(shè)計(jì)和人機(jī)界面設(shè)計(jì)[2]?？紤]到小規(guī)模散養(yǎng)生豬數(shù)量不多的特點(diǎn)，選定3 個(gè)飼喂槽作為研究對象，從飼喂小車回原點(diǎn)、系統(tǒng)啟動、放料、送料、投料5 個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思路

3.1.1 回原點(diǎn)

合上電源開關(guān)，用戶觸摸 “回原點(diǎn)”按鈕，系統(tǒng)初始化，飼喂小車回原點(diǎn)， “原點(diǎn)回歸”信號燈閃爍。

3.1.2 系統(tǒng)啟動

按下 “系統(tǒng)啟動”按鈕，系統(tǒng)啟動，“系統(tǒng)啟動”信號燈閃爍。需要注意的是，只有在系統(tǒng)啟動的條件下，才能進(jìn)行其他功能的操作 （回原點(diǎn)除外）。為了少占存儲單元， “系統(tǒng)啟動”采用主控觸點(diǎn)指令。

3.1.3 放料

系統(tǒng)啟動后，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置放料參數(shù)，即“小車料量設(shè)置”，由于該控制系統(tǒng)中 “小車料量設(shè)置”最大值為100 kg，因此可在0～100 kg 進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。通常情況下，按下操作區(qū)的 “低速”按鈕，開始放料，放料速度在顯示區(qū)顯示。若想放料速度加快，可按下 “高速”按鈕，放料電機(jī)先低速啟動，通過延時(shí)自動進(jìn)入高速運(yùn)行狀態(tài)，放料速度增加1 倍，放料速度也在顯示區(qū)顯示。值得注意的是飼喂小車必須在原點(diǎn)才能進(jìn)行放料。當(dāng)需要再次放料 （也稱為加料）時(shí)，系統(tǒng)將自動進(jìn)行低速加料，若想提高加料速度，也可人工進(jìn)行高速加料。放料過程中，當(dāng)放料質(zhì)量達(dá)到 “小車料量設(shè)置”參數(shù)時(shí)或按下 “停止放料”按鈕，系統(tǒng)將停止放料。

3.1.4 送料

完成放料任務(wù)后，設(shè)置 “槽位1 需料量”參數(shù)，由于該控制系統(tǒng)中槽位1～槽位3 的需料量參數(shù)最大值為60 kg，因此3 個(gè)槽位需料量參數(shù)均可在0～60 kg 范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)置。飼喂小車向槽位1 運(yùn)行送料，到達(dá)槽位1 后飼喂小車停止，進(jìn)行投料。當(dāng)觸摸屏顯示區(qū) “槽位1 實(shí)際料量”達(dá)到 “槽位1需料量”時(shí)，槽位1 投料任務(wù)完成。若飼喂小車內(nèi)有存料 （顯示區(qū)的 “小車實(shí)際料量”可顯示實(shí)際質(zhì)量），設(shè)置 “槽位2 需料量”參數(shù) （0～60 kg），飼喂小車向槽位2 運(yùn)行送料，到達(dá)槽位2 后小車停止，進(jìn)行投料。若飼喂小車內(nèi)無存料 （顯示區(qū)的 “小車實(shí)際料量”顯示為0 kg），飼喂小車回原點(diǎn)自動加料，完成加料任務(wù)后，飼喂小車向槽位2 運(yùn)行送料，到達(dá)槽位2 后飼喂小車停止，進(jìn)行投料。當(dāng)觸摸屏顯示區(qū) “槽位2 實(shí)際料量”達(dá)到 “槽位2 需料量”時(shí)，槽位2 投料任務(wù)完成。若飼喂小車內(nèi)有存料，設(shè)置 “槽位3 需料量”參數(shù) （0～60 kg），飼喂小車向槽位3 運(yùn)行送料，到達(dá)槽位3 后飼喂小車停止，進(jìn)行投料。若飼喂小車內(nèi)無存料，飼喂小車回原點(diǎn)自動加料，完成加料任務(wù)后，飼喂小車向槽位3 運(yùn)行送料，到達(dá)槽位3 后飼喂小車停止，進(jìn)行投料。當(dāng)觸摸屏顯示區(qū) “槽位3 實(shí)際料量”達(dá)到 “槽位3 需料量”時(shí)，槽位3 投料任務(wù)完成。當(dāng)3 個(gè)槽位加滿料后系統(tǒng)停止。

3.1.5 投料

當(dāng)送料的飼喂小車到達(dá)目的地后，開始投料。投料速度是根據(jù)各槽位設(shè)置的需料量與其實(shí)際料量的差值決定的，由變頻器進(jìn)行控制。當(dāng)各槽位的需料量與其實(shí)際料量的差值≥40 時(shí)，變頻器以30 Hz運(yùn)行，投料速度為3 kg/s；當(dāng)20≤差值＜40 時(shí)，變頻器以20 Hz 運(yùn)行，投料速度為2 kg/s；當(dāng)0＜差值＜20 時(shí)，變頻器以10 Hz 運(yùn)行，投料速度為1 kg/s。當(dāng)各槽位的實(shí)際料量達(dá)到各槽位的需料量參數(shù)時(shí)，變頻器停止工作，系統(tǒng)停止投料。

3.2 PLC 控制流程

小規(guī)模散養(yǎng)智能飼喂器的放料、送料、投料的控制流程見圖1。

圖1 控制流程圖

3.2.1 放料環(huán)節(jié)

放料前，飼喂小車必須回原點(diǎn)，設(shè)置放料參數(shù)后，操作放料按鈕才能進(jìn)行放料。放料速度由雙速電機(jī)控制，一般情況下，操作低速按鈕；若想加快放料速度，操作高速按鈕。當(dāng)實(shí)際放料量達(dá)到設(shè)定放料參數(shù)或按下停止放料按鈕，才停止放料。

3.2.2 送料與加料環(huán)節(jié)

當(dāng)放料任務(wù)完成后，設(shè)置槽位1 的需料量參數(shù)，飼喂小車去槽位1 送料，到達(dá)槽位1 后進(jìn)行投料。完成槽位1 的投料任務(wù)后，根據(jù)飼喂小車內(nèi)有無存料，確定去槽位2 送料還是回原點(diǎn)加料。若飼喂小車內(nèi)有存料，設(shè)置槽位2 的需料量參數(shù)，飼喂小車去槽位2 送料；若飼喂小車內(nèi)無存料，則飼喂小車回原點(diǎn)自動加料，加料完成后，飼喂小車去槽位2 送料，到達(dá)槽位2 后進(jìn)行投料，以此類推。

3.2.3 投料環(huán)節(jié)

送料的飼喂小車到達(dá)目的地后就進(jìn)行投料。投料速度根據(jù)各槽位設(shè)置的需料量與其實(shí)際料量的差值決定，由變頻器進(jìn)行控制。圖2 為槽位1 投料控制梯形圖。

圖2 槽位1 投料控制梯形圖

圖2 中，D1 為槽位1 需料量；D10 為槽位1實(shí)際料量；D111 為槽位1 需料量與槽位1 實(shí)際料量之差；D13 為飼喂小車實(shí)際料量；D9 為投料速度；D110 對投料電機(jī)頻率進(jìn)行控制。槽位2、槽位3 的投料速度與槽位1 相同，其PLC 程序僅需改變其對應(yīng)的觸摸屏關(guān)聯(lián)即可。若用戶想擴(kuò)大規(guī)模，增加若干個(gè)槽位，無需將現(xiàn)有的程序推翻重來，大大減輕了工程技術(shù)人員的工作量。

3.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面是人與機(jī)器進(jìn)行信息交流的場所[3]。該控制系統(tǒng)采用MCGS 作為人機(jī)界面，布置有參數(shù)設(shè)定區(qū)、操作區(qū)、指示區(qū)和顯示區(qū)等4 個(gè)區(qū)域，見圖3。一是設(shè)定區(qū)，通過人機(jī)界面，用戶可根據(jù)實(shí)際需求更改飼喂小車料量設(shè)置，從而改變飼喂小車放料量；通過修改槽位1～槽位3 的需料量，以滿足不同工藝的需求；有些參數(shù)已由技術(shù)人員設(shè)定，如槽位距原點(diǎn)的距離，無需再次設(shè)定。二是操作區(qū)，用來進(jìn)行相關(guān)操作，包括飼喂小車回原點(diǎn)、系統(tǒng)啟動、系統(tǒng)停止、停止放料以及控制放料速度的低速按鈕和高速按鈕。三是指示區(qū)，用來顯示系統(tǒng)的狀態(tài)，這樣用戶從人機(jī)界面上可得知系統(tǒng)的啟動狀態(tài)、放料電機(jī)的運(yùn)行情況等。四是顯示區(qū)，可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)實(shí)際值，包括變頻器的運(yùn)行速度、放料速度、投料速度、槽位1～槽位3 的實(shí)際料量以及飼喂小車的實(shí)際料量等。

圖3 小規(guī)模散養(yǎng)智能飼喂器控制系統(tǒng)的人機(jī)界面

4 小規(guī)模散養(yǎng)智能飼喂器控制系統(tǒng)的操作使用

4.1 回原點(diǎn)操作

合上電源開關(guān)→觸摸操作區(qū)的 “回原點(diǎn)”按鈕→飼喂小車回原點(diǎn)，指示區(qū)的 “原點(diǎn)回歸”信號燈閃爍。

4.2 系統(tǒng)啟動操作

觸摸操作區(qū)的 “系統(tǒng)啟動”按鈕→系統(tǒng)啟動，“系統(tǒng)啟動”信號燈閃爍。

4.3 放料操作

在觸摸屏參數(shù)設(shè)定區(qū)中設(shè)置 “小車料量設(shè)置”參數(shù)→觸摸操作區(qū)的 “低速”按鈕→低速放料，觸摸屏指示區(qū) “低速”和 “放料”指示燈閃爍，顯示區(qū)顯示 “放料速度”。若想加快放料速度，觸摸“高速”按鈕→先低速放料→延時(shí)自動進(jìn)入高速放料狀態(tài)，觸摸屏指示區(qū) “高速”和 “放料”指示燈閃爍，顯示區(qū)顯示 “放料速度”→當(dāng)觸摸屏顯示區(qū)“小車實(shí)際料量”達(dá)到 “小車料量設(shè)置”參數(shù)時(shí)或按下 “停止放料”按鈕→停止放料。

4.4 送料及投料操作

完成放料任務(wù)后，設(shè)置 “槽位1 需料量”參數(shù)→飼喂小車去槽位1 送料，到達(dá)后飼喂小車停止，進(jìn)行投料→投料速度根據(jù)設(shè)置的 “槽位1 需料量”參數(shù)值與 “槽位1 實(shí)際料量”的差值進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，并顯示在觸摸屏顯示區(qū)→當(dāng)觸摸屏顯示區(qū)“槽位1 實(shí)際料量”達(dá)到 “槽位1 需料量”時(shí)，槽位1 投料任務(wù)完成。

若飼喂小車內(nèi)有存料→設(shè)置 “槽位2 需料量”參數(shù)→飼喂小車去槽位2 送料，到達(dá)后飼喂小車停止，進(jìn)行投料；若飼喂小車內(nèi)無存料→飼喂小車回原點(diǎn)自動加料，完成加料任務(wù)后→飼喂小車去槽位2 送料，到達(dá)后飼喂小車停止，進(jìn)行投料。

槽位2 投料任務(wù)完成后，若飼喂小車內(nèi)有存料，設(shè)置 “槽位3 需料量”參數(shù)→飼喂小車向槽位3 送料，到達(dá)后飼喂小車停止，進(jìn)行投料；若飼喂小車內(nèi)無存料，飼喂小車回原點(diǎn)自動加料，完成加料任務(wù)后→飼喂小車去槽位3 送料，到達(dá)后飼喂小車停止，進(jìn)行投料。當(dāng)3 個(gè)槽位均加滿料后，停止投料。

4.5 預(yù)警功能

為了防止飼喂小車越界，設(shè)有限位保護(hù)，一旦越界，系統(tǒng)會出現(xiàn)報(bào)警提示，如 “小車左越程”“小車右越程”。

5 結(jié)束語

小規(guī)模散養(yǎng)智能飼喂器通過對放料、送料、投料的自動控制，大大減輕了勞動強(qiáng)度，提高了勞動效率，響應(yīng)了 “精準(zhǔn)扶貧”國家戰(zhàn)略。通過加快農(nóng)業(yè)科技改革創(chuàng)新，加強(qiáng)先進(jìn)實(shí)用技術(shù)推廣[4]，能夠更好地服務(wù) “三農(nóng)”，助力貧困人員產(chǎn)業(yè)脫貧。對于脫貧致富的用戶，若想適當(dāng)擴(kuò)大規(guī)模，在智能控制方面無需再進(jìn)行投資，工程技術(shù)人員只要增加部分軟件設(shè)計(jì)就可實(shí)現(xiàn)，大大節(jié)省了經(jīng)濟(jì)成本。