預(yù)混料配料控制系統(tǒng)研究

鄧遵義

(河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450007)

隨著人民生活水平的提高，動(dòng)物性食品在日常消費(fèi)食品中的比例日益提升，作為各類飼養(yǎng)動(dòng)物主要食物來源的飼料工業(yè)也迎來了蓬勃發(fā)展的機(jī)遇。飼料添加劑是配合飼料的重要組成部分，對配合飼料的飼養(yǎng)效果起著決定性作用。但飼料添加劑在配合飼料中的添加量很少，直接添加時(shí)很難保證添加量的準(zhǔn)確性和在飼料中的分布均勻性。通常先把各種飼料添加劑按配方與載體或稀釋劑均勻混合為添加劑預(yù)混料，再用添加劑預(yù)混料作為配合飼料的添加劑。這樣添加劑預(yù)混料就對飼料質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。另外，動(dòng)物性食品的安全性也和添加劑預(yù)混料的質(zhì)量息息相關(guān)。為了生產(chǎn)出高質(zhì)量的預(yù)混料，除了優(yōu)化預(yù)混料生產(chǎn)工藝和提高飼料生產(chǎn)裝備的制造水平外，在預(yù)混料生產(chǎn)工藝流程中采用技術(shù)先進(jìn)、精確度高和安全可靠的自動(dòng)配料控制系統(tǒng)也是一個(gè)重要舉措。

1 預(yù)混料配料控制系統(tǒng)發(fā)展

預(yù)混料在飼料工業(yè)中屬于小而精的部分，技術(shù)含量較高。我國的預(yù)混料工業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了從無到有，從國外引進(jìn)到消化吸收，適合國情再創(chuàng)新的過程，現(xiàn)在不但能夠滿足國內(nèi)市場，隨著國家一帶一路政策的發(fā)展，還出口到了一帶一路沿線國家。預(yù)混料配料控制系統(tǒng)隨著自動(dòng)化、互聯(lián)網(wǎng)、智能控制等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，也在與時(shí)俱進(jìn)，不斷發(fā)展進(jìn)步?？v觀預(yù)混料配料控制系統(tǒng)的發(fā)展，按照先進(jìn)性和應(yīng)用時(shí)間先后，大致可分為手動(dòng)控制，繼電器連鎖控制，PLC、單片機(jī)集中控制，集散控制4種方式。

1．1 手動(dòng)控制

主要應(yīng)用在預(yù)混料工業(yè)形成的早期，進(jìn)料、稱量、混合、打包等配料工序都由人工操作完成，人工操作勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、精度得不到保證。

1．2 繼電器連鎖控制

通過繼電器觸點(diǎn)及彼此間的連線實(shí)現(xiàn)設(shè)備按配料工藝要求依次動(dòng)作，但存在著體積龐大，控制可靠性低，適應(yīng)性差，調(diào)整和維護(hù)困難的問題。

1．3 PLC、單片機(jī)集中控制

由PLC、單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，控制功能通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)，工藝改變時(shí)，控制調(diào)整方便，配方管理實(shí)現(xiàn)容易。但存在著風(fēng)險(xiǎn)高度集中，布線復(fù)雜，線纜成本高，維護(hù)不方便的問題。

1．4 集散控制

集散控制的基本思想是集中管理、分散控制，將各控制模塊分散在控制設(shè)備現(xiàn)場，各控制模塊與總控室的管理計(jì)算機(jī)構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場的線纜只要接到就近的控制模塊即可，而不必全部接回總控室。具有控制風(fēng)險(xiǎn)分散、結(jié)構(gòu)靈活，布線簡單，線纜成本低，維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。

前3種控制方式由于技術(shù)落后、具有明顯缺點(diǎn)，已經(jīng)很少采用?，F(xiàn)如今的預(yù)混料配料控制系統(tǒng)基本上都采用了集散控制的思想，但由于采用的通信方式不同，又可分為基于RS-485、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線混合、工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)。

RS-485通信是為了解決RS-232通信距離短，只能支持點(diǎn)對點(diǎn)通信而產(chǎn)生的，如第3種控制方式中，上位機(jī)和PLC、單片機(jī)多采用RS-232通信。RS-485通信抗干擾能力和實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，有可能導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信癱瘓?；赗S-485的通信協(xié)議最著名的是Modicon公司開發(fā)的Modbus協(xié)議，在現(xiàn)場總線普及應(yīng)用之前，RS-485通信曾經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用在底層的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能現(xiàn)場設(shè)備和控制裝置間的多點(diǎn)通信?，F(xiàn)場總線和RS-485通信相比，具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代了RS-485通信，在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。常用的現(xiàn)場總線有CAN總線、Profibus總線、CC-link總線等。

工業(yè)以太網(wǎng)是在現(xiàn)場總線之后發(fā)展應(yīng)用起來的，在發(fā)展的初期主要應(yīng)用在工業(yè)信息管理系統(tǒng)上，在工廠現(xiàn)場設(shè)備控制層仍然用現(xiàn)場總線技術(shù)，出現(xiàn)了基于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的混合控制系統(tǒng)。這種混合控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，組網(wǎng)和維護(hù)困難。隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展成熟，工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性得到了很大地提高，在現(xiàn)場設(shè)備控制層也得到了廣泛應(yīng)用，以太網(wǎng)通信接口在智能設(shè)備和I/O模塊上也成為了標(biāo)準(zhǔn)配置，為工業(yè)以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。工廠信息管理系統(tǒng)和設(shè)備控制層的通信統(tǒng)一為工業(yè)以太網(wǎng)后，二者可以直接地、無縫地連接，不再需要任何專用設(shè)備，一網(wǎng)到底，消除了企業(yè)內(nèi)部的各種信息自動(dòng)化孤島。常用的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議有Modbus/TCP、Profinet、EtherCAT等。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信方式的首要選擇，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”上升為國家戰(zhàn)略，對工業(yè)以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用起到了積極地推動(dòng)作用。

2 總體控制方案和硬件配置

2.1 預(yù)混料工藝流程簡介

預(yù)混料是飼料添加劑預(yù)混合飼料的簡稱，是將微量礦物元素、維生素、合成氨基酸、某些藥物添加劑等與載體按配方要求，均勻混合后制成的中間型配合飼料產(chǎn)品[2]。其主要工藝流程如圖1所示，預(yù)混料的原料一般由專業(yè)外協(xié)原料廠家提供，不需要再作加工處理，配料、混合、包裝之間聯(lián)系緊密，工藝流程簡潔；但預(yù)混料原料品種多，組成成分復(fù)雜，各組分添加用量懸殊，物料粒度細(xì)，且某些成分有毒性。這些特點(diǎn)決定了預(yù)混料配料系統(tǒng)的配料精度和準(zhǔn)確性要求高，混合的均勻性要求高，車間的粉塵控制要求高。

圖1 預(yù)混料工藝流程

2.2 總體控制方案

要保證預(yù)混料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)配料的精度和混合的均勻性要求，除了選擇合適、先進(jìn)的預(yù)混料加工工藝和設(shè)備外，合理、先進(jìn)的控制系統(tǒng)也起著至關(guān)重要的作用。該控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對整個(gè)預(yù)混料配料過程的自動(dòng)控制，就要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制多種添加劑與載體按照一定的配方比例混合搭配，完成自動(dòng)出倉、倉容信息顯示、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、人機(jī)交互、配方管理、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能。根據(jù)預(yù)混料配料工藝流程的特點(diǎn)和當(dāng)前自動(dòng)化控制技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，采用基于工業(yè)以太網(wǎng)的控制方案，工業(yè)以太網(wǎng)選用Profinet協(xié)議。上位機(jī)采用德國倍福自動(dòng)化科技有限公司的高性能柜式工控機(jī)C6930，主要進(jìn)行配料工藝流程的監(jiān)控、人機(jī)交互、配方管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集與處理等。下位機(jī)采用支持工業(yè)以太網(wǎng)通信的西門子S7-1200PLC和德國萬可電子有限公司的750系列工業(yè)以太網(wǎng)I/O模塊，主要承擔(dān)預(yù)混料配料工藝流程中各設(shè)備的控制任務(wù)和按照配方實(shí)現(xiàn)稱量、混合搭配。PLC、工業(yè)以太網(wǎng)I/O模塊、配料工作站工控機(jī)、總控中心計(jì)算機(jī)、各投料口的LED顯示屏通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)連接，組成一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 硬件配置

某預(yù)混料配料系統(tǒng)有輸入點(diǎn)110個(gè)，輸出點(diǎn)74個(gè)，配料秤3臺，可選用西門子S7-1200型PLC，該P(yáng)LC配置有1215C CPU單元、2個(gè)以太網(wǎng)接口，10個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，l6個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)，2路模擬量輸入通道，2路模擬量輸出通道。遠(yuǎn)程I/O模塊選用德國萬可電子有限公司的ProfinetI/O模塊750系列，其中750-377(Profinet I/O適配器)3個(gè)，1個(gè)和PLC一起放置在控制柜中，另外2個(gè)分別配置在原料倉頂部和原料倉底部，750-1405(16點(diǎn)數(shù)字量輸入模塊)7個(gè)，750-1500(16點(diǎn)數(shù)字量輸出模塊)5個(gè)，750-602(電源模塊)3個(gè)，750-555(4通道模擬量輸出模塊)1個(gè)。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3．1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控軟件在WinCC7.4開發(fā)環(huán)境下完成，主要完成預(yù)混料配料工藝流程圖、設(shè)備故障報(bào)警、配方管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與查詢等功能。預(yù)混料配料工藝流程監(jiān)控組態(tài)畫面用形象的彩色圖畫或符號表示工藝流程中的設(shè)備，并用動(dòng)畫的形式表示出來設(shè)備的開機(jī)、停機(jī)和故障狀態(tài)。配料工藝流程組態(tài)如圖3示。設(shè)備故障報(bào)警功能是在配料工藝流程中的設(shè)備有故障發(fā)生時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，并把故障發(fā)生設(shè)備的編號、所處位置等信息顯示出來，使維修人員能方便及時(shí)地進(jìn)行故障處理，這些故障信息還可保存在數(shù)據(jù)庫中，以備需要時(shí)進(jìn)行查詢。生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與查詢功能把從各配料秤和自動(dòng)打包機(jī)上采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，形成日報(bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表，統(tǒng)計(jì)出每日、每月、每年生產(chǎn)總產(chǎn)量、每種原料的消耗量，并可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢。配方管理功能是配料系統(tǒng)的核心，可以增加新的配方，修改已存在的配方，查詢已存在的配方，也可以刪除不需要的配方。

圖3 配料工藝組態(tài)圖

3．2 PLC軟件設(shè)計(jì)

預(yù)混料配料功能是通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)的，程序編制是在TIA博途V15全集成自動(dòng)化軟件下進(jìn)行的，采用了模塊化的編程思想，軟件由一個(gè)主程序和若干個(gè)功能模塊和數(shù)據(jù)塊組成。由于預(yù)混料系統(tǒng)的工藝流程簡潔，設(shè)備數(shù)量不多，控制程序的難點(diǎn)和重點(diǎn)主要集中在配料程序模塊的設(shè)計(jì)上。PLC接收配料工作站上位機(jī)發(fā)送的配方數(shù)據(jù)，配料秤通過稱重儀表GM8802F把重量信號通過通信的方式實(shí)時(shí)傳送給PLC，由PLC通過模擬量模塊輸出模擬量信號改變變頻器的頻率大小。在喂料初期，安裝在原料倉下面的給料圓管絞龍?jiān)谧冾l器控制下高速快喂料，以滿足高速快喂料的要求，在喂料終了階段，給料圓管絞龍低速慢喂料，以保證稱重準(zhǔn)確度。配料秤卸料門和混合機(jī)卸料門實(shí)行連鎖控制，在一種原料配料完成時(shí)，配料秤卸料門打開，混合機(jī)卸料門關(guān)閉，原料進(jìn)入混合機(jī)進(jìn)行攪拌?；旌蠒r(shí)間到時(shí)，混合機(jī)停止，卸料門打開，混合均勻的物料進(jìn)入緩沖倉，準(zhǔn)備進(jìn)入打包工序?；旌蠙C(jī)卸料結(jié)束后，卸料門關(guān)閉，準(zhǔn)備下一批次配料。配料程序流程圖參見筆者已發(fā)表的文獻(xiàn)[5]，在此不再贅述。

當(dāng)達(dá)到配方設(shè)定重量，給料圓管絞龍停止時(shí)，給料圓管絞龍出料口和配料秤料斗之間還有一部分物料正在空中下落，還沒落入配料秤料斗，這部分物料的重量值稱為進(jìn)料落差值。進(jìn)料落差值是影響配料精度的重要因素，需要妥善處理。進(jìn)料落差值的精確測量比較困難，而且物料種類變化時(shí)，進(jìn)料落差值也會(huì)發(fā)生變化，這樣進(jìn)料落差值不能設(shè)定為定值，應(yīng)該是一個(gè)不斷修正變化的值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先給進(jìn)料落差值一個(gè)初始值，當(dāng)稱量誤差超出允許誤差的絕對值時(shí)，對進(jìn)料落差值進(jìn)行調(diào)整修正。因?qū)嶋H加料重量值為配方設(shè)定值減去進(jìn)料落差值，當(dāng)最終實(shí)際稱量值與配方設(shè)定值之間產(chǎn)生正誤差時(shí)，給進(jìn)料落差值增大一個(gè)步長值，一直到稱量誤差在允許范圍內(nèi)為止。當(dāng)最終實(shí)際稱量值與配方設(shè)定值之間產(chǎn)生負(fù)誤差時(shí)，給進(jìn)料落差值減小一個(gè)步長值，一直到稱量誤差在允許范圍內(nèi)為止。這種算法思想稱作自適應(yīng)落差調(diào)整算法，采用自適應(yīng)落差調(diào)整算法可以減小進(jìn)料落差對配料精度的影響，使實(shí)際配料稱重值保持在誤差允許范圍內(nèi)。

5 小結(jié)

生產(chǎn)高質(zhì)量的預(yù)混料產(chǎn)品是飼料生產(chǎn)廠家孜孜追求的目標(biāo)，要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，除了選擇先進(jìn)的預(yù)混料加工工業(yè)和設(shè)備外，合適、先進(jìn)的預(yù)混料配料控制系統(tǒng)也是一個(gè)重要保證。本研究構(gòu)建的預(yù)混料配料控制系統(tǒng)以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為通信方式，一網(wǎng)到底，消除了不同協(xié)議設(shè)備間的信息化孤島，技術(shù)先進(jìn)、成本低，方便功能擴(kuò)展、信息集成，實(shí)現(xiàn)智能工廠。整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、性能優(yōu)良、配料精度高，不僅適用于預(yù)混料配料行業(yè)，對面粉、制藥、化工、食品等領(lǐng)域的配料控制也有重要的借鑒意義。