基于PLC 的飼料生產(chǎn)線控制系統(tǒng)研究

陳創(chuàng)業(yè)，陳立濤，陳 蕊，胡天讓，張旭紅，李先山，孔 祥

(1.甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006；2.甘肅省慶陽(yáng)市寧縣畜牧獸醫(yī)站，甘肅 慶陽(yáng) 745200)

我國(guó)的飼料行業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，生產(chǎn)技術(shù)也在不斷創(chuàng)新突破。自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展有效提高了飼料生產(chǎn)設(shè)備的工作效率，也大幅度地提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。我國(guó)飼料生產(chǎn)行業(yè)未來(lái)必然朝著智能化自動(dòng)化的方向發(fā)展，飼料行業(yè)的發(fā)展也能夠帶動(dòng)我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)我國(guó)的食品安全也能夠起到直接的影響，因此對(duì)可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)自動(dòng)化控制系統(tǒng)在飼料生產(chǎn)線中的應(yīng)用研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，能夠?yàn)槲覈?guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到推動(dòng)的作用。

1 飼料生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 飼料生產(chǎn)控制程序流程

飼料生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中采用可編程控制器系統(tǒng)(圖1)，現(xiàn)階段，在設(shè)計(jì)各類PLC 控制系統(tǒng)的程序時(shí)，通常存在控制結(jié)構(gòu)的選擇問(wèn)題，不同的生產(chǎn)需求采用適用的控制結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)程序也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的電路組成和編程差異性產(chǎn)生一定的影響。循環(huán)控制系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)通常為模塊式的結(jié)構(gòu)，由多個(gè)程序塊進(jìn)行組織串聯(lián)，每個(gè)程序塊分別進(jìn)行某個(gè)功能的控制。飼料生產(chǎn)控制系統(tǒng)程序流程CPU 運(yùn)行時(shí)從起點(diǎn)開始，各個(gè)執(zhí)行的程序塊依次傳達(dá)指令，一直到程序的終點(diǎn)，構(gòu)成整個(gè)運(yùn)行周期，并進(jìn)行重復(fù)的循環(huán)執(zhí)行。

1.2 PID 控制設(shè)計(jì)

飼料生產(chǎn)線中采用比例積分微分 (proportional-integral-derivative，PID) 控制算法，通過(guò)數(shù)字調(diào)節(jié)器對(duì)輸出與輸入之間的關(guān)系進(jìn)行協(xié)調(diào)，具體公式為：

式中Kp為比例系數(shù)，Ti為時(shí)間常數(shù)，Td微分時(shí)間常數(shù)。

飼料生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)中原料的下料重量需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)整，在原料從料倉(cāng)進(jìn)入配料倉(cāng)的過(guò)程中，對(duì)下料的重量進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)范，這也會(huì)直接影響飼料生產(chǎn)的質(zhì)量。眾多因素會(huì)影響動(dòng)態(tài)稱重的精度，除了電子皮帶秤的安裝位置和自身的質(zhì)量因素以外，飼料生產(chǎn)過(guò)程中的內(nèi)外環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生影響，不同的飼料在配比、電機(jī)的開倉(cāng)位置、流量的速度等都會(huì)帶來(lái)一定的影響。為提高飼料稱重的精度，可以采用雙速變徑變距螺旋加料機(jī)以微調(diào)點(diǎn)動(dòng)、先快后慢的模式來(lái)進(jìn)行飼料的進(jìn)給。通過(guò)PID 控制算法對(duì)全動(dòng)態(tài)的加料快慢、點(diǎn)動(dòng)下料控制進(jìn)行設(shè)置，這樣能夠有效降低稱量精度受到空中落料的影響，具體控制流程如圖2 所示。

1.3 PLC 數(shù)據(jù)采集

飼料生產(chǎn)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集可以分為PLC 數(shù)據(jù)采集和配料倉(cāng)的電子秤數(shù)字信號(hào)采集。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行合并后統(tǒng)一儲(chǔ)存，后期進(jìn)行統(tǒng)一的拆包和顯示，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)信息傳送給遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接PLC 通訊，對(duì)各個(gè)艙門實(shí)現(xiàn)開關(guān)的自動(dòng)化控制。通過(guò)計(jì)算機(jī)協(xié)議與PLC 控制器進(jìn)行通信串聯(lián)，通過(guò)串口發(fā)送命令格式給PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行操作執(zhí)行，再通過(guò)串口對(duì)信息進(jìn)行反饋。在設(shè)計(jì)飼料生產(chǎn)線的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)時(shí)，為達(dá)到統(tǒng)一控制操作的目標(biāo)，下料的過(guò)程中可以由計(jì)算機(jī)與PLC 進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。技術(shù)人員也要在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)PLC 的內(nèi)存數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，以此為基礎(chǔ)對(duì)PLC 的控制指令進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整。

2 飼料生產(chǎn)監(jiān)控管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 構(gòu)建監(jiān)控管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

通過(guò)分析飼料生產(chǎn)工藝和控制系統(tǒng)，結(jié)合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、適用性等實(shí)際需求，在設(shè)計(jì)飼料生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)化控制系統(tǒng)時(shí)，可以采用大型的動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)，采用調(diào)度顯示盤連接地面總站和飼料生產(chǎn)線中的多個(gè)分站，通過(guò)各類傳感器對(duì)多個(gè)飼料生產(chǎn)臺(tái)進(jìn)行控制。大型的模擬調(diào)度顯示盤組成內(nèi)容包括CPU、I/O 模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、不間斷電源柜(uninterruptible power system，UPS)等。網(wǎng)絡(luò)通訊模塊的功能性在于連接大型動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)和帶式輸送運(yùn)輸系統(tǒng)。飼料的生產(chǎn)監(jiān)管主站內(nèi)容包括中心控制柜、中心控制站、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等。中心控制柜的功能為控制和監(jiān)控主機(jī)的控制器，在飼料生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)生產(chǎn)設(shè)備發(fā)出操作指令，各個(gè)生產(chǎn)分站根據(jù)指令操控飼料生產(chǎn)設(shè)備，通過(guò)控制現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)將操作指令發(fā)送給PLC 系統(tǒng)，對(duì)各個(gè)飼料生產(chǎn)分站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋，最后通過(guò)局域網(wǎng)對(duì)不同生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行信息傳送。生產(chǎn)過(guò)程中可以通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)各個(gè)分站進(jìn)行自動(dòng)管理，將工藝參數(shù)、控制參數(shù)發(fā)送到PLC 系統(tǒng)中，并顯示到動(dòng)態(tài)顯示設(shè)備上。在飼料生產(chǎn)過(guò)程中，一旦出現(xiàn)故障或者緊急問(wèn)題，都可以通過(guò)PLC 系統(tǒng)進(jìn)行自檢和警告。設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，報(bào)警裝置會(huì)通過(guò)遠(yuǎn)程系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)通過(guò)指示燈和聲音進(jìn)行報(bào)警。中心控制臺(tái)可以通過(guò)控制開關(guān)滿足生產(chǎn)過(guò)程中的各種功能需求，并設(shè)置故障提醒功能。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)可以生成并打印生產(chǎn)報(bào)表，也可以顯示電機(jī)電流和皮帶的運(yùn)行速度，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況。

2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

PLC 控制系統(tǒng)既能控制現(xiàn)場(chǎng)，也可以通過(guò)協(xié)議與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，接收生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)指令，采集數(shù)據(jù)信息，并將采集到的信號(hào)輸送給生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)通過(guò)局域網(wǎng)控制遠(yuǎn)程設(shè)備。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以保存和顯示現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)傳輸過(guò)來(lái)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行控制指令的發(fā)送，通過(guò)局域網(wǎng)傳輸給生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)，進(jìn)而達(dá)到控制生產(chǎn)設(shè)備的目的。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，全部采用WIN 系統(tǒng)進(jìn)行操控，配備測(cè)控軟件、遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，通過(guò)軟件登錄等身份驗(yàn)證確保信息安全，保存并調(diào)取生產(chǎn)過(guò)程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。通過(guò)PLC 自定義數(shù)據(jù)通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，采用編程技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的通信連接，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和傳輸?shù)挠行?。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)管理功能模塊主要包括用戶的信息管理、控制參數(shù)的管理和設(shè)置、生產(chǎn)過(guò)程的管理和設(shè)置、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和備份等。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)可設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，對(duì)飼料生產(chǎn)過(guò)程中的相關(guān)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，用以后期的分析、利用，從而更新和完善生產(chǎn)系統(tǒng)。操作人員可以通過(guò)工號(hào)或者口令登錄系統(tǒng)，成功后可以設(shè)置生產(chǎn)工藝參數(shù)。生產(chǎn)前要確定生產(chǎn)的設(shè)計(jì)配方，對(duì)原料入庫(kù)進(jìn)行準(zhǔn)確有效的記錄。在生產(chǎn)過(guò)程中，操作人員要進(jìn)行配方選擇、生產(chǎn)批次以及工藝的統(tǒng)一，系統(tǒng)每進(jìn)行一次生產(chǎn)就要更新數(shù)據(jù)庫(kù)，將原料的消耗記錄和配方產(chǎn)品的記錄、生產(chǎn)的批次等輸入數(shù)據(jù)庫(kù)。本批次的生產(chǎn)結(jié)束后，操作人員需要對(duì)產(chǎn)品的原料庫(kù)存、原料入庫(kù)、原料消耗、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)批次等情況進(jìn)行入檔、統(tǒng)計(jì)、查詢和分析。飼料生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)均采用大型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和維護(hù)，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和安全性對(duì)企業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。通過(guò)良好的結(jié)構(gòu)和明確的關(guān)系能夠更好地構(gòu)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到充分利用數(shù)據(jù)的目的。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析和利用，為企業(yè)發(fā)展決策提供有效參考。

3 小結(jié)

本文通過(guò)對(duì)飼料生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)進(jìn)行闡述，優(yōu)化和完善了飼料生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)，以PLC 自動(dòng)控制功能為核心技術(shù)，設(shè)計(jì)飼料生產(chǎn)監(jiān)控平臺(tái)。通過(guò)研究可以得出，PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)具有較為全面的功能性、較高的穩(wěn)定性、較低的成本、較高的生產(chǎn)效率以及較強(qiáng)的開發(fā)性、可拓展性和工程實(shí)用性。PLC 飼料生產(chǎn)控制系統(tǒng)不僅能夠應(yīng)用于飼料廠的生產(chǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)型和革新，也可以舉一反三地推廣到醫(yī)藥、食品加工以及建筑材料生產(chǎn)等行業(yè)中，能夠達(dá)到較高的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。