智能飼喂系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

何 葉，唐 妍，王均山

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道交通學(xué)院，江蘇 南京 211188)

0 引言

近十年，我國養(yǎng)殖業(yè)取得了高速發(fā)展，由分散經(jīng)營、規(guī)模小轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的集中經(jīng)營、大規(guī)模飼養(yǎng)。規(guī)?；酿B(yǎng)殖對(duì)設(shè)備的機(jī)械化和自動(dòng)化提出了更高的要求。二十大指出加快建設(shè)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國，需要采用新技術(shù)對(duì)裝備進(jìn)行現(xiàn)代化升級(jí)以及對(duì)養(yǎng)殖場進(jìn)行數(shù)字化管理，提升養(yǎng)殖業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化程度。可編程邏輯器PLC因其體積小、可靠性高、功能強(qiáng)大、拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域。本文利用現(xiàn)代化的自動(dòng)控制、傳感和通信等技術(shù)設(shè)計(jì)與開發(fā)一套智能飼喂系統(tǒng)，采用分散控制、集中處理的方式，并用組態(tài)軟件進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋各飼養(yǎng)棚內(nèi)的飼喂系統(tǒng)工作狀態(tài)，以提升養(yǎng)殖效益以及提高生產(chǎn)力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

規(guī)?；B(yǎng)殖場內(nèi)一般都有多個(gè)飼養(yǎng)棚，不同時(shí)期的禽畜分開飼養(yǎng)。既要考慮各飼養(yǎng)棚的差異進(jìn)行分散控制，也要考慮控制室的集中管理，因此智能飼喂系統(tǒng)主要由主控制器、從控制器和多臺(tái)飼喂小車組成。每個(gè)飼養(yǎng)棚內(nèi)均配置一臺(tái)PLC和一臺(tái)飼喂小車。主控制器安裝在控制室內(nèi)，并配置一臺(tái)人機(jī)交互界面，方便管理員查看各棚內(nèi)的飼喂系統(tǒng)運(yùn)行情況，包括每個(gè)槽位的情況，飼喂車、槽內(nèi)飼料量等。

本文以有4個(gè)飼養(yǎng)棚的養(yǎng)殖場為例，配置4臺(tái)飼喂小車，各小車的控制由從站可編程控制器實(shí)現(xiàn)，控制室的主站可編程控制器對(duì)各飼養(yǎng)棚內(nèi)的從控制器集中監(jiān)控。PLC選擇主流品牌三菱，主站選用體積小、雙協(xié)同處理的Q00U CPU系列，從站選擇三菱第三代系列FX3U，智能飼喂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能飼喂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 飼喂小車設(shè)計(jì)

飼喂小車主要由以下幾部分組成：小車本體、行程軌道、小車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、放料電動(dòng)機(jī)、投料電機(jī)以及攪拌電機(jī)。伺服電機(jī)M1驅(qū)動(dòng)小車的往返運(yùn)動(dòng)，小車內(nèi)部的放料由三相異步電動(dòng)機(jī)M2驅(qū)動(dòng)(M2為由變頻器進(jìn)行多段速控制)，雙速電機(jī)M3實(shí)現(xiàn)小車向槽內(nèi)投料，攪拌電機(jī)M4用來對(duì)槽位內(nèi)的飼料進(jìn)行攪拌振動(dòng)。小車的行程軌跡固定，左右兩側(cè)均有限位，分別為SQ1和SQ3。飼喂小車系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 飼喂小車系統(tǒng)

初始狀態(tài)小車回到原點(diǎn)等待信號(hào)，啟動(dòng)信號(hào)既可以通過棚內(nèi)的按鈕控制，也可以通過主站的觸摸屏來控制。接收到啟動(dòng)信號(hào)后，放料電機(jī)運(yùn)行向小車內(nèi)放料，小車滿載為200 kg。放料電機(jī)在高速運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行，放料速度為10 kg/s；放料電機(jī)在低速運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行，投料速度為2 kg/s。小車裝滿放料結(jié)束后小車右行運(yùn)行至槽1位置停止，內(nèi)部投料電機(jī)M2運(yùn)行，向槽1投放飼料，投料電機(jī)在50 Hz狀態(tài)下運(yùn)行，投料速度為5 kg/s；投料電機(jī)在40 Hz狀態(tài)下運(yùn)行，投料速度為4 kg/s。投料速度與電機(jī)工作頻率成比例關(guān)系，投料速度以及投料總量均可以通過人機(jī)界面設(shè)置，系統(tǒng)提供初始值。當(dāng)槽1飼料達(dá)到設(shè)定值后，再向槽2投放，當(dāng)槽2飼料達(dá)到設(shè)定值后，再向槽3投放，直到所有槽都滿時(shí)，小車回原點(diǎn)，系統(tǒng)停止運(yùn)行。投放過程中，如果小車中飼料投放完畢，小車回到原點(diǎn)重新裝料，裝料后回到之前的料槽繼續(xù)投放。在手動(dòng)模式下，飼養(yǎng)員可以控制小車直接去對(duì)應(yīng)的槽中投料。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括通信程序設(shè)計(jì)、PLC程序設(shè)計(jì)以及上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。

3.1 CC-Link組網(wǎng)的程序設(shè)計(jì)

三菱PLC可選用相應(yīng)的通信模塊與大、中型PLC組網(wǎng)，組成基于CC-Link現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場總線是一種具備高度數(shù)字化、離散化、雙向智能化、互聯(lián)互通、多數(shù)據(jù)種類、多站點(diǎn)數(shù)量等特征的通信網(wǎng)絡(luò)[1]。

主站選用QJ61BT11N通信模塊，從站選用FX2N-32CCL通信模塊與主站組成CC-Link現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)程輸入起始地址為M600，遠(yuǎn)程輸出起始地址為M200，遠(yuǎn)程輸入寄存器起始地址為D300，遠(yuǎn)程輸出寄存器起始地址為D200。從站作為遠(yuǎn)程設(shè)備站占用2站，遠(yuǎn)程站點(diǎn)數(shù)為64個(gè)，遠(yuǎn)程寄存器數(shù)為8個(gè)。從站1通信程序如圖3所示，其余從站通信按需分配遠(yuǎn)程輸入、輸出起始地址和寄遠(yuǎn)程存器起始地址即可。

圖3 從站1和從站2通信程序

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

主站承擔(dān)的任務(wù)較重，控制程序在QCPU處編寫完成，從站接收到控制信號(hào)后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。Q系列PLC的SFC有豐富的指令：SFC塊、SFC控制指令和步屬性等[2]。主站創(chuàng)建公共塊(BL0)、1號(hào)飼養(yǎng)棚運(yùn)行塊(BL1)、2號(hào)飼養(yǎng)棚運(yùn)行塊(BL2)、3號(hào)飼養(yǎng)棚運(yùn)行塊(BL3)和4號(hào)飼養(yǎng)棚運(yùn)行塊(BL4)。公共塊控制各飼養(yǎng)棚運(yùn)行塊的執(zhí)行。觸摸屏的啟動(dòng)按鍵或者棚內(nèi)啟動(dòng)按鈕信號(hào)都可以啟動(dòng)設(shè)備。1號(hào)飼養(yǎng)棚監(jiān)控畫面中啟動(dòng)按鍵鏈接數(shù)據(jù)對(duì)象M1，棚內(nèi)的啟動(dòng)按鈕SB1的遠(yuǎn)程輸入地址M600，均可啟動(dòng)1號(hào)棚運(yùn)行塊。2號(hào)飼養(yǎng)棚監(jiān)控畫面中啟動(dòng)按鍵鏈接數(shù)據(jù)對(duì)象M2，棚內(nèi)的啟動(dòng)按鈕SB2的遠(yuǎn)程輸入地址M700，均可啟動(dòng)2號(hào)棚運(yùn)行塊。3號(hào)棚和4號(hào)棚運(yùn)行塊啟動(dòng)原理一樣，圖4為公共塊部分程序。

圖4 公共塊部分程序

塊BL1、BL2、BL3和BL4內(nèi)部采用選擇性流程編程方法，用于切換手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。通信設(shè)置中已將主站中遠(yuǎn)程輸出寄存器M200～M215的數(shù)值賦值給從站1的Y0～Y15，因此主站可以直接控制從站中的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行工作。從站1輸入信號(hào)X0～X15的數(shù)值賦值給了M600～M615，主站也可直接讀取。主站復(fù)雜的數(shù)據(jù)可以通過D200～D207傳遞給從站，從站復(fù)雜的數(shù)據(jù)可以通過D300～D307傳遞給主站。

3.3 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)選用昆侖通態(tài)公司TPC系列，該系列人機(jī)界面具有高亮度、高分辨率的液晶顯示屏，配套的MCGS組態(tài)軟件具有功能完善、操作簡便、可維護(hù)性等優(yōu)點(diǎn)。MCGS可用于搭建與工控機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)的工業(yè)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測與控制，廣泛應(yīng)用于Windows操作系統(tǒng)[3]。用戶只需要通過簡單的模塊化組態(tài)就可構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。

上位機(jī)監(jiān)控畫面首頁中可以選擇相應(yīng)的飼養(yǎng)棚界面。監(jiān)控畫面主要分為狀態(tài)顯示區(qū)、參數(shù)設(shè)定區(qū)和模式選擇區(qū)。狀態(tài)顯示區(qū)顯示相應(yīng)各臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以及實(shí)時(shí)反映各槽中的當(dāng)前投放量和小車內(nèi)當(dāng)前飼料量；參數(shù)設(shè)定區(qū)中可以對(duì)飼喂小車載重量以及各槽需料量進(jìn)行設(shè)定；模式選擇區(qū)提供兩種工作模式選擇：手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，隨意切換；還提供了急停按鍵，用于監(jiān)控室面對(duì)突發(fā)情況的應(yīng)急處理。整個(gè)監(jiān)控畫面簡潔明了，方便操作，如圖5所示。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的多飼養(yǎng)棚智能飼喂系統(tǒng)，可以有效地提高大規(guī)模養(yǎng)殖的機(jī)械化和自動(dòng)化水平，有效節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。該智能系統(tǒng)具有一定的可拓展性和冗余度。三菱Q系列PLC的CC-Link通信，最多可以掛64個(gè)邏輯站。新增飼養(yǎng)棚時(shí)，系統(tǒng)只需添加從站，將新增的從站與現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行總線連接即可。在后續(xù)智能飼喂系統(tǒng)中可以添加傳感器采集模塊，實(shí)時(shí)采集飼養(yǎng)棚內(nèi)的溫度、濕度以及槽內(nèi)飼料的重量，可實(shí)時(shí)添加飼料?；赯igBee/GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控相結(jié)合的多參數(shù)環(huán)境監(jiān)控的系統(tǒng)方案，為養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)與工業(yè)控制的結(jié)合開辟了新的思路[4]。

圖5 1號(hào)飼養(yǎng)棚人機(jī)界面組態(tài)