牧畜飼料加工過程中的自動化控制與管理研究

農(nóng)鈞麟，明 鑫

（廣西職業(yè)技術(shù)學院，廣西壯族自治區(qū) 南寧 530226）

牧畜飼料加工是我國實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，不僅關(guān)系到畜牧養(yǎng)殖業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展，也關(guān)系著廣大群眾對食品安全的日益關(guān)注與追求。在這一過程中，牧畜飼料生產(chǎn)的流程和質(zhì)量嚴重影響著養(yǎng)殖業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)出質(zhì)量[1，2]?，F(xiàn)代化的牧畜飼料加工自動化控制與管理，能夠有效地提高牧畜飼料生產(chǎn)的效率、質(zhì)量和安全性。一方面，通過自動控制儀器和設備的接口控制，牧畜飼料加工能夠?qū)崿F(xiàn)對于原料的準確配比、物料的輸送和混合，以及機械加工和包裝等各個環(huán)節(jié)的自動化控制，提高生產(chǎn)效率，另一方面，自動化控制與管理系統(tǒng)可以對牧畜飼料生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)測，對于產(chǎn)品損壞或設備故障等異常情況，可及時停機或報警，以更好地采取措施，避免生產(chǎn)出不合格的飼料，保證生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全性和可靠性[4，5]。由此可見，為了更好地順應現(xiàn)代飼料加工的發(fā)展趨勢和市場的需求，需要加大對牧畜飼料加工自動化控制與管理系統(tǒng)的研究開發(fā)，全面推進牧畜飼料加工自動化控制與管理系統(tǒng)的應用。

1 牧畜飼料加工自動化控制與管理系統(tǒng)構(gòu)成

牧畜飼料加工自動化控制與管理系統(tǒng)是一種應用現(xiàn)代科技管理方法和裝備技術(shù)，對牧畜飼料加工過程進行控制與管理的方式。基于牧畜飼料的生產(chǎn)要求，加工自動化控制與管理系統(tǒng)主要由給料系統(tǒng)、稱量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。其中，給料系統(tǒng)由給料機、送料器、儲料罐等設備組成，主要工作是根據(jù)原材料特性，分別選用不同的給料設備；稱量系統(tǒng)主要用采集電子秤進行質(zhì)量判斷，在牧畜飼料加工過程中用以判斷生產(chǎn)原料是否結(jié)束；控制系統(tǒng)是牧畜飼料加工自動化控制與管理系統(tǒng)中最為核心的一環(huán)，主要由稱量儀表、上位工控機、可編程控制器等構(gòu)成。牧畜飼料加工自動化控制與管理系統(tǒng)的總體構(gòu)造見圖1。

圖1 牧畜飼料加工自動化控制與管理系統(tǒng)的總體構(gòu)造Fig.1 Overall structure of the automation control and management system for livestock feed processing

2 設計思路

2.1 PLC技術(shù)概述

PLC 即可編程邏輯控制器，是一種為工業(yè)控制系統(tǒng)專門設計的數(shù)字電子設備[6]。PLC 技術(shù)具有可編程、可控性高、維護方便、可擴展性強、反應速度快等特點，廣泛應用于自動化控制、機器人、工業(yè)生產(chǎn)線等領(lǐng)域[7]。

PLC 技術(shù)的基本原理是將工業(yè)控制邏輯程序編寫成一系列指令，然后將這些指令存儲在PLC 存儲器中，利用程序控制器與外界進行數(shù)據(jù)交換，調(diào)度I/O 接口板及外設，實現(xiàn)對控制過程的管理和控制。這樣既可以有效替代傳統(tǒng)繼電器邏輯控制方式，提高控制精度和反應速度，又可以根據(jù)現(xiàn)場需求進行編程和修改，具有很高的適應性和靈活性。

2.2 PLC系統(tǒng)設計

牧畜飼料加工自動化控制與管理系統(tǒng)設計見圖2。

圖2 牧畜飼料加工自動化控制與管理系統(tǒng)設計Fig.2 Design of automation control and management system for animal feed processing

由圖2 可知，PLC 為牧畜飼料加工自動化控制與管理系統(tǒng)的控制主機，可借助I/O 接口，接收電動機控制中心（MCC柜）輸入的控制按鈕主令信號，然后通過此信號控制臨場硬件設備與模擬屏。借助PLC 控制程序，牧畜飼料加工自動化控制與管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對故障設備的關(guān)停控制。此外，考慮到應用便利性及自動化工程的運行特點，選擇西門子S7-300 作為牧畜飼料加工自動化控制與管理系統(tǒng)的核心部件。該模塊主要涵括導軌、電源、CPU以及接口模塊。

2.3 供電模塊設計

為了確保系統(tǒng)的安全可靠運行，必須采用高質(zhì)量和可靠性強的供電電源。為此，需要設置一個合理、安全和高效的供電模塊，該模塊由隔離變壓器、不間斷電源、本電源等組成。其中，隔離變壓器主要防止電網(wǎng)動蕩對系統(tǒng)供電造成影響；不間斷電源提供持續(xù)不間斷的電流，以保證系統(tǒng)不會由于停電而中斷；本電源是為了適應飼料生產(chǎn)現(xiàn)場高粉塵和高噪音的環(huán)境而設計的電源。供電模塊組成配置見表1。

表1 供電模塊組成配置Tab.1 Composition and configuration of power supply modules

2.4 輸入模塊設計

SM331 是一個采用A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入模塊，主要由A/D 轉(zhuǎn)換部件、模擬切換開關(guān)、光電隔離和補償電路等構(gòu)成[8]。它不僅能夠適用于不同類型的信號轉(zhuǎn)換，包括電壓、電流、電阻、熱電偶等，而且可以根據(jù)型號的不同，從技術(shù)手冊中查看各模擬量輸入范圍的數(shù)字化表示以及數(shù)字量與不同模擬輸出范圍間的對應。在牧畜飼料加工自動化控制與管理系統(tǒng)中，為提高效率，相關(guān)工作人員可利用軟件工具屏蔽部分不用的模擬量通道。此外，考慮到系統(tǒng)實際應用情況，本文選擇了2個8通道的模擬量輸入模塊，不僅能夠滿足信號采集的要求，還能夠在減少費用的同時充分利用機架空間。

2.5 地址分配模塊設計

為方便系統(tǒng)調(diào)整，在進行PLC 自動化控制與管理時，可根據(jù)不同輸入、輸出端子進行控制。系統(tǒng)PLC 輸入輸出配置見表2。

表2 系統(tǒng)PLC輸入輸出配置Tab.2 System PLC input and output configuration

2.6 PID控制模塊設計

在牧畜飼料加工自動化控制與管理系統(tǒng)中，如何確保原材料下料質(zhì)量與設計質(zhì)量相一致，需要研判牧畜飼料原材料的成本配比以及電機開倉位置存在的不同落差與下降速度。為解決這一問題，采用PID控制策略，選用雙速變徑變距螺旋加料機，并借助控制算法編寫，消除不利因素影響。當下料值高于或低于設定值時，PLC會進入報警狀態(tài)。

2.7 PLC數(shù)據(jù)采集模塊設計

PLC數(shù)據(jù)采集流程見圖3。在牧畜飼料加工自動化控制與管理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集模塊的內(nèi)容主要有PLC數(shù)據(jù)采集，傳輸命令見以下3個步驟：第一步，讀取內(nèi)存字節(jié)：@00RD+內(nèi)存地址+讀取字節(jié)+……+FCS+’*’+Enter（13H），其中，F(xiàn)CS（frame check sequence）是PLC 的幀檢驗序列，以便判斷接收幀的網(wǎng)卡或接口是否發(fā)生錯誤；第二步，寫內(nèi)存字節(jié)：@00WD+內(nèi)存地址+寫入字節(jié)+FCS+’*’+Enter（13H），此處FCS 是三菱PLC 的幀檢驗序列；第三步，PLC自測試：@00TS+寫入字節(jié)。

圖3 PLC數(shù)據(jù)采集流程Fig.3 PLC data collection process

3 結(jié)語

牧畜飼料加工是肉類、奶制品等畜牧產(chǎn)品生產(chǎn)的重要支撐，對畜牧產(chǎn)品質(zhì)量和品牌形象有著重要影響。然而，傳統(tǒng)的牧畜飼料加工過程往往需要大量的人工參與，不僅容易出現(xiàn)操作失誤和浪費現(xiàn)象，而且存在食品安全隱患和管理難度大等問題。為此，本文基于PCL 技術(shù)構(gòu)建的牧畜飼料加工自動化控制與管理系統(tǒng)，可在加工過程中提高生產(chǎn)效率、降低成本損耗、有效避免過量人工參與，具有廣泛的應用前景和經(jīng)濟效益。