飼料廠中央控制系統的研究與虛擬系統的構建

裴朝東

飼料廠中央控制室在飼料生產流程中處于核心控制地位，在生產過程擔負著對各主要設備運行的監控任務，是確保各系統正常運轉，保證飼料品質、提高飼料生產安全性的重要途徑之一。通過構建并應用虛擬實驗室平臺，分析生產過程中可能出現的控制薄弱環節，同時提高從業人員的職業能力和職業素質，是有效執行飼料產品品質標準、保證飼料生產安全的重要途徑。

1 基于Labview的ZK21H配料生產線虛擬自控系統的構建

基于Labview的ZK21H配料生產線自控系統虛擬模型，主要根據ZK21H配料生產線自控系統的工藝特點，在Labview虛擬模型工作界面上，生成ZK21H配料生產線自控系統。系統主要包括電控系統設計、工藝流程控制設計、配料配方管理設計等三個部分，其中配料配方管理設計可以應用數據庫技術進行，本文不作深入論述。

1.1 電氣控制系統設計

ZK21H飼料廠中央控制室虛擬系統中電控系統的設計，是利用Labview軟件，對飼料廠中央控制室、飼料廠生產過程控制中的強電、弱電控制、傳感器信號控制等過程進行控制設計。

1.1.1 配電控制虛擬系統設計

ZK21H配料生產線自控系統中的配電控制，主要包括對MCC1-MCC4四個MCC柜（Main Control Console）的控制。四個MCC柜的功能及組成分別是：

①MCC1用來控制原料混合前各工段各設備的供電及配電管理，同時對MCC3柜進行供電；②MCC2用來控制原料配料、混合等工段各設備的供電；③MCC3用來控制粉碎系統包括粉碎機及與之相配套的喂料器等；④MCC4用來控制制粒系統、冷卻吸風系統等。其控制設備分別為混合機喂料器、調質器、制粒機、冷卻吸風系統（風機、沙克龍等）。

圖1、圖2所示為飼料廠中央控制室的MCC3柜,該控制柜的功能主要用來控制兩組粉碎機的正反轉及轉速控制。圖中每組粉碎機分別由一個斷路器、四個交流接觸器及相應的開關控制系統組成。其中粉碎系統的工作過程為：

圖1 粉碎機控制配件

①將粉碎機轉向選擇按鈕12、13置于正轉狀態；②按下MCC3柜上的1號粉碎機的啟動按鈕4，狀態指示燈亮；③按下1號粉碎機喂料器電動機啟動按鈕8，按鈕指示燈亮，喂料器工作,粉碎機閘門開關打開；④通過調面板上的調速器14、15，讓粉碎機喂料器電動機轉速穩定在600 r/min左右（經調速器變速，螺旋喂料器此時轉速在40～50 r/min左右），此時粉碎機工作電流約在100 A左右(該電流要視不同粉碎對象而有所改變)，讓粉碎機有最大工作功率；⑤按下粉碎機停止按鈕5、7，粉碎機停止工作，相應工作指示燈亮。

圖2 MCC3柜配置

根據以上粉碎系統工作控制過程，利用Labview軟件進行如下的虛擬控制過程設計。

ZK21H飼料廠自動生產線自控系統中的粉碎子系統及虛擬系統后臺控制程序見圖3、圖4。圖3所示為系統處于1號粉碎機正常工作狀態下（其中粉碎機電流約為100 A，粉碎機喂料器電動機轉速約為600 r/min左右）。為了讓虛擬系統更加接近真實場景,系統在設計時,采用了隨機函數的方式,讓指針在一定幅度內擺動,真實模擬了粉碎機在工作時電流的微小變化過程。

圖3 1號粉碎機處于正常工作狀態中

圖4 MCC3柜粉碎機啟停控制過程

對該系統的啟動控制設計，主要應用labview軟件進行面板設計及后臺控制設計。MCC3柜控制柜的虛擬實驗室控制面板見圖5。

1.1.2 弱電控制及傳感器虛擬系統設計

ZK21H自控系統的弱電及信號控制，主要包括對料位器、電子秤等傳感器使用的控制。

在飼料廠自動控制系統中，為了保證生產的連續性和主要設備負荷持續穩定，一般都設有原料倉、待粉碎倉、待制粒倉、成品打包倉等用于存放原料、半成品和成品。在飼料廠控制系統中，現場傳感器一般包括料位器、行程開關、防堵開關、測速開關、跑偏開關、稱重傳感器等。下面以料位器控制的虛擬設計為例進行說明。

圖5 MCC3虛擬控制柜

在飼料廠中控室中，為了清楚地了解各倉中物料的存放量情況，每個料倉均設置有上、下兩個料位器，并通過導線將料倉中的料位器工作狀態通過中控室中控面板上的指示燈顯示出來。

下面以ZK21H系統中的原料提升、初清、上料至F1、F2、F3等三個待粉碎倉的工作過程為例，進行虛擬設計。

圖6 ZK21H系統的原料上料、初清工段流程

圖6為ZK21H系統的原料上料、初清工段。在對原料進行粉碎前，需要將玉米等原料提升至待粉碎倉F1～F3三個倉中，根據不同的工序要求，通過手動轉動FP1分配器，可將原料放置在分配倉F1～F3中，工作過程如下：

打開脈沖吸塵器（101）→將分配器FP1轉至F1倉→打開初清篩（104）→打開提升機（103）→打開輸送機（102）→將原料提升至F1料倉中。F1料倉中原料加至滿時，上料位器燈亮，可將FP1分配器轉至F2、F3料倉中，分別給F2、F3倉上料（其過程與F1倉上料過程相同），也可將FP1分配器開關轉至“關”的位置，停止上料。此上料工段的虛擬設計程序如圖7所示。

圖7 上料工段的虛擬程序設計

F1～F3倉下料虛擬控制過程程序設計見圖8。

圖8 下料位器虛擬控制過程

1.2 工藝流程控制設計

利用Labview控制系統進行ZK21H配料生產線自動控制系統的工藝流程虛擬設計控制，是飼料廠中央控制室虛擬實驗室的核心，也是應用Labview軟件進行工藝流程控制設計的基礎。

從圖1中可以看出，飼料廠工藝流程控制，主要包括原料輸送、配料、混合、打包等過程環節，對以上過程的控制設計，主要包括兩個方面的內容，一是按工藝流程圖，按比例與圖樣要求，設計出控制面板；二是按控制過程要求，設計出所要求的工藝順序。

在飼料廠自動控制過程中，最重要的是混合配料工段的控制，混合配料工段關系著整個生產過程的連續性。下面以自動控制過程中的混合配料工序為基礎，進行虛擬實驗室設計。

本次配方，以“桂樂胖111Z”配方為依據進行自動控制虛擬控制設計，其配方見表1。

表1 桂樂胖111Z配方

ZK21H配料生產線自控系統具有雙秤同時配料、動態控制精度、配料周期與混合周期相互關聯等特點。其對混合配料過程的監控，可同時由計算機和中控面板進行。

系統采用雙秤同時下料的方式。配料結束后，各種原料經輸送攪龍輸送到混合機中進行混合。混合機的混合周期為240 s。

根據ZK21H配料生產線自控系統的控制特點，結合labview軟件的特點，本文分別設計了計算監控系統與虛擬模擬中控室操作面板（中控面板）兩部分，作為飼料廠中央控制室虛擬實驗室的核心內容。

1.2.1 計算機監控虛擬子系統

圖9為虛擬實驗室的計算機監控畫面，中控室操作工利用該畫面，可以直觀地看到當前配方信息、各原料稱重、配料過程及誤差情況。圖10為該監控系統的后臺控制程序。本項目在進行該部分內容的虛擬實驗室設計時，根據生產現場的實際情況，按照表1所示的“桂樂胖111Z”配方所反映的原料配比情況，按比例設定各倉的下料時間，并根據生產實際要求，設定各秤的配料（下料）順序為：

圖9 虛擬實驗室計算機監控畫面

大秤：3號倉（高蛋白豆粕）→5號倉（玉米）→2號倉（回機料）；小秤：13號倉（統糠）→15號倉（磷酸氫鈣）→16號倉（沸石粉）→18號倉（石粉）。

圖10 虛擬監控畫面后臺程序

1.2.2 混合配料虛擬子系統

虛擬系統中的中控室操作及控制面板，嚴格按照ZK21H中控室要求進行設置，各工段、工序及各設備代碼、位置均按ZK21H配料生產線自控系統的中控室操作面板設定。

為了保證配料精度，配料系統的控制過程，主要包括雙秤同時下料、大小秤逐倉順序下料。混合系統的控制過程如下：

混合過程受調質器喂料攪龍（223）、調質器（224）、混合機（227）、半成品提升機（228）、分配器（FP5）等的相互控制，分別完成原料混合、半成品輸送、半成品提升到Z1料倉等功能。其后臺控制程序見圖11。

2 測試結果與誤差分析

2.1 測試結果

以ZK21H為原型的虛擬實驗室系統，如按以下生產參數進行設定。

圖11 中控室后臺控制程序（混合配料工段）

①生產配方號為：桂樂胖111z號（批次混合量為2 t）；②單組混合機生產；③配料周期為240 s、混合周期為240 s；④其他各項參數與ZK21H系統相同。

則各系統的運行測試結果如下：

①粉碎機及調速器控制系統虛擬運行結果

根據系統操作要求，第一組粉碎機所使用的喂料器電動機轉速調至600 r/min左右，此時，粉碎機工作電流在100 A左右，中控面板上111（喂料器工作狀態指示燈）、112（粉碎機工作狀態指示燈）打開，顯示為系統運行正常(見圖12)。

圖12 粉碎機工作狀態

②原料提升系統的運行測試

系統根據飼料生產工藝流程，在原料提升、半成品提升、成品提升等系統中，都應用了提升機，本系統在設計時，嚴格按照系統原型要求進行設計，見圖13。

圖13可見，在開啟111、112所示的第一組粉碎機系統工作后，圖中原料提升機（103）、（117）、初清篩（104）、分配器（FP1）、原料倉（F1）、半成品提升機（228）等開始工作，工作狀態指示燈運行正常。

圖13 提升機工作狀態

③混合配料系統工作狀態

如圖13所示，根據桂樂胖111z生產配方，圖中混合配料系統工作正常，配料倉正在按原定設定下料順序下料，圖中所示為第5倉（玉米）正在下料，大小兩個配料秤（221、222）正在進行配料，其中小秤（222）已完成下料，混合機喂料攪龍（223）、調質器（224）、混合機（227）工作正常。

④制粒系統、冷卻吸風系統工作狀態

圖14 制粒系統、冷卻吸風系統工作狀態

如圖14所示為制粒系統、冷卻吸風系統工作狀態圖，如圖所示，喂料攪龍（309）、調質器（310）、制粒機（311）工作狀態正常；沙克龍關風器（302）、風機（301）、冷卻塔（316）等工作狀態正常，冷卻塔處于自動控制工作狀態。

⑤計算機控制系統流程工作狀態

如圖15所示的計算機控制系統流程圖工作狀態，嚴格按照遼大飼料集團所采用的桂樂胖111Z配方進行控制，混合周期為240 s，配料順序嚴格按照原設定程序，圖中所示為大秤3號倉（高蛋白豆粕）正在下料、小秤則顯示為15號倉（磷酸氫鈣）正在下料。圖示為各系統工作正常。

圖15 計算機控制系統流程

2.2 誤差分析

在飼料廠實際生產過程中，系統操作過程中其誤差的來源主要包括以下幾個方面：

①由配料倉倉門開關門時所引起的下料誤差，該誤差主要是由于配料倉開關門不及時、開關門帶料、開關門不嚴所導致的漏料、帶料等引起；②由配料秤本身靜態和動態精度引起的誤差。③由空中料柱的長度引起的誤差；④由物料本身的物理特性引起的誤差；⑤由環境因素引起的誤差。

在實際操作中，這些誤差可以根據不同的誤差類型和形成原因，通過采取不同的方式消除，例如，通過采用變頻電機、星－三角形降壓啟動等方式減少下料過程中物料對電子秤的沖擊；減少空中料柱對電子秤精度的影響等。

本項目在進行虛擬運行時，產生的模擬誤差主要在以下幾個方面：

①在如圖15所示的計算機控制系統流程圖中，在每一批次物料進行配料混合后，其7種原料的配料誤差均表現為負數，主要原因在進行系統循環設計時，是以時間對原料的下料過程進行虛擬設計，以配料周期為基準對各種原料的稱量過程進行定比例設定（而在真實環境中，是以電子配料秤對原料的稱重重量為依據的），設定的循環計算時間均為小于240 s。

誤差的消除與利用：對于以上誤差的消除方法，要達到模擬真實生產過程中可能出現的各種原料在配料過程中的正負隨機誤差，可將各種原料的下料時間設定為小于等于該種原料的時間上限即可。另一方面，也可以利用這種方法，虛擬出由電子秤自身原因所引起的全部正負誤差情況。

②監控電流表所顯示的誤差情況。

系統運行時，系統中所設定的相關電流表所指示的電流值會有所變動（具體表現為指針會在一定幅度內來回擺動），這種誤差情況是系統在設定時特別設計的，是為了顯示電機在一定動態負荷的運行過程中，通過設定后臺的隨機函數倍數大小和幅度來改變其擺動的幅度大小。同時，也可以根據要求利用該誤差情況來設定電機的工作故障情況。

③料位器的顯示誤差。

系統在設計料倉內上下料過程中，主要通過時間比例來設定物料的上下料過程，設定料倉是否為“冒倉”、是否為“空倉”待料情況。系統在設定上下料時間時，為了減少運行時間，各種料倉統一設定為5～8 s上下料時間，而沒有根據物料輸送設備的功率大小、運行速度等因素。這種誤差的消除，可以通過計算不同料倉所要求的原料輸送設備所使用的速度進行轉換計算，從而得出更精確的上下料時間；也可以將上下料料位器的設定，改為用labview的液體罐體進行設計。

④系統在運行過程中，會有部分指示燈有不停的閃爍情況出現，這是系統在設計時為了達到真實的現場生產效果而設計的，其閃爍的頻率是可以通過改變后臺設計所使用的隨機函數大小倍數而改變，可以通過設定其是否閃爍而進行的相關故障設定的一種設計。

測試結果表明，飼料廠中央控制虛擬系統是符合真實生產環境與生產設計要求的，其誤差的產生與真實生產控制過程中的誤差是相一致的，且誤差是可以消除的。同時，利用這些誤差，可以模擬出真實生產過程中可能出現的故障，有利于對系統的進一步分析和研究。

[1]胡玉霞，丁瑜，陳貴才.飼料霉菌污染危害與防控[J].飼料研究,2010(9):86.

[2]韋杏香.加強動物性食品安全工作的對策研究[J].畜牧與飼料科學,2010(8):86.

[3]孟慶君.血漿蛋白粉產業的發展前景與展望[J].中國飼料添加劑,2008(9):40.

[4]農業部.飼料工業“十一五”發展規劃.農牧發[2006]11號.

[5]謝梅冬，吳曉丹.廣西飼料安全性問題及其對策[J].廣西畜牧獸醫,2003(6）:250.

[6]董超穎，李軍國，李俊,等.水產膨化顆粒飼料生產工藝特點與危害分析[J].飼料科技,2006（10）:27.

[7]丁進松.新編飼料生產工藝寶典[M].黑龍江：黑龍江電子音像出版社,2010:80.