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.甘肅省慶陽市寧縣畜牧獸醫(yī)站，甘肅 慶陽 745200)

我國的飼料行業(yè)進入了快速發(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。我國飼料生產(chǎn)行業(yè)未來必然朝著智能化自動化的方向發(fā)展，飼料行業(yè)的發(fā)展也能夠帶動我國農(nóng)村經(jīng)濟的快速發(fā)展，對我國的食品安全也能夠起到直接的影響，因此對可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)自動化控制系統(tǒng)在飼料生產(chǎn)線中的應(yīng)用研究具有重要的現(xiàn)實意義，能夠為我國的經(jīng)濟發(fā)展起到推動的作用。

1 飼料生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計

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)計各類PLC 控制系統(tǒng)的程序時，通常存在控制結(jié)構(gòu)的選擇問題，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)程序也會對系統(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)，由多個程序塊進行組織串聯(lián)，每個程序塊分別進行某個功能的控制。飼料生產(chǎn)控制系統(tǒng)程序流程CPU 運行時從起點開始，各個執(zhí)行的程序塊依次傳達指令，一直到程序的終點，構(gòu)成整個運行周期，并進行重復(fù)的循環(huán)執(zhí)行。

1.2 PID 控制設(shè)計

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

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

飼料生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)中原料的下料重量需要根據(jù)實際情況進行系統(tǒng)的調(diào)整，在原料從料倉進入配料倉的過程中，對下料的重量進行系統(tǒng)的規(guī)范，這也會直接影響飼料生產(chǎn)的質(zhì)量。眾多因素會影響動態(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)過程中的內(nèi)外環(huán)境也會產(chǎn)生影響，不同的飼料在配比、電機的開倉位置、流量的速度等都會帶來一定的影響。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以微調(diào)點動、先快后慢的模式來進行飼料的進給。通過PID 控制算法對全動態(tài)的加料快慢、點動下料控制進行設(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)采集和配料倉的電子秤數(shù)字信號采集。生產(chǎn)現(xiàn)場的控制系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)進行合并后統(tǒng)一儲存，后期進行統(tǒng)一的拆包和顯示，通過網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)信息傳送給遠程控制系統(tǒng)。生產(chǎn)現(xiàn)場采用計算機控制系統(tǒng)連接PLC 通訊，對各個艙門實現(xiàn)開關(guān)的自動化控制。通過計算機協(xié)議與PLC 控制器進行通信串聯(lián)，通過串口發(fā)送命令格式給PLC 控制系統(tǒng)進行操作執(zhí)行，再通過串口對信息進行反饋。在設(shè)計飼料生產(chǎn)線的遠程控制系統(tǒng)時，為達到統(tǒng)一控制操作的目標，下料的過程中可以由計算機與PLC 進行實時數(shù)據(jù)交換。技術(shù)人員也要在生產(chǎn)現(xiàn)場對PLC 的內(nèi)存數(shù)據(jù)進行實時采集，以此為基礎(chǔ)對PLC 的控制指令進行及時的調(diào)整。

2 飼料生產(chǎn)監(jiān)控管理平臺設(shè)計

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

通過分析飼料生產(chǎn)工藝和控制系統(tǒng)，結(jié)合系統(tǒng)的經(jīng)濟性、可靠性、適用性等實際需求，在設(shè)計飼料生產(chǎn)線進行自動化控制系統(tǒng)時，可以采用大型的動態(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)線中的多個分站，通過各類傳感器對多個飼料生產(chǎn)臺進行控制。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態(tài)模擬系統(tǒng)和帶式輸送運輸系統(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)控制計算機等。中心控制柜的功能為控制和監(jiān)控主機的控制器，在飼料生產(chǎn)過程中對生產(chǎn)設(shè)備發(fā)出操作指令，各個生產(chǎn)分站根據(jù)指令操控飼料生產(chǎn)設(shè)備，通過控制現(xiàn)場的系統(tǒng)將操作指令發(fā)送給PLC 系統(tǒng)，對各個飼料生產(chǎn)分站的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行反饋，最后通過局域網(wǎng)對不同生產(chǎn)現(xiàn)場進行信息傳送。生產(chǎn)過程中可以通過控制系統(tǒng)對各個分站進行自動管理，將工藝參數(shù)、控制參數(shù)發(fā)送到PLC 系統(tǒng)中，并顯示到動態(tài)顯示設(shè)備上。在飼料生產(chǎn)過程中，一旦出現(xiàn)故障或者緊急問題，都可以通過PLC 系統(tǒng)進行自檢和警告。設(shè)備出現(xiàn)故障時，報警裝置會通過遠程系統(tǒng)進行報警，同時通過指示燈和聲音進行報警。中心控制臺可以通過控制開關(guān)滿足生產(chǎn)過程中的各種功能需求，并設(shè)置故障提醒功能。工業(yè)控制計算機可以生成并打印生產(chǎn)報表，也可以顯示電機電流和皮帶的運行速度，實時監(jiān)控現(xiàn)場各個設(shè)備的運行情況。

2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

PLC 控制系統(tǒng)既能控制現(xiàn)場，也可以通過協(xié)議與生產(chǎn)現(xiàn)場的控制系統(tǒng)進行通信，接收生產(chǎn)現(xiàn)場的控制系統(tǒng)傳輸?shù)男盘栔噶睿杉瘮?shù)據(jù)信息，并將采集到的信號輸送給生產(chǎn)現(xiàn)場的控制系統(tǒng)，生產(chǎn)現(xiàn)場的控制系統(tǒng)通過局域網(wǎng)控制遠程設(shè)備。遠程控制系統(tǒng)可以保存和顯示現(xiàn)場系統(tǒng)傳輸過來的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行控制指令的發(fā)送，通過局域網(wǎng)傳輸給生產(chǎn)現(xiàn)場的控制系統(tǒng)，進而達到控制生產(chǎn)設(shè)備的目的。在設(shè)計系統(tǒng)時，全部采用WIN 系統(tǒng)進行操控，配備測控軟件、遠程控制數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，通過軟件登錄等身份驗證確保信息安全，保存并調(diào)取生產(chǎn)過程中的各項數(shù)據(jù)。通過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)進行遠程控制系統(tǒng)與現(xiàn)場控制系統(tǒng)的通信連接，確保數(shù)據(jù)的準確性和傳輸?shù)挠行浴＿h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)過程的管理和設(shè)置、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析以及數(shù)據(jù)的存儲和備份等。

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

PLC 自動控制系統(tǒng)可設(shè)置數(shù)據(jù)庫模塊，對飼料生產(chǎn)過程中的相關(guān)信息數(shù)據(jù)進行存儲，用以后期的分析、利用，從而更新和完善生產(chǎn)系統(tǒng)。操作人員可以通過工號或者口令登錄系統(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)計配方，對原料入庫進行準確有效的記錄。在生產(chǎn)過程中，操作人員要進行配方選擇、生產(chǎn)批次以及工藝的統(tǒng)一，系統(tǒng)每進行一次生產(chǎn)就要更新數(shù)據(jù)庫，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。本批次的生產(chǎn)結(jié)束后，操作人員需要對產(chǎn)品的原料庫存、原料入庫、原料消耗、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)批次等情況進行入檔、統(tǒng)計、查詢和分析。飼料生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)均采用大型數(shù)據(jù)庫技術(shù)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行管理和維護，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和安全性對企業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。通過良好的結(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)，進而達到充分利用數(shù)據(jù)的目的。通過對數(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)

本文通過對飼料生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)進行闡述，優(yōu)化和完善了飼料生產(chǎn)自動化系統(tǒng)，以PLC 自動控制功能為核心技術(shù)，設(shè)計飼料生產(chǎn)監(jiān)控平臺。通過研究可以得出，PLC 自動控制系統(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)效率以及較強的開發(fā)性、可拓展性和工程實用性。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，能夠達到較高的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。