基于PLC 技術的規模化養殖場精準飼喂系統的設計*

黃紅玉

（廣西現代職業技術學院，廣西 河池 547000）

規模化養殖方式的應用，可以避免豬肉價格變化過大而嚴重影響工廠整體生產效益，有效保證生豬養殖安全性，提高飼料、人力資源等信息利用率，降低生產成本，為后期擴大工廠養殖化規模打下了堅實的基礎[1]。而基于PLC 技術的規模化養殖場精準飼喂系統的設計和應用，可以保證養殖飼喂的精確性，滿足規模化養豬需求，極大地提高生豬養殖的自動化程度。所以，在PLC 技術的應用背景下，如何科學地設計規模化養殖場精準飼喂系統是技術人員必須思考和解決的問題。

1 系統總體設計

1.1 系統總體構成

系統總體結構示意圖如圖1 所示，從圖1 中可以看出，在設計該系統時，首先要結合系統預先所設置好的擬定內容，完成對PLC 的科學化選型，并確定輸入點、輸出點。采用編程與調試的方式，完成對PLC軟件的科學化設計。其次，還要將各個模塊安裝和固定到飼喂車上，科學化設計飼喂車機械結構，確保飼喂車能夠自動完成飼喂工作。飼喂車主要由以下幾個部分組成：1）飼喂車盛料箱，該盛料箱主要用于對飼料的盛裝。2）槽位檢測傳感器，該傳感器主要用于對槽位的精確化查找和定位，便于智能化控制飼喂車。3）障礙物檢測傳感器，該傳感器主要安裝和固定于飼喂車前端與后端，主要用于智能化檢測飼喂小車附近存在的障礙物[2]。4）限位開關，通過配合使用限位開關與觸碰板，可以定位飼喂車所在軌道的實際位置。5）下料口，通過借助下料口，可以確保飼料準確地下落到合適的位置。6）螺旋桿，通過借助加料電機，可以為螺旋桿提供一定的外力，確保螺旋桿可以快速旋轉，使得飼料沿著螺旋桿到達下料口，并順利下落。

圖1 系統結構示意圖

1.2 系統工作流程

飼喂小車在啟動時，均要做好加料處理，當加料操作結束后，會快速返回到相應的加料位置，然后，飼喂車從加料所在位置進行勻速前進，便于后期更好地開展槽位加料處理。當飼喂車各個槽位加料操作結束后，需要反轉處理飼喂車電機[3]，促使飼喂車能夠向前、向后穩定運行，直到加料位置停下即可，有效保證加料工作效率。

2 系統硬件設計

2.1 PLC控制系統設計

2.1.1 PLC選型

在進行PLC 選型時，要綜合考慮PLC 響應速度、存儲容量、性能等參數，對啟動按鈕、暫停按鈕、光電開關、電源指示燈等進行智能化控制。同時，還要結合控制對象實際控制需求，改進和優化整個控制系統設備，使得設備運行成本降到最低。系統設計所用到的PLC 主要是由西門子公司所研發的可編程控制器，該控制器表現出良好的擴展性[4]，具有強大的通信功能、編程功能。

2.1.2 輸入/輸出點確定

在確定輸入/輸出點時，要確保PLC 與工業現場之間建立良好的通信關系。同時，還要借助輸入接口，向PLC 系統中安全、可靠地傳輸現場工作命令，由PLC 系統負責針對性地處理現場工作命令，并借助執行機構，輸出相應的工作命令。通過對輸入點、輸出點進行有效定義，可以提高整個控制系統的穩定性和可靠性。另外，還要結合所設置好的存儲器存放范圍，定義系統輸入點和輸出點。

2.2 PLC控制系統硬件組成

PLC 控制系統主要是由PLC、人機界面、無線模塊、傳感器、直流電機、電源等部分組成。其中，PLC 型號為S7-200 CPU224XPCN，人機界面型號為TPC7062KX，傳感器型號為E3F-R2PKPNP，電機型號為36 V 400 W 直流電機，電源型號為12 V蓄電池。

3 PLC軟件設計

3.1 PLC編程軟件STEP7設計

STEP7 編程軟件主要是在參照Windows96 平臺設計的，通過運用該軟件，可以更好地進行PLC 編程、參數設置、參數監控等環節。該系統在實際設計中，除了用到STEP7 編程軟件外，還用到Windows XP系統。

3.2 PLC程序設計流程

PLC 程序設計流程如圖2 所示，從圖2 中可以看出，PLC 程序設計流程主要包含以下幾個步驟：1）通過全面地了解系統整體情況，可以為實現系統整體控制打下堅實的基礎。2）繪制系統程序流程圖，并明確地表示出各個動作執行順序和執行條件。3）制定抗干擾措施。結合現場工作情況，尋找干擾出現原因[5]，然后，結合系統軟硬件特點，制定出切實可行的抗干擾方案。4）編寫程序。采用C#編程語言，保證PLC程序流程圖實現效果。5）程序調試。采用現場控制的方式，對編寫程序進行系統化調試。

圖2 PLC 程序設計流程

3.3 PLC軟件設計

在完成系統硬件設計的基礎上，確定出相應的系統控制任務，程序運行流程圖如圖3 所示。從圖3 中可以看出，程序運行流程具體步驟如下：1）啟動PLC程序，并判斷和分析設備是否出現異常故障問題，當系統出現異常故障時，PLC 暫停運行，并發出相應的報警聲。當設備沒有出現故障問題時，可以采用自動方式、手動方式兩種判斷操作的方式。其中，手動方式需要操作人員手動操作系統[6]。在自動方式下，當飼喂車向前穩定運行時，需要對整個槽位進行全面化檢測，分析和判斷該槽位是否需要執行相關加料指令。經過判斷，如果有加料需求，飼喂車會停止運行，此時，需要開啟加料電機。經過一段時間的延遲后，可以保證加料過程實現效果。然后，分析和判斷其他食槽是否出現加料需求，如果有加料需求，飼喂車需要繼續向前穩定運行，當檢測到槽位時，飼喂車停止運行。

圖3 程序運行流程圖

3.3.1 數據傳輸過程的設計

為快速確定飼喂車實際食槽位置，需要利用PLC，系統化處理系統內部數據、外部數據，這就會涉及數據傳輸過程。首先，要利用槽位，對計數器進行精確化檢測；其次，利用數據變量寄存器，完成對所需數據變量值的存儲；最后，使用上位機觸摸屏，精確地讀出槽位位置坐標，便于相關人員查看和了解飼喂車所在槽位位置[7]。當飼喂車移動到某一槽位時，需要將飼料加入該槽位中，此時，系統會啟動寄存器，將相關數據安全、可靠地傳輸到另一個寄存器中，從而完成數據傳輸過程。

3.3.2 定位過程的設計

通過將光電開關安裝和固定到飼喂車上，可以方便相關人員精確化檢測飼喂車達到槽位狀態。同時，在光電開關的應用背景下，如果沒有檢測出反射擋板，該光電開關所輸出的電平為高電平狀態；如果檢測出反射擋板[8]，該光電開關所輸出的電平為低電平狀態，借助輸入點電平變化，可以促使PLC 能夠快速化、智能化處理位置信息。

3.3.3 循環過程的設計

飼喂車主要按照向前運行、向前停止運行、加料電機開啟、加料電機關閉環節進行循環執行，通過運用組態軟件，可以精確化設置所加飼料的質量。結合系統整個工作過程分析情況，采用步進指令的方式，保證PLC 軟件實現效果。在此過程中，首先，需要對飼喂車運行狀態進行科學劃分[9]，使其劃分為預備、前進、加料、返回、手動五個步進狀態；然后，靈活地切換不同步進狀態，保證循環加料實現效果。當然，也可以采用靈活切換自動運行狀態與手動運行狀態的方式，實現循環加料過程。

3.3.4 加料過程的設計

加料過程在實際設計中，要將前進步進狀態直接設置為加料過程，當飼喂車處于前進步進狀態時，飼喂車會暫停運行，并啟用加料電機，將飼料添加到食槽中，整個加料時間長短可以由操作人員結合實際使用需求，使用觸摸屏界面進行針對性設置。當飼喂車加料結束后，加料電機自動停止運行[10]，然后，將飼喂車快速返回到預備狀態，這說明整個加料過程全部結束。此時，飼喂車可以對下一個食槽進行加料操作，當各個食槽加料操作全部完成后，飼喂車會自動返回到最初暫停位置。

4 系統測試

為驗證系統定點加料過程的有效性和穩定性，要重點調試定點加料過程，整個調試流程如圖4所示。

圖4 定點加料過程調試流程

通過使用飼喂車，可以實現對反射擋板的精確化檢測，檢測其是否出現停止運行，并進行加料處理，定點加料調試結果如表1 所示。通過使用該飼喂車，可以科學設置各個食槽加料情況，并執行相關命令。當加料設置結束后，要停止運行飼喂車，此時進入加料環節。當設置“不加料”模式后，需要繼續運行飼喂車，禁止對加料過程的執行。

表1 定點加料調試結果

通過運用直流電機調速器，科學地調整和控制飼喂車實際運行速度。同時，嚴格按照相關技術標準和要求，將飼喂車的運行速度設置為0.6 m/s。結合現場測試情況發現，當飼喂車運行速度達到0.6 m/s時，檢測和驗證反射擋板是否處于停止運行狀態，從而產生相應的緩沖距離。結合飼料質量，適當地改變和控制緩沖距離，飼喂車緩沖距離如表2所示。

表2 飼喂車緩沖距離

從表2 中的數據可以看出，飼料質量高低與緩沖距離之間存在明顯關系。與緩沖距離值相比，食槽長度值相對較高，通過科學地調整和控制反射擋板的位置，便于后期進行加料處理時有效地降低飼喂車與食槽位置之間的偏差，確保加料的精準度得以大幅度提高。

5 結論

綜上所述，本設計主要成果如下：1）結合系統應用環境相關指標，科學選型PLC，并做好對輸入、輸出設備的選擇和連接，從而保證系統硬件設計質量。2）使用STEP7-Micro/WIN軟件，完成對相關用戶程序的編寫，并在下載和調試用戶程序的基礎上，提高精準飼喂系統的設計質量，符合相關技術指標。3）驗證和測試系統性能，經過測試，發現系統完全滿足預期所設置的技術指標，保證了加料的精準度，促使養殖飼喂管理向智能化、便捷化、高效化方向不斷發展。

但是，本設計仍然存在以下需要完善的地方：1）飼喂車定位精確度有待提升，通過新增制動裝置，提高制動效率，降低偏移距離。2）系統功能有待優化和豐富，如果將視頻監控系統與智能飼喂系統進行組合，可以促使系統功能變得更加全面化。3）PLC 程序有待完善，這就需要相關技術人員調試和解決系統可能出現的異常問題。