飼料粉碎系統(tǒng)智能控制及在線監(jiān)測平臺開發(fā)

曹麗英 王 躍 李春東

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

飼料粉碎機械是常見的一種飼料加工設(shè)備，其中錘片式粉碎機具有結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強、生產(chǎn)率高等優(yōu)點。目前，我國小型飼料生產(chǎn)企業(yè)的粉碎設(shè)備自動化程度低，大多是一臺粉碎機單機，沒有與粉碎機性能相適應(yīng)的配套設(shè)備[1]，無法對生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控，導(dǎo)致飼料粉碎機械生產(chǎn)效率低，難以滿足企業(yè)高速、高效生產(chǎn)的要求，制約了飼料加工行業(yè)的整體發(fā)展[2]。田健華等[3]對國內(nèi)800 余家飼料企業(yè)進行了問卷調(diào)查，調(diào)查顯示，53.21%的飼料企業(yè)在配料方面仍是半自動控制甚至手動配制飼料；采用人工記錄數(shù)據(jù)的精確性、及時性有待提高，在數(shù)據(jù)自動采集及現(xiàn)場作業(yè)控制方面存在較大提升空間。近年來，關(guān)于粉碎機械機理、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面對降低粉碎能耗、提升生產(chǎn)率的研究較多[4-7]，但在飼料加工設(shè)備的現(xiàn)代化、智能化發(fā)展方面的研究較少[8]。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，高效、節(jié)能、自動化程度高的飼料加工設(shè)備的開發(fā)成為行業(yè)的重要需求[9-11]。本研究在新型錘片式粉碎機的基礎(chǔ)上設(shè)計了一款包括自動喂料、智能粉碎和自動打包功能的飼料粉碎系統(tǒng)，該系統(tǒng)以PLC為主控制器，LabVIEW 設(shè)計人機交互界面，實現(xiàn)了生產(chǎn)集中控制和運行數(shù)據(jù)監(jiān)測，提出了一種能夠提升打包精度的控制模式，為飼料粉碎機械控制系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 飼料粉碎系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)及工作流程

飼料粉碎系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)見圖1，主要包括下料裝置、螺旋輸送裝置、錘片式粉碎機、旋風(fēng)除塵裝置、打包裝置。主要工作流程：（1）下料。待粉碎的物料從原料倉下料進入料斗，下料快慢由一個電磁閥控制氣缸伸縮，改變下料口的開合程度，實現(xiàn)前90%全速下料、后10%減速下料。（2）喂料。采用步進電機控制喂料絞龍的轉(zhuǎn)速，可使粉碎機工作達到滿負荷且波動很小，粉碎量（以t/h 計算）提高10%左右。（3）粉碎。由于粉碎機進料口物料從粉碎軸附近的開口進入，經(jīng)過錘片撞擊破碎，顆粒變小透篩后進入旋風(fēng)除塵裝置。（4）打包。儲料倉中的物料顆粒通過螺旋輸送機構(gòu)進入稱重料斗定量打包，當(dāng)料斗內(nèi)物料重量達到預(yù)定給料值時，反饋給傳動控制系統(tǒng)，從而進行下一步的夾袋、封口等。

圖1 飼料粉碎系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

1.2 總體設(shè)計

飼料粉碎系統(tǒng)智能控制及在線監(jiān)測平臺包含硬件電路和軟件系統(tǒng)，各部件均選取可靠穩(wěn)定的電子元器件，保證系統(tǒng)安全可靠地運行，減少維修成本。整個控制系統(tǒng)設(shè)計嚴格按照《飼料加工成套設(shè)備計算機控制技術(shù)要求》（GB/T 34639—2017）。飼料粉碎系統(tǒng)設(shè)計見圖2。

圖2 飼料粉碎系統(tǒng)設(shè)計

1.3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.3.1 硬件組成

整個飼料粉碎控制系統(tǒng)硬件組成為PLC、變頻器、步進電機、通信模塊、模擬量模塊等，主要以PLC 為核心，對生產(chǎn)線進行統(tǒng)籌控制，采集傳感器的數(shù)據(jù)。PLC選用西門子S7-200 SMART，CPU型號為ST40，內(nèi)置IO點數(shù)為40，分別為24 輸入和16 輸出。該PLC 標(biāo)配有RS485 接口和以太網(wǎng)接口。通過以太網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)給監(jiān)控管理的計算機，對生產(chǎn)模塊發(fā)出指令并對生產(chǎn)中的異常進行報警等。RS485 接口與安川V1000 型變頻器連接，通過MODBUS RTU 通信協(xié)議傳輸粉碎機三相異步電機的轉(zhuǎn)速信號。三相異步電機額定功率為5.5 kW，V1000變頻器額定輸出電流為19.6 A，輕載適用電機最大容量為5.5 kW。西門子200 SMART PLC 的CPU 具有3 個PTO/PWM 生成器，可產(chǎn)生高速脈沖串或脈寬調(diào)制波。PLC 發(fā)送高速脈沖給驅(qū)動器，根據(jù)脈沖個數(shù)控制步進電機轉(zhuǎn)動的角度，且步進電機價格經(jīng)濟。此處選用雷賽智能公司生產(chǎn)的STM86系列一體化步進電機，該步進電機的力矩可保持在8.5 N·m，步距角為1.8°，其驅(qū)動器的細分可達51 200。模擬量模塊選用EM AM06，有4 個模擬量輸入通道和2個模擬量輸出通道。

1.3.2 IO分配與硬件連接

在PLC編程前，應(yīng)先對控制系統(tǒng)的I/O點數(shù)設(shè)計。飼料粉碎系統(tǒng)進行下料和打包動作采用4 個氣缸完成，分別為下料氣缸、擋料氣缸、稱重閥門氣缸和夾袋機械手氣缸，占用8 個輸入點；需要多個功能按鈕，分別為熱繼報警、人工上料確認、夾袋腳踏開關(guān)等，共16個輸入點。飼料粉碎系統(tǒng)各裝置的輸出主要為電機、氣缸動作的控制。步進電機進行運動向?qū)Э刂茣r，占用2 個固定的輸出點位，分別控制脈沖和方向。喂料裝置和打包裝置采用相同的步進電機，共占用6個輸出點位，4個氣缸占用4 個輸出點位。此外還需控制風(fēng)機、運行狀態(tài)三色燈等，共15個輸出點。PLC接口資源具體分配情況見表1。為更直觀地看出輸入輸出端點的分配情況，繪制PLC 端口接線圖，見圖3。

表1 PLC接口資源具體分配情況

圖3 PLC端口接線圖

1.4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括PLC 梯形圖程序編寫和上位機軟件設(shè)計。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，完成對各個裝置的程序設(shè)計，并在S7-200 SMART 專用的編程軟件中完成生產(chǎn)線邏輯控制程序[12]。上位機采用LabVIEW軟件進行人機交互界面的開發(fā)[13]，可以實現(xiàn)農(nóng)機產(chǎn)品的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。

1.4.1 PLC軟件程序設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計是針對各裝置完成下料、喂料、粉碎、打包等作業(yè)的程序設(shè)計，在西門子STEP 7-MicroWIN SMART軟件進行編程，該軟件自帶一部分軟件庫，如Modbus RTU主站、從站指令庫、USS協(xié)議指令庫、Scale 指令庫等，極大地簡化了程序。PLC 控制主要內(nèi)容為多個電機啟停及轉(zhuǎn)速控制、氣缸伸縮控制和傳感器數(shù)據(jù)采集。打包裝置的系統(tǒng)控制流程見圖4。

圖4 打包裝置的系統(tǒng)控制流程

由圖4 可知，上電后夾袋氣缸處于松開狀態(tài)，稱重氣缸閉緊，當(dāng)送料步進電機開始送料后，物料進入計量斗，稱重傳感器實時檢測重量，達到設(shè)定袋重后，停止送料電機。同時，要檢測夾袋機械手是否有袋，有袋夾袋氣缸由松開變?yōu)閵A緊，沒有則人工套袋。只有在兩種情況均滿足的條件下，計量斗的閥門才會打開，進行卸料動作。

1.4.2 上位機軟件設(shè)計

1.4.2.1 通信設(shè)計

上位機作為遠程控制客戶端，通過OPC 協(xié)議與下位機通信，且延遲小于250 ms[14]。實現(xiàn)步驟為啟動NI OPC服務(wù)器，建立通道、設(shè)備、標(biāo)簽；啟動NI Labview 建立項目，創(chuàng)建I/O 服務(wù)器連接至OPC 標(biāo)簽的共享變量；通過共享變量與被控設(shè)備通訊。創(chuàng)建的標(biāo)簽地址有位邏輯地址、寄存器地址，掃描速率設(shè)置為100 ms。

1.4.2.2 人機界面設(shè)計

LabVIEW 軟件針對生產(chǎn)操作員而設(shè)計人機交互界面[15]，且在硬件通信與處理數(shù)據(jù)上具有很大的優(yōu)勢。人機界面分為生產(chǎn)操作區(qū)和監(jiān)控區(qū)，上位機界面見圖5。在生產(chǎn)操作區(qū)，操作員須先進行權(quán)限驗證，完成各項參數(shù)的設(shè)置并保存到數(shù)據(jù)庫，才能點亮開始生產(chǎn)按鈕。系統(tǒng)會自動將生產(chǎn)參數(shù)記錄到Access 數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)控區(qū)則是顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)。傳感器數(shù)據(jù)可以數(shù)值控件顯示或波形圖顯示歷史曲線，并將Solidworks 繪制的機械結(jié)構(gòu)三維圖以.wrl 文件形式導(dǎo)入監(jiān)控區(qū)的三維圖片顯示控件，通過程序框圖編程，可完成三維圖的生產(chǎn)動畫演示。

1.4.2.3 后面板程序設(shè)計

LabVIEW 后面板程序由兩部分組成。主Ⅵ采用兩個while 循環(huán)并行，部分子Ⅵ也有各自的while 循環(huán)，相當(dāng)于windows 的多窗口運行。在此條件下，每個while循環(huán)必須增加延時函數(shù)，釋放電腦內(nèi)存以保證緩沖區(qū)數(shù)據(jù)不會溢出，否則會影響程序穩(wěn)定性。生產(chǎn)操作程序采用“事件結(jié)構(gòu)+條件結(jié)構(gòu)+while循環(huán)”結(jié)構(gòu)，共有12個事件，分別對應(yīng)前面板的操作按鈕，用戶通過點擊前面的功能按鈕觸發(fā)程序?qū)?yīng)的事件。如點擊“參數(shù)一鍵匹配”按鈕，后面板程序自動從已經(jīng)設(shè)計好路徑的Access 數(shù)據(jù)庫參數(shù)表中讀取適用于當(dāng)前生產(chǎn)的最優(yōu)參數(shù)組合，使系統(tǒng)更加智能化。數(shù)據(jù)監(jiān)控程序采用“while循環(huán)+順序結(jié)構(gòu)+條件結(jié)構(gòu)”，延時設(shè)置為500 ms。順序結(jié)構(gòu)的目的是創(chuàng)建數(shù)據(jù)保存路徑，使用條件結(jié)構(gòu)判斷系統(tǒng)文件夾下是否存在數(shù)據(jù)存儲文件夾，為True 則直接把采集到的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過LabVIEW數(shù)字濾波后，以excel格式保存到此文件夾；為False則先創(chuàng)建文件夾再執(zhí)行濾波、存儲等操作。

1.4.2.4 建立數(shù)據(jù)庫

在LabVIEW和Access數(shù)據(jù)庫建立了連接，使用的函數(shù)有文件路徑VI、NI Database 模塊。把各個裝置的最佳運行參數(shù)保存至Access 數(shù)據(jù)庫中，建立最優(yōu)工作參數(shù)組合，使用戶在僅輸入喂料量的情況下，其他參數(shù)（粉碎機轉(zhuǎn)速、喂料量、噸料電耗顯示） 便可自動調(diào)整。Access數(shù)據(jù)庫也能夠記錄用戶手動輸入的生產(chǎn)參數(shù)。

1.5 提高打包精度的控制方法設(shè)計

1.5.1 誤差分析

稱重系統(tǒng)設(shè)計的好壞直接影響整個打包裝置的工作性能[16]。打包稱重系統(tǒng)采用間歇計量法，凈重式定量稱重，流程見圖6。物料顆粒持續(xù)填充到計量斗，達到預(yù)設(shè)值時，控制系統(tǒng)發(fā)出停止給料信號。從信號發(fā)出到執(zhí)行器執(zhí)行期間，又落入一部分物料，將導(dǎo)致實際計量值始終高于預(yù)設(shè)值，這部分物料稱為誤差余料。目前常通過粗給料和精給料配合使用[17]，采用多段式給料減小誤差，這種方法雖然簡單易操作，能夠減少給料時間、提高精度，但無法從根本上消除誤差來源。在稱量前設(shè)置提前量進行補償操作，能夠提高精度，但不會隨設(shè)備改變而改變。

圖6 打包控制結(jié)構(gòu)

本試驗針對上述誤差，在兩種提高精度的方法的基礎(chǔ)上進行改進，采用PID 控制精給料過程，通過LabVIEW編程，使提前量能夠自適應(yīng)系統(tǒng)，設(shè)計一種“粗給料+pid精給料+自適應(yīng)提前量=預(yù)設(shè)值”的控制模式。

1.5.2 減小誤差的控制模式設(shè)計

1.5.2.1 PID控制精給料

PID 控制原理見圖7[18]。預(yù)設(shè)值（SV） 與實測值（PV）間的誤差[e(t)]和誤差變化率[ec(t)]作為PID控制器的輸入，進行比例、積分、微分運算，輸出控制給料電機的速度。當(dāng)誤差小于允許誤差時，PID輸出為0，PLC發(fā)出停止電機信號，再經(jīng)過封口輸送，此為一個打包周期。PID控制回路在上位機軟件中編程實現(xiàn)。具體計算方法為：

圖7 PID原理

式中：U(t)為PID控制回路計算的輸出值；Kp為比例系數(shù)，e(t)為回路控制偏差，Ti為時間積分常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。

進一步整理得到公式（2）。

式中：Kp、Ki、Kd為比例運算系數(shù)、積分運算系數(shù)和微分運算系數(shù)。

1.5.2.2 提前量自適應(yīng)系統(tǒng)

設(shè)置提前量可以補償稱重系統(tǒng)時變、時滯的特性造成的誤差，提高打包效率，縮短精給料時間。系統(tǒng)從接收到傳感器重量到達提前量的信息后，反饋給控制系統(tǒng)，再控制系統(tǒng)把停止給料信號傳輸?shù)铰菪姍C，因為稱重系統(tǒng)時間滯后，計量斗的實測值會大于預(yù)設(shè)值，故提前量=預(yù)設(shè)值-粗給料值-pid 控制精給料值。每次稱重結(jié)束時采用此次提前量加上誤差的1/2修正下一次稱重設(shè)置的提前量。經(jīng)過多次稱重后，提前量逐漸逼近最佳值，能夠隨預(yù)設(shè)值或系統(tǒng)變化，自適應(yīng)系統(tǒng)。計算公式為：

式中：SP為預(yù)設(shè)值；PVn為實測值；E為實測值與預(yù)設(shè)值的差；M為粗給料+pid 精給料的重量（g）；m為提前量；n為稱重次數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗條件的確定

為使試驗數(shù)據(jù)更加精確，先對各傳感器的數(shù)據(jù)進行處理，消除傳感器本身振動、物料下落沖擊等造成的誤差。LabVIEW軟件具有很強大的數(shù)據(jù)處理與分析功能[19]，數(shù)據(jù)處理過程放在上位機程序中，采用LabVIEW內(nèi)置數(shù)字濾波模塊進行處理。前期設(shè)計樣機打包范圍1～10 kg，打包精度要求為±0.5%，螺旋輸送裝置的輸送能力與粉碎機生產(chǎn)率相匹配。螺旋軸最大轉(zhuǎn)速為110 r/min。PID參數(shù)Kp、Ki、Kd分別為1、0.008、0.001。

2.2 試驗方案確定

試驗過程中對系統(tǒng)進行多次調(diào)試，解決硬件動作延時、軟件卡頓報錯等問題；邀請多位人員進行系統(tǒng)操作體驗；對系統(tǒng)進行干擾，如粉碎機突然停電、驗證報警功能；檢查數(shù)據(jù)存儲是否正常，保證不會缺失數(shù)據(jù)。

設(shè)計了3 組控制模式進行對比分析，以每袋稱重時間和精度為衡量標(biāo)準(zhǔn)。分別為粗給料+精給料+固定提前量（a）、粗給料+精給料+自適應(yīng)提前量（b）、粗給料+PID精給料+自適應(yīng)提前量（c）。袋重SP值設(shè)為10 000 g，每組方案進行10次稱重打包；為提高打包產(chǎn)品合格率，使袋重能夠滿足要求，初始m設(shè)為0，經(jīng)過自適應(yīng)算法后提前量（m）會穩(wěn)定在一個值附近。試驗過程統(tǒng)計數(shù)據(jù)為打包時間秒、傳感器PV值、m。控制模式a 的固定提前量得出進行5次“粗給料+精給料”的稱重試驗，試驗得出的傳感器平均PV值，與袋重10 000 g的差值認為是稱重系統(tǒng)時變、時滯造成的誤差，此值設(shè)為固定提前量。

2.3 控制模型參數(shù)試驗結(jié)果

打開上位機軟件，操作員輸入賬號密碼，界面便彈出“驗證成功”窗口，登錄狀態(tài)燈點亮。通訊測試后，其他生產(chǎn)參數(shù)按鈕解除禁用狀態(tài)。系統(tǒng)可手動輸入轉(zhuǎn)速、喂料量等參數(shù)，超出設(shè)置范圍系統(tǒng)會提示；可以根據(jù)本次生產(chǎn)任務(wù)下料量，從數(shù)據(jù)庫中自動匹配各項參數(shù)。各種生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置完成后，可點擊“運行/停止”按鈕，生產(chǎn)過程可以暫停。當(dāng)運行、通訊、下料狀態(tài)異常時會發(fā)出警報聲，說明傳感器采集到的數(shù)值超出正常閾值，可按下生產(chǎn)暫停或者緊急停止按鈕。監(jiān)控界面把采集到的傳感器數(shù)據(jù)以數(shù)值顯示，轉(zhuǎn)速、電流和PV值顯示在波形圖表，傳感器數(shù)據(jù)存儲在指定文件夾。

3 組控制模式的數(shù)據(jù)見圖8，穩(wěn)定后的試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 穩(wěn)定階段數(shù)據(jù)

由圖8 可知，在相同的系統(tǒng)誤差下，m與PV值呈負相關(guān)，m偏小，實際稱重值增大，m偏大，實際稱重值減小。經(jīng)過4 到6 次稱重算法迭代后，m基本趨于穩(wěn)定，表明已自動適應(yīng)當(dāng)前系統(tǒng)。由表2可知，模式a和b用時22 s，模式c 用時25 s。因為PID 控制器在精給料稱重階段，誤差e逐漸變小，PID的輸出MV也逐漸變小，最后為0，此階段延長了稱重時間，表明模式b 和c 均滿足稱重系統(tǒng)的設(shè)計要求，可以根據(jù)打包精度和時間選擇。

3 結(jié)論

本研究設(shè)計系統(tǒng)以S7-200 SMART PLC 為核心控制器，采用LabVIEW軟件進行上位機開發(fā)，上位機界面表達清楚直觀，可以實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，實時監(jiān)控飼料粉碎系統(tǒng)的運行狀態(tài)，提出了一種提高打包精度的控制模式，該控制模式下的稱重精度為0.17%，達到設(shè)計要求。