基于PLC和MCGS技術的流體豬食智能加工系統設計

摘""" 要：隨著生豬產業的快速發展，中國的豬肉年產量已經連續多年突破500億千克，幾乎占據世界豬肉年產量的一半。然而目前國內的一些養豬場，由于受到資金和技術等方面的限制，仍然采用人工或半人工的方式喂養，效率比較低下，急需一種流體豬食智能加工系統將人力解放出來。基于此，采用PLC和MCGS技術設計了一套流體豬食智能加工系統。該系統由控制單元、機械單元、執行單元、傳感器數據采集單元構成。系統創新之處在于采用工業計算機PLC和MCGS技術，實現了自動進水、進料、加熱和攪拌、自動排食，最后對設備進行自動清洗。該系統可較好地實現流體豬食的自動加工，降低養豬企業的養殖成本，提升生豬規模化養殖自動化水平。

關鍵詞：智能加工系統；PLC；MCGS組態技術；流體豬食

中圖分類號：TP273"""""" 文獻標志碼：A"""""""" 文章編號：1009-5128（2024）05-0088-06

收稿日期：2023-12-14

作者簡介：楊凱，男，陜西富平人，安徽科技學院機械工程學院碩士研究生，高級講師，主要從事智能農業裝備研究。

0"" 引言

我國是一個擁有14億人口的大國，老百姓對豬肉的需求量非常大，除了2019年和2020年由于受到非洲豬瘟和新冠疫情等影響，豬肉產量有所下降之外，其余年份豬肉產量基本超過500億千克。然而我國還有相當部分養豬場，目前還在采用人工或者半人工的方式喂養，設備簡陋，自動化和智能化程度低，嚴重制約了生豬養殖業的高質量發展。因此，將PLC技術、組態技術、傳感器技術、自動控制技術等與養豬產業相結合具有重要的現實意義，設計一種基于PLC和MCGS組態技術［1］的養豬場流體豬食智能加工系統成為改善生豬養殖模式的迫切需求。

1"" 系統結構與控制要求

1.1"" 系統結構

流體豬食智能加工系統結構框圖如圖1所示，設備內部結構如圖2所示。主要包含控制單元、機械單元、執行單元、傳感器數據采集單元等幾部分。控制單元由MCGS組態液晶屏和西門子Smart S7-200 PLC組成，MCGS組態液晶屏作為上位機［2］，負責直接發出操作控制命令，PLC作為下位機，用來控制和驅動受控單元中各種設備的工作。機械單元由水倉、飼料倉、流體豬食攪拌倉、 攪拌器以及圓盤增壓清洗噴頭等部分組成。執行單元主要包含攪拌電機M1，振動電機M2，增壓水泵M3，加熱裝置，電磁閥YV1、YV2、YV3、YV4等。傳感器數據采集單元由低液位傳感器L、中液位傳感器M和高液位傳感器H組成，負責對攪拌倉內的液位進行監測，并把數據實時傳送給PLC。

1.2"" 系統控制要求

流體豬食智能加工系統要求有兩種控制模式，分別是全自動控制運行模式和手動控制運行模式。

1.2.1"" 全自動控制運行模式

在MCGS觸摸屏上按下啟動按鈕后，選擇自動運行模式，系統首先進行原點條件自檢［3］（如果各電機、水泵、電磁閥、加熱絲和傳感器均處于停機狀態，說明系統原點條件滿足）。如果原點條件滿足，自動運行模式開啟。PLC按照事先編寫好的程序，打開電磁閥YV1，水從水倉流入設備攪拌倉，當水位到達攪拌倉M位置時，液位傳感器檢測到液位信號，將信號傳送給PLC。PLC發出控制指令，關閉電磁閥YV1的同時，打開電磁閥YV2，控制振動電機M2的交流接觸器線圈得電，振動電機開始振動，飼料在振動電機的振動下，不斷從飼料倉流入攪拌倉，當攪拌倉的飼料到達位置H時，傳感器H將信號傳送給PLC，PLC關閉電磁閥YV2和振動電機M2，進水和進料完成。進水和進料完成后，PLC發出控制指令，使控制攪拌電機M1的交流接觸器和控制加熱絲的交流接觸器線圈同時得電，攪拌電機M1得電后啟動，帶動攪拌裝置旋轉進行攪拌，加熱絲得電后開始對流體豬食進行加熱。攪拌和加熱5 min后，成品流體豬食已經加工完成，PLC發出控制指令，加熱絲和攪拌電機停止工作，同時打開電磁閥YV3，成品豬食經過管道流出，流向豬食槽，供生豬食用。當攪拌倉內的流體豬食液位下降到低液位傳感器L位置時，傳感器將液位信號送給PLC，PLC進行30 s定時。當30 s定時到后，此時攪拌倉內剩余流體豬食已經全部排出，PLC再次發出控制指令，使給增壓泵M3供電的交流接觸器線圈得電，電磁閥YV4得電打開。此時經過增壓水泵M3加壓的水，通過管道到達攪拌倉內部上方的圓盤增壓清洗噴頭，高壓水從噴頭噴出，對攪拌倉進行30 s清洗。清洗完成后，PLC發出控制指令，關閉電磁閥YV4、YV3和增壓水泵M3，一個完整的工作循環完成，以后自動重復上述過程。如果流體豬食的量已經夠生豬食用，這時只需按下停止按鈕，設備停止運行。

1.2.2"" 手動控制運行模式

在MCGS觸摸屏上按下啟動按鈕后，選擇手動運行模式，系統將進入手動控制狀態。這時可以輕點MCGS觸摸屏上標有“進水” “進料” “加熱攪拌” “排食” “清洗”等按鈕，實現手動控制系統工作。

2"" 控制系統設計

控制系統設計包括硬件設計和軟件設計兩部分。硬件設計需要根據系統控制要求確定PLC的輸入、輸出設備，并為其分配相應PLC的 I/O端子。同時還要根據控制要求，設計系統的PLC控制線路圖。軟件設計主要包括PLC控制程序的編寫與MCGS組態軟件設計兩部分。

2.1"" 硬件設計

2.1.1"" 輸入、輸出設備及I/O端子分配

控制系統輸入、輸出設備及I/O端子分配分別如表1和表2所示。

2.1.2"" 系統PLC控制線路圖

系統控制線路圖如圖3所示，西門子Smart S7-200 PLC和昆侖通態觸摸屏MCGS-7062KX為整個控制系統的核心［4］。西門子Smart S7-200 PLC在系統中作為下位機，用來控制和驅動受控單元中各種設備工作，其CPU為SR40。PLC輸入端子24個，分為3組，分別是I0.0-I0.7，I1.0-I1.7，I2.0-I2.7。輸出端子16個，分成2組，分別是Q0.0-Q0.7，Q1.0-Q1.7。昆侖通態觸摸屏MCGS-7062KX在系統中作為上位機，負責直接向PLC發出操作控制命令，其與PLC之間采用RS485進行通信［5］。

2.2"" 控制系統程序流程圖設計

2.2.1"" 系統控制流程圖

根據控制系統的要求及功能，繪制如圖4所示的程序流程圖。

2.2.2"" 編寫系統控制程序

啟動STEP7-Micro/WIN 編程軟件，根據圖4所示的系統控制流程圖編寫系統控制程序，然后把光標移至菜單，點擊下載命令，將程序下載到PLC內。

3"" MCGS組態設計

通過MCGS組態設計，可以實現系統的人機交互自動控制。用戶可以在軟件中制作控制界面，實現對系統及其運行過程的控制和數據監控［6］。

3.1"" 新建工程

打開MCGS組態軟件，在主菜單中點擊文件命令，然后在彈出的下拉菜單中選擇新建工程，在系統彈出的工程設置對話框中選擇觸摸屏型號MCGS-7062KX。 """"

3.2"" 變量分配

根據系統的控制要求，先對變量進行分配，如表3所示。然后在MCGS軟件中增加數據通道，建立實時數據庫［7］。

3.3"" 設計組態畫面

在MCGS軟件中，根據控制系統要求，先后進行控制系統畫面建立、數據對象操作設置、變量選擇等操作，建立的組態畫面如圖5所示。

3.4"" 工程下載

控制系統組態畫面設計好之后，用24 V直流開關電源給昆侖通態觸摸屏MCGS-7062KX供電，同時用USB線連接觸摸屏和筆記本電腦USB接口。在MCGS軟件主菜單中點擊下載工程并進入運行環境命令，即可實現將設計好的組態畫面下載到觸摸屏中。

4"" 系統安裝及調試

按圖3所示的控制系統線路圖，對系統進行接線和組裝，并進行通電測試與性能驗證，整個控制系統工作穩定，性能安全可靠，完全符合設計要求。

5"" 結語

本研究采用西門子Smart S7-200 PLC和昆侖通態觸摸屏MCGS-7062KX作為控制系統的核心，通過PLC編程和MCGS組態設計，硬件電路的設計，安裝與調試，完成了流體豬食智能加工系統設計。該系統可簡化養豬場生豬飼養工作流程，節約勞動力成本，提高生豬養殖效率，有效提升生豬規模化養殖自動化水平。

參考文獻：

［1］" 周琳，劉濤，陳霞.基于PLC的智能化飼料投喂系統的性能評估與改進［J］.中國農業科技導報，2022（3）：89-95.

［2］" 楊宇，宋靜，徐明.智能化養豬場控制系統的能耗優化研究［J］.農業機械學報，2023（2）：78-84.

［3］" 張建華，王凱，劉麗.智能化養豬場控制系統的安全性分析與優化［J］.農業信息化技術，2021（4）：67-73.

［4］" 王建國，李紅，劉濤.基于PLC的智能養豬場控制系統的設計與實現［J］.中國農業科技導報，2022（2）：67-73.

［5］" 王小明，張曉麗，劉健.基于PLC的智能化養豬場控制系統設計與實現［J］.農業工程學報，2022（3）：45-51.

［6］" ZHANG W，LIU Y，WANG L.Design and Optimization of PLC-based Intelligent Pigsty Automatic Cleaning System［J］. Journal of Agricultural Automation，2023，44（1）：112-118.

［7］" YANG M，HUANG H，ZHOU Y.Research and Design of PLC-based Intelligent Feeding System in Pig Farms［J］.Mechanical and Electrical Engineering Technology，2022，41（4）：56-62.

【責任編輯""" 牛懷崗】

Design of Intelligent Processing System for Fluid Pig Food in Pig Farms Based on PLC and MCGS Technology

YANG Kai

（College of Mechanical Engineering， Anhui Science and Technology University， Fengyang 233100， China）

Abstract： With the rapid development of the pig industry， China’s annual pork production has exceeded 50 billion kilograms for several consecutive years， accounting for almost half of the world’s annual pork production. However， currently some pig farms in China still use manual or semi manual feeding methods due to financial and technological limitations， resulting in relatively low efficiency. There is an urgent need for a fluid pig food intelligent processing system to free up manpower. Based on this background， it is particularly important to design a fluid pig food intelligent processing system using PLC and MCGS technology. The system consists of a control unit， a mechanical unit， an execution unit， and a sensor data acquisition unit. The innovation of the system lies in the use of industrial computer PLC and MCGS technology， which realizes automatic water inlet， feeding， heating and stirring， automatic food discharge， and finally automatic cleaning of the equipment. Through the design and installation testing of this system， it is possible to achieve automatic processing of fluid pig food， reduce the breeding costs of pig farming enterprises， and improve the automation level of large-scale pig farming.

Key words：intelligent machining system； PLC； MCGS configuration technology； fluid pig food