PLC技術在飼料生產自動化中的應用分析

廖雄燕

（南寧職業技術學院，廣西南寧530008）

飼料業是農業、養殖種植業、畜牧業、農副產品加工業等多個產業的聯結樞紐，非常重要（劉艷榮，2012）。飼料行業以前采用手工，無法精確控制生產流程，生產模式效率低下，產品質量無保證，嚴重制約了行業生產，如何改進傳統生產模式提高效率，是當前亟待解決的問題（苑廣闊，2019）。

在國外，美國在19世紀就成立了奶牛飼料加工公司，1960年以后，美國飼料年產量增長了兩倍多，達到了1億噸以上。而我國是從改革開放以后才開始發展飼料加工業，雖然落后70多年，但是經過了40多年黃金發展期，取得了巨大成果。一是年總產量達到了將近2億噸，二是飼料加工公司開始了集團化發展，大型集團企業占比60%以上。在生產自動化方面，國外起步較早，可編程控制器與IT技術的全面結合導致其功能及質量發生質變，成為了工業控制的樞紐 （陳曉玲等，2019）。21世紀以來，研制成功大型機、各類專用控制器。部分歐美國家已實現了飼料的進料、加工、出料的全流程自動控制（汪鋒等，2010）。國內的研究和工業發展同步，在飼料加工生產自動化轉型過程中，吸收、創新了我國的可編程控制器行業。目前，國內的代表系統有上海東屋CF系列、杭電D系列、蘇電YZ系列等多款可編程控制器，無錫華光、上海鄉島等合資公司的產品也為我國吸收技術提供了便利的平臺（孫惠霞，2018）。

根據目前國內飼料生產廠家對于產品質量、產量的要求，本文以PLC控制技術為基礎，開展了生產線自動化的課題研究。

1 PLC的組成及原理

可編程控制器的控制能力從開始發展到現在，逐步地由簡到繁，現在的PLC主要包括四大部分。一是核心CPU，運行邏輯運算、算術運算等指令；二是輸入輸出部件；三是輸出接口，受控元件的連接電路；四是電源部件，設備的能源來源（周青鋒，2008）。

PLC軟件包括系統自帶的基礎程序和用戶自行編寫的應用程序（鐘聞宇等，2014）。廠商將系統診斷、基礎運算等基礎程序內置到存儲器。用戶使用編程語言自行編寫（黃中玉等，2010）。PLC編程語言有字符和圖形兩種，為技術人員提供了方便（郭湘君等，2012）。

2 飼料生產自動化系統設計

2.1 自動化生產線簡介 本文以改造A飼料公司生產線為背景，進行系統研究和實踐，實現了以PLC為核心，以計算機、變頻器、傳感器等為元件的自動化系統。本文的控制系統結合了計算機存儲優勢和PLC控制優勢，利用上下位機進行分布控制穩定性很高，有效避免了計算機集中控制帶來的不穩定因素（王衡等，2019）。上位機采用人機觸摸屏，通過簡單的計算機操作就能完成配方參數、配料時間、設備運行等操作，對生產進行實時監測控制，實時模擬設備運行狀態，由工控機在后臺進行實時存儲產工藝數據、配方參數等關鍵數據 （車璐等，2018）。下位機選用 Siemens公司的S7系列，其簡單的維護性使得基層單位在使用中更加得心應手。

為了避免系統在停電等特殊情況下造成生產損失，在設計時配備了手動和自動兩種方式。控制流程如圖1所示。

2.2 系統設計方案

2.2.1 控制系統 飼料生產線由多個環節組成，包括進料、粉碎、配料、出料等系統。控制功能要求如下：（1）通過計算機實現配料、負荷和相關工藝參數的自動設定，全面控制生產工況，按工段實現開機、聯鎖和解鎖等控制功能（趙柳達，2019）。（2）根據用戶需求，隨時切換展示生產狀況，例如粉碎系統中的粉碎電流、配料系統中的取料時間等關鍵參數，以及氣門的實時位置、樣倉的料位等，都要通過數值和模擬形態進行反映。（3）為保護生產線的安全，設置報警功能，在傳感器收集到報警信號時，顯示屏第一時間彈出報警信息，包括報警的生產工段、具體設備及異常參數等，同時還會出現紅色預警等顯著顏色變化。

2.2.2 控制方式 自動控制中樞在中控室，實現生產線各設備的聯鎖、互鎖、自鎖等功能，例如提升機和運輸機為聯鎖控制要求，喂料機為自動控制，具體在觸摸屏上顯示為聯動、自動等按鈕，每個觸摸屏上都有緊急停車的按鈕，還能控制提升機電流等關鍵參數。手動控制通過控制箱來實現生產線各種工藝操作，例如喂料器為手動控制（羅清堯等，2018）。

2.3 控制系統子系統設計 控制系統在多數情況下是多輸入多輸出系統，如果能夠用精準數學模型表達控制要求，就能夠設計出準確的控制系統（何武林，2019）。不過，飼料生產線的動態特性難以求出，難以求出數學模型，因此只能以實際試驗來分析各個工段設備的特性。

2.3.1 投料系統 粕料開機投料流程：由進料倉進入清理篩，在通過提升機進入除塵器進行處理，當進料倉料位高于設定值時發出報警信號。粉料開機投料流程：由配料倉絞龍，然后進入清理篩、提升機、除塵器，當進料倉料位高于設定值時發出報警信號。

2.3.2 粉碎機自動控制子系統 開機流程：由配料倉絞龍，然后進入提升機、螺旋式輸送機，在進入除塵器、粉碎主機，經過粉碎后進入喂料器，當配料倉料位高于設定值時發出報警信號。

粉碎機處于自動控制狀態下，上位機設定載荷后，由系統自行調整喂料的參數。處于手動控制狀態下，通過電位器進行控制。粉碎機可以雙向運行。

PLC通過粉碎機電流值來判定吸料的狀態，包括待料、爬坡和PID三種控制狀態。然后調整進料速度，糾正實際速度和設定速度的偏移值，確保負荷重時高效運行，負荷輕時節能運行。控制原理如圖2所示。

2.3.3 配料系統 配料控制模塊包括配料模塊、小料模塊和液體模塊，作為控制系統的核心部分，主要用于完成生產、管理以及其他的特殊功能（甘玲等，2019）。

配料控制中，首先上位機根據生產工藝流程，發出配方、工藝參數的指令，下位機PLC接受指令后，啟動配料生產，同時檢測配料的稱重信號。稱重之后，打開秤斗門進行放料，放完之后檢測余料。當檢測結果低于限制值則關閉門，超過限制值則啟動報警。在配料工作沒有達到配方參數之前，繼續配料，直到結束。生產過程由PLC控制設備，工控機監控PLC的運行整體流程,實時存儲生產數據。

采用的稱重傳感器是配料工藝中的關鍵元件，原理是：在重力作用下，彈性體發生形變，電阻值發生變化，測量后轉化為電信號。配料控制原理如圖3所示。

3 硬件和軟件設計

控制的核心是A/D轉換，因為在靈活性和可靠性上，對于連續變量，需要采用模數進行采集，而計算機只能采集數量，因此需要專用設備進行轉換。對于智能設備來說，有內置的監控單元可以采集相關模擬量，非對于智能設備，必須增加專用數據采集器轉換為所需的電量信號。本文首先采集壓力、速度等物理量，轉換為模電信號、數字量，由計算機來分析計算，處理結果再轉換為模擬電信號輸出到執行設備，進行實時監控。

3.1 硬件設計 硬件設計分為頂層設計和底層設計。底層設計中在現場用PLC進行信號測量和采集，計算出相關控制參數。頂層設計以觸摸屏作為控制手段，進行監測。如圖4所示。

3.1.1 PLC 本文選擇西門子S7S7-300作為下位機，具有快速數據處理能力和高速計算能力。

3.1.2 人機觸摸屏 本文選擇MT500系列與現場PLC開展通訊，除了普通的觸摸屏功能外，還具有數據轉換、配方設置、在線模擬、窗口移動和切換的功能。

3.1.3 變頻器 為了匹配西門子PLC來有效控制喂料器的速度，本文選擇西門子Microlaster420變頻器。該變頻器無故障工作時間大于50萬小時，具有恒定轉矩、內置PI、遠程控制等功能。

3.1.4 PID PID控制器是目前最成熟的控制器，根據比例、積分和微分3種規律，可以構成P、PI、PID三種，流程如圖5所示。

PID調節器控制數學模型可表示為：

經過拉普拉斯變化，用傳遞函數表示為：

式中：Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數；Kp為比例系數；Ki為積分系數。

在引入計算機模擬算法后，對算法進行了改進，數學表達式為：

經過Z變換為：

式中：Kp為比例系數；Ki積分系數；Kd為微分系數。

控制器反饋示意圖如圖6所示。

為進一步解釋PID控制系統，下面分別解釋其運行規律。

（1）比例規律，用于控制當前量。當輸出和誤差成比例時，將誤差數值乘以常數P，加上設定值，即可完成比例控制。

（2）積分規律，用于控制過去量。將誤差合計后乘以常數I，加上設定值，即完成積分控制。

（3）微分規律，用于控制將來量，將誤差進行一階求導，乘以常數D，加上設定值，即完成微分控制。

本文選用的S7-300系列自帶PID模塊，可以直接進行調用。由于生產線中涉及到電機運轉、喂料頻率等多個變量，使得確定PlD參數難度極大，為解決這一問題，在使用Fuzzy調試辦法的基礎上，進行多次實驗，手動修正參數。

除了上述硬件設備，還設計了數據采集器、測速儀、信號轉換器等設備。

3.2 軟件設計 控制系統包括系統自帶軟件和應用軟件兩類。自帶軟件的核心是操作系統，由生產廠家編制。應用軟件是工程師根據生產線需求編寫的程序，用于指揮生產設備滿足各類的工藝要求。

系統自帶軟件又分為組態軟件和定制軟件兩部分。組態軟件控制著傳感器、數據采集等多個重要裝置，定制軟件滿足客戶的各類需求。某一種產品無法囊括全部用戶的要求,用戶需求多樣化的特點使得“組態”和“定制”缺一不可。

組態軟件最初是單一管理，逐步向大數據處理發展。早期的硬件系統非常依賴組態軟件，隨著技術的發展，部分軟件已經實現了與硬件的分離。對于組態軟件，越來越多的用戶重視其實時數據監測的作用，高性能計算機使得實施數據傳輸更加快捷，能夠讓用戶根據實際數據實時分析，為指揮、決策提供了一手的重要資料。

上位機軟件設計時，首先根據規劃的電器流程圖，計算數字量和模擬量的輸入輸出點，計算好后定義變量和地址,再連接下位機的變量。然后以工藝流程圖為指導確定監控重點，實時觀測到配方數據、生產報表、設備運行等關鍵數據。

下位機S7-300包含多種檔次的CPU模塊，可以提供指令執行、MPI和CP通訊、PID控制等功能。硬件組態設置參數后，用LAD編程語言對各個工段生產流程進行編程，匯總后統一調整即可。

4 總結

本文根據目前飼料生產線的性能參數、控制特點，研究了生產線自動化控制的現狀，從設計方案、硬件軟件設計等方面進行了研究，設計了符合現代生產要求的配料生產控制系統。

但是目前的設計還存在一定程度不足，例如PLC的電壓干擾容限不高，存在數據處理混亂、程序處置失真、信號測控失誤等問題，還有待進一步完善，才能滿足智能化的生產要求。