情時(shí)期小規(guī)模智能飼喂器電氣控制改造*

劉 歡，歐陽(yáng)峰，楊正勇，武紅偉

（1.湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002；2.衡陽(yáng)鐳目科技有限責(zé)任公司，湖南 衡陽(yáng) 417603）

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在 《2020 年的畜牧獸醫(yī)工作要點(diǎn)》中提出了穩(wěn)定和加快生豬生產(chǎn)，積極推進(jìn)種養(yǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)整，推廣優(yōu)質(zhì)飼草料的規(guī)模化生產(chǎn)，強(qiáng)化畜牧業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)，加快推動(dòng)現(xiàn)代飼草產(chǎn)業(yè)發(fā)展[1]。對(duì)于小規(guī)模散養(yǎng)農(nóng)戶，加強(qiáng)飼養(yǎng)環(huán)節(jié)自配料，減少使用商品飼料，降低飼養(yǎng)成本，是提高經(jīng)濟(jì)效益的方法之一。因此，后疫情時(shí)期對(duì)小規(guī)模散養(yǎng)智能飼喂器進(jìn)行改造，添加“切料” 功能，能較好地幫助農(nóng)戶提高“自配料” 的工作效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，體現(xiàn)了中國(guó)制造的“工匠精神”。

1 控制系統(tǒng)改造思想

1.1 改造前的控制系統(tǒng)

原控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)啟動(dòng)，飼喂小車回原點(diǎn)。設(shè)置放料參數(shù)，用戶觸摸低速按鈕，放料機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放料。若想加快放料速度，用戶觸摸高速按鈕即可。當(dāng)實(shí)際放料量達(dá)到設(shè)定放料參數(shù)重量或觸摸停止放料按鈕，系統(tǒng)停止放料。放料任務(wù)完成后進(jìn)行送料，送料的飼喂小車依次按槽位1→槽位2→槽位3 的順序送料。設(shè)定槽位1 需料量參數(shù)，飼喂小車向槽位1 運(yùn)行，到達(dá)后小車停止，小車內(nèi)部的電機(jī)通過(guò)投料機(jī)械裝置向槽位1 投料； 當(dāng)槽位1 投料完成 （實(shí)際料量達(dá)到設(shè)置的需料量）時(shí)，再設(shè)置槽位2 需料量參數(shù)，飼喂小車向槽位2 運(yùn)行，到達(dá)后開始投料； 當(dāng)槽位2 投料完成后，再設(shè)置槽位3的需料量參數(shù)，然后向槽位3 投料。若車內(nèi)無(wú)存料，小車自動(dòng)返回原點(diǎn)加料，然后運(yùn)行至相關(guān)槽位繼續(xù)投料。投料速度根據(jù)各槽位需料量與實(shí)際料量的差值來(lái)決定，并由投料電機(jī)的運(yùn)行頻率控制。當(dāng)所有槽位都投放完成，系統(tǒng)停止運(yùn)行。

1.2 改造后的控制系統(tǒng)

新冠肺炎疫情在全球蔓延，多國(guó)禁止糧食出口。后疫情時(shí)期，在飼喂過(guò)程中適當(dāng)進(jìn)行 “自配料”，在不改變?cè)刂葡到y(tǒng)性能和技術(shù)指標(biāo)的前提下，繼續(xù)保留小規(guī)模智能飼喂器的放料、送料、投料等控制功能，添加 “切料” 控制功能，既能減輕農(nóng)戶的勞動(dòng)強(qiáng)度，又能提高勞動(dòng)效率。改造后，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見第59 頁(yè)圖1。由于本控制系統(tǒng)使用了三相異步電動(dòng)機(jī)、伺服電機(jī)及變頻器對(duì) “切料”“放料” “送料” “投料” 等工藝流程進(jìn)行控制，所以選用三菱FX3U-32MT 型可編程邏輯控制器（PLC）。圖1 中，F(xiàn)X3U-32MT 型PLC 的輸出端不能直接控制交流接觸器，但可控制直流中間繼電器，因此，本系統(tǒng)通過(guò)直流中間繼電器的常開觸頭控制交流接觸器的得電和失電，從而控制切料電動(dòng)機(jī)和放料電動(dòng)機(jī)。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件配置

2.1 系統(tǒng)主要設(shè)備

本控制系統(tǒng)中，采用昆侖通態(tài) （MCGS）TPC7062Ti 觸摸屏作為人機(jī)界面； 切料機(jī)構(gòu)由Y-112M-4 型三相異步電動(dòng)機(jī)控制； 放料機(jī)構(gòu)由雙速電機(jī)控制，其型號(hào)為YD112M-4/2； 送料飼喂小車由伺服電機(jī)控制，采用ECMA-C20604RS 型伺服電機(jī)和ASDA-B2 伺服驅(qū)動(dòng)器； 投料機(jī)構(gòu)由變頻器和三相異步電動(dòng)機(jī)共同控制，采用FR-E740 型變頻器和Y-112M-4 型三相異步電動(dòng)機(jī)。

2.2 I/O 地址分配

根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，本系統(tǒng)的I/O 地址分配的輸入端口： X0 為原點(diǎn)傳感器； X1 為低速控制按鈕； X2 為高速控制按鈕； X3 為系統(tǒng)啟動(dòng)； X4為系統(tǒng)停止； X5 為左限位； X6 為右限位； X7 為切料啟動(dòng)； X10 為切料停止。輸出端口為： Y0 為伺服脈沖； Y1 為伺服方向； Y4 為星點(diǎn)聯(lián)結(jié)； Y5 為低速； Y6 為 高 速； Y7 為 切 料； Y10 為 運(yùn) 行 信 號(hào)（STF）； Y10 為一速 （RH）； Y11 為二速 （RM）；Y12 為三速（RL）。

3 控制系統(tǒng)的PLC 控制原理

本控制系統(tǒng)選定3 個(gè)飼喂槽作為研究對(duì)象。從飼喂小車回原點(diǎn)、系統(tǒng)啟動(dòng)、切料、放料、送料、投料等6 個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 回原點(diǎn)

系統(tǒng)上電，飼喂小車回原點(diǎn)，“原點(diǎn)回歸” 信號(hào)燈閃爍。

3.2 系統(tǒng)啟動(dòng)

按下 “系統(tǒng)啟動(dòng)” 按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)，“系統(tǒng)啟動(dòng)” 信號(hào)燈閃爍。在系統(tǒng)啟動(dòng)后，才能進(jìn)行切料、放料、送料、投料等操作（回原點(diǎn)除外）。

3.3 切料控制

后疫情時(shí)期，考慮到需要適度 “自配料”，因此添加了切料功能。從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度考慮，在觸摸屏上添加了切料與放料模式轉(zhuǎn)換開關(guān)，這樣任何時(shí)刻，“切料” 與“放料” 工作不會(huì)同時(shí)進(jìn)行，在技術(shù)上就無(wú)需再添加其他器件以實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖。既省掉了安裝接線的麻煩，又大大節(jié)省了經(jīng)濟(jì)成本，而且還具有操作方便的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，在觸摸屏上將切換開關(guān)置于切料模式，設(shè)置切料時(shí)間，觸摸 “切料啟動(dòng)” 按鈕，開始切料，切料時(shí)間到或觸摸 “切料停止” 按鈕，系統(tǒng)停止切料。圖2 為切料控制梯形圖。切料控制操作非常靈活，可單獨(dú)切料用于儲(chǔ)存（如： 在飼草或豬菜收獲的季節(jié)，可單獨(dú)通過(guò)切料加工將飼草料進(jìn)行處理儲(chǔ)存），也可在放料前進(jìn)行切料用于飼喂。在飼料充足而無(wú)需切料時(shí)，將觸摸屏上的轉(zhuǎn)換開關(guān)置于放料位置，便可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)放料、送料和投料功能。

圖2 切料控制梯形圖

圖2 中，M108 為觸摸屏上的切料與放料模式轉(zhuǎn)換開關(guān)，其常閉觸頭標(biāo)志系統(tǒng)處于切料模式；M109 為觸摸屏中的“切料啟動(dòng)” 按鈕； M110 為觸摸屏中的“切料停止”按鈕； D14 為切料時(shí)間設(shè)置。

3.4 放料控制

系統(tǒng)啟動(dòng)后，在觸摸屏上將切換開關(guān)置于放料模式，設(shè)置放料參數(shù)，操作放料按鈕才能進(jìn)行放料。放料速度由雙速電機(jī)控制，操作低速按鈕，系統(tǒng)處于低速放料狀態(tài)； 若想加快放料速度，操作高速按鈕就可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)實(shí)際放料量達(dá)到設(shè)定的放料參數(shù)或按下停止放料按鈕，系統(tǒng)停止放料。第60 頁(yè)圖3 為放料控制梯形圖。圖3 中，使用了觸摸屏上的切料與放料模式轉(zhuǎn)換開關(guān)M108 的常開觸頭，此時(shí)系統(tǒng)處于放料模式； M102 為“放料停止” 按鈕；M103 為“低速” 放料按鈕； M104 為 “高速” 放料按鈕，M200 為高速放料的輔助繼電器。

3.5 送料與加料環(huán)節(jié)

放料任務(wù)完成后，設(shè)置槽位1 的需料量參數(shù)，飼喂小車去槽位1 送料，到達(dá)槽位1 后進(jìn)行投料。完成槽位1 的投料任務(wù)后，根據(jù)飼喂小車內(nèi)有無(wú)存料確定去槽位2 送料還是回原點(diǎn)加料。若飼喂小車內(nèi)有存料，設(shè)置槽位2 的需料量參數(shù)，飼喂小車去槽位2 送料； 若飼喂小車內(nèi)無(wú)存料，則小車回原點(diǎn)自動(dòng)加料，需要加料時(shí)采用自動(dòng)低速加料方式，需要高速加料時(shí)則需觸摸高速按鈕。加料完成后，飼喂小車去槽位2 送料，到達(dá)槽位2 后進(jìn)行投料，以此類推。

圖3 放料控制梯形圖

3.6 投料環(huán)節(jié)

當(dāng)送料小車到達(dá)目的地后進(jìn)行投料。投料速度是根據(jù)槽位設(shè)置的需料量與其實(shí)際料量的差值決定，由變頻器進(jìn)行控制，3 個(gè)槽位的投料控制流程相同。當(dāng)需料量與其實(shí)際料量的差值≥40 時(shí)，變頻器以30 Hz 運(yùn)行，投料速度為3 kg/s； 當(dāng)20≤差值＜40 時(shí)，變頻器以20 Hz 運(yùn)行，投料速度為2 kg/s； 當(dāng)0＜差值＜20 時(shí)，變頻器以10 Hz 運(yùn)行，投料速度為1 kg/s。當(dāng)槽位1 的實(shí)際料量達(dá)到槽位1 的需料量時(shí)，變頻器停止工作，系統(tǒng)停止投料。

在該系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)三速運(yùn)行采用變頻器的多速段來(lái)進(jìn)行控制，變頻器的多段運(yùn)行信號(hào)由PLC 的輸出端提供，通過(guò)PLC 控制變頻器的RH，RM，RL 及STF 端子與SD 端子的通斷實(shí)現(xiàn)。變頻器運(yùn)行前需要設(shè)定參數(shù)，除了基本的參數(shù)設(shè)定外，還需設(shè)定操作模式和多段速度等參數(shù)。具體設(shè)定參數(shù)為：上限頻率Pr．1=50 Hz； 下限頻率Pr．2=0 Hz； 加速時(shí)間Pr．7=2 s； 操作模式選擇 （組合）Pr．79=3； 多段速度設(shè)定 （一速）Pr．4=30； 多段速度設(shè)定 （二速）Pr．5=20； 多段速度設(shè)定（三速）Pr．6=10。

4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面是人與機(jī)器進(jìn)行信息交流的場(chǎng)所[2]。本控制系統(tǒng)采用MCGS 作為人機(jī)界面，布有參數(shù)設(shè)定區(qū)、操作區(qū)、指示區(qū)和顯示區(qū)4 個(gè)區(qū)域，見圖4。

圖4 小規(guī)模智能飼喂器電氣控制系統(tǒng)人機(jī)界面示意圖

通過(guò)人機(jī)界面，用戶在參數(shù)設(shè)定區(qū)可根據(jù)生豬對(duì)飼料的實(shí)際需求更改小車料量設(shè)置，從而改變小車放料量。通過(guò)修改槽位1～3 的需料量，以滿足不同工藝的需求。有些參數(shù)已由技術(shù)人員設(shè)置，如槽位距原點(diǎn)的距離，無(wú)需再設(shè)。操作區(qū)是用戶進(jìn)行相關(guān)操作的區(qū)域，包括飼喂小車回原點(diǎn)、系統(tǒng)啟動(dòng)與停止、放料與切料的選擇、切料啟動(dòng)與停止、停止放料以及控制放料速度的低速按鈕和高速按鈕。用戶可通過(guò)操作區(qū)的放料、切料轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行放料與切料的相關(guān)操作，而且通過(guò)轉(zhuǎn)換開關(guān)，切料動(dòng)作與放料動(dòng)作能實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖 （也就是說(shuō)任何時(shí)刻，放料、切料不能同時(shí)進(jìn)行）。指示區(qū)用來(lái)顯示系統(tǒng)的狀態(tài)，這樣用戶從人機(jī)界面上可得知系統(tǒng)的啟動(dòng)狀態(tài)、放料電機(jī)的運(yùn)行情況等； 顯示區(qū)可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)實(shí)際值，包括變頻器的運(yùn)行速度、放料速度、投料速度、槽位1～3 的實(shí)際料量以及小車的實(shí)際料量等。為了防止飼喂小車越界，設(shè)有限位保護(hù)，一旦越界，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)報(bào)警提示。

5 結(jié)束語(yǔ)

后疫情時(shí)期，小規(guī)模智能飼喂器添加了切料功能，降低了經(jīng)濟(jì)成本，減輕了農(nóng)戶 “自配料” 的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)效率。通過(guò)改造飼喂設(shè)備，改善現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施，提高科技創(chuàng)新支撐能力，促進(jìn)農(nóng)業(yè)豐收農(nóng)民增收，能夠更好地服務(wù) “三農(nóng)”，助力貧困人員產(chǎn)業(yè)脫貧。小規(guī)模智能飼喂器的改造，生動(dòng)詮釋了精雕細(xì)琢、銳意創(chuàng)新、追求極致、精益求精的“工匠精神”。