智能飼喂系統設計與開發

何 葉，唐 妍，王均山

(南京交通職業技術學院 軌道交通學院，江蘇 南京 211188)

0 引言

近十年，我國養殖業取得了高速發展，由分散經營、規模小轉變為現在的集中經營、大規模飼養。規模化的養殖對設備的機械化和自動化提出了更高的要求。二十大指出加快建設農業強國，需要采用新技術對裝備進行現代化升級以及對養殖場進行數字化管理，提升養殖業的機械化、自動化程度。可編程邏輯器PLC因其體積小、可靠性高、功能強大、拓展性強等優點已廣泛應用于自動控制領域。本文利用現代化的自動控制、傳感和通信等技術設計與開發一套智能飼喂系統，采用分散控制、集中處理的方式，并用組態軟件進行人機界面設計，實時監控和反饋各飼養棚內的飼喂系統工作狀態，以提升養殖效益以及提高生產力。

1 系統總體設計

規模化養殖場內一般都有多個飼養棚，不同時期的禽畜分開飼養。既要考慮各飼養棚的差異進行分散控制，也要考慮控制室的集中管理，因此智能飼喂系統主要由主控制器、從控制器和多臺飼喂小車組成。每個飼養棚內均配置一臺PLC和一臺飼喂小車。主控制器安裝在控制室內，并配置一臺人機交互界面，方便管理員查看各棚內的飼喂系統運行情況，包括每個槽位的情況，飼喂車、槽內飼料量等。

本文以有4個飼養棚的養殖場為例，配置4臺飼喂小車，各小車的控制由從站可編程控制器實現，控制室的主站可編程控制器對各飼養棚內的從控制器集中監控。PLC選擇主流品牌三菱，主站選用體積小、雙協同處理的Q00U CPU系列，從站選擇三菱第三代系列FX3U，智能飼喂控制系統結構如圖1所示。

圖1 智能飼喂控制系統結構

2 飼喂小車設計

飼喂小車主要由以下幾部分組成：小車本體、行程軌道、小車驅動電動機、放料電動機、投料電機以及攪拌電機。伺服電機M1驅動小車的往返運動，小車內部的放料由三相異步電動機M2驅動(M2為由變頻器進行多段速控制)，雙速電機M3實現小車向槽內投料，攪拌電機M4用來對槽位內的飼料進行攪拌振動。小車的行程軌跡固定，左右兩側均有限位，分別為SQ1和SQ3。飼喂小車系統如圖2所示。

圖2 飼喂小車系統

初始狀態小車回到原點等待信號，啟動信號既可以通過棚內的按鈕控制，也可以通過主站的觸摸屏來控制。接收到啟動信號后，放料電機運行向小車內放料，小車滿載為200 kg。放料電機在高速運行狀態下運行，放料速度為10 kg/s；放料電機在低速運行狀態下運行，投料速度為2 kg/s。小車裝滿放料結束后小車右行運行至槽1位置停止，內部投料電機M2運行，向槽1投放飼料，投料電機在50 Hz狀態下運行，投料速度為5 kg/s；投料電機在40 Hz狀態下運行，投料速度為4 kg/s。投料速度與電機工作頻率成比例關系，投料速度以及投料總量均可以通過人機界面設置，系統提供初始值。當槽1飼料達到設定值后，再向槽2投放，當槽2飼料達到設定值后，再向槽3投放，直到所有槽都滿時，小車回原點，系統停止運行。投放過程中，如果小車中飼料投放完畢，小車回到原點重新裝料，裝料后回到之前的料槽繼續投放。在手動模式下，飼養員可以控制小車直接去對應的槽中投料。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括通信程序設計、PLC程序設計以及上位機監控軟件設計。

3.1 CC-Link組網的程序設計

三菱PLC可選用相應的通信模塊與大、中型PLC組網，組成基于CC-Link現場總線的網絡，現場總線是一種具備高度數字化、離散化、雙向智能化、互聯互通、多數據種類、多站點數量等特征的通信網絡[1]。

主站選用QJ61BT11N通信模塊，從站選用FX2N-32CCL通信模塊與主站組成CC-Link現場總線網絡。遠程輸入起始地址為M600，遠程輸出起始地址為M200，遠程輸入寄存器起始地址為D300，遠程輸出寄存器起始地址為D200。從站作為遠程設備站占用2站，遠程站點數為64個，遠程寄存器數為8個。從站1通信程序如圖3所示，其余從站通信按需分配遠程輸入、輸出起始地址和寄遠程存器起始地址即可。

圖3 從站1和從站2通信程序

3.2 PLC程序設計

主站承擔的任務較重，控制程序在QCPU處編寫完成，從站接收到控制信號后驅動電動機。Q系列PLC的SFC有豐富的指令：SFC塊、SFC控制指令和步屬性等[2]。主站創建公共塊(BL0)、1號飼養棚運行塊(BL1)、2號飼養棚運行塊(BL2)、3號飼養棚運行塊(BL3)和4號飼養棚運行塊(BL4)。公共塊控制各飼養棚運行塊的執行。觸摸屏的啟動按鍵或者棚內啟動按鈕信號都可以啟動設備。1號飼養棚監控畫面中啟動按鍵鏈接數據對象M1，棚內的啟動按鈕SB1的遠程輸入地址M600，均可啟動1號棚運行塊。2號飼養棚監控畫面中啟動按鍵鏈接數據對象M2，棚內的啟動按鈕SB2的遠程輸入地址M700，均可啟動2號棚運行塊。3號棚和4號棚運行塊啟動原理一樣，圖4為公共塊部分程序。

圖4 公共塊部分程序

塊BL1、BL2、BL3和BL4內部采用選擇性流程編程方法，用于切換手動模式和自動模式。通信設置中已將主站中遠程輸出寄存器M200～M215的數值賦值給從站1的Y0～Y15，因此主站可以直接控制從站中的電動機進行工作。從站1輸入信號X0～X15的數值賦值給了M600～M615，主站也可直接讀取。主站復雜的數據可以通過D200～D207傳遞給從站，從站復雜的數據可以通過D300～D307傳遞給主站。

3.3 上位機監控軟件設計

上位機選用昆侖通態公司TPC系列，該系列人機界面具有高亮度、高分辨率的液晶顯示屏，配套的MCGS組態軟件具有功能完善、操作簡便、可維護性等優點。MCGS可用于搭建與工控機的監控系統的工業軟件，實現對工業現場數據采集、監測與控制，廣泛應用于Windows操作系統[3]。用戶只需要通過簡單的模塊化組態就可構造自己的應用系統。

上位機監控畫面首頁中可以選擇相應的飼養棚界面。監控畫面主要分為狀態顯示區、參數設定區和模式選擇區。狀態顯示區顯示相應各臺電機的運行狀態以及實時反映各槽中的當前投放量和小車內當前飼料量；參數設定區中可以對飼喂小車載重量以及各槽需料量進行設定；模式選擇區提供兩種工作模式選擇：手動模式和自動模式，隨意切換；還提供了急停按鍵，用于監控室面對突發情況的應急處理。整個監控畫面簡潔明了，方便操作，如圖5所示。

4 結語

本文設計的多飼養棚智能飼喂系統，可以有效地提高大規模養殖的機械化和自動化水平，有效節約生產成本，提高生產效率。該智能系統具有一定的可拓展性和冗余度。三菱Q系列PLC的CC-Link通信，最多可以掛64個邏輯站。新增飼養棚時，系統只需添加從站，將新增的從站與現有系統進行總線連接即可。在后續智能飼喂系統中可以添加傳感器采集模塊，實時采集飼養棚內的溫度、濕度以及槽內飼料的重量，可實時添加飼料。基于ZigBee/GPRS技術實現無線數據采集、遠程監控相結合的多參數環境監控的系統方案，為養殖業生產與工業控制的結合開辟了新的思路[4]。

圖5 1號飼養棚人機界面組態