飼料粉碎系統智能控制及在線監測平臺開發

曹麗英 王 躍 李春東

（1.內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古 包頭 014010；2.內蒙古科技大學工程訓練中心，內蒙古 包頭 014010）

飼料粉碎機械是常見的一種飼料加工設備，其中錘片式粉碎機具有結構簡單、適應性強、生產率高等優點。目前，我國小型飼料生產企業的粉碎設備自動化程度低，大多是一臺粉碎機單機，沒有與粉碎機性能相適應的配套設備[1]，無法對生產過程進行實時監控，導致飼料粉碎機械生產效率低，難以滿足企業高速、高效生產的要求，制約了飼料加工行業的整體發展[2]。田健華等[3]對國內800 余家飼料企業進行了問卷調查，調查顯示，53.21%的飼料企業在配料方面仍是半自動控制甚至手動配制飼料；采用人工記錄數據的精確性、及時性有待提高，在數據自動采集及現場作業控制方面存在較大提升空間。近年來，關于粉碎機械機理、結構優化等方面對降低粉碎能耗、提升生產率的研究較多[4-7]，但在飼料加工設備的現代化、智能化發展方面的研究較少[8]。隨著自動化技術的發展，高效、節能、自動化程度高的飼料加工設備的開發成為行業的重要需求[9-11]。本研究在新型錘片式粉碎機的基礎上設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，該系統以PLC為主控制器，LabVIEW 設計人機交互界面，實現了生產集中控制和運行數據監測，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的設計提供參考。

1 試驗設計

1.1 飼料粉碎系統機械結構及工作流程

飼料粉碎系統機械結構見圖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，經過錘片撞擊破碎，顆粒變小透篩后進入旋風除塵裝置。（4）打包。儲料倉中的物料顆粒通過螺旋輸送機構進入稱重料斗定量打包，當料斗內物料重量達到預定給料值時，反饋給傳動控制系統，從而進行下一步的夾袋、封口等。

圖1 飼料粉碎系統機械結構

1.2 總體設計

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

圖2 飼料粉碎系統設計

1.3 控制系統硬件設計

1.3.1 硬件組成

整個飼料粉碎控制系統硬件組成為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，對生產線進行統籌控制，采集傳感器的數據。PLC選用西門子S7-200 SMART，CPU型號為ST40，內置IO點數為40，分別為24 輸入和16 輸出。該PLC 標配有RS485 接口和以太網接口。通過以太網上傳數據給監控管理的計算機，對生產模塊發出指令并對生產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 通信協議傳輸粉碎機三相異步電機的轉速信號。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，可產生高速脈沖串或脈寬調制波。PLC 發送高速脈沖給驅動器，根據脈沖個數控制步進電機轉動的角度，且步進電機價格經濟。此處選用雷賽智能公司生產的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，應先對控制系統的I/O點數設計。飼料粉碎系統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、夾袋腳踏開關等，共16個輸入點。飼料粉碎系統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導控制時，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。此外還需控制風機、運行狀態三色燈等，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 控制系統軟件設計

系統的軟件設計主要包括PLC 梯形圖程序編寫和上位機軟件設計。根據生產工藝要求，完成對各個裝置的程序設計，并在S7-200 SMART 專用的編程軟件中完成生產線邏輯控制程序[12]。上位機采用LabVIEW軟件進行人機交互界面的開發[13]，可以實現農機產品的監控與數據采集，縮短系統開發周期。

1.4.1 PLC軟件程序設計

控制系統軟件設計是針對各裝置完成下料、喂料、粉碎、打包等作業的程序設計，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協議指令庫、Scale 指令庫等，極大地簡化了程序。PLC 控制主要內容為多個電機啟停及轉速控制、氣缸伸縮控制和傳感器數據采集。打包裝置的系統控制流程見圖4。

圖4 打包裝置的系統控制流程

由圖4 可知，上電后夾袋氣缸處于松開狀態，稱重氣缸閉緊，當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為夾緊，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 上位機軟件設計

1.4.2.1 通信設計

上位機作為遠程控制客戶端，通過OPC 協議與下位機通信，且延遲小于250 ms[14]。實現步驟為啟動NI OPC服務器，建立通道、設備、標簽；啟動NI Labview 建立項目，創建I/O 服務器連接至OPC 標簽的共享變量；通過共享變量與被控設備通訊。創建的標簽地址有位邏輯地址、寄存器地址，掃描速率設置為100 ms。

1.4.2.2 人機界面設計

LabVIEW 軟件針對生產操作員而設計人機交互界面[15]，且在硬件通信與處理數據上具有很大的優勢。人機界面分為生產操作區和監控區，上位機界面見圖5。在生產操作區，操作員須先進行權限驗證，完成各項參數的設置并保存到數據庫，才能點亮開始生產按鈕。系統會自動將生產參數記錄到Access 數據庫中。監控區則是顯示系統運行狀態。傳感器數據可以數值控件顯示或波形圖顯示歷史曲線，并將Solidworks 繪制的機械結構三維圖以.wrl 文件形式導入監控區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動畫演示。

1.4.2.3 后面板程序設計

LabVIEW 后面板程序由兩部分組成。主Ⅵ采用兩個while 循環并行，部分子Ⅵ也有各自的while 循環，相當于windows 的多窗口運行。在此條件下，每個while循環必須增加延時函數，釋放電腦內存以保證緩沖區數據不會溢出，否則會影響程序穩定性。生產操作程序采用“事件結構+條件結構+while循環”結構，共有12個事件，分別對應前面板的操作按鈕，用戶通過點擊前面的功能按鈕觸發程序對應的事件。如點擊“參數一鍵匹配”按鈕，后面板程序自動從已經設計好路徑的Access 數據庫參數表中讀取適用于當前生產的最優參數組合，使系統更加智能化。數據監控程序采用“while循環+順序結構+條件結構”，延時設置為500 ms。順序結構的目的是創建數據保存路徑，使用條件結構判斷系統文件夾下是否存在數據存儲文件夾，為True 則直接把采集到的傳感器數據經過LabVIEW數字濾波后，以excel格式保存到此文件夾；為False則先創建文件夾再執行濾波、存儲等操作。

1.4.2.4 建立數據庫

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

1.5 提高打包精度的控制方法設計

1.5.1 誤差分析

稱重系統設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。物料顆粒持續填充到計量斗，達到預設值時，控制系統發出停止給料信號。從信號發出到執行器執行期間，又落入一部分物料，將導致實際計量值始終高于預設值，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。在稱量前設置提前量進行補償操作，能夠提高精度，但不會隨設備改變而改變。

圖6 打包控制結構

本試驗針對上述誤差，在兩種提高精度的方法的基礎上進行改進，采用PID 控制精給料過程，通過LabVIEW編程，使提前量能夠自適應系統，設計一種“粗給料+pid精給料+自適應提前量=預設值”的控制模式。

1.5.2 減小誤差的控制模式設計

1.5.2.1 PID控制精給料

PID 控制原理見圖7[18]。預設值（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。當誤差小于允許誤差時，PID輸出為0，PLC發出停止電機信號，再經過封口輸送，此為一個打包周期。PID控制回路在上位機軟件中編程實現。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，e(t)為回路控制偏差，Ti為時間積分常數，Td為微分時間常數。

進一步整理得到公式（2）。

式中：Kp、Ki、Kd為比例運算系數、積分運算系數和微分運算系數。

1.5.2.2 提前量自適應系統

設置提前量可以補償稱重系統時變、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，再控制系統把停止給料信號傳輸到螺旋電機，因為稱重系統時間滯后，計量斗的實測值會大于預設值，故提前量=預設值-粗給料值-pid 控制精給料值。每次稱重結束時采用此次提前量加上誤差的1/2修正下一次稱重設置的提前量。經過多次稱重后，提前量逐漸逼近最佳值，能夠隨預設值或系統變化，自適應系統。計算公式為：

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

2 結果與分析

2.1 試驗條件的確定

為使試驗數據更加精確，先對各傳感器的數據進行處理，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據處理與分析功能[19]，數據處理過程放在上位機程序中，采用LabVIEW內置數字濾波模塊進行處理。前期設計樣機打包范圍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率相匹配。螺旋軸最大轉速為110 r/min。PID參數Kp、Ki、Kd分別為1、0.008、0.001。

2.2 試驗方案確定

試驗過程中對系統進行多次調試，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操作體驗；對系統進行干擾，如粉碎機突然停電、驗證報警功能；檢查數據存儲是否正常，保證不會缺失數據。

設計了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準。分別為粗給料+精給料+固定提前量（a）、粗給料+精給料+自適應提前量（b）、粗給料+PID精給料+自適應提前量（c）。袋重SP值設為10 000 g，每組方案進行10次稱重打包；為提高打包產品合格率，使袋重能夠滿足要求，初始m設為0，經過自適應算法后提前量（m）會穩定在一個值附近。試驗過程統計數據為打包時間秒、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時變、時滯造成的誤差，此值設為固定提前量。

2.3 控制模型參數試驗結果

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，登錄狀態燈點亮。通訊測試后，其他生產參數按鈕解除禁用狀態。系統可手動輸入轉速、喂料量等參數，超出設置范圍系統會提示；可以根據本次生產任務下料量，從數據庫中自動匹配各項參數。各種生產參數設置完成后，可點擊“運行/停止”按鈕，生產過程可以暫停。當運行、通訊、下料狀態異常時會發出警報聲，說明傳感器采集到的數值超出正常閾值，可按下生產暫停或者緊急停止按鈕。監控界面把采集到的傳感器數據以數值顯示，轉速、電流和PV值顯示在波形圖表，傳感器數據存儲在指定文件夾。

3 組控制模式的數據見圖8，穩定后的試驗數據見表2。

表2 穩定階段數據

由圖8 可知，在相同的系統誤差下，m與PV值呈負相關，m偏小，實際稱重值增大，m偏大，實際稱重值減小。經過4 到6 次稱重算法迭代后，m基本趨于穩定，表明已自動適應當前系統。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 均滿足稱重系統的設計要求，可以根據打包精度和時間選擇。

3 結論

本研究設計系統以S7-200 SMART PLC 為核心控制器，采用LabVIEW軟件進行上位機開發，上位機界面表達清楚直觀，可以實現系統參數設置，實時監控飼料粉碎系統的運行狀態，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%，達到設計要求。