牧畜飼料加工過程中的自動化控制與管理研究

農鈞麟，明 鑫

（廣西職業技術學院，廣西壯族自治區 南寧 530226）

牧畜飼料加工是我國實現農業高質量發展的重要環節，不僅關系到畜牧養殖業的健康穩定發展，也關系著廣大群眾對食品安全的日益關注與追求。在這一過程中，牧畜飼料生產的流程和質量嚴重影響著養殖業的生產效率和產出質量[1，2]。現代化的牧畜飼料加工自動化控制與管理，能夠有效地提高牧畜飼料生產的效率、質量和安全性。一方面，通過自動控制儀器和設備的接口控制，牧畜飼料加工能夠實現對于原料的準確配比、物料的輸送和混合，以及機械加工和包裝等各個環節的自動化控制，提高生產效率，另一方面，自動化控制與管理系統可以對牧畜飼料生產過程進行實時監測，對于產品損壞或設備故障等異常情況，可及時停機或報警，以更好地采取措施，避免生產出不合格的飼料，保證生產環節的安全性和可靠性[4，5]。由此可見，為了更好地順應現代飼料加工的發展趨勢和市場的需求，需要加大對牧畜飼料加工自動化控制與管理系統的研究開發，全面推進牧畜飼料加工自動化控制與管理系統的應用。

1 牧畜飼料加工自動化控制與管理系統構成

牧畜飼料加工自動化控制與管理系統是一種應用現代科技管理方法和裝備技術，對牧畜飼料加工過程進行控制與管理的方式。基于牧畜飼料的生產要求，加工自動化控制與管理系統主要由給料系統、稱量系統和控制系統構成。其中，給料系統由給料機、送料器、儲料罐等設備組成，主要工作是根據原材料特性，分別選用不同的給料設備；稱量系統主要用采集電子秤進行質量判斷，在牧畜飼料加工過程中用以判斷生產原料是否結束；控制系統是牧畜飼料加工自動化控制與管理系統中最為核心的一環，主要由稱量儀表、上位工控機、可編程控制器等構成。牧畜飼料加工自動化控制與管理系統的總體構造見圖1。

圖1 牧畜飼料加工自動化控制與管理系統的總體構造Fig.1 Overall structure of the automation control and management system for livestock feed processing

2 設計思路

2.1 PLC技術概述

PLC 即可編程邏輯控制器，是一種為工業控制系統專門設計的數字電子設備[6]。PLC 技術具有可編程、可控性高、維護方便、可擴展性強、反應速度快等特點，廣泛應用于自動化控制、機器人、工業生產線等領域[7]。

PLC 技術的基本原理是將工業控制邏輯程序編寫成一系列指令，然后將這些指令存儲在PLC 存儲器中，利用程序控制器與外界進行數據交換，調度I/O 接口板及外設，實現對控制過程的管理和控制。這樣既可以有效替代傳統繼電器邏輯控制方式，提高控制精度和反應速度，又可以根據現場需求進行編程和修改，具有很高的適應性和靈活性。

2.2 PLC系統設計

牧畜飼料加工自動化控制與管理系統設計見圖2。

圖2 牧畜飼料加工自動化控制與管理系統設計Fig.2 Design of automation control and management system for animal feed processing

由圖2 可知，PLC 為牧畜飼料加工自動化控制與管理系統的控制主機，可借助I/O 接口，接收電動機控制中心（MCC柜）輸入的控制按鈕主令信號，然后通過此信號控制臨場硬件設備與模擬屏。借助PLC 控制程序，牧畜飼料加工自動化控制與管理系統能夠實現對故障設備的關停控制。此外，考慮到應用便利性及自動化工程的運行特點，選擇西門子S7-300 作為牧畜飼料加工自動化控制與管理系統的核心部件。該模塊主要涵括導軌、電源、CPU以及接口模塊。

2.3 供電模塊設計

為了確保系統的安全可靠運行，必須采用高質量和可靠性強的供電電源。為此，需要設置一個合理、安全和高效的供電模塊，該模塊由隔離變壓器、不間斷電源、本電源等組成。其中，隔離變壓器主要防止電網動蕩對系統供電造成影響；不間斷電源提供持續不間斷的電流，以保證系統不會由于停電而中斷；本電源是為了適應飼料生產現場高粉塵和高噪音的環境而設計的電源。供電模塊組成配置見表1。

表1 供電模塊組成配置Tab.1 Composition and configuration of power supply modules

2.4 輸入模塊設計

SM331 是一個采用A/D 轉換器的模擬量輸入模塊，主要由A/D 轉換部件、模擬切換開關、光電隔離和補償電路等構成[8]。它不僅能夠適用于不同類型的信號轉換，包括電壓、電流、電阻、熱電偶等，而且可以根據型號的不同，從技術手冊中查看各模擬量輸入范圍的數字化表示以及數字量與不同模擬輸出范圍間的對應。在牧畜飼料加工自動化控制與管理系統中，為提高效率，相關工作人員可利用軟件工具屏蔽部分不用的模擬量通道。此外，考慮到系統實際應用情況，本文選擇了2個8通道的模擬量輸入模塊，不僅能夠滿足信號采集的要求，還能夠在減少費用的同時充分利用機架空間。

2.5 地址分配模塊設計

為方便系統調整，在進行PLC 自動化控制與管理時，可根據不同輸入、輸出端子進行控制。系統PLC 輸入輸出配置見表2。

表2 系統PLC輸入輸出配置Tab.2 System PLC input and output configuration

2.6 PID控制模塊設計

在牧畜飼料加工自動化控制與管理系統中，如何確保原材料下料質量與設計質量相一致，需要研判牧畜飼料原材料的成本配比以及電機開倉位置存在的不同落差與下降速度。為解決這一問題，采用PID控制策略，選用雙速變徑變距螺旋加料機，并借助控制算法編寫，消除不利因素影響。當下料值高于或低于設定值時，PLC會進入報警狀態。

2.7 PLC數據采集模塊設計

PLC數據采集流程見圖3。在牧畜飼料加工自動化控制與管理系統中，數據采集模塊的內容主要有PLC數據采集，傳輸命令見以下3個步驟：第一步，讀取內存字節：@00RD+內存地址+讀取字節+……+FCS+’*’+Enter（13H），其中，FCS（frame check sequence）是PLC 的幀檢驗序列，以便判斷接收幀的網卡或接口是否發生錯誤；第二步，寫內存字節：@00WD+內存地址+寫入字節+FCS+’*’+Enter（13H），此處FCS 是三菱PLC 的幀檢驗序列；第三步，PLC自測試：@00TS+寫入字節。

圖3 PLC數據采集流程Fig.3 PLC data collection process

3 結語

牧畜飼料加工是肉類、奶制品等畜牧產品生產的重要支撐，對畜牧產品質量和品牌形象有著重要影響。然而，傳統的牧畜飼料加工過程往往需要大量的人工參與，不僅容易出現操作失誤和浪費現象，而且存在食品安全隱患和管理難度大等問題。為此，本文基于PCL 技術構建的牧畜飼料加工自動化控制與管理系統，可在加工過程中提高生產效率、降低成本損耗、有效避免過量人工參與，具有廣泛的應用前景和經濟效益。