基于三菱PLC的智能飼喂控制系統設計

作者簡介：王慧（1982-），女，碩士，講師。研究方向為機電一體化。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.011

摘? 要：我國經過幾十年的發展，養殖規模世界第一。早期的人工小規模養殖生豬已經滿足不了市場的需求，迫切需要轉型，進行大規模、集約型養殖。要從制造大國到制造強國轉變，就必須加快新一代信息技術、自動化與制造業深度融合。PLC（可編程控制器）在自動化設備中起著不可替代的作用，大大簡化硬件設備。該文所完成的PLC智能飼喂控制系統，結合PLC、觸摸屏、伺服電機、步進電機和變頻器等，能完成飼料的自動投喂，大大減輕養殖戶的工作量。

關鍵詞：飼喂系統；伺服電機；MCGS組態軟件；傳感器；PLC控制系統

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）12-0045-04

Abstract： After decades of development， the scale of aquaculture in China ranks first in the world. The early artificial small-scale breeding of pigs has been unable to meet the needs of the market， there is an urgent need for transformation， large-scale， intensive breeding. In order to change from a big manufacturing country to a manufacturing power， we must speed up the deep integration of the new generation of information technology， automation and manufacturing. PLC （programmable logic controller） plays an irreplaceable role in automation equipment， which greatly simplifies the hardware equipment. The PLC intelligent feeding control system completed in this paper， Based on PLC， touch screen， servo motor， stepper motor， frequency converter and so on， can complete the automatic feed feeding and greatly reduce the workload of farmers.

Keywords： feeding system; servo motor; MCGS configuration software; sensor; PLC control system

隨著科技的不斷發展，自動化和智能化成為了現代生產過程中不可或缺的一部分。在眾多領域中，智能飼喂控制系統的發展越來越受到關注。特別是在農業領域，動物的飼喂管理是關系到動物生長、健康和生產效益的關鍵因素。傳統的飼喂方式往往依賴人工操作，這不僅需要大量的人力資源，而且往往存在精度不高、效率低下等問題。因此，開發一種基于三菱PLC的智能飼喂控制系統，對于提高飼喂效率、節約人力和提升動物生長性能具有重要意義。本設計是基于三菱PLC的一種智能飼喂控制系統，三菱PLC作為一種通用的工業控制裝置，具有高可靠性、易于編程、易于擴展等優點，被廣泛應用于各種工業控制領域。通過本設計，能夠實現飼喂過程的自動化和智能化，提高飼喂管理的精度和效率，同時為動物提供更加穩定、健康的生長環境。

1? 智能飼喂系統的技術要求

1.1? 系統組成及參數要求

智能飼喂系統組成如圖1所示。在小車運行過程中要進行必要的超程保護，硬件限位保護使用行程開關SQ1、SQ3。本系統使用了3種電機，分別是伺服電機、步進電機、三相異步電機，其在系統中的功能見表1。

圖1? 飼喂系統結構圖

表1? 系統電機功能

槽1位置位于距離原點9 m處，槽2位置位于距離原點12 m處，槽3位置位于距離原點15 m處，槽4位置位于距離原點18 m處。伺服電機控制器參數要求：加速時間0.5 s、減速時間0.5 s，運行速度120 r/min，最高速度150 r/min，原點爬行速度18 r/min，電子齒輪比1 024∶1。變頻器控制三相異步電機參數要求：第一段速為30 Hz，第二段速為35 Hz，第三段速為40 Hz，加速時間1.2 s，減速時間0.5 s，只進行單向正轉運行。步進電機控制器參數要求：電機速度觸摸屏設定，細分等于2。

1.2? 控制要求

1.2.1? 系統初始化狀態

無論小車在什么位置，上電后按下復位按鈕SB3，小車自動回到初始位置并等待系統啟動。

1.2.2? 運行操作要求

智能飼喂系統運行分裝料、移動、卸料、返回4個步驟。按下啟動按鈕SB1，電機M3運行，給飼喂小車裝料，裝料的時間由觸摸屏設定。裝料完成以后，電機M3停止運行。電機M3停止運行2 s后，飼喂小車在伺服電機M1的帶動下，向槽位運行（正轉），到達某一個槽位后自動停止運行。觸摸屏可以任意設定某一個槽位有料，不需要停止卸料，比如設定槽3位置有料，飼喂小車從原點接料后運行到槽1位置投放飼料完畢等待2 s，小車運行到槽2位置投放飼料完畢等待2 s，小車運行到槽4位置投放飼料完畢后立即返回原點，完成一次飼料的投放。飼喂小車到達某個槽位后停止運行，電機M2啟動，向槽位中投放飼料。飼料投放的速度和投放的時間由觸摸屏設定，投放結束后電機M2停止運行。當飼喂小車投放結束后，電機M1啟動，返回原點等待，只有當再次按下啟動按鈕，小車才重新裝料。運行過程中按下停止按鈕SB2，飼喂小車完成當前任務后停止，當再次按下啟動按鈕SB1后，小車重新運行。

2? 三菱PLC控制系統硬件設計

2.1? PLC選型原則

PLC的選型要考慮以下幾個方面：①客戶需求，按照客戶要求選擇PLC的類型。②I/O口的估算，按照控制的點數去選擇，同時考慮部分按鈕和指示燈可以在人機界面上設定。③系統要求，如果是小型控制系統，存儲容量較小，可以選擇小型機。④性價比要求，在各項性能指標達到控制要求的情況下，需要考慮到成本要求。

2.2? PLC輸入輸出分配

本智能飼喂系統中控制對象有：復位按鈕1個，啟動按鈕1個，停止按鈕1個，狀態指示燈3個（觸摸屏代替），限位開關2個，工作指示燈2個，變頻器1臺，伺服控制器1臺，步進控制器1臺。按照以上的控制要求，本系統選擇三菱FX3U-32MT可以滿足要求[1-2]。根據系統的設計要求，輸入/輸出分配見表2。

表2? 系統控制輸入/輸出分配

2.3? 變頻器與PLC的硬件連接

按照控制要求，變頻器設定需要多段速控制[3]。本系統選擇是安川V1000變頻器， 系統要求飼喂小車到達指定槽位以后，按照觸摸屏上面選擇高速按鈕（40 Hz）、中速按鈕（35 Hz）、低速按鈕（30 Hz）3種速度按鈕中的任意一種速度出料，線路連接如圖2所示。

圖2? 變頻器和PLC的連接

2.4? 伺服電機與PLC的硬件連接

按照系統的設計要求，結合實際情況，本系統選擇安川SGMJV-04ADE6S交流伺服電機和安川SGDV-2R8A01交流伺服驅動器。SGDV-2R8A01伺服電機驅動器為200 V級，可在三相200～240 V電源和單相200～240 V下工作；出廠設置為三相電源工作狀態，其和PLC的連接圖如圖3所示。

圖3? 伺服電機驅動器和PLC連接

3? 三菱PLC的軟件設計

3.1? 步進電機、伺服電機的參數設定

3.1.1? 步進電機參數設定

本系統選擇的步進電機的步距角是1.8°，在沒有細分時，200個脈沖電機旋轉一周。當細分設定為2時，400個脈沖電機旋轉一周，本系統設定細分等于2，步進電機細分設定見表3。

表3? 步進電機細分設定表

3.1.2? 伺服電機驅動器參數設定

本系統采用220 V單相電源供電，在使用之前必須要對變頻器進行出廠設置值進行調整，否則會檢出電源缺相報警（A.F10）。參數設定見表4。

表4? 伺服電機驅動器參數設定表

3.2? 飼喂小車回原點復位程序設計

本系統要求，啟動之前飼喂小車無論在什么地方，按下復位按鈕SB3，小車回原點等待啟動，因原點傳感器安裝在最左邊，所以飼喂小車回原點是反轉。其參考程序如圖4所示。

圖4? 回原點復位參考程序

3.3? 進料系統程序設計

小車到達原點后，按下啟動按鈕SB1，步進電機M3運行，給飼喂小車裝料，裝料的時間和裝料的速度由觸摸屏設定，裝料完成以后，步進電機M3停止運行。觸摸屏裝料時間變量D0，經過腳本運算D100=D0×10，觸摸屏設定的裝料速度D1。參考程序如圖5所示。

圖5? 進料系統參考程序

3.4? 位移系統程序設計

飼喂小車裝料完成后，伺服電機正轉，帶動小車向槽位方向運行。在實訓室平臺模擬時，以槽1為例，設定槽1的位置距離原點9 cm處，伺服電機旋轉一周向右運行1 cm。觸摸屏設定伺服電機的速度變量D2，單位為r/s。那么可以計算出伺服電機的速度是D101=1 000×D2，脈沖數9 000。參考程序如圖6所示。

3.5? 出料系統程序設計

小車到達指定槽位后，電機M2運行，把飼料從小車投放到槽中。觸摸屏設定的速度變量為高速M0、中速M1、低速M2。投料過程中電機M2只需要正轉即可。觸摸屏設定的投料時間變量D2， 經過腳本運算D102=D2×10，參考程序如圖7所示。

圖7? 出料系統參考程序

4? MCGS人機界面程序設計

4.1? 觸摸屏變量表設定

本系統選擇的觸摸屏為MCGS。MCGS觸摸屏是一種工業控制裝置，通常用于工業自動化和過程控制系統中，其可以通過與PLC等控制設備連接來采集和顯示生產過程中的各種參數，如溫度、壓力、液位等。

MCGS觸摸屏具有直觀、易操作的特點，可以替代傳統的文本顯示器，提高設備的自動化程度和生產效率。觸摸屏和PLC要能正常通信和數據交換，必須正確地設定變量，觸摸屏連接變量見表5。

表5? 觸摸屏連接變量表

4.2? 歡迎界面組態

歡迎界面中，顯示年月日的腳本程序為a=！str（$Year）+“年”+！str（$Month）+“月”+！str（$Day）+“日”+！str（$Hour）+“時”+！str（$Minute）+“分”+！str（$Second）+“秒”。其中，a是標簽中設定字符串輸出變量。

4.3? 設定和監控界面組態

監控界面中，主要分為狀態顯示區、參數設定區2個部分，其中狀態顯示區有“飼喂小車”“放料電機”“出料電機”3個運行狀態。當某個電機運行時指示燈亮。參數設定區有槽位設定按鈕、M1電機運行速度設定、M2電機運行時間設定、M3電機運行時間設定和M2電機速度選擇按鈕5部分。對3個電機運行狀態的監控不用輔助繼電器M，組態時直接用Y0、Y1、Y4，這樣編程時就比較簡潔，不需要再次輸出輔助繼電器。

5? 智能飼喂系統聯機調試

按下復位按鈕SB3，飼喂小車反轉返回原點，當電感傳感器有信號時，速度由120 r/min減少至爬行速度18 r/min，直至移除出電感傳感器，到達S0步，回原點運行符合系統設定要求。當飼喂小車在原點時，按下啟動按鈕SB1，步進電機按照觸摸屏設定的時間運行，運行時間完成后程序跳轉，到達下一步。當飼喂小車裝料完畢以后，小車按照觸摸屏設定的速度向右運行[4-5]。本系統在實訓平臺上模擬時，槽1、槽2、槽3和槽4距離原點的距離分別設定為9、12、15和18 cm。伺服電機旋轉一周1 000脈沖，同時也移動1 cm，調試時運行準確到達指定的槽位。當飼喂小車到達槽位后，變頻器帶動三相異步電機M2運行，把飼料投放到槽位中。按照飼料的不同類型可以在觸摸屏上面選擇不同的速度。調試時，速度和投放時間應準確。當飼料投放結束后，小車自動返回原點。可以采取2種方法，其一執行回原點程序，小車按照程序可以返回原點；其二伺服電機按照設定的速度和槽的位置反轉，也能準確地到達原點。本系統程序設定時，用了第二種方法，可靠性較高。

6? 結束語

本文通過對我國普通農戶牲畜養殖的調查分析，提出了用PLC和觸摸屏技術聯合控制的飼喂小車電氣系統的設計。經過實驗室調試表明，本電氣系統的功能滿足設計的各項參數要求，系統能正常工作，有切實可行的實際應用價值。通過本系統的設計、畫圖、接線、編程、組態和調試等工作，進一步了解了PLC系統，提高了項目設計經驗和動手能力，為以后的自動控制系統開發積累了寶貴的經驗。

在設定設計方案時，本飼喂控制系統還有很多不足之處，主要體現在以下幾個方面：①本系統主要完成的工作是PLC控制的電氣控制系統，飼喂小車也沒有實物，調試時也是在實訓室進行模擬調試，觀察每一個動作是否滿足設計要求，如果安裝到飼喂小車進行實際調試肯定需要機械部件的配合，后續就要進行飼喂小車的安裝、調試。②本系統提出的智能控制要求還需進一步提高技術指標，比如飼料的重量、槽位需要的飼料重量等，就需要加入模擬量進行控制。

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