基于PLC和MCGS技術(shù)的流體豬食智能加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘""" 要：隨著生豬產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，中國的豬肉年產(chǎn)量已經(jīng)連續(xù)多年突破500億千克，幾乎占據(jù)世界豬肉年產(chǎn)量的一半。然而目前國內(nèi)的一些養(yǎng)豬場，由于受到資金和技術(shù)等方面的限制，仍然采用人工或半人工的方式喂養(yǎng)，效率比較低下，急需一種流體豬食智能加工系統(tǒng)將人力解放出來。基于此，采用PLC和MCGS技術(shù)設(shè)計(jì)了一套流體豬食智能加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)由控制單元、機(jī)械單元、執(zhí)行單元、傳感器數(shù)據(jù)采集單元構(gòu)成。系統(tǒng)創(chuàng)新之處在于采用工業(yè)計(jì)算機(jī)PLC和MCGS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)進(jìn)水、進(jìn)料、加熱和攪拌、自動(dòng)排食，最后對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)清洗。該系統(tǒng)可較好地實(shí)現(xiàn)流體豬食的自動(dòng)加工，降低養(yǎng)豬企業(yè)的養(yǎng)殖成本，提升生豬規(guī)模化養(yǎng)殖自動(dòng)化水平。

關(guān)鍵詞：智能加工系統(tǒng)；PLC；MCGS組態(tài)技術(shù)；流體豬食

中圖分類號(hào)：TP273"""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""""""" 文章編號(hào)：1009-5128（2024）05-0088-06

收稿日期：2023-12-14

作者簡介：楊凱，男，陜西富平人，安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生，高級(jí)講師，主要從事智能農(nóng)業(yè)裝備研究。

0"" 引言

我國是一個(gè)擁有14億人口的大國，老百姓對(duì)豬肉的需求量非常大，除了2019年和2020年由于受到非洲豬瘟和新冠疫情等影響，豬肉產(chǎn)量有所下降之外，其余年份豬肉產(chǎn)量基本超過500億千克。然而我國還有相當(dāng)部分養(yǎng)豬場，目前還在采用人工或者半人工的方式喂養(yǎng)，設(shè)備簡陋，自動(dòng)化和智能化程度低，嚴(yán)重制約了生豬養(yǎng)殖業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。因此，將PLC技術(shù)、組態(tài)技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等與養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)相結(jié)合具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，設(shè)計(jì)一種基于PLC和MCGS組態(tài)技術(shù)［1］的養(yǎng)豬場流體豬食智能加工系統(tǒng)成為改善生豬養(yǎng)殖模式的迫切需求。

1"" 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制要求

1.1"" 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

流體豬食智能加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包含控制單元、機(jī)械單元、執(zhí)行單元、傳感器數(shù)據(jù)采集單元等幾部分。控制單元由MCGS組態(tài)液晶屏和西門子Smart S7-200 PLC組成，MCGS組態(tài)液晶屏作為上位機(jī)［2］，負(fù)責(zé)直接發(fā)出操作控制命令，PLC作為下位機(jī)，用來控制和驅(qū)動(dòng)受控單元中各種設(shè)備的工作。機(jī)械單元由水倉、飼料倉、流體豬食攪拌倉、 攪拌器以及圓盤增壓清洗噴頭等部分組成。執(zhí)行單元主要包含攪拌電機(jī)M1，振動(dòng)電機(jī)M2，增壓水泵M3，加熱裝置，電磁閥YV1、YV2、YV3、YV4等。傳感器數(shù)據(jù)采集單元由低液位傳感器L、中液位傳感器M和高液位傳感器H組成，負(fù)責(zé)對(duì)攪拌倉內(nèi)的液位進(jìn)行監(jiān)測，并把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給PLC。

1.2"" 系統(tǒng)控制要求

流體豬食智能加工系統(tǒng)要求有兩種控制模式，分別是全自動(dòng)控制運(yùn)行模式和手動(dòng)控制運(yùn)行模式。

1.2.1"" 全自動(dòng)控制運(yùn)行模式

在MCGS觸摸屏上按下啟動(dòng)按鈕后，選擇自動(dòng)運(yùn)行模式，系統(tǒng)首先進(jìn)行原點(diǎn)條件自檢［3］（如果各電機(jī)、水泵、電磁閥、加熱絲和傳感器均處于停機(jī)狀態(tài)，說明系統(tǒng)原點(diǎn)條件滿足）。如果原點(diǎn)條件滿足，自動(dòng)運(yùn)行模式開啟。PLC按照事先編寫好的程序，打開電磁閥YV1，水從水倉流入設(shè)備攪拌倉，當(dāng)水位到達(dá)攪拌倉M位置時(shí)，液位傳感器檢測到液位信號(hào)，將信號(hào)傳送給PLC。PLC發(fā)出控制指令，關(guān)閉電磁閥YV1的同時(shí)，打開電磁閥YV2，控制振動(dòng)電機(jī)M2的交流接觸器線圈得電，振動(dòng)電機(jī)開始振動(dòng)，飼料在振動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)下，不斷從飼料倉流入攪拌倉，當(dāng)攪拌倉的飼料到達(dá)位置H時(shí)，傳感器H將信號(hào)傳送給PLC，PLC關(guān)閉電磁閥YV2和振動(dòng)電機(jī)M2，進(jìn)水和進(jìn)料完成。進(jìn)水和進(jìn)料完成后，PLC發(fā)出控制指令，使控制攪拌電機(jī)M1的交流接觸器和控制加熱絲的交流接觸器線圈同時(shí)得電，攪拌電機(jī)M1得電后啟動(dòng)，帶動(dòng)攪拌裝置旋轉(zhuǎn)進(jìn)行攪拌，加熱絲得電后開始對(duì)流體豬食進(jìn)行加熱。攪拌和加熱5 min后，成品流體豬食已經(jīng)加工完成，PLC發(fā)出控制指令，加熱絲和攪拌電機(jī)停止工作，同時(shí)打開電磁閥YV3，成品豬食經(jīng)過管道流出，流向豬食槽，供生豬食用。當(dāng)攪拌倉內(nèi)的流體豬食液位下降到低液位傳感器L位置時(shí)，傳感器將液位信號(hào)送給PLC，PLC進(jìn)行30 s定時(shí)。當(dāng)30 s定時(shí)到后，此時(shí)攪拌倉內(nèi)剩余流體豬食已經(jīng)全部排出，PLC再次發(fā)出控制指令，使給增壓泵M3供電的交流接觸器線圈得電，電磁閥YV4得電打開。此時(shí)經(jīng)過增壓水泵M3加壓的水，通過管道到達(dá)攪拌倉內(nèi)部上方的圓盤增壓清洗噴頭，高壓水從噴頭噴出，對(duì)攪拌倉進(jìn)行30 s清洗。清洗完成后，PLC發(fā)出控制指令，關(guān)閉電磁閥YV4、YV3和增壓水泵M3，一個(gè)完整的工作循環(huán)完成，以后自動(dòng)重復(fù)上述過程。如果流體豬食的量已經(jīng)夠生豬食用，這時(shí)只需按下停止按鈕，設(shè)備停止運(yùn)行。

1.2.2"" 手動(dòng)控制運(yùn)行模式

在MCGS觸摸屏上按下啟動(dòng)按鈕后，選擇手動(dòng)運(yùn)行模式，系統(tǒng)將進(jìn)入手動(dòng)控制狀態(tài)。這時(shí)可以輕點(diǎn)MCGS觸摸屏上標(biāo)有“進(jìn)水” “進(jìn)料” “加熱攪拌” “排食” “清洗”等按鈕，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制系統(tǒng)工作。

2"" 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件設(shè)計(jì)需要根據(jù)系統(tǒng)控制要求確定PLC的輸入、輸出設(shè)備，并為其分配相應(yīng)PLC的 I/O端子。同時(shí)還要根據(jù)控制要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的PLC控制線路圖。軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC控制程序的編寫與MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)兩部分。

2.1"" 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1"" 輸入、輸出設(shè)備及I/O端子分配

控制系統(tǒng)輸入、輸出設(shè)備及I/O端子分配分別如表1和表2所示。

2.1.2"" 系統(tǒng)PLC控制線路圖

系統(tǒng)控制線路圖如圖3所示，西門子Smart S7-200 PLC和昆侖通態(tài)觸摸屏MCGS-7062KX為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心［4］。西門子Smart S7-200 PLC在系統(tǒng)中作為下位機(jī)，用來控制和驅(qū)動(dòng)受控單元中各種設(shè)備工作，其CPU為SR40。PLC輸入端子24個(gè)，分為3組，分別是I0.0-I0.7，I1.0-I1.7，I2.0-I2.7。輸出端子16個(gè)，分成2組，分別是Q0.0-Q0.7，Q1.0-Q1.7。昆侖通態(tài)觸摸屏MCGS-7062KX在系統(tǒng)中作為上位機(jī)，負(fù)責(zé)直接向PLC發(fā)出操作控制命令，其與PLC之間采用RS485進(jìn)行通信［5］。

2.2"" 控制系統(tǒng)程序流程圖設(shè)計(jì)

2.2.1"" 系統(tǒng)控制流程圖

根據(jù)控制系統(tǒng)的要求及功能，繪制如圖4所示的程序流程圖。

2.2.2"" 編寫系統(tǒng)控制程序

啟動(dòng)STEP7-Micro/WIN 編程軟件，根據(jù)圖4所示的系統(tǒng)控制流程圖編寫系統(tǒng)控制程序，然后把光標(biāo)移至菜單，點(diǎn)擊下載命令，將程序下載到PLC內(nèi)。

3"" MCGS組態(tài)設(shè)計(jì)

通過MCGS組態(tài)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互自動(dòng)控制。用戶可以在軟件中制作控制界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)及其運(yùn)行過程的控制和數(shù)據(jù)監(jiān)控［6］。

3.1"" 新建工程

打開MCGS組態(tài)軟件，在主菜單中點(diǎn)擊文件命令，然后在彈出的下拉菜單中選擇新建工程，在系統(tǒng)彈出的工程設(shè)置對(duì)話框中選擇觸摸屏型號(hào)MCGS-7062KX。 """"

3.2"" 變量分配

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，先對(duì)變量進(jìn)行分配，如表3所示。然后在MCGS軟件中增加數(shù)據(jù)通道，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫［7］。

3.3"" 設(shè)計(jì)組態(tài)畫面

在MCGS軟件中，根據(jù)控制系統(tǒng)要求，先后進(jìn)行控制系統(tǒng)畫面建立、數(shù)據(jù)對(duì)象操作設(shè)置、變量選擇等操作，建立的組態(tài)畫面如圖5所示。

3.4"" 工程下載

控制系統(tǒng)組態(tài)畫面設(shè)計(jì)好之后，用24 V直流開關(guān)電源給昆侖通態(tài)觸摸屏MCGS-7062KX供電，同時(shí)用USB線連接觸摸屏和筆記本電腦USB接口。在MCGS軟件主菜單中點(diǎn)擊下載工程并進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境命令，即可實(shí)現(xiàn)將設(shè)計(jì)好的組態(tài)畫面下載到觸摸屏中。

4"" 系統(tǒng)安裝及調(diào)試

按圖3所示的控制系統(tǒng)線路圖，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行接線和組裝，并進(jìn)行通電測試與性能驗(yàn)證，整個(gè)控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能安全可靠，完全符合設(shè)計(jì)要求。

5"" 結(jié)語

本研究采用西門子Smart S7-200 PLC和昆侖通態(tài)觸摸屏MCGS-7062KX作為控制系統(tǒng)的核心，通過PLC編程和MCGS組態(tài)設(shè)計(jì)，硬件電路的設(shè)計(jì)，安裝與調(diào)試，完成了流體豬食智能加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可簡化養(yǎng)豬場生豬飼養(yǎng)工作流程，節(jié)約勞動(dòng)力成本，提高生豬養(yǎng)殖效率，有效提升生豬規(guī)模化養(yǎng)殖自動(dòng)化水平。

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【責(zé)任編輯""" 牛懷崗】

Design of Intelligent Processing System for Fluid Pig Food in Pig Farms Based on PLC and MCGS Technology

YANG Kai

（College of Mechanical Engineering， Anhui Science and Technology University， Fengyang 233100， China）

Abstract： With the rapid development of the pig industry， China’s annual pork production has exceeded 50 billion kilograms for several consecutive years， accounting for almost half of the world’s annual pork production. However， currently some pig farms in China still use manual or semi manual feeding methods due to financial and technological limitations， resulting in relatively low efficiency. There is an urgent need for a fluid pig food intelligent processing system to free up manpower. Based on this background， it is particularly important to design a fluid pig food intelligent processing system using PLC and MCGS technology. The system consists of a control unit， a mechanical unit， an execution unit， and a sensor data acquisition unit. The innovation of the system lies in the use of industrial computer PLC and MCGS technology， which realizes automatic water inlet， feeding， heating and stirring， automatic food discharge， and finally automatic cleaning of the equipment. Through the design and installation testing of this system， it is possible to achieve automatic processing of fluid pig food， reduce the breeding costs of pig farming enterprises， and improve the automation level of large-scale pig farming.

Key words：intelligent machining system； PLC； MCGS configuration technology； fluid pig food