富硒家禽饲料生产工艺自动化管理系统的设计

2014-01-22蓓王芳张志立

饲料工业 2014年23期

■孙蓓王芳张志立

（1.北华大学机械工程学院，吉林省吉林市 132021；2.辽宁省农牧业机械研究所有限公司，辽宁沈阳 110036；3.上海置信电气股份有限公司，上海 210000）

硒是人体所必需的微量元素，能够提高人体的免疫能力，同时具有较强的抗癌活性，如果人体缺硒就会造成多种疾病，其中最典型的疾病就是克山病、癌症、眼疾、甲状腺肥大、囊肿和高血压，因此人的身体健康与否和硒有着直接或间接的关系，那么如何获得硒就成为摆在人们面前的一个重要的问题，因为食物中含有的硒元素受地理影响很大，土壤硒成分造成了各地区硒含量的极大差异，像湖南、青海、山东、四川就属于富硒地区，但是也存在区域性，有的地区虽然含硒但是伴有铅汞等有害物质，不适合人体，那么如何才能让人获得硒元素呢？就要从富硒地区大力发展种植业和养殖业，让人们不仅从植物中获取硒元素，同时也可以从动物身上获取，那么又如何让动物身上获取硒元素呢？那么就是本文中提到的富硒家禽饲料的生产，因为富硒家禽饲料品质和质量备受社会关注，生产实践也证明，只有科学合理的饲料原料搭配才能得到营养均衡、口感性更良好的饲料，才能让家禽骨骼更好，产出的富硒蛋类更能满足人体所需，肉质口感更加光滑、润口。本文主要以富硒家禽饲料的生产工艺为例，讲述整个生产过程中自动化控制系统的设计。

1 富硒家禽饲料生产工艺流程

1.1 富硒家禽饲料生产过程

家禽饲料按性状分为粉料、颗粒料、破碎料、块状料，根据家禽的生理特征，我们选用的家禽性状为颗粒料，那么这种颗粒饲料是怎么生产出来的？从投料到成品经过怎样的生产环节？

富硒家禽生产过程总共包括五大系统：原料接收初清系统、粉碎系统、配料混合系统、制粒冷却系统、分级打包系统。其中预混料和浓缩料不经过制粒冷却系统。详细工艺流程如图1所示，生产工艺触摸屏如图2所示。

图1 富硒家禽饲料生产工艺

图2 富硒家禽饲料生产工艺模拟屏

1.1.1 原料接收初清系统

原料通过人工投料口投料、筒仓进料等方式通过刮板机输送和提升机提升，经过初清筛的筛选和磁筒的磁选，需要粉碎料原料（如玉米）通过分配器进入待粉碎仓，不需要粉碎的粉料（如面粉）通过分配器进入配料仓中。

1.1.2 粉碎系统

粉碎是用机械的方法克服固体物料的内聚力，从而使之破碎的一种操作方法。饲料厂普遍采用锤片式粉碎机进行原料粉碎。

1.1.3 配料混合系统

各物料通过不同的处理（粉碎、膨化）进入到相应的配料仓中，进入配料混合系统。

1.1.4 制粒冷却系统

混合好的物料，不需要制粒的粉料进入到成品仓中，直接打包入库；需要制粒的颗粒料进入待制粒仓中，进入到制粒冷却系统中。制粒可分为冷制粒和热制粒，区别在于是否使用蒸汽调质。

1.1.5 分级打包系统

冷却后或者破碎后的成品，通过提升机进入到平面回转分级筛中，完成三级分级，中间合格的成品进入到成品仓中，粉状物重新进入调制器进行制粒，最上层的锅巴料则通过溜管放出。但如果是破碎料，最上层的过粗的料则重新进入破碎机进行破碎[1]。

1.2 饲料厂的加工设备

1.2.1 加工车间

加工车间要具备配料秤、粉碎机、搅拌机、制粒机等设备，其中粉碎机有多种样式，如果以粉碎谷物饲料为主，一般选择锤片式粉碎机，我们现在使用的都是径向进料方式的锤片式粉碎机，物料从顶部经过磁选器和导向板进入粉碎室内，通过锤片不断的撞击加速，在粉碎室内形成一个环流层不断摩擦，在离心力和负压系统的作用下，通过筛片。锤片数目和厚度、物料特性（如水分）、转子速度、锤片和筛网间距、负压风量、筛片包角等都会影响粉碎的效率。二次粉碎的时候采用辊式粉碎机。

1.2.2 检验室

厂区必须具备相应的检测设备，主要有干燥装置、高温装置、脂肪抽脂装置、分析天平等，还有配备具有专业资格的分析化验员。

1.3 饲料原料

富硒家禽饲料主要的原材料有玉米、豌豆、菜籽粕、芝麻粕、骨粉、蚕蛹等外加一些辅料如各种维生素、饲料酵母、及其他微量元素添加剂等。

1.4 富硒家禽饲料的要求

富硒家禽饲料是为了让家禽产出优秀的蛋源并且保证其家禽本身要优于散养家禽等，因此对其食用的饲料要求也十分严格，各种饲料的原料必须新鲜，品相组织形态都要符合要求，而且成品饲料的硒含量必须达到0.04～0.3 mg/kg的标准，纯绿色无污染无公害。

2 生产工艺自动控制系统的设计

2.1 硬件结构设计

我国饲料生产企业现有的自动系统大多从小型企业的控制系统过渡而来，功能主要以半自动控制为主，控制精度不高，控制设备也不齐全，对饲料生产过程的各种原材料的分析和生产工艺过程的监控功能较弱，没有比较完整的综合性的自动化控制系统，使饲料生产企业的各种减排规划缺少量化指标，不符合科学发展观的要求。

那么一款完善的自动化控制系统的设计就显得迫在眉睫，这种系统不仅可以帮助饲料生产企业搞好生产，同时也可以合理计划使用设备，降低各种能源消耗，提高经济效益。

本文设计的富硒家禽饲料生产工艺自动化控制系统集自动化仪表、计算机应用技术、数据库、网络通讯等各项专业技术为一体，将水、电、燃气、煤（焦炭）、热，油等各种能源、各种所需原材料数据实时采集到上位机管理系统，实现了由计算机集中动态数据显示，计量计费报表，打印等功能，并且网络内的任何一台联网计算机通过授权后都可以查询整个系统的生产工艺过程情况和原材料、能源消耗情况，最大限度地提高饲料生产过程自动化设备的利用率，从而达到全面自动化的目的，提高企业的经济效益[3]。系统根据各种原料使用数据，依据不同的系统模型，给出优化改进建议，产品质量的监督报告，原料的使用预测报告等，为生产过程提供量化依据。富硒家禽饲料自动化管理系统原理结构如图3所示。

图3 能源计量管理系统原理结构

2.2 饲料生产自动化管理系统的功能

2.2.1 数据的采集功能

采用四种通信方式将现场RTU设备，485总线设备，OPC服务器，ZigBee和GPRS的无线传感器及网关设备的数据采集到数据服务器中，解决自组网和断网故障自恢复问题。利用PLC通信接口，将PLC采集的数据通过总线、工业以太网等上传到服务器。通过DCS通信接口将采集的数据经过以太网上传到服务器。对于使用RS485总线的设备可以利用PLC，DCS或者网关，服务器等接收数据。对于OPC服务器的数据直接通过协议就可以得到。利用ZigBee协议将小范围内的数据采集后，通过有线网或者GPRS将数据上传到服务器中。

2.2.2 数据的存储及安全

通过实时数据库，关系型数据库，web发布数据库等将数据分类处理保存。包括数据安全策略，网络安全策略，用户系统安全策略等。主要采用将不同等的数据分类保管，设置访问权限，登陆权限等限制用户对数据库的访问和使用。用户可以使用网络浏览器登陆，查看信息，并且有系统的操作记录，便于事故追忆。网络采用硬件网关、硬件防火墙、硬件网闸、关键设备冗余配置、定期查杀病毒等技术保证网络的运行稳定。

2.2.3 数据处理及发布

包括原料分析，原料监控，原料数据计算及平衡数据分析，各种原料数据统计和分析报表，维护数据报表，与MIS、ERP、GIS系统信息交换，原料使用需求分析及预测，系统安全维护，计量设备运行纪录及维护信息，基于WEB数据查询，系统稳定运行等技术。

采用可视化编程技术，用三维界面显示系统的工艺流程，通过定制、自制表格等将不同类别的数据信息汇总显示，通过DDE交换等实现与其他系统的数据交互。系统设计了运行记录，为操作过程和事故追忆提供依据。

2.2.4 能源消耗数据分析、预测及优化

能源消耗分析及优化的建模和实现，能源消费行为的分析及预测的建模和实现，能源优化分析的建模和实现。

建立系统关系模型，利用数据库，采用选择时间序列法、回归分析法、多层回归法等传统预测方法，以及人工神经网络、灰色系统、专家系统等新兴的预测方法，完成对能源消耗、管理、消费等行为的分析、量化管理。为节能改造提供量化和科学依据，提高企业的经济效益[4]。

3 饲料生产自动化管理系统的实现

富硒家禽饲料生产自动化管理系统首先以注重实用和成效为原则，开发管理软件时应紧密结合实际需求，具有良好的扩展性、可靠性、兼容性、安全性和应用性。

3.1 系统的构成

系统由上位机和下位机两大部分组成，下位机采用德国西门子公司的PLC—S7-300，并配有以太网通讯接口，主要完成对各个信号的采集，上位机采用工控机作为系统的硬件平台，而且要装有OPC服务器软件SIMATIC.NET，用以把PLC采集上来的数据送到OPC服务器中，能源管理系统作为OPC客户端从服务器中读取数据，同时上、下位机采用工业以太网进行通讯，所采用的组态软件要完成数据的显示、存储、统计、分析等功能。

3.2 组态软件的设计要求

良好的组态软件可以使富硒家禽饲料生产线自动控制系统充分发挥其功能；监测软件在设计时除了满足分析与监测的功能外，还要具有操作简单方便、运行可靠、实时性高等特点。整体软件分为监测部分和网络部分，监测部分的功能是完成数据分析、处理、状态监测，并向各部分提供必要的信息等。基于KINGVIEW软件平台开发的动态监测系统，软件结构所示，主要由实时监测模块、静态分析模块、数据库部分组成，分别运行在数据采集站和监测分析站上[5]。

作为整个系统的管理监控核心，直接接收现场收集的实时数据，提供了如下功能。

监控系统：实现数据的整理、发布功能，包括数据显示画面、实时（历史）趋势图、历史数据查询、报警记录、报表处理、检测点位置分布图等功能。富硒家禽饲料生产过程组态界面如图4所示，数据显示画面如图5所示。

图4 能源计量管理系统组态界面

图5 能源计量管理系统实时曲线组态界面

日志系统：实现系统的安全防护功能，包括：系统日志和操作日志，可以分别记录系统的运行情况和用户的使用操作情况。

通信及驱动系统：实现数据的采集、传输、自组网功能，包括有线网通信协议，无线网协议，协议转换驱动等，可以将种类型号不同的检测设备的数据采集到系统中。整个厂区通讯效果图如图6所示。

图6 厂区控制系统通讯结构

实时数据库：实现数据的存储、防护、查询、发布功能，包括：实时数据处理及发布、数据计算及平衡、历史数据存储、统计数据处理、报警信息处理和数据服务请求处理、信息交换接口等，设备数据采集的双向数据通信等功能，支持DDE技术，COIVYDCOM动态图形技术、可视化过程技术、OPC技术、ODBC、ActiveX控件，zigbee协议接入等。还包括系统的安全管理和用户管理功能。

数据分析系统：实现数据信息的处理、管理优化等功能，包括：能源消费需求分析及预测、能源平衡分析，能源使用质量的分析报告，能源使用优化分析报告，管理优化分析等。

能源消耗统计：系统还提供了对宠物饲料加工生产过程中能耗数据的统计分析功能，向用户提供客观、可靠的能耗情况分析数据。对于能源消耗的分析，系统提供了两大方面的统计信息——图形信息（包括能源消耗柱状图、能源消耗饼状图和能源消耗趋势图），如图7所示。