柠条颗粒饲料生产线自动化控制系统的研究

■王小阳

（山西省农业机械化科学研究院，山西太原 030031）

现行的饲料生产企业普遍存在生产线现场高温、高噪声、环境恶劣、工作环境差、工人劳动强度大[1]，以及人工参与较多，作业效率低下，生产更多地依赖于人，可是不同的人会产生不同结果，会造成饲料品质不统一等问题，这样生产系统就无法保证为管理决策提供真实、有效的数据，造成饲料质量不稳定，直接影响了成品颗粒饲料产品的质量。

面对不断出现的食品安全事件，国家对食品安全越来越重视，饲料安全最终会关系到食品的终端安全，即人的健康，这就要求饲料生产企业首先能够对其产品加工的全过程和生产管理的全过程进行有效的实时监控；其次生产控制系统不仅要完成生产工艺的控制，还要具备从生产过程中收集大量的信息，为销售、采购、财务、品质控制等各部门提供原始数据的能力[2]。适应当前柠条颗粒饲料市场的需求，设计现代化质量控制体系及自动化的生产过程控制是势在必行的趋向。

1 柠条颗粒饲料生产线自动化控制系统组成及工作原理

系统硬件组成主要包括上位机、下位机、MCC电器控制柜、变频器、智能称重仪表、称重传感器、阻旋料位计、行程开关以及相关的电缆和桥架。

上位机采用性能高端的工业控制计算机，主要作用是对下位机的运行状态进行监控，全画面显示所有工艺流程同时有数据记录、异常报警记录、网络通讯等作用。下位机PLC采用的是西门子S7-200系列的PLC，S7-200是一种通用型的PLC，具有模块化、无风扇结构、易于实现分布式的配置以及易于掌握等特点，适合自动化工程中的应用[3]。S7-200中的CPU模块主要有指令执行、I/0读写、高速计数、PID调节等技术功能[4]。S7-200的指令集一般主要有位指令、比较指令、定时指令、计数指令等，总数可到300多条。主要负责接受控制指令及控制参数，对各种信号进行采集，控制输出设备工作。

在对国内柠条颗粒饲料生产线现状分析的基础上，结合生产企业的实际情况以及自动化控制系统的主要特点与关键技术，提出了该自动化控制系统应具备以下功能：①生产工艺过程监控功能；②配方管理、配料系统功能；③报表系统功能；④系统的用户管理功能；⑤设备管理、维护功能；⑥网络远程服务功能。

该控制系统采用分布式控制系统，即上位机与下位机联合通讯的控制方法。工业控制计算机作上位机，下位机采用可编程序控制器。这种系统具有稳定性高、便于管理、软件开发费用低，设备替换性好等优点。

2 柠条颗粒饲料生产线自动化控制系统软件设计

2.1 HITECH-ADP监控组态软件的设计

伴随个人计算机技术、网络技术和工业自动化需求发展，目前基于个人计算机的监控组态软件在工业控制领域与自动化产品监控应用十分普遍。组态软件呈现出网络化、小型化、开放式以及低成本等趋势，广泛运用于工业、农业、楼宇和办公等领域，形成了国际通用的或者企业通用的标准化硬件设备、软件系统和网络结构等规范，已成为自动化控制系统当中不可缺少的关键组成部分[5]。监控组态软件主要具有监控、数据采集、网络控制、应用开发等功能，是伴由计算机技术、可编程控制器、网络技术及工业控制等技术发展起来的。

HITECH-ADP监控组态软件是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows 2000/XP/Vista/Win7等操作系统。HITECH-ADP监控组态软件为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，综合了监控与数据采集系统、组态等技术，提供了可以在Windows操作系统环境下使用各种通用软件的功能，能够完成现场流程控制、数据采集、实时报警、数据处理、动画显示等功能。HITECH-ADP监控组态软件与西门子公司的PLC产品系统紧密结合，通过统一的组态、编程、数据管理及系统通讯，极大地降低了用户软硬件组态的工程量。

2.1.1 系统主界面

主界面包括所有工艺流程，通过鼠标自由切换到其他任意画面，画面元素立体显示，各运行参数动态显示在画面上，各工艺段提供手动和自动二种工作方式。自动时工艺段内的设备点“启动”按钮后，按照物料流动方向，逆方向启动，点“停止”按钮后，按照物料流动方向，顺方向停止；手动时可任意手动启停单台设备；如果段内设备出现故障时，点“急停”按钮后，段内所有设备立即停止工作。系统主界面如图1所示。

图1 系统主界面

2.1.2 参数设置界面

根据柠条颗粒饲料生产工艺要求，需要对脉冲除尘器、制粒机星三角启动时间、配料搅笼启动时间以及历史记录写值时间进行设置。参数设置界面如图2所示。

图2 参数设置界面

2.1.3 配方设置界面

自动配料是柠条颗粒饲料生产加工工艺的核心工序，直接影响成品饲料质量的高低，也由此直接影响饲料企业的存活。界面除了有配方输入功能外，还可以更改加料次序以及“混合时间”、“混合出料时间”、“刮板机送料时间”等参数的设置。配方设置界面如图3所示。

图3 配方设置界面

2.1.4 历史记录界面

历史记录是对数据进行记录的一种重要形式，是生产过程不可缺少的一个部分，能对长期的生产过程进行统计、分析。使用时，可将当日、当班的各生产报表（各种原料实际消耗和成品产量等）按照客户要求进行打印；各类报表还可自由设定，输出为EXCEL、CSV文件格式，保存到本地计算机或者是指定部门的远程计算机上，为销售、采购、财务、品质控制等各部门提供原始数据，使管理人员能够实时掌握和分析生产情况。历史记录界面如图4所示。

图4 历史记录界面

2.1.5 运行管理界面

该界面提供了主要设备实际运行时间和检修维护时间设置的窗口，当实际运行时间大于检修维护时间，系统将自动报警提示，帮助管理人员对设备进行精细化管理。运行管理界面如图5所示。

2.1.6 调试及用户管理界面

图5 运行管理界面

HITECH-ADP监控组态软件提供了一套完善的安全机制，进入系统时，首先要求输入操作员密码才能够进入，不同功能的界面需要有操作权限的操作员才能对其进行操作；为了软件调试的要求，界面设计配料系统模拟的“料位”、“小料”、“混合”、“秤门”、“秤头”按钮，这也是组态软件不可缺少的一部分。调试及用户管理界面如图6所示。

2.2 下位机PLC的软件设计

下位机PLC编程软件采用STEP7-Micro/WIN[6]，STEP7-Micro/WIN编程软件用于S7-200的编程语言梯形逻辑图（Ladder Logic）、语句表（Statement List）和功能块图（Function Block Diagram）都集成在一个标准软件包中[7]。下位机西门子S7-200系列的PLC的软件设计如图7所示。

图6 调试及用户管理界面

图7 下位机PLC的软件设计

2.3 监控组态软件与PLC的连接

工作参数窗口主要负责建立系统与外部硬件设备的连接，只有建立了工作参数窗口，才能使监控组态软件从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，进而实现整个加工过程的实时监控。

首先单击“应用窗口”，然后单击“工作参数”按钮，进入工作参数组态对话框。在“工作参数”对话框中，设置PWS地址、通讯口/联线方式以及Simatic S7-200的预设地址/站号、传输数率、资料位、校验位、停止位等参数。如图8所示。

3 结论

柠条颗粒饲料生产线控制系统根据柠条颗粒饲料加工生产设备以及整个生产工艺要求，据此提出了整个生产线控制系统和各个子部分的控制方案。实现了从原料到成品包装各个生产环节的视窗化的操作模式，方便了操作工人的使用，实现了系统的实时化监控、数据共享等多项要求。解决了原来普遍存在配料控制系统精度不高，稳定性欠缺，人机界面不友好，操作繁琐，不易掌握，报表系统简单，无法对配合饲料实时监控等问题，实现了既定的设计目标和要求。

图8 监控组态软件与PLC连接设置