预混料配料控制系统研究

邓遵义

(河南工业大学电气工程学院，河南 郑州 450007)

随着人民生活水平的提高，动物性食品在日常消费食品中的比例日益提升，作为各类饲养动物主要食物来源的饲料工业也迎来了蓬勃发展的机遇。饲料添加剂是配合饲料的重要组成部分，对配合饲料的饲养效果起着决定性作用。但饲料添加剂在配合饲料中的添加量很少，直接添加时很难保证添加量的准确性和在饲料中的分布均匀性。通常先把各种饲料添加剂按配方与载体或稀释剂均匀混合为添加剂预混料，再用添加剂预混料作为配合饲料的添加剂。这样添加剂预混料就对饲料质量起到至关重要的作用。另外，动物性食品的安全性也和添加剂预混料的质量息息相关。为了生产出高质量的预混料，除了优化预混料生产工艺和提高饲料生产装备的制造水平外，在预混料生产工艺流程中采用技术先进、精确度高和安全可靠的自动配料控制系统也是一个重要举措。

1 预混料配料控制系统发展

预混料在饲料工业中属于小而精的部分，技术含量较高。我国的预混料工业的发展经历了从无到有，从国外引进到消化吸收，适合国情再创新的过程，现在不但能够满足国内市场，随着国家一带一路政策的发展，还出口到了一带一路沿线国家。预混料配料控制系统随着自动化、互联网、智能控制等相关技术的发展，也在与时俱进，不断发展进步。纵观预混料配料控制系统的发展，按照先进性和应用时间先后，大致可分为手动控制，继电器连锁控制，PLC、单片机集中控制，集散控制4种方式。

1．1 手动控制

主要应用在预混料工业形成的早期，进料、称量、混合、打包等配料工序都由人工操作完成，人工操作劳动强度大、生产效率低、精度得不到保证。

1．2 继电器连锁控制

通过继电器触点及彼此间的连线实现设备按配料工艺要求依次动作，但存在着体积庞大，控制可靠性低，适应性差，调整和维护困难的问题。

1．3 PLC、单片机集中控制

由PLC、单片机作为控制系统的核心，控制功能通过软件程序实现，工艺改变时，控制调整方便，配方管理实现容易。但存在着风险高度集中，布线复杂，线缆成本高，维护不方便的问题。

1．4 集散控制

集散控制的基本思想是集中管理、分散控制，将各控制模块分散在控制设备现场，各控制模块与总控室的管理计算机构成通信网络，现场的线缆只要接到就近的控制模块即可，而不必全部接回总控室。具有控制风险分散、结构灵活，布线简单，线缆成本低，维护方便的优点。

前3种控制方式由于技术落后、具有明显缺点，已经很少采用。现如今的预混料配料控制系统基本上都采用了集散控制的思想，但由于采用的通信方式不同，又可分为基于RS-485、现场总线、工业以太网和现场总线混合、工业以太网的控制系统。

RS-485通信是为了解决RS-232通信距离短，只能支持点对点通信而产生的，如第3种控制方式中，上位机和PLC、单片机多采用RS-232通信。RS-485通信抗干扰能力和实时性不强，当网络中的某个节点出现错误时，有可能导致整个网络通信瘫痪。基于RS-485的通信协议最著名的是Modicon公司开发的Modbus协议，在现场总线普及应用之前，RS-485通信曾经得到了广泛的应用。

现场总线是一种应用在底层的数据通信网络，实现智能现场设备和控制装置间的多点通信。现场总线和RS-485通信相比，具有可靠性高、实时性强、抗干扰能力强等优点，逐渐取代了RS-485通信，在工业控制系统中得到了广泛应用。常用的现场总线有CAN总线、Profibus总线、CC-link总线等。

工业以太网是在现场总线之后发展应用起来的，在发展的初期主要应用在工业信息管理系统上，在工厂现场设备控制层仍然用现场总线技术，出现了基于工业以太网和现场总线的混合控制系统。这种混合控制系统网络复杂，组网和维护困难。随着工业以太网技术的发展成熟，工业以太网的实时性得到了很大地提高，在现场设备控制层也得到了广泛应用，以太网通信接口在智能设备和I/O模块上也成为了标准配置，为工业以太网的广泛应用奠定了基础。工厂信息管理系统和设备控制层的通信统一为工业以太网后，二者可以直接地、无缝地连接，不再需要任何专用设备，一网到底，消除了企业内部的各种信息自动化孤岛。常用的工业以太网协议有Modbus/TCP、Profinet、EtherCAT等。工业以太网已经成为控制系统网络通信方式的首要选择，随着“互联网+”上升为国家战略，对工业以太网的广泛应用起到了积极地推动作用。

2 总体控制方案和硬件配置

2.1 预混料工艺流程简介

预混料是饲料添加剂预混合饲料的简称，是将微量矿物元素、维生素、合成氨基酸、某些药物添加剂等与载体按配方要求，均匀混合后制成的中间型配合饲料产品[2]。其主要工艺流程如图1所示，预混料的原料一般由专业外协原料厂家提供，不需要再作加工处理，配料、混合、包装之间联系紧密，工艺流程简洁；但预混料原料品种多，组成成分复杂，各组分添加用量悬殊，物料粒度细，且某些成分有毒性。这些特点决定了预混料配料系统的配料精度和准确性要求高，混合的均匀性要求高，车间的粉尘控制要求高。

图1 预混料工艺流程

2.2 总体控制方案

要保证预混料系统实现配料的精度和混合的均匀性要求，除了选择合适、先进的预混料加工工艺和设备外，合理、先进的控制系统也起着至关重要的作用。该控制系统要实现对整个预混料配料过程的自动控制，就要实现自动控制多种添加剂与载体按照一定的配方比例混合搭配，完成自动出仓、仓容信息显示、设备运行监控、人机交互、配方管理、报表统计等功能。根据预混料配料工艺流程的特点和当前自动化控制技术发展的现状，采用基于工业以太网的控制方案，工业以太网选用Profinet协议。上位机采用德国倍福自动化科技有限公司的高性能柜式工控机C6930，主要进行配料工艺流程的监控、人机交互、配方管理、生产数据的采集与处理等。下位机采用支持工业以太网通信的西门子S7-1200PLC和德国万可电子有限公司的750系列工业以太网I/O模块，主要承担预混料配料工艺流程中各设备的控制任务和按照配方实现称量、混合搭配。PLC、工业以太网I/O模块、配料工作站工控机、总控中心计算机、各投料口的LED显示屏通过工业以太网交换机连接，组成一个工业以太网控制网络。控制系统结构如图2所示。

2.3 硬件配置

某预混料配料系统有输入点110个，输出点74个，配料秤3台，可选用西门子S7-1200型PLC，该PLC配置有1215C CPU单元、2个以太网接口，10个数字量输出点，l6个数字量输入点，2路模拟量输入通道，2路模拟量输出通道。远程I/O模块选用德国万可电子有限公司的ProfinetI/O模块750系列，其中750-377(Profinet I/O适配器)3个，1个和PLC一起放置在控制柜中，另外2个分别配置在原料仓顶部和原料仓底部，750-1405(16点数字量输入模块)7个，750-1500(16点数字量输出模块)5个，750-602(电源模块)3个，750-555(4通道模拟量输出模块)1个。

图2 控制系统结构图

3 软件设计

3．1 上位机软件设计

上位机监控软件在WinCC7.4开发环境下完成，主要完成预混料配料工艺流程图、设备故障报警、配方管理、生产数据采集与查询等功能。预混料配料工艺流程监控组态画面用形象的彩色图画或符号表示工艺流程中的设备，并用动画的形式表示出来设备的开机、停机和故障状态。配料工艺流程组态如图3示。设备故障报警功能是在配料工艺流程中的设备有故障发生时，发出声光报警，并把故障发生设备的编号、所处位置等信息显示出来，使维修人员能方便及时地进行故障处理，这些故障信息还可保存在数据库中，以备需要时进行查询。生产数据采集与查询功能把从各配料秤和自动打包机上采集的实时数据存储在数据库中，对数据进行管理，形成日报表、月报表、年报表，统计出每日、每月、每年生产总产量、每种原料的消耗量，并可进行历史数据的查询。配方管理功能是配料系统的核心，可以增加新的配方，修改已存在的配方，查询已存在的配方，也可以删除不需要的配方。

图3 配料工艺组态图

3．2 PLC软件设计

预混料配料功能是通过PLC程序实现的，程序编制是在TIA博途V15全集成自动化软件下进行的，采用了模块化的编程思想，软件由一个主程序和若干个功能模块和数据块组成。由于预混料系统的工艺流程简洁，设备数量不多，控制程序的难点和重点主要集中在配料程序模块的设计上。PLC接收配料工作站上位机发送的配方数据，配料秤通过称重仪表GM8802F把重量信号通过通信的方式实时传送给PLC，由PLC通过模拟量模块输出模拟量信号改变变频器的频率大小。在喂料初期，安装在原料仓下面的给料圆管绞龙在变频器控制下高速快喂料，以满足高速快喂料的要求，在喂料终了阶段，给料圆管绞龙低速慢喂料，以保证称重准确度。配料秤卸料门和混合机卸料门实行连锁控制，在一种原料配料完成时，配料秤卸料门打开，混合机卸料门关闭，原料进入混合机进行搅拌。混合时间到时，混合机停止，卸料门打开，混合均匀的物料进入缓冲仓，准备进入打包工序。混合机卸料结束后，卸料门关闭，准备下一批次配料。配料程序流程图参见笔者已发表的文献[5]，在此不再赘述。

当达到配方设定重量，给料圆管绞龙停止时，给料圆管绞龙出料口和配料秤料斗之间还有一部分物料正在空中下落，还没落入配料秤料斗，这部分物料的重量值称为进料落差值。进料落差值是影响配料精度的重要因素，需要妥善处理。进料落差值的精确测量比较困难，而且物料种类变化时，进料落差值也会发生变化，这样进料落差值不能设定为定值，应该是一个不断修正变化的值。根据经验先给进料落差值一个初始值，当称量误差超出允许误差的绝对值时，对进料落差值进行调整修正。因实际加料重量值为配方设定值减去进料落差值，当最终实际称量值与配方设定值之间产生正误差时，给进料落差值增大一个步长值，一直到称量误差在允许范围内为止。当最终实际称量值与配方设定值之间产生负误差时，给进料落差值减小一个步长值，一直到称量误差在允许范围内为止。这种算法思想称作自适应落差调整算法，采用自适应落差调整算法可以减小进料落差对配料精度的影响，使实际配料称重值保持在误差允许范围内。

5 小结

生产高质量的预混料产品是饲料生产厂家孜孜追求的目标，要达到这个目标，除了选择先进的预混料加工工业和设备外，合适、先进的预混料配料控制系统也是一个重要保证。本研究构建的预混料配料控制系统以工业互联网作为通信方式，一网到底，消除了不同协议设备间的信息化孤岛，技术先进、成本低，方便功能扩展、信息集成，实现智能工厂。整个控制系统设计合理、性能优良、配料精度高，不仅适用于预混料配料行业，对面粉、制药、化工、食品等领域的配料控制也有重要的借鉴意义。