牧畜饲料加工过程中的自动化控制与管理研究

农钧麟，明 鑫

（广西职业技术学院，广西壮族自治区 南宁 530226）

牧畜饲料加工是我国实现农业高质量发展的重要环节，不仅关系到畜牧养殖业的健康稳定发展，也关系着广大群众对食品安全的日益关注与追求。在这一过程中，牧畜饲料生产的流程和质量严重影响着养殖业的生产效率和产出质量[1，2]。现代化的牧畜饲料加工自动化控制与管理，能够有效地提高牧畜饲料生产的效率、质量和安全性。一方面，通过自动控制仪器和设备的接口控制，牧畜饲料加工能够实现对于原料的准确配比、物料的输送和混合，以及机械加工和包装等各个环节的自动化控制，提高生产效率，另一方面，自动化控制与管理系统可以对牧畜饲料生产过程进行实时监测，对于产品损坏或设备故障等异常情况，可及时停机或报警，以更好地采取措施，避免生产出不合格的饲料，保证生产环节的安全性和可靠性[4，5]。由此可见，为了更好地顺应现代饲料加工的发展趋势和市场的需求，需要加大对牧畜饲料加工自动化控制与管理系统的研究开发，全面推进牧畜饲料加工自动化控制与管理系统的应用。

1 牧畜饲料加工自动化控制与管理系统构成

牧畜饲料加工自动化控制与管理系统是一种应用现代科技管理方法和装备技术，对牧畜饲料加工过程进行控制与管理的方式。基于牧畜饲料的生产要求，加工自动化控制与管理系统主要由给料系统、称量系统和控制系统构成。其中，给料系统由给料机、送料器、储料罐等设备组成，主要工作是根据原材料特性，分别选用不同的给料设备；称量系统主要用采集电子秤进行质量判断，在牧畜饲料加工过程中用以判断生产原料是否结束；控制系统是牧畜饲料加工自动化控制与管理系统中最为核心的一环，主要由称量仪表、上位工控机、可编程控制器等构成。牧畜饲料加工自动化控制与管理系统的总体构造见图1。

图1 牧畜饲料加工自动化控制与管理系统的总体构造Fig.1 Overall structure of the automation control and management system for livestock feed processing

2 设计思路

2.1 PLC技术概述

PLC 即可编程逻辑控制器，是一种为工业控制系统专门设计的数字电子设备[6]。PLC 技术具有可编程、可控性高、维护方便、可扩展性强、反应速度快等特点，广泛应用于自动化控制、机器人、工业生产线等领域[7]。

PLC 技术的基本原理是将工业控制逻辑程序编写成一系列指令，然后将这些指令存储在PLC 存储器中，利用程序控制器与外界进行数据交换，调度I/O 接口板及外设，实现对控制过程的管理和控制。这样既可以有效替代传统继电器逻辑控制方式，提高控制精度和反应速度，又可以根据现场需求进行编程和修改，具有很高的适应性和灵活性。

2.2 PLC系统设计

牧畜饲料加工自动化控制与管理系统设计见图2。

图2 牧畜饲料加工自动化控制与管理系统设计Fig.2 Design of automation control and management system for animal feed processing

由图2 可知，PLC 为牧畜饲料加工自动化控制与管理系统的控制主机，可借助I/O 接口，接收电动机控制中心（MCC柜）输入的控制按钮主令信号，然后通过此信号控制临场硬件设备与模拟屏。借助PLC 控制程序，牧畜饲料加工自动化控制与管理系统能够实现对故障设备的关停控制。此外，考虑到应用便利性及自动化工程的运行特点，选择西门子S7-300 作为牧畜饲料加工自动化控制与管理系统的核心部件。该模块主要涵括导轨、电源、CPU以及接口模块。

2.3 供电模块设计

为了确保系统的安全可靠运行，必须采用高质量和可靠性强的供电电源。为此，需要设置一个合理、安全和高效的供电模块，该模块由隔离变压器、不间断电源、本电源等组成。其中，隔离变压器主要防止电网动荡对系统供电造成影响；不间断电源提供持续不间断的电流，以保证系统不会由于停电而中断；本电源是为了适应饲料生产现场高粉尘和高噪音的环境而设计的电源。供电模块组成配置见表1。

表1 供电模块组成配置Tab.1 Composition and configuration of power supply modules

2.4 输入模块设计

SM331 是一个采用A/D 转换器的模拟量输入模块，主要由A/D 转换部件、模拟切换开关、光电隔离和补偿电路等构成[8]。它不仅能够适用于不同类型的信号转换，包括电压、电流、电阻、热电偶等，而且可以根据型号的不同，从技术手册中查看各模拟量输入范围的数字化表示以及数字量与不同模拟输出范围间的对应。在牧畜饲料加工自动化控制与管理系统中，为提高效率，相关工作人员可利用软件工具屏蔽部分不用的模拟量通道。此外，考虑到系统实际应用情况，本文选择了2个8通道的模拟量输入模块，不仅能够满足信号采集的要求，还能够在减少费用的同时充分利用机架空间。

2.5 地址分配模块设计

为方便系统调整，在进行PLC 自动化控制与管理时，可根据不同输入、输出端子进行控制。系统PLC 输入输出配置见表2。

表2 系统PLC输入输出配置Tab.2 System PLC input and output configuration

2.6 PID控制模块设计

在牧畜饲料加工自动化控制与管理系统中，如何确保原材料下料质量与设计质量相一致，需要研判牧畜饲料原材料的成本配比以及电机开仓位置存在的不同落差与下降速度。为解决这一问题，采用PID控制策略，选用双速变径变距螺旋加料机，并借助控制算法编写，消除不利因素影响。当下料值高于或低于设定值时，PLC会进入报警状态。

2.7 PLC数据采集模块设计

PLC数据采集流程见图3。在牧畜饲料加工自动化控制与管理系统中，数据采集模块的内容主要有PLC数据采集，传输命令见以下3个步骤：第一步，读取内存字节：@00RD+内存地址+读取字节+……+FCS+’*’+Enter（13H），其中，FCS（frame check sequence）是PLC 的帧检验序列，以便判断接收帧的网卡或接口是否发生错误；第二步，写内存字节：@00WD+内存地址+写入字节+FCS+’*’+Enter（13H），此处FCS 是三菱PLC 的帧检验序列；第三步，PLC自测试：@00TS+写入字节。

图3 PLC数据采集流程Fig.3 PLC data collection process

3 结语

牧畜饲料加工是肉类、奶制品等畜牧产品生产的重要支撑，对畜牧产品质量和品牌形象有着重要影响。然而，传统的牧畜饲料加工过程往往需要大量的人工参与，不仅容易出现操作失误和浪费现象，而且存在食品安全隐患和管理难度大等问题。为此，本文基于PCL 技术构建的牧畜饲料加工自动化控制与管理系统，可在加工过程中提高生产效率、降低成本损耗、有效避免过量人工参与，具有广泛的应用前景和经济效益。