基于三菱PLC的智能饲喂控制系统设计

作者简介：王慧（1982-），女，硕士，讲师。研究方向为机电一体化。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.011

摘  要：我国经过几十年的发展，养殖规模世界第一。早期的人工小规模养殖生猪已经满足不了市场的需求，迫切需要转型，进行大规模、集约型养殖。要从制造大国到制造强国转变，就必须加快新一代信息技术、自动化与制造业深度融合。PLC（可编程控制器）在自动化设备中起着不可替代的作用，大大简化硬件设备。该文所完成的PLC智能饲喂控制系统，结合PLC、触摸屏、伺服电机、步进电机和变频器等，能完成饲料的自动投喂，大大减轻养殖户的工作量。

关键词：饲喂系统；伺服电机；MCGS组态软件；传感器；PLC控制系统

中图分类号：TP311      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）12-0045-04

Abstract： After decades of development， the scale of aquaculture in China ranks first in the world. The early artificial small-scale breeding of pigs has been unable to meet the needs of the market， there is an urgent need for transformation， large-scale， intensive breeding. In order to change from a big manufacturing country to a manufacturing power， we must speed up the deep integration of the new generation of information technology， automation and manufacturing. PLC （programmable logic controller） plays an irreplaceable role in automation equipment， which greatly simplifies the hardware equipment. The PLC intelligent feeding control system completed in this paper， Based on PLC， touch screen， servo motor， stepper motor， frequency converter and so on， can complete the automatic feed feeding and greatly reduce the workload of farmers.

Keywords： feeding system; servo motor; MCGS configuration software; sensor; PLC control system

隨着科技的不断发展，自动化和智能化成为了现代生产过程中不可或缺的一部分。在众多领域中，智能饲喂控制系统的发展越来越受到关注。特别是在农业领域，动物的饲喂管理是关系到动物生长、健康和生产效益的关键因素。传统的饲喂方式往往依赖人工操作，这不仅需要大量的人力资源，而且往往存在精度不高、效率低下等问题。因此，开发一种基于三菱PLC的智能饲喂控制系统，对于提高饲喂效率、节约人力和提升动物生长性能具有重要意义。本设计是基于三菱PLC的一种智能饲喂控制系统，三菱PLC作为一种通用的工业控制装置，具有高可靠性、易于编程、易于扩展等优点，被广泛应用于各种工业控制领域。通过本设计，能够实现饲喂过程的自动化和智能化，提高饲喂管理的精度和效率，同时为动物提供更加稳定、健康的生长环境。

1  智能饲喂系统的技术要求

1.1  系统组成及参数要求

智能饲喂系统组成如图1所示。在小车运行过程中要进行必要的超程保护，硬件限位保护使用行程开关SQ1、SQ3。本系统使用了3种电机，分别是伺服电机、步进电机、三相异步电机，其在系统中的功能见表1。

图1  饲喂系统结构图

表1  系统电机功能

槽1位置位于距离原点9 m处，槽2位置位于距离原点12 m处，槽3位置位于距离原点15 m处，槽4位置位于距离原点18 m处。伺服电机控制器参数要求：加速时间0.5 s、减速时间0.5 s，运行速度120 r/min，最高速度150 r/min，原点爬行速度18 r/min，电子齿轮比1 024∶1。变频器控制三相异步电机参数要求：第一段速为30 Hz，第二段速为35 Hz，第三段速为40 Hz，加速时间1.2 s，减速时间0.5 s，只进行单向正转运行。步进电机控制器参数要求：电机速度触摸屏设定，细分等于2。

1.2  控制要求

1.2.1  系统初始化状态

无论小车在什么位置，上电后按下复位按钮SB3，小车自动回到初始位置并等待系统启动。

1.2.2  运行操作要求

智能饲喂系统运行分装料、移动、卸料、返回4个步骤。按下启动按钮SB1，电机M3运行，给饲喂小车装料，装料的时间由触摸屏设定。装料完成以后，电机M3停止运行。电机M3停止运行2 s后，饲喂小车在伺服电机M1的带动下，向槽位运行（正转），到达某一个槽位后自动停止运行。触摸屏可以任意设定某一个槽位有料，不需要停止卸料，比如设定槽3位置有料，饲喂小车从原点接料后运行到槽1位置投放饲料完毕等待2 s，小车运行到槽2位置投放饲料完毕等待2 s，小车运行到槽4位置投放饲料完毕后立即返回原点，完成一次饲料的投放。饲喂小车到达某个槽位后停止运行，电机M2启动，向槽位中投放饲料。饲料投放的速度和投放的时间由触摸屏设定，投放结束后电机M2停止运行。当饲喂小车投放结束后，电机M1启动，返回原点等待，只有当再次按下启动按钮，小车才重新装料。运行过程中按下停止按钮SB2，饲喂小车完成当前任务后停止，当再次按下启动按钮SB1后，小车重新运行。

2  三菱PLC控制系统硬件设计

2.1  PLC选型原则

PLC的选型要考虑以下几个方面：①客户需求，按照客户要求选择PLC的类型。②I/O口的估算，按照控制的点数去选择，同时考虑部分按钮和指示灯可以在人机界面上设定。③系统要求，如果是小型控制系统，存储容量较小，可以选择小型机。④性价比要求，在各项性能指标达到控制要求的情况下，需要考虑到成本要求。

2.2  PLC输入输出分配

本智能饲喂系统中控制对象有：复位按钮1个，启动按钮1个，停止按钮1个，状态指示灯3个（触摸屏代替），限位开关2个，工作指示灯2个，变频器1台，伺服控制器1台，步进控制器1台。按照以上的控制要求，本系统选择三菱FX3U-32MT可以满足要求[1-2]。根据系统的设计要求，输入/输出分配见表2。

表2  系统控制输入/输出分配

2.3  变频器与PLC的硬件连接

按照控制要求，变频器设定需要多段速控制[3]。本系统选择是安川V1000变频器， 系统要求饲喂小车到达指定槽位以后，按照触摸屏上面选择高速按钮（40 Hz）、中速按钮（35 Hz）、低速按钮（30 Hz）3种速度按钮中的任意一种速度出料，线路连接如图2所示。

图2  变频器和PLC的连接

2.4  伺服电机与PLC的硬件连接

按照系统的设计要求，结合实际情况，本系统选择安川SGMJV-04ADE6S交流伺服电机和安川SGDV-2R8A01交流伺服驱动器。SGDV-2R8A01伺服电机驱动器为200 V级，可在三相200～240 V电源和单相200～240 V下工作；出厂设置为三相电源工作状态，其和PLC的连接图如图3所示。

图3  伺服电机驱动器和PLC连接

3  三菱PLC的软件设计

3.1  步进电机、伺服电机的参数设定

3.1.1  步进电机参数设定

本系统选择的步进电机的步距角是1.8°，在没有细分时，200个脉冲电机旋转一周。当细分设定为2时，400个脉冲电机旋转一周，本系统设定细分等于2，步进电机细分设定见表3。

表3  步进电机细分设定表

3.1.2  伺服电机驱动器参数设定

本系统采用220 V单相电源供电，在使用之前必须要对变频器进行出厂设置值进行调整，否则会检出电源缺相报警（A.F10）。参数设定见表4。

表4  伺服电机驱动器参数设定表

3.2  饲喂小车回原点复位程序设计

本系统要求，启动之前饲喂小车无论在什么地方，按下复位按钮SB3，小车回原点等待启动，因原点传感器安装在最左边，所以饲喂小车回原点是反转。其参考程序如图4所示。

图4  回原点复位参考程序

3.3  进料系统程序设计

小车到达原点后，按下启动按钮SB1，步进电机M3运行，给饲喂小车装料，装料的时间和装料的速度由触摸屏设定，装料完成以后，步进电机M3停止运行。触摸屏装料时间变量D0，经过脚本运算D100=D0×10，触摸屏设定的装料速度D1。参考程序如图5所示。

图5  进料系统参考程序

3.4  位移系统程序设计

饲喂小车装料完成后，伺服电机正转，带动小车向槽位方向运行。在实训室平台模拟时，以槽1为例，设定槽1的位置距离原点9 cm处，伺服电机旋转一周向右运行1 cm。触摸屏设定伺服电机的速度变量D2，单位为r/s。那么可以计算出伺服电机的速度是D101=1 000×D2，脉冲数9 000。参考程序如图6所示。

3.5  出料系统程序设计

小车到达指定槽位后，电机M2运行，把饲料从小车投放到槽中。触摸屏设定的速度变量为高速M0、中速M1、低速M2。投料过程中电机M2只需要正转即可。触摸屏设定的投料时间变量D2， 经过脚本运算D102=D2×10，参考程序如图7所示。

图7  出料系统参考程序

4  MCGS人机界面程序设计

4.1  触摸屏变量表设定

本系统选择的触摸屏为MCGS。MCGS触摸屏是一种工业控制装置，通常用于工业自动化和过程控制系统中，其可以通过与PLC等控制设备连接来采集和显示生产过程中的各种参数，如温度、压力、液位等。

MCGS触摸屏具有直观、易操作的特点，可以替代传统的文本显示器，提高设备的自动化程度和生产效率。触摸屏和PLC要能正常通信和数据交换，必须正确地设定变量，触摸屏连接变量见表5。

表5  触摸屏连接变量表

4.2  欢迎界面组态

欢迎界面中，显示年月日的脚本程序为a=！str（$Year）+“年”+！str（$Month）+“月”+！str（$Day）+“日”+！str（$Hour）+“时”+！str（$Minute）+“分”+！str（$Second）+“秒”。其中，a是标签中设定字符串输出变量。

4.3  设定和监控界面组态

监控界面中，主要分为状态显示区、参数设定区2个部分，其中状态显示区有“饲喂小车”“放料电机”“出料电机”3个运行状态。当某个电机运行时指示灯亮。参数设定区有槽位设定按钮、M1电机运行速度设定、M2电机运行时间设定、M3电机运行时间设定和M2电机速度选择按钮5部分。对3个电机运行状态的监控不用辅助继电器M，组态时直接用Y0、Y1、Y4，这样编程时就比較简洁，不需要再次输出辅助继电器。

5  智能飼喂系统联机调试

按下复位按钮SB3，饲喂小车反转返回原点，当电感传感器有信号时，速度由120 r/min减少至爬行速度18 r/min，直至移除出电感传感器，到达S0步，回原点运行符合系统设定要求。当饲喂小车在原点时，按下启动按钮SB1，步进电机按照触摸屏设定的时间运行，运行时间完成后程序跳转，到达下一步。当饲喂小车装料完毕以后，小车按照触摸屏设定的速度向右运行[4-5]。本系统在实训平台上模拟时，槽1、槽2、槽3和槽4距离原点的距离分别设定为9、12、15和18 cm。伺服电机旋转一周1 000脉冲，同时也移动1 cm，调试时运行准确到达指定的槽位。当饲喂小车到达槽位后，变频器带动三相异步电机M2运行，把饲料投放到槽位中。按照饲料的不同类型可以在触摸屏上面选择不同的速度。调试时，速度和投放时间应准确。当饲料投放结束后，小车自动返回原点。可以采取2种方法，其一执行回原点程序，小车按照程序可以返回原点；其二伺服电机按照设定的速度和槽的位置反转，也能准确地到达原点。本系统程序设定时，用了第二种方法，可靠性较高。

6  结束语

本文通过对我国普通农户牲畜养殖的调查分析，提出了用PLC和触摸屏技术联合控制的饲喂小车电气系统的设计。经过实验室调试表明，本电气系统的功能满足设计的各项参数要求，系统能正常工作，有切实可行的实际应用价值。通过本系统的设计、画图、接线、编程、组态和调试等工作，进一步了解了PLC系统，提高了项目设计经验和动手能力，为以后的自动控制系统开发积累了宝贵的经验。

在设定设计方案时，本饲喂控制系统还有很多不足之处，主要体现在以下几个方面：①本系统主要完成的工作是PLC控制的电气控制系统，饲喂小车也没有实物，调试时也是在实训室进行模拟调试，观察每一个动作是否满足设计要求，如果安装到饲喂小车进行实际调试肯定需要机械部件的配合，后续就要进行饲喂小车的安装、调试。②本系统提出的智能控制要求还需进一步提高技术指标，比如饲料的重量、槽位需要的饲料重量等，就需要加入模拟量进行控制。

参考文献：

[1] 王化荣.集约化养殖中配合饲料投喂技术[J].渔业致富指南， 2020（18）：23-24.

[2] 郑志远.浅谈PLC的发展史及发展趋势[J].大观周刊，2012（6）：128-128.

[3] 冯志超.基于PLC与组态软件的船舶锅炉监控系统[D].大连：大连海事大学，2018.

[4] 苏云，潘丰，肖应旺，等.基于组态王与PLC的远程控制系统[J].工业仪表与自动化装置，2018（2）：53-55.

[5] 宋秀玲.PLC在中国的发展及应用前景[J].和田师范专科学校学报，2010，29（5）：189-190.