【正文】 息系統(tǒng)的發(fā)展前景。目前我國大部分飼料生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)業(yè)務流程主要包括如下幾個核心部分：給 料部分、稱量部分、配料部分。根據(jù)飼料生產(chǎn)所需原料的不同特性 ，需要分別選用不同的給料設備。在飼料生產(chǎn)中為了提高生產(chǎn)效率與準確度往往采用雙配料倉，生產(chǎn)現(xiàn)場有多少配料倉則需要安裝相應的 電子稱。為了實現(xiàn)飼料生產(chǎn)過程遠程控制，則需要配置遠程控制計算機、數(shù)據(jù)庫服務器、管理計算機、地磅電子稱等。除了上述四種方式外，還有一些場合可以采用傳送帶、刮板、真空抽吸、振動給料等給料方式。電磁振動給料機運用機械振動學的共振原理使得飼料生產(chǎn)中所需要的混合料在低臨界共振狀態(tài)下工作在給料過程中，物料在料槽中被連續(xù)拋起，并 按拋物線軌跡向前跳躍運動，這種給料方式因為不需要轉(zhuǎn)動部件，同時對料槽的磨損比較小，具有耗電少、體積小、重量 輕、運費低等優(yōu)點。 螺旋給料機方式與電磁振動給料機相比，能夠?qū)崿F(xiàn)給料均勻的特點，并且不容易 受外界影響。但螺旋給料機上安裝有電動機和減速器，重量大，效率較低。 稱重方 式選擇 在飼料生產(chǎn)的配料過程中，包括原料的儲存、輸送、稱重配料、除塵、物料混合等多種設備，涉及粉粒狀固體散料、液體等多種物料。其中進料式稱量又可分為零位法和增量法等稱重方式，零位法指的是料倉開始從空位給料，直到料倉滿足給定要求，即停止加料，然后打開料倉放料直到空位，再重新稱重。很明顯，采用零位法 的稱量方式其精度相對增量法更為精確 ?？紤]到落差余量對最終配料成份的影響，在實際配料稱量計算時其給料設定值應為要配制的物料標準重量減去落差值。卸料式稱量方式則與給料式過程相反，即先在料斗內(nèi)預先裝入多于配方要求的物料，然后開啟放料進行稱量，通過稱量落下 的物料重量便能夠獲取飼料生產(chǎn)所需配料的重量。同理，為了實現(xiàn)和增量法同樣的效率和控制精度，減量法也采取雙速卸料，在快速卸料量達到給定 值的 90%左右開始變?yōu)槁傩读稀? 飼料生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)中的配料控制模塊由稱量儀表、上位工控機、可編程控制器及其他控制器件等組成。目前國內(nèi)大部分飼料生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)構(gòu)造及過程如圖 21 所示 在實際的飼料生產(chǎn)過程中 ，生產(chǎn)的飼料成品料同樣需要存儲在相應的倉位中，其存儲倉一般有單倉、雙倉或三倉等配置形式，另外再配一個廢料倉。系統(tǒng)給料量采用比例調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制原理進行給料量的計算，通過安裝在電子秤的稱重傳感器由電腦計算儀接收稱重信號和速度信號，將其轉(zhuǎn)換成累計值和瞬時流量并將其轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量通過串口線傳輸至飼料現(xiàn)場控制計算機，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換將其變換成 420mA 范圍內(nèi)的給料模擬電流信號傳送給 AI調(diào)節(jié)器與事先設置的飼料給料量進行比較運算后，根據(jù)偏差，運用閉環(huán) PID控制算法以及數(shù)字濾波后計算需要調(diào)節(jié)的給料量，調(diào)節(jié)量同樣需要轉(zhuǎn)換成 420mA范圍內(nèi)的模擬信號輸送給變頻器驅(qū)動飼料給料機的電機轉(zhuǎn)速。 在進行給料量計算時，按照如下算法過程進行。如果到達了提前量，開始利用均值濾波及 PID算法控制電機的通斷時間，開始點動下料。如果到達設定的誤差量，系統(tǒng)就會換倉。如果所有原料下料結(jié)束，系統(tǒng)會檢測攪拌機門是否關閉，如果沒有關閉，系統(tǒng)便會報警。具體的說，它是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)， 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2— 2所示， 主要為工業(yè)環(huán)境所應用。它的可靠性高、耐高溫、耐沖擊和耐振動等特點，己成為解決自動控制問題的最有效工具 ?？刂葡到y(tǒng)的復雜化和高難度化，使得 PLC朝著集成化的方向發(fā)展，現(xiàn)在主要是 PLC和 PC 集成、 PLC和 DCS集成、 PLC和 PID集成等等，這些都強化了網(wǎng)絡化與通訊能力。比如說羅克韋爾 AB公司主推的三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)體系，即 EtherNet、 ControlNet、 DeviceNet，西門子公司在 ProfibusDP 及 ProfibusFMS網(wǎng)絡等等。 PLC具有如下幾個典型特點 (1)可靠性高，抗干擾能力強 不論是硬件還是軟件， PLC 都采取了很多措施，所以 PLC 控制系統(tǒng)非?？煽?。在軟件方面 :PLC系統(tǒng)都設置了“看門狗”(Watchingdog)監(jiān)控程序， PLC每次上電后，還都要運行自檢程序及對系統(tǒng)進行初始化，開發(fā)了很多防止及檢測故障的指令，出現(xiàn)故障時有相應的出錯信號提示。對于復雜的控制系統(tǒng)來說，采用基于梯形圖的設計方法減少了繼電器系統(tǒng)電路圖的設計時間，其中繼電器控制系統(tǒng)中采用的接線邏輯被 PLC存儲邏輯代替，較少了工程師進行外部控制設備的接線工作，也使得后期的設備維護更為簡單，減少了系統(tǒng)開發(fā)時間。 (3)體積小，功耗低 從全面及長遠看， PLC的使用還是經(jīng)濟的。二是使用時省電，運行費用也少 。四是維修簡單，維修費用少 。 PLC 工作原理 PLC采用“順序掃描、不斷循環(huán)”的方式進行工作。如果沒有跳轉(zhuǎn)指令， 那么他就從設置的第一條指令開始，逐條順序執(zhí)行用戶設定的程序，直到程序結(jié)束為止。在每一次的掃描過程中，還要完成對輸入信號的采集和對輸出狀態(tài)的刷新等工作，周而復始地進行下去。 PLC以掃描工作方式按順序?qū)λ休斎攵说妮斎霠顟B(tài)進行一次采集，并存入寄存器中，此時寄存器會因采集到信號被刷新。如果程序用梯形圖來表示的話，那么總是從上到下，從左到右順序執(zhí)行。 對于 PLC控制系統(tǒng)輸出方式選擇而言，則需要根據(jù)選用的 PLC產(chǎn)品以及控制系統(tǒng)規(guī)模進行考慮。對于一些工 I/O點數(shù)較多，控制系統(tǒng)功能程序及過程比較復雜的系統(tǒng)，則一般采用定期采集、定期輸出的方式，能夠滿足較好的實時性控制要求。 系統(tǒng)總體方案設計 根據(jù)飼料生產(chǎn)過程控制的上述流程，本文設計的過程控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計如下 :系統(tǒng)由遠程控制計算以及飼料生產(chǎn)現(xiàn)場控制計算機組成一個兩級計算機控制網(wǎng)絡，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 24所示。生產(chǎn)現(xiàn)場計算機控制系統(tǒng)則依然采用傳統(tǒng)的 PC機和PLC組成上、下位機控制系統(tǒng)組成，其中上位機是 PC工控機，為操作人員提供良好的人機界面，它的功能主要包括通信鏈路的建立，數(shù)據(jù)的接收、校驗、處理與打包發(fā)送，參數(shù)和狀態(tài)的查詢，參數(shù)的修改，報表與圖表的輸出，數(shù)據(jù)庫的更新與維護等。 考慮到本飼料生產(chǎn)系統(tǒng)飼料配比工藝過程固定，控制量主要以開關量控制為主 (電動機的啟、停由開關量控制 )、帶少量數(shù)字量控制 (變頻器的控制端輸入 )，對系統(tǒng)控制速度要求較低，控制功能主要能夠?qū)崿F(xiàn) PID運算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等即可。此外，在本工程設計中，為了避免電源對系統(tǒng)造成的干擾，計算機、所有 PLC、工控儀表、變送器的電源均采用一體化供電方式，輸入輸出信號全部用繼電器隔離，防止強電損壞設備以及信號相互干擾。生產(chǎn)現(xiàn)場計算機控制系統(tǒng)則依然采用傳統(tǒng)的 PC機和 PLC 組成上、下位機控制系統(tǒng)組成，其中上位機是 PC工控機，為操作人員提供良好的人機界面。在本系統(tǒng)中就是采用 西門子 S7200可編程序控制器控 制現(xiàn)場設備，并通過 PROFIBUS 現(xiàn)場總線由PC機進行監(jiān)控。由于配料控制系統(tǒng)需要快速同現(xiàn)場設備進行數(shù)據(jù)交換，本文使用 PROFIBUS． DP通信協(xié)議，使 DP主站能夠?qū)ΜF(xiàn)場設備進行實時有效的監(jiān)控。 整個飼料生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)的設計包括稱重方式選擇、給料方式選擇、生產(chǎn)線結(jié)構(gòu) 方式選擇、配料控制系統(tǒng)的設計等。 計量系統(tǒng)設計 飼料生產(chǎn)過程的自動化控制，實際上包含了兩個方面的內(nèi)容。例如在配料混合生產(chǎn)環(huán)節(jié)，通過配料秤智能控制儀，按照預定的配方要求，控制物料的加料過程及配比，用壓制機智控制儀，控制和監(jiān)測壓制過程中的溫度、壓力、流量等。在這一范疇內(nèi)，結(jié)合飼料生產(chǎn)過程的特點，本章所要解決的問題是如何按照生產(chǎn)工藝的要 求，合理有效地按照一定的規(guī)律，控制飼料生產(chǎn)過程中上百臺生產(chǎn)設備的協(xié)調(diào)運行，己使整個生產(chǎn)過程達到最優(yōu)的技術經(jīng)濟指標。 圖 3— 1 皮帶秤結(jié)構(gòu)工作示意圖 其中飼料生產(chǎn)所需要的各種配料按照給定配方通過給料設備送至配料點的子皮帶秤進行過磅，電子秤相當于重力及速度檢測傳感器，能夠?qū)⑴淞戏Q重以及皮帶傳速進行數(shù)字顯示，同時利用數(shù)模轉(zhuǎn)換將配料進給的瞬時流量、累計量等數(shù)據(jù)以 4~20mA模擬電流形式送往 PID調(diào)節(jié)器，整個系統(tǒng)按照閉環(huán)方式進行控制， 調(diào)節(jié)器根據(jù)測量值與設定值的偏差進行負反饋控制，輸出控制結(jié)果給變頻器去驅(qū)動電機來控制傳送皮帶給料的速度，確保飼料進料量按照預定要求進行配置。皮帶電子秤是整個控制系統(tǒng)的關鍵部分，主要由秤體、稱重傳感器和放料門組成。本文考慮到飼料生產(chǎn)系統(tǒng)的工作過程，選用電子秤，其工作原理如圖 32所示 。電子秤的功能特點 :電子秤采用 一個三積分 A/D轉(zhuǎn)換器，對重量、溫度、電池電壓三個量進行測量，對傳感器的溫度零漂，溫度滿量程漂移，分二十個區(qū)間，線性化全自動軟件補償，硬件成本增加極少，使電子計價秤、計重秤達到國際標準 。電子秤能夠?qū)崿F(xiàn) CPU單總線雙向數(shù)據(jù)通訊 。電子秤抗干擾、高精度稱重濾波技術，將普通的一臺電子秤讀數(shù)穩(wěn)定度提高五倍以上 。 攪拌倉所需飼料配料經(jīng)電子秤中的 重量傳感器將配料重量轉(zhuǎn)換成電壓或電流的模擬訊號，經(jīng)過內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換后以數(shù)字方式顯示。本文稱重電子秤內(nèi)部集成 UH61100u型重力傳感器，分別采用獨立電源供電來保證轉(zhuǎn)換精度，部分電子秤采用二次穩(wěn)壓來提高每個重力傳感器供橋電源的穩(wěn)定性。角的情況下則需要計算稱重誤差，計算公式為△W=W (1cosa)。 =4。因而，電子秤中重力傳感器的安裝位置對稱重精度具有一定的影響，需要確保三只重力傳感器均能垂直受力。 本系統(tǒng)中采用的電子秤儀表性能穩(wěn)定，其最大載荷可達 250KG/M，完全滿足本系統(tǒng)飼料配料的稱量要求，抗干擾能力強，功耗低、可靠性高，能夠以自動秤量方式將散狀物料按照預定的配比進行秤量并能夠 控制物料的秤量、卸料。同時具有遠程數(shù)據(jù)通訊功能，可以設定預置功能及落差補償功能，可實現(xiàn)準確、高速動態(tài)采樣。在本系統(tǒng)中，飼料配料給料量控制采用順饋一單回路負反饋復合控制策略進行，其控制算法基于數(shù)字濾波及 PID 控制，其控制電路設計如圖 33所示。 圖 33 單回路前饋一反饋復合控制系統(tǒng)較為實用可行的電原理圖 PLC子系統(tǒng)硬件設計 PLC安裝在飼料生產(chǎn)現(xiàn)場區(qū)域控制器 CPU中，能夠?qū)︼暳仙a(chǎn)現(xiàn)場各區(qū)域設置的傳感器以及生產(chǎn)過程、設備工作狀態(tài)等監(jiān)控參數(shù)通過總線進行傳輸并由 PLC控制器進行數(shù)據(jù)處理，并通過串口總線傳輸給現(xiàn)場控制 PC機，能夠及時將過程控制的結(jié)果以及各項參數(shù)傳輸給現(xiàn)場控制計算機，根據(jù)部署在現(xiàn)場計算機上的生產(chǎn)控制命令進行自動化生產(chǎn)，控制各生產(chǎn)車間設備 (給料機、攪拌倉、成品打包等 )按照生產(chǎn)程序正常工作。在本項目中采用西門子公司 生產(chǎn)的 S7200系列 PLC,供電系統(tǒng)由隔離變壓器、 PS207組成， CPU模塊選用 CPU2262DP，總線采用 PROFIBUS 總線接口完成與 西門子 的 PLC的網(wǎng)絡化連接，最后通過局域網(wǎng)實現(xiàn)現(xiàn)場控制計算機的互聯(lián)，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控與調(diào)度管理的協(xié)調(diào)。 圖 34 飼料廠生產(chǎn)過程 PLC控制系統(tǒng)框圖 飼料廠生產(chǎn)過程 PLC 控制系統(tǒng)框圖各部分功能如圖 34所示 : 1） PLC作為控制主機安裝在 PLC柜內(nèi)，通過其 I/O模塊，接收來自 MCC柜內(nèi)的交流接觸器、保護元器件 (自動空氣開關、繼電器、現(xiàn)場傳感器 )等動作輸入信號以及操作臺上控制按鈕主令信號，根據(jù)程序運行的結(jié)果發(fā)出輸出信號，控制 MCC 柜內(nèi)的交流接觸器動作，從而達到控制監(jiān)測現(xiàn)場設備的目的。 3）現(xiàn)場操作按鈕箱安裝在現(xiàn)場各樓層，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的手 /自動操作轉(zhuǎn)換，在現(xiàn)場對單臺設備實現(xiàn)手啟動、停操作，在自動控制方式下，亦能通過現(xiàn)場操作按鈕實現(xiàn)單機設備的緊急停車，通過 PLC控制程序運行，從而實現(xiàn)故障設備工段的自動聯(lián)鎖停車。燈亮表示該設備在運行，燈熄滅表示該設備停車等。所以在一些飼料廠的設計中，取消了這部分硬件設備，而用 PLC 與上位機通訊組態(tài)方式，在計算機屏幕上顯示工藝流程。如一次回路的合閘分閘按鈕、各樓層信號聯(lián)絡按鈕、指示燈、各工段的主令啟動、停車按鈕等。如圖 35所示。當轉(zhuǎn)換開關 SB置于中間位置， KM線圈失電，其主觸點及常開觸點斷開，電動機電源切斷停止運轉(zhuǎn)。運行中當發(fā)生短路或過載故障時 QF 常開觸點也斷開，對應的輸入點狀態(tài)為 “ 0”， KM常開觸點斷開，其對應的輸入點狀 態(tài)為 “ 0” ，通過編制程序， PLC發(fā)出故障報警信號，并切斷有關的輸出信號做相應的聯(lián)鎖停車控制。 PLC 選型 PLC 產(chǎn)品的種類繁多。因此 ,合理選用 PLC,對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術經(jīng)濟指標有著重要意義。 PLC機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下 ,力爭最佳的性能價格比。通過對飼料生產(chǎn)現(xiàn)場情況、被控對象的 I/O點數(shù)以及工藝要求、掃描速度、自診斷功能等方面統(tǒng)計結(jié)果的分析，綜合考慮系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)濟性以及技術成熟度、開發(fā)周期等要素，本系統(tǒng)選用模塊式結(jié)構(gòu)的 SIMATIC S7200 系列 PLC。 SIMATIC S7200 Micro 自成一體：特別緊湊但是具有驚人的能力－特別是有關它的實時性能－它速度快， 功能強大的通訊方案，并且具有操作簡便的硬件和軟件。這一切都使得 SIMATIC S7200 Micro PLC 在一個緊湊的性能范圍內(nèi)為自動化控制提供一個非常有效和經(jīng)濟的解決方案。 S7200也越來越多地提供了對以前曾由于經(jīng)濟原因而開發(fā)的特殊電子設備的地區(qū)的進入。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴展單元、編程器、存儲卡 、 寫入器、文本顯示器等 。編程器主要用來進行用戶程序的編制、存儲和管理等，并將用戶程序送入 PLC中，在調(diào)試過程中，進行監(jiān)控和故障檢測。簡易型編程器是袖珍