檸條顆粒飼料生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究

■王小陽

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，山西太原 030031）

現(xiàn)行的飼料生產(chǎn)企業(yè)普遍存在生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)高溫、高噪聲、環(huán)境惡劣、工作環(huán)境差、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大[1]，以及人工參與較多，作業(yè)效率低下，生產(chǎn)更多地依賴于人，可是不同的人會(huì)產(chǎn)生不同結(jié)果，會(huì)造成飼料品質(zhì)不統(tǒng)一等問題，這樣生產(chǎn)系統(tǒng)就無法保證為管理決策提供真實(shí)、有效的數(shù)據(jù)，造成飼料質(zhì)量不穩(wěn)定，直接影響了成品顆粒飼料產(chǎn)品的質(zhì)量。

面對(duì)不斷出現(xiàn)的食品安全事件，國(guó)家對(duì)食品安全越來越重視，飼料安全最終會(huì)關(guān)系到食品的終端安全，即人的健康，這就要求飼料生產(chǎn)企業(yè)首先能夠?qū)ζ洚a(chǎn)品加工的全過程和生產(chǎn)管理的全過程進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控；其次生產(chǎn)控制系統(tǒng)不僅要完成生產(chǎn)工藝的控制，還要具備從生產(chǎn)過程中收集大量的信息，為銷售、采購(gòu)、財(cái)務(wù)、品質(zhì)控制等各部門提供原始數(shù)據(jù)的能力[2]。適應(yīng)當(dāng)前檸條顆粒飼料市場(chǎng)的需求，設(shè)計(jì)現(xiàn)代化質(zhì)量控制體系及自動(dòng)化的生產(chǎn)過程控制是勢(shì)在必行的趨向。

1 檸條顆粒飼料生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)硬件組成主要包括上位機(jī)、下位機(jī)、MCC電器控制柜、變頻器、智能稱重儀表、稱重傳感器、阻旋料位計(jì)、行程開關(guān)以及相關(guān)的電纜和橋架。

上位機(jī)采用性能高端的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，主要作用是對(duì)下位機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，全畫面顯示所有工藝流程同時(shí)有數(shù)據(jù)記錄、異常報(bào)警記錄、網(wǎng)絡(luò)通訊等作用。下位機(jī)PLC采用的是西門子S7-200系列的PLC，S7-200是一種通用型的PLC，具有模塊化、無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)分布式的配置以及易于掌握等特點(diǎn)，適合自動(dòng)化工程中的應(yīng)用[3]。S7-200中的CPU模塊主要有指令執(zhí)行、I/0讀寫、高速計(jì)數(shù)、PID調(diào)節(jié)等技術(shù)功能[4]。S7-200的指令集一般主要有位指令、比較指令、定時(shí)指令、計(jì)數(shù)指令等，總數(shù)可到300多條。主要負(fù)責(zé)接受控制指令及控制參數(shù)，對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行采集，控制輸出設(shè)備工作。

在對(duì)國(guó)內(nèi)檸條顆粒飼料生產(chǎn)線現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際情況以及自動(dòng)化控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)，提出了該自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：①生產(chǎn)工藝過程監(jiān)控功能；②配方管理、配料系統(tǒng)功能；③報(bào)表系統(tǒng)功能；④系統(tǒng)的用戶管理功能；⑤設(shè)備管理、維護(hù)功能；⑥網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程服務(wù)功能。

該控制系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)，即上位機(jī)與下位機(jī)聯(lián)合通訊的控制方法。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作上位機(jī)，下位機(jī)采用可編程序控制器。這種系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、便于管理、軟件開發(fā)費(fèi)用低，設(shè)備替換性好等優(yōu)點(diǎn)。

2 檸條顆粒飼料生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 HITECH-ADP監(jiān)控組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)

伴隨個(gè)人計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)化需求發(fā)展，目前基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的監(jiān)控組態(tài)軟件在工業(yè)控制領(lǐng)域與自動(dòng)化產(chǎn)品監(jiān)控應(yīng)用十分普遍。組態(tài)軟件呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)化、小型化、開放式以及低成本等趨勢(shì)，廣泛運(yùn)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、樓宇和辦公等領(lǐng)域，形成了國(guó)際通用的或者企業(yè)通用的標(biāo)準(zhǔn)化硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等規(guī)范，已成為自動(dòng)化控制系統(tǒng)當(dāng)中不可缺少的關(guān)鍵組成部分[5]。監(jiān)控組態(tài)軟件主要具有監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)控制、應(yīng)用開發(fā)等功能，是伴由計(jì)算機(jī)技術(shù)、可編程控制器、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及工業(yè)控制等技術(shù)發(fā)展起來的。

HITECH-ADP監(jiān)控組態(tài)軟件是一套基于Windows平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運(yùn)行于Microsoft Windows 2000/XP/Vista/Win7等操作系統(tǒng)。HITECH-ADP監(jiān)控組態(tài)軟件為用戶提供了解決實(shí)際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺(tái)，綜合了監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、組態(tài)等技術(shù)，提供了可以在Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能，能夠完成現(xiàn)場(chǎng)流程控制、數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)報(bào)警、數(shù)據(jù)處理、動(dòng)畫顯示等功能。HITECH-ADP監(jiān)控組態(tài)軟件與西門子公司的PLC產(chǎn)品系統(tǒng)緊密結(jié)合，通過統(tǒng)一的組態(tài)、編程、數(shù)據(jù)管理及系統(tǒng)通訊，極大地降低了用戶軟硬件組態(tài)的工程量。

2.1.1 系統(tǒng)主界面

主界面包括所有工藝流程，通過鼠標(biāo)自由切換到其他任意畫面，畫面元素立體顯示，各運(yùn)行參數(shù)動(dòng)態(tài)顯示在畫面上，各工藝段提供手動(dòng)和自動(dòng)二種工作方式。自動(dòng)時(shí)工藝段內(nèi)的設(shè)備點(diǎn)“啟動(dòng)”按鈕后，按照物料流動(dòng)方向，逆方向啟動(dòng)，點(diǎn)“停止”按鈕后，按照物料流動(dòng)方向，順方向停止；手動(dòng)時(shí)可任意手動(dòng)啟停單臺(tái)設(shè)備；如果段內(nèi)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，點(diǎn)“急?！卑粹o后，段內(nèi)所有設(shè)備立即停止工作。系統(tǒng)主界面如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主界面

2.1.2 參數(shù)設(shè)置界面

根據(jù)檸條顆粒飼料生產(chǎn)工藝要求，需要對(duì)脈沖除塵器、制粒機(jī)星三角啟動(dòng)時(shí)間、配料攪籠啟動(dòng)時(shí)間以及歷史記錄寫值時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。參數(shù)設(shè)置界面如圖2所示。

圖2 參數(shù)設(shè)置界面

2.1.3 配方設(shè)置界面

自動(dòng)配料是檸條顆粒飼料生產(chǎn)加工工藝的核心工序，直接影響成品飼料質(zhì)量的高低，也由此直接影響飼料企業(yè)的存活。界面除了有配方輸入功能外，還可以更改加料次序以及“混合時(shí)間”、“混合出料時(shí)間”、“刮板機(jī)送料時(shí)間”等參數(shù)的設(shè)置。配方設(shè)置界面如圖3所示。

圖3 配方設(shè)置界面

2.1.4 歷史記錄界面

歷史記錄是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄的一種重要形式，是生產(chǎn)過程不可缺少的一個(gè)部分，能對(duì)長(zhǎng)期的生產(chǎn)過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析。使用時(shí)，可將當(dāng)日、當(dāng)班的各生產(chǎn)報(bào)表（各種原料實(shí)際消耗和成品產(chǎn)量等）按照客戶要求進(jìn)行打??；各類報(bào)表還可自由設(shè)定，輸出為EXCEL、CSV文件格式，保存到本地計(jì)算機(jī)或者是指定部門的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上，為銷售、采購(gòu)、財(cái)務(wù)、品質(zhì)控制等各部門提供原始數(shù)據(jù)，使管理人員能夠?qū)崟r(shí)掌握和分析生產(chǎn)情況。歷史記錄界面如圖4所示。

圖4 歷史記錄界面

2.1.5 運(yùn)行管理界面

該界面提供了主要設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)間和檢修維護(hù)時(shí)間設(shè)置的窗口，當(dāng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間大于檢修維護(hù)時(shí)間，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警提示，幫助管理人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化管理。運(yùn)行管理界面如圖5所示。

2.1.6 調(diào)試及用戶管理界面

圖5 運(yùn)行管理界面

HITECH-ADP監(jiān)控組態(tài)軟件提供了一套完善的安全機(jī)制，進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，首先要求輸入操作員密碼才能夠進(jìn)入，不同功能的界面需要有操作權(quán)限的操作員才能對(duì)其進(jìn)行操作；為了軟件調(diào)試的要求，界面設(shè)計(jì)配料系統(tǒng)模擬的“料位”、“小料”、“混合”、“秤門”、“秤頭”按鈕，這也是組態(tài)軟件不可缺少的一部分。調(diào)試及用戶管理界面如圖6所示。

2.2 下位機(jī)PLC的軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)PLC編程軟件采用STEP7-Micro/WIN[6]，STEP7-Micro/WIN編程軟件用于S7-200的編程語言梯形邏輯圖（Ladder Logic）、語句表（Statement List）和功能塊圖（Function Block Diagram）都集成在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)軟件包中[7]。下位機(jī)西門子S7-200系列的PLC的軟件設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖6 調(diào)試及用戶管理界面

圖7 下位機(jī)PLC的軟件設(shè)計(jì)

2.3 監(jiān)控組態(tài)軟件與PLC的連接

工作參數(shù)窗口主要負(fù)責(zé)建立系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的連接，只有建立了工作參數(shù)窗口，才能使監(jiān)控組態(tài)軟件從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)加工過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

首先單擊“應(yīng)用窗口”，然后單擊“工作參數(shù)”按鈕，進(jìn)入工作參數(shù)組態(tài)對(duì)話框。在“工作參數(shù)”對(duì)話框中，設(shè)置PWS地址、通訊口/聯(lián)線方式以及Simatic S7-200的預(yù)設(shè)地址/站號(hào)、傳輸數(shù)率、資料位、校驗(yàn)位、停止位等參數(shù)。如圖8所示。

3 結(jié)論

檸條顆粒飼料生產(chǎn)線控制系統(tǒng)根據(jù)檸條顆粒飼料加工生產(chǎn)設(shè)備以及整個(gè)生產(chǎn)工藝要求，據(jù)此提出了整個(gè)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)和各個(gè)子部分的控制方案。實(shí)現(xiàn)了從原料到成品包裝各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的視窗化的操作模式，方便了操作工人的使用，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)化監(jiān)控、數(shù)據(jù)共享等多項(xiàng)要求。解決了原來普遍存在配料控制系統(tǒng)精度不高，穩(wěn)定性欠缺，人機(jī)界面不友好，操作繁瑣，不易掌握，報(bào)表系統(tǒng)簡(jiǎn)單，無法對(duì)配合飼料實(shí)時(shí)監(jiān)控等問題，實(shí)現(xiàn)了既定的設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求。

圖8 監(jiān)控組態(tài)軟件與PLC連接設(shè)置